Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Kanały automatyki i przetwarzanie
Kanały automatyki i przetwarzanie
sygnałów
sygnałów
Układy wyjściowe
Układy wyjściowe
Układ wyjść analogowych
Układ wyjść analogowych
yj g y
yj g y
Układ wyjść cyfrowych
Układ wyjść cyfrowych
Układy wejściowe
Układy wejściowe
Ukł djś i
Ukł djś i
Układ wejść analogowych
Układ wejść analogowych
Układ wejść cyfrowych
Układ wejść cyfrowych
Zegar cyfrowy
Zegar cyfrowy
Zegar cyfrowy
Zegar cyfrowy
Urządzenie sterujące
Urządzenie sterujące
Kanał automatyki (1)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Kanał automatyki układy wyjść
Kanał automatyki układy wyjść
Kanał automatyki  układy wyjść
Kanał automatyki  układy wyjść
Jednostka sterująca
Jednostka sterująca
Z
E
E
Urządzenie sterujące - US
G
A
R
R
Blok wyjść
Blok wyjść
Blok wejść
Blok wejść
analogowych
g y
cyfrowych
cy o yc
analogowych
analogowych
cyfrowych
cyfrowych
Obiekt  proces sterowany
Kanał automatyki (2)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Układ wyjść analogowych
Układ wyjść analogowych
Układ wyjść analogowych
Układ wyjść analogowych
Ukł d jść lh
Układ wyjść analogowych
Zadanie polega na przetworzeniu sygnału z kanału we/wy jednostki
centralnej na sygnał napięciowy wprowadzany na wejście analogo-
t l j ł i i d jś i l
wego elementu nastawczego, zaadresowanego przez jednostkę cen-
tralną, a następnie utrzymanie tego syg pojawienia się
p y g ygnału do chwili p j
nowego sygnału cyfrowego.
Układ wyjść analogowych umożliwia:
" sterowanie zmiennych procesowych typu ciągłego przy
wykorzystaniu analogowych elementów nastawczych
" sterowanie przyrządów wskazujących i rejestrujących typu
analogowego
Kanał automatyki (3)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Struktura z przetwornikami c/a
Struktura z przetwornikami c/a
Struktura z przetwornikami c/a
Struktura z przetwornikami c/a
Deszyfrator adresów Układ sterujący
Deszyfrator adresów Układ sterujący
Z kanału
Magistrala danych
we/wy
Układ Układ
Układ Układ
bramkujący bramkujący
Rejestr wejściowy Rejestr wejściowy
Przetwornik C/A Przetwornik C/A
R j t t l
Rejestrator analogowy
Wi
Wzmacniacz mocy
El t k
Element wykonawczy
Kanał automatyki (4)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Układy wyjściowe
Układy wyjściowe
Układy wyjściowe
Układy wyjściowe
Przetworniki C/A
Elementy z we cyfrowym i wy analogowym generujące dla
yy y y g y g j
każdego sygnału we cyfrowego jedną wartość napięcia wy
proporcjonalną do wartości liczbowej sygnału cyfrowego.
p p j j g g
Elementy przetwornika C/A:
deszyfrator rezystancyjny
deszyfrator rezystancyjny
układ przełączników analogowych
z
ródło sygnału odniesienia
wzmacniacz separujący wyjście
Kanał automatyki (5)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Schemat przetwornika c/a
Schemat przetwornika c/a
Schemat przetwornika c/a
Schemat przetwornika c/a
y
ródło sygnału
y
ródło sygnału
Deszyfrator Wzmacniacz
Deszyfrator Wzmacniacz
odniesienia
rezystancyjny separujący
Napięcie
&
wyjściowe
wyjściowe
Układ przełączników
analogowych
g y
Rejestr wejściowy
Sygnał cyfrowy
Sygnał cyfrowy
Kanał automatyki (6)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Deszyfrator drabinkowy
Deszyfrator drabinkowy
Deszyfrator drabinkowy
Deszyfrator drabinkowy
Zależności:
n
U0
Uwy = Ak 2-k
"
1+ 0 5a
1+ 0,5a
k 1
k =1
Gwy
a =
G
Kanał automatyki (7)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Przełączniki analogowe i z
ródła
Przełączniki analogowe i z
ródła
Przełączniki analogowe i z
ródła
Przełączniki analogowe i z
ródła
Typy stosowanych przełączników:
diodowe
diodowe
z tranzystorami bipolarnymi
z tranzystorami polowymi
y
ródła sygnału odniesienia
y
ródła sygnału odniesienia
Stosuje się układy ze stabilizacją temperatury
i dryftu zera.
