KURZUS: Számítógépes folyamatirányítás

MODUL: A találkozás

4.1. lecke: Az analóg bemeneti perifériák

| A számítógép és a külvilág találkozási pontjai a perifériák. Az idők során a perifériáknak három nagy családja alakult ki. A számítógép és az ember (kezelő) kapcsolatát az un. hagyományos (vagy más néven: géptermi) perifériák biztosítják. Ide tartoznak pl. a nyomtatók, monitorok, billentyűzetek, egerek, stb., de ide szokás sorolni a háttértárakat is. A második csoportot a számítógépek egymással való összekapcsolását lehetővé tevő un. hálózati (vagy: kommunikációs) perifériák alkotják. Végül a harmadik csoport a minket itt most egyedül érdeklő folyamatperifériák csoportja, amely a számítógép és a folyamat jel-illesztését biztosító eszközökből áll.
A folyamatperifériák megjelenésüket tekintve nem formatervezett csodák, hanem szabványos méretű, nyomtatott-áramköri kártyák, amelyek csatlakozósorokkal felszerelt rack-szekrényekbe helyezhetők. Rendszerint többcsatornás kivitelűek, ami azt jelenti, hogy egy kártya nem egy, hanem több (olykor sok) azonos típusú jelet kezel. Általános, elvi felépítésüket az 1. ábra mutatja be.
A folyamatperiféria elvi sémája
1. ábra
A vezérlő áramkör a periféria vezérlő egysége (control unit), amely tartalmaz egy címfelismerő áramkört, magába foglalja a periféria STATUS- és CONTROL-portját, valamint tatalmaz egy olyan logikai hálózatot, amely a CONTROL-porton át érkező parancsok dekódolásával kártya-szintű, belső vezérlőjeleket állít elő.
A kártya jelillesztő és jelátalakító funkcióját (ez a periféria voltaképpeni feladata) a belső áramkör valósítja meg. Ez a periféria konkrét fajtájának megfelelő áramkörökből épül fel.
A jelformáló áramkörök, melyeket néha külön kártyán helyeznek el, a folyamatból érkező, illetve az oda kiküldendő jelek villamos illesztését biztosítják, illetve a jeleken bizonyos kisebb módosításokat hajtanak végre.
A folyamatperifériákat az általuk kezelt folyamatjeleknek megfelelően négy nagy csoportba soroljuk:
az analóg bemeneti perifériák, a digitális bemeneti perifériák, a digitális kimeneti perifériák és az analóg kimeneti perifériák
csoportjába. Az alábbiakban velük fogunk közelebbről megismerkedni.
Cél: A lecke célja, hogy a tananyag felhasználója
megismerje az analóg bemeneti perifériák feladatát, alkalmazási területét és általános felépítését; megismerje az e perifériákban alkalmazott tipikus jelformáló áramköröket; megismerje a multiplexer fogalmát, feladatát, felépítését és működését; megismerje a programozható erősítő feladatát és felépítését; megismerje az A/D átalakítók feladatát, bemeneti, kimeneti és átalakítási (működési) jellemzőit, valamint két jellegzetes típusát; megismerje az analóg bemeneti perifériák vezérlő áramkörének specifikus funkcióit.
Követelmények: Ön akkor sajátította el megfelelően a tananyagot, ha
el tudja mondani az analóg bemeneti perifériák feladatát és fel tudja vázolni általános felépítésüket és ismertetni tudja működésüket; fel tudja sorolni és rajzolni az itt alkalmazott tipikus jelformáló áramköröket, el tudja mondani funkciójukat; el tudja mondani a multiplexer feladatát és fel tudja rajzolni relés és félvezetős kapcsolókkal kialakított változatukat; el tudja mondani a programozható erősítő szerepét és fel tud vázolni egy ilyen erősítőt; el tudja mondani az A/D átalakítók feladatát, fel tudja sorolni (valós adatokkal) bemeneti, kimeneti és átalakítási jellemzőiket; fel tudja rajzolni a D/A-visszacsatolásos és az integráló A/D vázlatát és el tudja mondani működésüket; el tudja mondani a vezérlőegység konkrét funkcióit.
