Лекция 2 (5). Цифроаналоговый преобразователь (цап)
 Скачать 1.07 Mb.
|
|
Лекция 2. Микроконтроллеры работают только с цифровыми сигналами и могут принимать с объекта и выдавать на объект только цифровые двоичные коды. Для выдачи на управляемый объект аналогового сигнала требуется устройство, преобразующее цифровые коды в аналоговый сигнал. Таким устройством является цифроаналоговый преобразователь (ЦАП). Для приема с объекта аналоговых сигналов используется аналого-цифровой преобразователь (АЦП), который вначале преобразует входной аналоговый сигнал в цифровой двоичный код, который затем поступает в микроконтроллер. Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) ЦАП на основе матрицы R-2R. Состоит: Источник опорного напряжения – Uоп Матрица резисторов R-2R Набор ключей – К1-К4. Ключи управляются поступающим на вход ЦАП цифровым двоичным кодом следующим образом – если в разряде 1, ключ подключается к опорному напряжению, если 0, к земле. 
Uвых =  n – количество разрядов (n=4); i – номер текущего разряда (0, 1, 2, 3); ai– значение текущего разряда (0 или 1). Код 1000 Uвых = Uоп/16 (0·20 +0·21 + 0·22+ 1·23) = 8/16Uоп =1/2 Uоп Код 1111 Uвых = Uоп/16 (1·20 +1·21 +10·22+ 1·23) = 15/16Uоп  1- при Uвх > Uос 0 - при Uвх < Uос  АЦП поразрядного уравновешивания (последовательного приближения)   АЦП двухтактного интегрирования        2. СТРУКТУРА И ПРИНЦИП ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ УСТРОЙСТВ НА МИКРОКОНТРОЛЛЕРАХ Несмотря на разнообразие устройств, выполняемых на микропроцессорах (МК) – устройства релейной защиты и автоматики, регистраторы аварийных сигналов, счетчики электрической энергии и др., все они в своей основе имеют общую структуру. На рис.1 представлена структурная схема устройства на микроконтроллере. На вход устройства могут поступать как аналоговые величины, так и дискретные сигналы. Аналоговые величины, такие как температура, давление, расход, напряжение, ток и т.д., предварительно должны пройти определенные этапы преобразования: вначале они преобразовываются в удобную для дальнейшей обработки форму – в электрический сигнал. Для этих целей используются различные датчики: датчики температуры, датчики давления, датчики расхода, датчики тока, датчики напряжения и др. Но значения электрических сигналов на выходах датчиков имеют большой разброс. Так, например, сигнал на выходе датчиков температуры – термопар, составляет десятки милливольт, на выходе датчиков тока – трансформаторов тока, единицы или десятки ампер. Для преобразования их к уровню, удобному для обработки с помощью современных электронных устройств (а это, как правило, сигналы в виде напряжения в несколько вольт) используются различные измерительные преобразователи – ИП. Поскольку микроконтроллер может обрабатывать информацию, представленную только в виде цифровых двоичных кодов, далее аналоговый сигнал должен быть преобразован в цифровой. Эту операцию выполняют аналого-цифровые преобразователи АЦП. Типичным решением стало использовать один АЦП для преобразования нескольких аналоговых сигналов (как правило 8 или 16). Объясняется это сложностью и дороговизной АЦП. Подключение нескольких сигналов к одному АЦП осуществляется с помощью коммутатора аналоговых сигналов.  Рис.8.Структурная схема устройства на микроконтроллере ДА – датчики аналоговых сигналов ДС – датчики дискретных сигналов ИП – измерительные преобразователи КАС – коммутатор аналоговых сигналов АЦП – аналого-цифровой преобразователь МК – микроконтроллер ОЗУ – оперативное запоминающее устройство ПЗУ – постоянное запоминающее устройство С выхода АЦП сигналы по шине данных поступают в микроконтроллер, обрабатываются в соответствии с программой, находящейся в памяти ПЗУ, результаты обработки могут помещаться в оперативную память – ОЗУ для временного хранения или поступать через интерфейс ввода/вывода на внешние устройства для управления или отображения различной информации. Основной отличительной особенностью микропроцессоров является программное управление их функционированием. Это обстоятельство позволяет представлять различные устройства как систему арифметико-логического преобразования информации, содержащейся во входных величинах, и позволяет использовать для ее обработки мощный математический аппарат. Представленная на рис.8 структурная схема лежит в основе многих современных аппаратно-программных комплексов, в частности применяемых в энергетике. К ним можно отнести: - устройства релейной защиты и автоматики; - регистраторы аварийных событий; - автоматизированные информационно-измерительные системы коммерческого учета энергии (АИИС КУЭ); - счетчики электрической энергии и др. Основным элементом этих устройств является микроконтроллер. 3.ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ (ЦОС)  Примем следующие обозначения: u(t) – аналоговый сигнал; U(nT) – последовательность чисел, возникающих в моменты времени t = nT (-  < n < ), где n – целое число;T – период дискретизации (время между двумя соседними выборками); f0 – основная промышленная частота синусоидальных сигналов в ЭС; ω0 =2π f0 – угловая основная частота; T0 = 2 π/ ω0 – период основной частоты; N = T0//T число выборок за период основной частоты. ВЫЧИСЛЕНИЕ ДЕЙСТВУЮЩИХ И СРЕДНИХ ЗНАЧЕНИЙ СИГНАЛОВ. Текущее действующее значение U(t) функции u(t) определяются по известной формуле:  (1)Для дискретизированных цифровых сигналов:  U(1xT), U(2xT), … U(nxT) U(1xT), U(2xT), … U(nxT) U(1xT), U(2xT), … U(nxT) Текущее среднее значение модуля Uср(t) функции u(t) определяются по формуле:  ; (1)Для дискретизированных цифровых сигналов:  В настоящее время разработан мощный математический аппарат для обработки последовательности чисел и решения таких задач, как: Фильтрация ; Гармонический анализ; Определение симметричных составляющих в трехфазной системе и т.д. Следует отметить, что математический аппарат постоянно развивается. Появляются новые методы обработки информации, которые воплощаются в различных микропроцессорных устройствах и в том числе в устройствах релейной защиты и обогащают их новыми техническими возможностями. К ним можно отнести: Вейвлет преобразование; Искусственные нейронные сети; и др. !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! |