Kanał automatyki (8)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Układ sterujący blokiem wyjść analog
Układ sterujący blokiem wyjść analog
Układ sterujący blokiem wyjść analog.
Układ sterujący blokiem wyjść analog.
Zadania układu sterującego blokiem wyjść analogowych:
p yj j p j j y
przyjmuje i przechowuje w swoich rejestrach rozkazy
i dane z kanału we/wy
p w d d J p yjęcw d yc
potwierdza do JC przyjęcie rozkazów i danych
sygnalizuje JC stan zajętości
d d i t l dh
wprowadza dane na magistralę danych
po zakończeniu przetwarzania melduje przerwaniem JC
powrót do stanu gotowości
Kanał automatyki (9)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Układ wyjść cyfrowych
Układ wyjść cyfrowych
Układ wyjść cyfrowych
Układ wyjść cyfrowych
Z d i iik bli ń ł d k ł
Zadanie - przetworzenie wyniku obliczeń przesyłanego do kanału
we/wy na:
sygnał cyfrowy wprowadzany na wskaz
niki cyfrowe lub
yg yy p y y
elementy nastawcze z wejściem cyfrowym i utrzymanie tego
sygnału do momentu pojawienia się nowego sygnału
na sygnał binarny
na sygnał binarny
Układy wyjść cyfrowych mogą generować:
ciąg impulsów binarnych
pojedynczy impuls
rolę elementów pamięci spełniają rejestry o długości jednego
słowa
słowa
stosuje się wyjścia izolowane galwanicznie
Kanał automatyki (10)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Struktura układu wyjść cyfrowych
Struktura układu wyjść cyfrowych
Struktura układu wyjść cyfrowych
Struktura układu wyjść cyfrowych
Adresy rejestrów
Deszyfrator adresów Układ sterujący
Deszyfrator adresów Układ sterujący
Z kanału
Magistrala danych
we/wy
Układ
Układ
Układ Układ
Układ Układ
bramkujący
bramkujący bramkujący
Rejestr wejściowy Rejestr wejściowy
Rejestr wejściowy
&
&
&
Cewka Cewka
Wskaz
nik cyfrowy
Informacja globalnie
j g
znacząca
Informacja bitowo
znacząca
Kanał automatyki (11)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Układ sterujący blokiem wyjść cyfr
Układ sterujący blokiem wyjść cyfr
Układ sterujący blokiem wyjść cyfr.
Układ sterujący blokiem wyjść cyfr.
Zadania układu sterującego blokiem wyjść cyfrowych:
przyjmuje i przechowuje w swoich rejestrach rozkazy i dane z
k ł /
kanału we/wy
potwierdza do jednostki centralnej przyjęcie rozkazów i danych
sygnalizuje jednostce centralnej stan zajętości
li j j d l j j ś i
wprowadza adresy rejestrów wyjść do deszyfratora adresów
wprowadza dane na magistralę danych
d d d
generuje wymagane sekwencje sygnałów
sprawdza poprawność danych np. poprzez kontrolę parzystości
po zakończeniu przetwarzania melduje przerwaniem jednostce
centralnej powrót do stanu gotowości
l j ó d ś i
Kanał automatyki (12)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Kanał automatyki układy wejść
Kanał automatyki układy wejść
Kanał automatyki  układy wejść
Kanał automatyki  układy wejść
Jednostka sterująca
Jednostka sterująca
Z
E
E
Urządzenie sterujące - US
G
A
R
R
Blok wyjść
Blok wyjść
Blok wejść
Blok wejść
analogowych
g y
cyfrowych
cy o yc
analogowych
analogowych
cyfrowych
cyfrowych
Obiekt  proces sterowany
Kanał automatyki (13)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Blok wejść analogowych
Blok wejść analogowych
Blok wejść analogowych
Blok wejść analogowych
Z d i kł d j kli i l
Zadaniem układu jest cykliczne przetwarzanie analogo-
wych sygnałów wyjściowych z układu pomiarowo-
przetwarzającego na sygnały cyfrowe wprowadzane do
przetwarzającego na sygnały cyfrowe wprowadzane do
jednostki centralnej lub pamięci.