Időszükséglet: 2 óra
Kulcsfogalmak:
jelformáló áramkör, multiplexer, programozható erősítő, A/D átalakító, gyors A/D, integráló A/D.
Az analóg bementi perifériák az egyenfeszültségű, vagy egyenáramú analóg bemeneti jelek fogadására és digitalizálására szolgálnak.
Jegyzetfüzetébe vázolja fel az analóg bemeneti periféria felépítését, fogalmazza meg mi a feladata, és mondja el működésüket!
A periféria részei (2. ábra):
a jelformáló áramkörök, a méréspontváltó (multiplexer), a programozható erősítő, az analóg-digitális átalakító (A/D), a vezérlőegység.
Az analóg bemeneti periféria
2. ábra
1. A jelformáló áramkörök
Jegyzetfüzetébe rajzolja le az itt alkalmazott tipikus jelformáló áramköröket, sorolja fel és mondja el funkciójukat;
A leggyakoribb jelformáló áramköröket a 3. ábra mutatja be.
Analóg bemeneti jelformáló áramkörök
3. ábra
Áram-feszültség átalakító akkor szükséges, ha a folyamatjel áram, az A/D átalakító pedig feszültség-bemenetű. A feszültségosztók a nagyszintű feszültségjelek leosztására szolgálnak. Az egyszerű R-C szűrők a nagyfrekvenciás zavarjeleket szűrik, a feszültségtüskéket vágják le. Ellenállás-jelet általában mérőhídban szokás mérni. Az érzékelő-ellenállás természetesen kint van a folyamatban, de a mérőhíd többi ellenállása, valamint a tápforrás jelformáló áramkörként a periféria-kártyán is elhelyezhető. A mérőhíd kimenetén az érzékelő ellenállással arányos feszültség jelenik meg. Egyes jelformáló áramkörök kombinálhatók egymással, így még több változat is elképzelhető.
2. A méréspontváltó (multiplexer)
Fogalmazza meg mi a multiplexer feladata, és rajzolja fel jegyzetfüzetébe a relés és félvezetős kapcsolókkal kialakított változatukat:
A multiplexer olyan rendszertechnikai elem, amely több címezhető bemenettel és egy kimenettel rendelkezik, és a kimenetre mindig egy - az éppen megcímzett - bemenet jele kapcsolódik. Elvi vázlatát a 4. ábra mutatja be.
A multiplexer elvi sémája
4. ábra
Multiplexereket azért alkalmaznak, hogy ne kelljen minden analóg csatornába külön erősítőt és A/D átalakítót beépíteni. Ez a megoldás egyrészt költség- és helykímélő hatású, másrészt, egy csatorna jelének digitalizálására csak akkor van szűkség, ha a számítógép éppen vele foglalkozik, így a sok A/D nagy részben kihasználatlan (mondhatni: teljesen fölösleges) lenne.
A multiplexerek bármilyen vezérelhető kapcsolóval megvalósíthatók. Tipikusan relés, vagy FET-es megoldásokat alkalmaznak. A relés kapcsolók jobb minőségűek (kisebb átmeneti ellenállás zárt, illetve nagyobb ellenállás nyitott állapotban), viszont nagyok, rázkódás-érzékenyek, és lényegesen lassúbbak (kapcsolási idejük: 1...2 msec). Az elektronikus kapcsolók (általában FET-ek) ellenállás-értékei kb. egy nagyságrenddel rosszabbak, viszont lényegesen gyorsabbak (kapcsolási idejük néhány ľsec). Az 5. ábra egy FET-es, a 6. ábra pedig egy relés multiplexert mutat be. Az utóbbi a repülőkondenzátoros kialakításból adódóan galvanikus leválasztást is biztosít.
