KURZUS: Számítógépes folyamatirányítás

MODUL: A találkozás

4.3. lecke: A kimeneti perifériák

| Cél: A lecke célja, hogy a tananyag felhasználója megismerje:
a digitális kimeneti perifériák feladatát és alkalmazási területét; az e perifériákban alkalmazott tipikus jelformáló áramköröket; a digitális kimeneti perifériák felépítését és működését; a kétfázisú (ellenőrzött) vezérléskiadás elvét és folyamatát; az analóg kimeneti perifériák feladatát és alkalmazási területét; az e perifériákban alkalmazott tipikus jelformáló áramköröket; a D/A-átalakítás elvét, egy jellegzetes megoldását és a D/A-átalakítók jellemzőit; a demultiplexer és a tartószerv fogalmát, felépítését és működését.
Követelmények: Ön akkor sajátította el megfelelően a tananyagot, ha
el tudja mondani a digitális kimeneti perifériák feladatát és alkalmazási területeit; fel tudja sorolni az itt alkalmazott tipikus jelformáló áramköröket, el tudja mondani funkciójukat; fel tudja rajzolni a digitális kimeneti perifériák felépítését és el tudja mondani működésüket; el tuja mondani a kétfázisú vezérléskiadás elvét, működését, és tisztában van annak korlátozott értékével; fel tudja rajzolni az analóg kimeneti perifériák felépítését és el tudja mondani működésüket; el tudja mondani a D/A átalítás elvét, le tudja rajzolni egy tipikus D/A átalakító működési vázlatát, ismertetni tudja a D/A-átalakítók jellemzőit, meg tudja fogalmazni a demultiplexer és a tartószerv szükségességét, el tudja mondani funkciójukat, felépítésüket és működésüket.
Időszükséglet: 1 óra
Kulcsfogalmak:
digitális kimeneti periféria, kétfázisú vezérléskiadás, analóg kimeneti periféria, D/A átalakító, demultiplexer, tartószerv.
1. A digitális kimeneti perifériák
Fogalmazza meg a digitális kimeneti perifériák feladatát és alkalmazási területeit;
A digitális kimeneti perifériákon keresztül a számítógép a folyamat digitális jelekkel működtethető beavatkozó szervei számára kétállapotú jeleket küld ki. A beavatkozó szervek működtetése - megfelelő jelformálás után - történhet közvetlenül (kis teljesítményigény esetén), vagy közvetve, úgy, hogy a digitális kimenet és a beavatkozó szerv közé valamilyen teljesítményerősítőt (végrehajtó szerv) kapcsolnak. Ez utóbbi már nem tartozik a digitális kimeneti perifériához. A periféria blokkvázlatát az 1. ábra mutatja be:
A digitális kimeneti periféria
1. ábra
A tipikus jelformáló áramkörök (2. ábra):
Digitális kimeneti jelformáló áeamkörök
2. ábra
A periféria belső áramköre egy beíró, egy kiolvasó és egy engedélyező kapuáramkörből, valamint egy adatregiszterből áll. A periféria 1. ábra szerinti kialakítása lehetővé teszi az un. kétfázisú (vagy más néven: ellenőrzött) vezérléskiadást. Az első fázisban (ez az un. vezérlés-előkészítés) a számítógép által kiküldött bitminta a nyitott beíró kapun keresztül bekerül az adatregiszterbe. Ezt követően a kiolvasó kapun át a számítógép visszaolvashatja az adatregiszter tartalmát, és a program ellenőrizheti, hogy az megegyezik-e a kiküldött adattal. Ha igen, akkor a vezérlés érvényre juthat. Ez történik a második fázisban (ez az un. vezérléskiadás), amikor a számítógép a CONTROL-porton kiküldött paranccsal utasítja a vezérlő áramkört az engedélyező kapu kinyitására, így a vezérlőjelek kijuthatnak a folyamatba.