Trudności realizacyjne układów wejść analogowych są
Trudności realizacyjne układów wejść analogowych są
bardzo duże. Jakość pracy zależy tez w dużej mierze od
jakości czujników i przetworników pomiarowych.
Układy we analogowych dzieli się na:
Niskonapięciowe  do 1V
Niskonapięciowe  do 1V
Wysokonapięciowe  powyżej 1V
Kanał automatyki (14)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Struktura bloku wejść analogowych
Struktura bloku wejść analogowych
Struktura bloku wejść analogowych
Struktura bloku wejść analogowych
Przetwornik Modyfikator sygnału
Czujnik
M
Przetwornik
U 1 2
analogowi-cyfrowy
L
T
I
Do komputera
P
sterującego
sterującego
L
E
K
Układ sterujący
Układ sterujący
S
E
R
1  wzmacniacz niskonapięciowy
p ę y
2  wzmacniacz próbkująco-zapamiętujący
Kanał automatyki (15)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Multipleksery
Multipleksery
Multipleksery
Multipleksery
Stosuje się przełączniki analogowe, stykowe (bardzo
rzadko) lub półprzewodnikowe.
Parametry multiplekserów:
zakres przenoszonych napięć (dół  szumy; góra  do 10V)
py p ( y g )
tolerancja dla wspólnych napięć (normalna praca przy
równoczesnym podaniu na sąsiednie wejścia wysokich napięć)
podstawowa szybkość próbkowania (liczba punktów
pomiarowych próbkowanych w ciągu 1s)
dopuszczalna częstotliwość próbkowania
Kanał automatyki (16)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Wzmacniacz sygnałów niskonapięciowych
Wzmacniacz sygnałów niskonapięciowych
Wzmacniacz sygnałów niskonapięciowych
Wzmacniacz sygnałów niskonapięciowych
Parametry wzmacniaczy:
Pi
szerokość pasma przenoszenia (zwykle wymagane od 0  30
kHz)
kHz)
wrażliwość wzmacniacza i zera wzmacniacza na wpływy
temperatury i upływ czasu (średnio 1  10 mV /oC)
współczynnik tłumienia wspólnych napięć
ół ik ł i i ól h i ć
tolerancja dla wspólnych napięć
Typy wzmacniaczy:
Typy wzmacniaczy:
ze względu na sposób wyboru wzmocnienia: o stałym lub
regulowanym współczynniku wzmocnienia
ze względu na liczbę wejść: z wejściem pojedynczym lub
wzmacniacze różnicowe
Kanał automatyki (17)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Wzmacniacz próbkująco zapamiętujący
Wzmacniacz próbkująco zapamiętujący
Wzmacniacz próbkująco-zapamiętujący
Wzmacniacz próbkująco-zapamiętujący
R
R2
C
R1
Napięcie
p ę
-
wyjściowe
S
Wzmacniacz
operacyjny
operacyjny
Uwe
Uwy
+
Kanał automatyki (18)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Wzmacniacz próbkująco zapamiętujący
Wzmacniacz próbkująco zapamiętujący
Wzmacniacz próbkująco-zapamiętujący
Wzmacniacz próbkująco-zapamiętujący
U
U
Uwe
Uwy
S=1
S=0
t
S=0 pamiętanie
S=1 śledzenie
Kanał automatyki (19)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Przetwornik analogowo cyfrowy
Przetwornik analogowo cyfrowy
Przetwornik analogowo-cyfrowy
Przetwornik analogowo-cyfrowy
A1
1
Wzmacniacz
Wzmacniacz
A2
Przetwornik
Sygnał
A3
próbkująco-
analogowi-cyfrowy
cyfrowy
An
zapam.