FET-es multiplexer
5. ábra
Relés multiplexer
6. ábra
3. A programozható erősítő
A leckerész áttanulmányozása után, mondja el a programozható erősítő szerepét és rajzolja le jegyzetfüzetébe egy lehetséges áramköri megvalósítását.
A programozható erősítő (7. ábra) lényegében egy méréshatárváltó, melynek feladata a multiplexer kimenetén megjelenő különböző feszültségszintű jelek illesztése az A/D átalakító bemeneti feszültségtartományához. (A mutatós műszerek leolvasásához hasonlóan az A/D átalakítás is pontosabb, ha az átalakító bemeneti feszültségtartománya jól ki van használva.) A programozható erősítőket úgy alakítják ki, hogy egy műveleti erősítő visszacsatoló ágába több, kapcsolható ellenállást iktatnak. Az ellenállások decimális, vagy bináris nagyságrendi sorozatot alkotnak. Az aktuális erősítési tényezőt az éppen bekapcsolt visszacsatoló ellenállás értéke szabja meg. A programozható erősítő egyúttal biztosítja a feszültség-bemenetű A/D átalakítók feszültséggenerátoros meghajtását is (leválasztó funkció, impedancia-illesztés).
Programozható erősítő
7. ábra
4. Az A/D átalakító
Az A/D átalakító az analóg input perifériák legfontosabb műveleti eleme, amely az analóg jel digitalizálását (bináris kóddá alakítását) végzi el.
Az A/D átalakítók általában feszültség-bemenetűek, vagyis csak előírt intervallumba eső feszültséget tudnak átalakítani. Vannak egy- és két-polaritású A/D-k. Az egypolaritású A/D bemenetére csak egyféle feszültség kapcsolható és a kimeneten megjelenő digitális kód csak az analóg jel nagyságát adja meg. A kétpolaritású A/D-k bemenetére mindkét irányú feszültség kapcsolható, a kimeneti bináris kód pedig az előjelet is megadja.
A bemeneti feszültségtartomány:
egypolaritású átalakítóknál 0...5V, illetve 0...10V, a kétpolaritásúaknál ą2,5V, ą5V, vagy ą10V.
Az A/D kimeneti jellemzői:
a szolgáltatott digitális kódszó hossza (bitszáma) és kódolási formája.
Minél nagyobb a kimeneti szóhosszúság, annál nagyobb (finomabb) az A/D felbontása. Például 8-bites szó esetén 256 különböző kódszó (szám) generálható, 10-bites szónál már 1024. Ez azt jelenti, hogy egy egypolaritású, 0...10V bemeneti feszültségtartományú A/D 8-bites kimenet esetén csak két olyan feszültségértéket tud megkülönböztetni (vagyis különböző számmal jelölni), melyek különbsége 10/256 V-nál nagyobb. 10-bites kimenet esetén a megkülönböztethető feszültségértékek minimális különbsége már csak 10/1024 V.
A kétpolaritású A/D átalakítók a kimeneti digitális értéket előállíthatják
abszolutértékes-előjelbites, egyes komplemens, kettes komplemens, vagy eltolt nullpontú bináris
kódban. Leggyakoribb a kettes komplemens kód alkalmazása, mert ez a számítógép belső számábrázolásával kompatibilis. (Nagyon ritkán előfordulnak BCD-kimenetű A/D átalakítók is.)
Az A/D átalakítókat működési módjuk szerint két csoportba sorolhatjuk. Vannak a pillanatértékre érzékeny (un. gyors) A/D-k és az átlagértékre érzékeny (un. integráló) A/D-k. A gyors átalakítók konverziós ideje néhányszor 10ľsec, míg az integrálóké néhányszor 10msec. Az utóbbiak tehát kb. három nagyságrenddel lassúbbak. Ugyanakkor a gyors A/D-k igen zavarérzékenyek, míg az integráló típusúak lassan, de megbízhatóan dolgoznak, bizonyos frekvenciájú zavarokat teljesen kiküszöbölnek (az integrálás szűrőhatása érvényesül). Az alábbiakban bemutatjuk a két típus egy-egy jellegzetes és gyakori képviselőjét.
