12.5 Prevodníky
Signálový prevodník (= vysielač meranej veličiny) slúži pre generovanie jednotného (unifikovaného) signálu z prirodzených signálov vznikajúcich v čidlách
- bloková schéma:
(prevod analógového na číslicový) pretože sa riadiaca technika orientuje na elektronické číslicové spracovanie dát (signál vzorkovaný + kvantovaný)
- veľkosť kvanta určuje rozlišovaciu schopnosť prevodníka
- rozdelenie: - priame – výstupom je priamo počet kvánt ΔUk (kompenzačné, komparačné)
- nepriame – s medziprevodom meranej veličiny Um na čas alebo frekvenciu (kvantuje sa v časovej oblasti) (jednoduchá/dvojitá integrácia, U/f)
Priamy A/Č prevodníky kompenzačného typu porovnávajú merané napätie UM s kompenzačným napätím UK generovaným prírastkovou metódou alebo metódou tzv. postupnej aproximácie. Bloková schéma prevodníkov obsahuje komparátor meraného napätia UM a komparačného napätia UK vzniknutého na odpore RK prechodom prúdu cez štyri váhové odpory odstupňované v každom desiatkovom rade v pomere 8:4:2:1.
Algoritmus prírastkovo pracujúcich A/Č prevodníkov spočíva v prepínaní váhových odporov tak, že v každom takte sa ich hodnota mení o jednotku (t.j. kvantum). Priebeh hodnoty kompenzačného napätia UK preto má tvar rovnomerne rastúcej schodovitej krivky. V okamihu zhody meraného a kompenzačného napätia riadiaci obvod ukončí prívod impulzov pre prepínanie váhových odporov a uloží získaný stav do pamäti zobrazovacej jednotky, vynuluje čítač kvantovacích krokov a zaháji nový takt prevodov.
Priamy A/Č prevodníky komparačného typu je najrýchlejším typom A/Č prevodníkov, pretože prevod je prevedený z jediného taktu. Princíp prevodu spočíva v porovnávaní meranej hodnoty UM s radou referenčných napäťových úrovní odvodených od referenčného napätia UREF na odporovom deliči.
A/Č prevodník s jednotaktnou integráciou ovládaný riadiacim obvodom vyžaduje pre svoju funkciu predovšetkým dva pomocné generátory, a to generátor lineárne rastúceho pílovitého napätia UPIL pre komparáciu s meraným napätím UM a generátor čítaných impulzov. V blokovej schéme je znázornený komparátor oboch napätí, hradlo ovládané klopným obvodom RS, určujúci štart a stop čítania. Na jeho výstup je pripojený čítač sumarizujúci pulzy generátora a zobrazovacia jednotka s registrom a B/D – dekóderom.
časový diagram je znázornený na obrázku. Riadiaci obvod nuluje čítač štartovacím impulzom v čase t0, otvorí hradlo a začne generovať lineárne rastúci signál. Čítač v tom okamžiku začne načítavať pulzy a to až do okamihu zhody meraného a komparačného napätia v čase t1, kde komparátor vygeneruje signál stôp, ktorým uzavrie a hradlo a ukončí v danom takte prevodu čítanie.
←
Animácia
A/Č prevodník s dvojtaktnou integráciou je najdôležitejším typom A/Č prevodníkov, pretože pri obvodovej jednoduchosti je pomerne presný. Bloková schéma obsahuje opäť riadiaci obvod a dva generátory, t.j. generátor meracieho cyklu a generátor čítaných impulzov. V porovnaní s jednotaktným prevodníkom sú v schéme naviac zapojené prvky pre vybíjanie kapacity integračného zosilňovača, t.j. zdroj napätia UREF pre vybíjanie a obvod výberu polarity tohto napätia prepojeného pomocou prepínačov S1 a S2. V počiatočnom stave sú čítač a integrátor vynulované a hradlo uzavreté. 1. takt prevodu, ktorého diagram je na obrázku začína štartovacím impulzom generátora meracieho cyklu, ktorým sa otvorí hradlo a pripojí sa cez spínač S1 merané napätie UM na vstup integrátora.
Tým prebiehajú súčastne tri činnosti: 1.) lineárne rastie výstupné napätie integrátora
2.) otvoreným hradlom vstupujú čítané hodinové impulzy do čítača
3.) výstupné napätie nulového komparátora určuje polaritu meraného napätia a tým definuje polohu prepínača S2
prepojujúceho zdroj referenčného napätia UREF na vstup integrátora pre vybíjanie v 2. takte prevodu.
1. takt je ukončený signálom čítača, ktorým je odmeraná pevná doba integrácie vstupného napätia UM, t.j. časový interval TNAB = konšt. Týmto začne
2. takt činnosť prevodníka, kde sa prepínač S1 prepojí do opačnej polohy a privedie na vstup integrátora cez prepínač S2 vybíjacie napätie UREF požadovanej
polarity.
V tomto druhom takte prebiehajú dve činnosti:
1.) integračný kondenzátor sa lineárne vybíja
2.) vynulovaný čítač sa znovu inkrementuje hodinovými pulzami, a to až do stavu, kedy napätie na integrátore UC = 0 a nulový komparátor čítanie zastaví
Z časového diagramu, v ktorom sú zobrazené priebehy pri dvoch hodnotách UIX U´IX vstupného signálu UM je zrejmé, že doba vybíjania a tým aj počet pulzov na konci druhého taktu je úmerný napätiu integrátora UC na konci prvého taktu. Toto napätie je dané strmosťou nabíjacej krivky zodpovedajúcej veľkosti napätia vstupného signálu UM. Počet pulzov po ukončení druhého taktu prevodu N je preto priamo úmerný vstupnému signálu, t.j. platí lineárna závislosť: N = k.UM
Po vybití kondenzátora C riadiaci obvod zopnutím kontaktu S3 zaistí rovnaké počiatočné podmienky každého nasledujúceho cyklu prevodu. Základnou prednosťou dvojtaktného A/Č prevodníka v porovnaní s jednotaktným je presnosť.
- prevod binárneho kódu na spojitý signál (najčastejšie napätie) → výstup z číslicových riadiacich členov sa mení na signál ovládania spojitých akčných členov, pre analógové ukazovacie meracie prístroje,...
- rozdelenie: - prevodník s váhovými odpormi
- prevodník s odporovou sieťou
Princíp prevodu spočíva v priradení veľkosti prúdu každému dvojkovému číslu. Toto priradenie sa realizuje pomocou referenčného napäťového zdroja a paralelne radených odporov s hodnotami odstupňovanými v dvojkovej sústave tak, ako je znázornené na obrázku.
Váhové prúdy I, 2I, 4I, 8I pre každú dekádu sa cez prepínače S0 až S3, ktorých poloha zodpovedá binárnym hodnotám 0,1 prevádzaného binárneho čísla, pripojí do spoločného uzlu na vstupe invertujúceho sčítacieho zosilňovača. Jeho výstupné napätie UVYST je preto úmerné súčtu prúdov pretekajúcich zopnutými prepínačmi.
Princíp prevodu je v zhode s predchádzajúcim typom založený na sčítaní prúdov odstupňovaných v mocninách dvojky použitím sčítacieho zosilňovača. Realizácia tohto delenia prúdov je ale robená sériovým radením odporových deličov s pomerom 2:1, pričom odporová sieť obsahuje iba dva typy rovnakých odporov s hodnotami R a 2R.