Ebben a kialakításban és mechanizmusban az az óvatosság tükröződik, amely a közvetlen gépi beavatkozást még ma is övezi. Ez persze esetenként indokolt is. A fentebb vázolt megoldás nem kerül semmibe, viszont nem is ér sokat. Az ellenőrzés és a korrigálás együtt: negatív visszacsatolás. A visszacsatolás kedvező hatása viszont csak a hurok elemeire terjed ki. Itt a hurokban lényegében csak a rendszerbusz van. Nos, ha az adat már a rendszerbuszon megsérül, a számítógépet ki lehet dobni. Az igazi, érdemi ellenőrzés az (és kritikus esetekben ezt is csinálják), ha a jelet közvetlenül a - gyakran több száz méterre levő - beavatkozó szerv bemenetéről olvassák vissza. Ez azonban már nem úszható meg ilyen olcsón. A jeleket külön vezetékeken kell visszahozni, és kell egy külön digitális adatbemenet a fogadásukra. A vezérlés érvényre jutását pedig szintén a beavatkozó szerveknél kell engedélyezni.
2. Az analóg kimeneti perifériák
Rajzolja fel az analóg kimeneti perifériák felépítését és mondja el működésüket.
Az analóg kimeneti perifériák a folyamat analóg jelet igénylő beavatkozó szerveit működtetik. A kimeneti analóg jel típusa (feszültség, vagy áram) a jelformáló áramkörök megfelelő kialakításával állítható be. A jelformáló áramkörök lehetnek feszültség-áram, áram-feszültség átalakítók, vagy szinteltoló áramkörök (feszültség-kimenet esetén). A 3. ábra egy egycsatornás analóg kimeneti perifériát ábrázol.
Egycsatornás analóg kimenet
3. ábra
Az ábrából látható, hogy az analóg kimenet egy digitális kimenet D/A átalakítóval és egy alkalmas jelformálóval való egyszerű kiegészítése. A D/A átalakítástól eltekintve működése is teljes egészében azonos a digitális kimenetével.
Mondja el a D/A átalítás elvét, rajzoljon fel egy tipikus D/A átalakító működési vázlatát, fogalmazza meg a D/A-átalakítók jellemzőit,
A D/A átalakító az adatregiszterben megjelenő digitális kódot (szám) alakítja át feszültséggé, vagy árammá (analóg jel). A feszültség kimenetű D/A-k lehetnek egy-polaritásúak, vagy két-polaritásúak. A tipikus kimeneti feszültségtartományok: 0...5V, 0...10V, illetve ą5V, vagy ą10V. Az áramkimenetűek 0...20mA, vagy 4...20mA tartományba eső áramot generálnak. A adatregiszter szokásosan 8, 10, 12 bites, tartalma egy-polaritású átalakító esetén pozitív egész számnak értelmeződik, két-polaritású D/A-nál - az átalakító működésétől függően - abszolútértékes előjeles, egyes komplemens, vagy kettes komplemens kódú számként értelmezhető.
A D/A átalakítás elve az, hogy az átalakító bináris helyértékek szerint súlyozott részjelekből állítja elő az analóg jelet. Például jól meghatározott értékű áramkomponensek összegzésével létrehoz egy eredő áramot, amely egy ellenálláson átfolyva feszültséget kelt: ez a D/A kimeneti jele. Egy áramkomponens csak akkor vesz részt az összegzésben, ha a bináris kódszóban a neki megfelelő helyértéken 1-es áll (4. ábra).
A D/A átalakítás elve
4. ábra
Az ábra alapján
I= b 0 I 0 2 n−1 + b 1 I 0 2 n−2 +...+ b n−1 I 0 ,
ahol bi a szám i-edik helyen álló bitjének értéke.
Egy konkrét megoldást az 5. ábra mutat be.
Egy D/A átalakító
5. ábra
Az áramkomponensek sorozata (mértani sorozat) egy I0 áramból és annak binárisan kerek számú törtrészeiből áll, Uref egy stabilizált referenciafeszültség, I0=Uref/R. Az ellenállás-ágak kapcsolói általában FET-es kapcsolók, amelyeket az adatregiszter egyes bitjeinek logikai szintjei vezérelnek. Az átalakítás pontossága a referenciafeszültség stabilitásától és az ellenállások pontosságától függ. A működés igen gyors, az átalakítási idő ľsec nagyságrendű.