A D/A-visszacsatolásos (gyors) A/D
D/A-visszacsatolásos A/D
8. ábra
Ez az átalakító (8. ábra) a kompenzációs mérési elv alapján működik. Fokozatosan létrehoz egy jelet (UB), ezt kivonja a mérendő jelből (UX) és egy nullindikátorral érzékeli a különbség eltűnését. Ekkor a létrehozott jel megegyezik a mérendővel (értéke a mérendő jel értékét képviseli).
Indításkor a vezérlő áramkör törli a számlálót, majd rákapcsolja az órajelet. A számláló számolja az impulzusokat, tartalmát pedig a D/A átalakító feszültséggé konvertálja. Így a B ponton időben lépcsőzetesen növekvő feszültség jelenik meg. Ha ez eléri az UX értékét, a komparátor átbillen, a vezérlő áramkör lekapcsolja az óragenerátort a számlálóról, melynek tartalma befagy. Ezzel az átalakítás befejeződött: a számláló befagyott tartalma az UX digitális kódja. Az átalakítás ideje függ az átalakítandó feszültség nagyságától, az órajel frekvenciájától, valamint a feszültséglépcsők magasságától. A zavarérzékenység is érzékelhető: ha UX-re zaj szuperponálódik, a komparálás előbb, vagy később következik be, így a digitális érték torzult lesz.
A kettős meredekségű (dual slope) integráló A/D
Kettős meredekségű integráló A/D
9. ábra
Az átalakító működési vázlatát a 9. ábra mutatja be. Az átalakítás két fázisban megy végbe. Először az integrátor meghatározza a mérendő jel (UX) fix időre vonatkozó integrál-középértékét (UXI), majd a második fázisban az integrátor kondenzátorát egy állandó értékű referenciafeszültség (-Uref) kisüti. A kisütési időtartam impulzusszámban kifejezett értéke az UXI-vel arányos digitális jel.
Indításkor a K kapcsoló UX-re kapcsolódik. Az integrátor TI ideig UX-et integrálja és kimeneti feszültsége (Uk)
U k = 1 R C ∫ 0 T I U X d t= 1 R C U X I T I
értékűre nő (UXI az UX integrál-középértéke). Az integrálás rögzített időtartamának (TI) leteltekor az integrátor bemenete a -Uref kisütő feszültségre, ugyanekkor az óragenerátor jele a számlálóra kapcsolódik. Amikor a kondenzátor teljesen kisült (Uk=0), a nullkomparátor átbillen, ennek hatására a vezérlő áramkör lekapcsolja az órajelet a számlálóról. Kisütéskor az Uk korábbi (töltési) végértéke csökken nullára, így írhatjuk, hogy
1 R C U X I T I = 1 R C U r e f T X
ahol TX a kisütési időtartam. Ebből
U X I = U r e f T X T I = U r e f N X N I
ahol NI a fix integrálási (átlagolási) idő, NX pedig a kisütési idő impulzusszámban kifejezett értéke. Az Uref, és az NI állandó, így UXI arányos NX-szel, vagyis a számlálóban lévő értékkel. A 10. ábra a fent leirt folyamatot szemlélteti két különböző értékű átalakítandó feszültségre. Látható, hogy a töltési egyenesek meredeksége UX nagyságától függ, míg a kisütési egyeneseké a -Uref által meghatározott állandó. Ez tükröződik az átalakító elnevezésében.