Sygnał analogowy
0max
Start
Stop
Kanał automatyki (20)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Przetwornik analogowo cyfrowy
Przetwornik analogowo cyfrowy
Przetwornik analogowo-cyfrowy
Przetwornik analogowo-cyfrowy
Pik / dk j k żd ł id i ł
Przetwornik a/c przyporządkowuje każdemu sygnałowi z przedziału
Umax Umax
1 Umax 1 Umax
�# ś# �#
�# ś# �#
+ k < U < + k +1ś# , k = 0,1,...,2n -1
k U k 1ś# k 0 1 2n 1
ś# ś#
ś# ś#
2 2n 2 2n
�# # �# #
jeden sygnał cyfrowy.
Liczba k  numer przedziału kwantowania;
Z kl 10 14 bi (3 4ji d i i h)
Zwykle 10  14 bitowe (3  4 pozycji dziesiętnych)
Umax
Bezwzględna zdolność rozdzielcza
Bezwzględna zdolność rozdzielcza
2n
Kanał automatyki (21)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Typy przetworników
Typy przetworników
Typy przetworników
Typy przetworników
Kompensacyjne
Kj
Przetwarzają wartość chwilową napięcia i zwykle współpracują
ze wzmacniaczem próbkująco zapamiętującym Charakteryzują
ze wzmacniaczem próbkująco-zapamiętującym. Charakteryzują
się dużą szybkością przetwarzania (powyżej 100tys. p/s dla 14
bitów)
Kompensowanie odbywa się na drodze kolejnych porównań
Całkujące
j
Mogą przetwarzać wartość średnią za określony przedział czasu.
Stosunkowo mała szybkość przetwarzania rzędu kilku tys. p/s.
N j z ś i j t kł d p d ój l b i l kr t
Najczęściej są to układy podwójnego lub wielokrotnego
całkowania (w celu eliminacji błędów systematycznych)
Kanał automatyki (22)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Przetworniki a/c kompensacyjne
Przetworniki a/c kompensacyjne
Przetworniki a/c - kompensacyjne
Przetworniki a/c - kompensacyjne
Napięcie
y
ródło napięcia
Przetwornik c/a
przetwarzane
odniesienia
Słowo wyjściowe
&
K
Rejestr wyjściowy
R
S R S
R S
Bramki
&
iloczynowe
Impulsy taktujące
Gotów
Rejestr przesuwający
START
START
Kanał automatyki (23)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Przetworniki a/c kompensacyjne
Przetworniki a/c kompensacyjne
Przetworniki a/c - kompensacyjne
Przetworniki a/c - kompensacyjne
N
Umax
U<0,875Umax
N
T
T
U<0,75Umax
3/4
N
N
N
T
T
U
Uwe
U<0,625Umax
U<0,5Umax
1/2
U<0,375Umax
T
N
1 0 0 1 1
U<0 25U
U<0,25Umax
1/4
1/4
T
U<0,125Umax
T
Kanał automatyki (24)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Przetwornik a/c z całkowaniem
Przetwornik a/c z całkowaniem
Przetwornik a/c z całkowaniem
Przetwornik a/c z całkowaniem
C
P1
R
Uwe
-
P2
Wzmacniacz
-U0
operacyjny
Komparator
Komparator
+
Ukł d t j
Układ sterujący
Impuls taktujący
Impuls start
Licznik binarny
Słowo wyjściowe
&
Kanał automatyki (25)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Przetwornik a/c z całkowaniem
Przetwornik a/c z całkowaniem
Przetwornik a/c z całkowaniem
Przetwornik a/c z całkowaniem
U
Uw
t1 t2 -t1
t1
1 1
1
UR + UR +
0
+"Udt +"Udt - RC +"U dt
RC RC
0 0 0
U1
U1
U1
U1 < U1
t
t
t2
t1
UR Przedział czasu t2 - t1 jest proporcjonalny do wartości
R
Przedział czasu t2 t1 jest proporcjonalny do wartości
średniej przetwarzanego napięcia.
Kanał automatyki (26)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Układ sterujący blokiem wejść analog
Układ sterujący blokiem wejść analog
Układ sterujący blokiem wejść analog.
Układ sterujący blokiem wejść analog.