Többcsatornás analóg kimeneti periféria is kialakítható (6. ábra).
Többcsatornás analóg kimenet
6. ábra
Ilyenkor a D/A kimeneti jele egy kimeneti kapcsolón (demultiplexer) keresztül jut a megfelelő kimeneti csatornára. A demultiplexer (a multiplexer inverze) olyan rendszertechnikai elem, melynek egy bemenete és több, címezhető kimenete van, és a bemeneti jel mindig az aktuálisan megcímzett kimenetre kapcsolódik (7. ábra).
A demultiplexer elvi sémája
7. ábra
A demultiplexerek áramköri kialakítása a multiplexerekéhez hasonló (lásd korábban).
A folyamat analóg működtetésű beavatkozó szervei általában folyamatos jelet igényelnek. A többcsatornás kimeneti perifériák D/A átalakítója azonban csak rövid ideig kapcsolódik egy csatornára, hiszen időben egymás után, (ciklikusan) több csatornát kell kiszolgálnia. Ezért az átalakítás szüneteire a jel fenntartásáról csatornánként gondoskodni kell. Ez az un. tartószerv feladata. A tartószerv lehet a beavatkozó szerv része is, de ha ott nincs, akkor a periférián kell elhelyezni. A tartószerv (analóg memória) a legegyszerűbb esetben egy kondenzátor, amely az átalakítás ideje alatt a D/A kimenetén keresztül feltöltődik, majd átkapcsolódik a csatorna-kimenetre és tartja a feszültséget. Megjegyezzük, hogy a repülőkondenzátoros kialakítású demultiplexer egyben tartószerv is.
A többcsatornás analóg kimeneti kártyákon az aktuális csatorna kiválasztása (a demultiplexer vezérlése) a vezérlő áramkör feladata.
Lépjen ki a tananyagból! Gondolja át a lecke tartalmát, rekonstruálja a szerkezetét! Vegyen elő egy lapot és írja le a lecke vázlatát! Ne sajnálja az erre fordított időt! Ha gondosan megcsinálja, már majdnem tudja is az anyagot.

| Önellenőrző kérdések
1. Mondja el a digitális kimeneti periféria feladatait és mondja el alkalmazási területeit!
2. Sorolja fel a digitális kimeneteknél alkalmazott tipikus jelformáló áramköröket!
3. Mondja el a digitális kimenetek felépítését és működését! Azonosítsa funkcionális elemeiket az alábbi ábrán, a megfelelő szám beírásával! adatregiszter beíró kapu engedélyező kapu jelformáló áramkör kiolvasó kapu periféria vezérlő
4. Fogalmazza meg a kétfázisú (ellenőrzött) vezérléskiadás elvét és mondja el korlátait!
5. Mondja el az analóg kimeneti periféria feladatait és mondja el alkalmazási területeit!
6. Sorolja fel az analóg kimeneteknél alkalmazott tipikus jelformáló áramköröket!
7. Mondja el az analóg kimenetek felépítését és működését! Azonosítsa funkcionális elemeiket az alábbi ábrán, a megfelelő szám beírásával! D/A átalakító demultiplexer jelformáló áramkör tartószerv
8. Mondja el a D/A átalakítók feladatát, sorolja fel jellemzőiket, és saját készítésű rajzzal illusztrálva mondja el alaptípusuk működését!
9. Egy, az 5. ábra szerinti, 8-bites D/A átalakító referencia-feszültsége 10 V, alapellenállása: R=1000 ohm. Mekkora kimeneti feszültség (analóg jel) jelenik meg az 11100000 digitális érték átalakítása után?
| 8.15 V
| 8.32 V
| 8.75 V
| 9.86 V
10. Mondja el a demultiplexer és a tartószerv feladatát és megvalósítási formáit!