Az átalakítás időszeletei
10. ábra
Ismeretes, hogy egy szinuszos jel egy periódusra számított integrál-középértéke nulla. Ha tehát a TI integrálási időt úgy állítjuk be, hogy az a mérendő feszültségre szuperponálódó szinuszos zavarjel periódusidejével megegyezzen, akkor az integrálás teljes egészében kiszűri a zavart. Minthogy a folyamatirányításban az egyik leggyakoribb zavartípus a hálózati eredetű zavar, ha az integrálási időt 20msec-nak (az 50Hz reciproka) választjuk, a hálózati zavarok felharmonikusaikkal együtt teljesen kiszűrhetők. Ezért ezt a fajta átalakítót - lassúsága ellenére - nagyon gyakran alkalmazzák.
Az integráló A/D átalakítási ideje egy állandó (TI) és egy változó (TX) időtartam összege. A változó komponens függ a mérendő jel és a referenciajel nagyságától. A mérendő jel növekedése növeli (nagyobb értékről indul a kisütés), a referenciafeszültség növelése csökkenti (meredekebb kisütési egyenesek) a TX-et. Tipikus átalakítási időként általában TI kétszeresét (40msec) szokás említeni. (Természetesen konkrét esetekben, konkrét adatokkal a pontos érték is meghatározható.)
5. A vezérlőegység
A vezérlőegység feladata a számítógépből érkező parancsok kártya-szintű végrehajtása, illetve a periféria állapot-információinak előállítása. Az egység a CONTROL-porton keresztül megkapja az aktuális csatorna-számot (multiplexer-cím) és a beállítandó erősítés-értéket. Ezek alapján bekapcsolja a kívánt multiplexer-bemenetet és a megfelelő erősítő-ellenállást. Elindítja az A/D átalakítást, majd annak befejeztével az állapotport READY-bitjét beállítva jelzi a digitalizált jel rendelkezésre állását.
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 az analóg bemeneti perifériák feladatát és azonosítsa funkcionális elemeiket az alábbi ábrán, a megfelelő szám beírásával! A/D átalakító jelformáló áramkör multiplexer periféria vezérlő programozható erősítő
2. Kövesse végig egy csatorna jelének sorsát, miközben áthalad az analóg bemeneti periférián! Hol, mi történik vele?
3. Sorolja fel az analóg bemeneteknél alkalmazott tipikus jelformáló áramköröket és mondja el szerepüket.
4. Mondja el a multiplexer fogalmát és rajzolja fel elvi felépítését! Mondjon példát gyakorlati megvalósításukra!
5. Mondja el a programozható erősítő szerepét és rajzolja le egy lehetséges áramköri megvalósítását!
6. Válassza ki a helyes állításokat!
| A jelformáló áramkör lehet egyszerű átkötés is.
| Egy csatornába több jelformáló áramkör is beépíthető.
| Az R-C szűrő típusú jelformáló alkalmazása szükségtelenné teszi a jel további, digitális szűrését.
| A multiplexer kimenetére egyidejűleg több csatorna jele is rákapcsolható, megteremtve így a párhuzamos feldolgozás lehetőségét.
| Az elektronikus multiplexer lényegesen gyorsabb működésű, mint a relés változat.
| A programozható erősítő erősítése nem lehet 1-nél kisebb.
| A programozható erősítő a méréstartomány beállítása mellett az A/D feszültséggenerátoros meghajtását is biztosítja.
| A periféria vezérlő csak a csatorna-kijelölést és az erősítés beállítását végzi.
7. Mondja el az A/D átalakítók feladatát, sorolja fel jellemzőiket, és saját készítésű rajzzal illusztrálva mondja el két alaptípusuk működését!
8. Mekkora egy 0,...,10 V bemeneti feszültségtartományú, egypolaritású, 8-bites A/D átalakító felbontása (két megkülönböztethető bemeneti feszültség különbségének minimális értéke)?
| 30 mV
| 39 mV
| 40 mV
| 51 mV
9. Az előző feladat A/D átalakítójára 3 V bemeneti feszültség érkezik. Mi lesz a kimeneti kód?
| 01001001
| 01001101
| 01001110
| 01001111