Az analóg bementi perifériák az egyenfeszültségű vagy egyenáramú analóg bemeneti jelek fogadására és digitalizálására szolgálnak. A periféria részei (4-2. ábra): • a jelformáló áramkörök, • a méréspontváltó (multiplexer), • a programozható erősítő, • az analóg-digitális átalakító (A/D), • a vezérlőegység.
4-2. ábra Tevékenység: Olvassa át figyelmesen a lecke tananyagát és a követelményeknél felsoroltak, illetve a kulcsfogalmak alapján rögzítse a tanultakat! 1.1.
A jelformáló áramkörök
A leggyakoribb jelformáló áramköröket a 4-3. ábra mutatja be.
4-3. 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. 1.2. A méréspontváltó (multiplexer)
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 4-4. ábra mutatja be.
4-4. 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 μsec). A 4-5. ábra egy FET-es, a 4-6. ábra pedig egy relés multiplexert mutat be. Az utóbbi a repülőkondenzátoros kialakításból adódóan galvanikus leválasztást is biztosít.
4-5. ábra
4-6. ábra
1.3. A programozható erősítő
A programozható erősítő (4-7. 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).
4-7. ábra
1.4. 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 ±2,5V, ±5V, vagy ±10V. 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 10μsec, 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
4-8. ábra Ez az átalakító (4-8. ábra) a kompenzációs mérési elv alapján működik. Fokozatosan létrehoz egy jelet (U B ), ezt kivonja a mérendő jelből (U X ) 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 U X értékét, a komparátor átbillen, a vezérlő áramkör lekapcsolja az óragenerátort a számlálóról, melynek tartalma befagy. Ezzel az átalakítás befejeződött: a számláló befagyott tartalma az U X digitális kódja. Az átalakítás ideje függ az átalakítandó feszültség nagyságától, az órajel frekvenciájától, valamint a feszültséglépcsők magasságától. A zavarérzékenység is érzékelhető: ha U X -re zaj szuperponálódik, a komparálás előbb, vagy később következik be, így a digitális érték torzult lesz. A kettős meredekségű (dual slope) integráló A/D
4-9. ábra Az átalakító működési vázlatát a 4-9. ábra mutatja be. Az átalakítás két fázisban megy végbe. Először az integrátor meghatározza a mérendő jel (U X ) fix időre vonatkozó integrál-középértékét (U XI ), majd a második fázisban az integrátor kondenzátorát egy állandó értékű referenciafeszültség (-U ref ) kisüti. A kisütési időtartam impulzusszámban kifejezett értéke az U XI vel arányos digitális jel. Indításkor a K kapcsoló U X -re kapcsolódik. Az integrátor T I ideig U X -et integrálja és kimeneti feszültsége (U k ) T
1 I 1 = Uk = U X dt U XI TI ∫ RC 0 RC értékűre nő (U XI az U X integrál-középértéke). Az integrálás rögzített időtartamának (T I ) leteltekor az integrátor bemenete a -U ref kisütő feszültségre, ugyanekkor az óragenerátor jele a számlálóra kapcsolódik. Amikor a kondenzátor teljesen kisült (U k =0), a nullkomparátor átbillen, ennek hatására a vezérlő áramkör lekapcsolja az órajelet a számlálóról. Kisütéskor az U k korábbi (töltési) végértéke csökken nullára, így írhatjuk, hogy 1 1 U XI TI = U ref TX RC RC
ahol T X a kisütési időtartam. Ebből TX N U XI U= U ref X = ref TI NI
ahol N I a fix integrálási (átlagolási) idő, N X pedig a kisütési idő impulzusszámban kifejezett értéke. Az U ref , és az N I állandó, így U XI arányos N X -szel, vagyis a számlálóban lévő értékkel. A 4-10. ábra a fent leirt folyamatot szemlélteti két különböző értékű átalakítandó feszültségre. Látható, hogy a töltési egyenesek meredeksége U X nagyságától függ, míg a kisütési egyeneseké a U ref által meghatározott állandó. Ez tükröződik az átalakító elnevezésében.
4-10. ábra Ismeretes, hogy egy szinuszos jel egy periódusra számított integrál-középértéke nulla. Ha tehát a T I 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 (T I ) és egy változó (T X ) 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 T X -et. Tipikus átalakítási időként általában T I kétszeresét (40msec) szokás említeni. (Természetesen konkrét esetekben, konkrét adatokkal a pontos érték is meghatározható.) 1.5. 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.