Realizuje następujące funkcje:
R li j j f k j
Potwierdza otrzymanie rozkazu czytania przekazanego z
jednostki centralnej za pomocą przerwania (rozkaz zawiera
jednostki centralnej za pomocą przerwania (rozkaz zawiera
adres punktu pomiarowego, informacje o współczynniku
wzmocnienia)
Uruchamia wskaz
nik zajętości układu wejść analogowych
Uruchamia wskaz
nik zajętości układu wejść analogowych
Deszyfruje adres punktu pomiarowego
Deszyfruje informację o wzmocnieniu
y j ję
Oczekuje na wytłumienie stanów nieustalonych wzmacniacza
i multipleksera
Gj ł ii ti dl
Generuje sygnał rozpoczęcia zapamiętywania dla
wzmacniacza próbkująco-zapamiętującego
Generuje sygnał rozpoczęcia przetwarzania a/c
j yg p p
Kanał automatyki (27)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Układ sterujący blokiem wejść analog
Układ sterujący blokiem wejść analog
Układ sterujący blokiem wejść analog.
Układ sterujący blokiem wejść analog.
Oczekuje czas niezbędny na wykonanie przetwarzania
Uzupełnia słowa otrzymane z przetwornika a/c bitem
parytetu
Powiadamia jednostkę centralną przerwaniem o zakończeniu
przetwarzania
przetwarzania
Na sygnał z jednostki centralnej wysyła wynik przetwarzania
do kanału we/wy jednostki centralnej
do kanału we/wy jednostki centralnej
Sprowadza wzmacniacz próbkująco-zapamiętujący
i multiplekser do stanu spoczynkowego
i multiplekser do stanu spoczynkowego
Kasuje wskaz
nik zajętości układu wejść analogowych
Kanał automatyki (28)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Blok wejść cyfrowych
Blok wejść cyfrowych
Blok wejść cyfrowych
Blok wejść cyfrowych
Układ ten wprowadza do jednostki centralnej
następujące informacje:
ęp ją j
Zmienne procesowe binarne
Zmienne procesowe ciągłe lecz mierzone za pomocą
Zmienne procesowe ciągłe lecz mierzone za pomocą
przetworników z wyjściem cyfrowym
Zmienne procesowe analogowe i dyskretne
Z i l i d k
mierzone za pomocą przetworników generujących
ciągi impulsów
i i i l ó
Zmienne cyfrowe mające charakter cyfrowy
Kanał automatyki (29)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Blok wejść cyfrowych
Blok wejść cyfrowych
Blok wejść cyfrowych
Blok wejść cyfrowych
D j d tki
Do jednostki
Układ sterujący
centralnej
Rejestr
Licznik
Układ formujący
Układ formujący
Modyfikator sygnałów Modyfikator sygnałów
Modyfikator sygnałów Modyfikator sygnałów
P t ik i il ó
Przetwornik ciągu impulsów
Kanał automatyki (30)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Blok wejść cyfrowych
Blok wejść cyfrowych
Blok wejść cyfrowych
Blok wejść cyfrowych
Zadania modyfikatorów:
Z d d f k
Przekształcenie zmiennych procesowych binarnych
na binarne sygnały napięciowe
Odfiltrowanie szumów
Zapewnienie galwanicznego rozdzielenia obwodu
wejścia zmiennej procesowej od pozostałej części
systemu
Zadania układów formujących:
j y
Przekształcenie napięcia wyjściowego na sygnały
logiczne o odpowiednich poziomach i zboczach
gp p
Kanał automatyki (31)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Układ sterujący blokiem wejść cyfr
Układ sterujący blokiem wejść cyfr
Układ sterujący blokiem wejść cyfr.
Układ sterujący blokiem wejść cyfr.
Rodzaje:
Układy sterujące wczytywaniem stanu pojedynczego
yją y y p j y g
podmodułu
Układy sterujące sekwencyjnym wczytywaniem
Układy sterujące sekwencyjnym wczytywaniem
grupy podmodułów
Układy ster jące czyty aniem do olnej
Układy sterujące wczytywaniem w dowolnej,
wybieranej z jednostki centralnej, kolejności
Zadania układu sterującego: (podobnie jak dla
innych bloków)
y)
Kanał automatyki (32)