Převodníky

Převodníky elektrických veličin

Při převodu elektrického signálu ze snímače je potřeba po případném zesílení v OZ jej převést buď na úrověň unifikovaného napěťového nebo proudového signálu. K tomu poslouží různé typy převodníků rovněž využívajících operačních zesilovačů. Často je také nutné převést analogovou veličinu ať už prezentovanou el. proudem nebo napětím na číslicový - digitální údaj.

Převodník el. proud/el. napětí: I/U

Základní zapojení vychází ze zapojení invertujícího zesilovače, u kterého je vynechán vstupní odpor R₁ podílející se na zesílení. Jde o metodu měření proudu bez úbytku napětí, která má využití např. pro indikaci nulového proudu. Nevýhodou tohoto způsobu převodu je, že musí být jedna svorka spojená se společným vodičem. Za předpokladu uvedeného v obrázku 8. platí:

(1.7)

8. Převodník el. proud/el. napětí: I/U

Převodník el. napětí/el. proud: U/I

V zapojení podle obr. 9 je zajištěno, že při 100 % zpětné vazbě (záporné), se u_E na R_E dosti přesně rovná u₁, takže zátěží a kolektorem C teče proud:

(1.8)

Prakticky ale neplatí, že i_C = i_E, protože i_E = i_C + i_B a dále: i_C = ß * i_B. Předpokládaná rovnost proudu emitoru a kolektoru výstupního tranzistoru bude téměř splněna při co nejmenším proudu báze i_B, čehož se dosáhne vysokým proudovým zesilovacím činitelem ß (h₂₁). Toho lze dosáhnout např. Darlingtonovým zapojením dvou tranzistorů. První není výkonový, ale je volen podle vysokého proudového zesilovacího činitele ß, druhý - výkonový (podle požadovaného výstupního proudu) nemusí pak mít ß tak vysoké. Bližší vyplývá z obr. 9. Uvedená zapojení jen naznačují principy vzájemného převodu dvou veličin U a I a využitím operačního zesilovače. Kvalitní převod zajišťují profesionálně vyráběné int. obvody nabízené v řadě variant.

9. Převodník el. napětí/el. proud: U/I

A/D převodník

Převádí spojitý napěťový nebo proudový elektrický signál do binárního tvaru D. Známy jsou tři základní typy převodníků tohoto typu a sice: kompenzační, s dvojí integrací a paralelní.

Kompenzační převodník

Porovnává a kompenzuje vstupní napětí U_A napětím kompenzačním U_K, jehož zdrojem je D/A převodník, řízený logickým obvodem LO (aproximační registr). Převod je ukončen, je-li splněna podmínka: U_A - U_K je menší než hodnota napětí U_A odpovídající bitu LSB. Činnost aproximačního registru je řízena komparátorem K, který rozhoduje o změně znaménka pro připočtení napěťové úrovně odpovídající dalšímu - nižšímu dvojkovému řádu v následném kroku (změna znaménka napětí U_K). „Náplní práce“ jednoho kroku je tedy porovnání U_A s U_K a generování příslušného „pokynu“ pro LO. Dobu a sekvenci těchto kroků určuje časovací obvod.

Paralelní číslicový signál se tedy na výstupu aproximačního registru mění krok po kroku v průběhu celého převodu až do splnění výše uvedené podmínky. Pak převodník „ohlásí“ platnost výstupních dat na některém „pinu“.

Výstup komparátoru K (signál D_s) pak v průběhu převodu poskytuje sériová data v rytmu taktovací frekvence časovacího obvodu f. Postup komparace je od MSB k LSB, jako první jde z komparátoru po lince seriových dat D_s nejvýznamnější bit.

10. Kompenzační převodník A/D

Integrační převodník s dvojnásobnou integrací

Na integrátor se připojí samostatně u_x a u_r. Integrátor se v obou případech nechá po dobu T_K = konst. nabít, poté se s křivkou se známou směrnicí vybíjí po dobu T_M, jež je závislá na velikosti náboje. Doba se opět převede na počet impulsů. Porovnáním doby vybití pro u_x a u_r lze stanovit u_x.


11. Integrační převodník s dvojnásobnou integrací

Paralelní A/D převodník

Je užíván pro převod zejména rychlých dějů. Mezi svorku referenčního napětí U_ref a společný vodič je zapojen odporový dělič, který vytváří napěťové úrovně odpovídající vahám dvojkového čísla.

Na vstupy komparátorů je přivedeno jednak napětí měřené - U_x, jednak příslušná komparační úroveň podle váhy dvojkového čísla. Pro U_x = 0, je na všech výstupech komparátorů napětí = 0 V. Při zvětšování U_x se postupně překlápí K₁ až K₃ a na jejich výstupech se objevují postupně logické 1. Pro U_x = U_{x max} je log. 1 na všech výstupech. Dekodér pak převádí vstupní binární údaje do požadovaného kódu (BCD a pod.). Délka převodu je dána dobou přeběhu komparátorů z jedné krajní úrovně do druhé a časem pro zpracování dat dekodérem.

Nevýhodou zapojení je větší množství komparátorů pro vícebitový převodník.

12. Paralelní A/D převodník

D/A převodníky

Zajišťují převod vstupní číslicové informace (dat) D paralelního datového slova v binárním tvaru na výstupní analogové napětí U_A nebo na proud I_A, podle vztahu: U_A = U_ref * D nebo I_A = I_ref D, kde U_ref a I_ref jsou hodnoty referenčního stálého napětí resp. proudu. Hodnota D se vyjadřuje ve dvojkové soustavě jako:

Vyorec pro vyjádřední D ve dvojkové soustavě

(1.9)

, kde n je dvojkový řád slova D a a_i nabývá hodnot 0 nebo 1 podle hodnoty bitu příslušné váhy ve slově.

D/A převod je vlastně přiřazení části referenčního napětí každému bitu číslicového údaje podle jeho dvojkové váhy. Největší váhu má bit označovaný MSB (main significant bit), nejmenší LSB (least significant bit). Relativní statická chyba převodu má být zpravidla menší než 1/2 LSB. Doba převodu T_p je dána max. dobou potřebnou k ustálení analogového výstupu na úroveň odpovídající vstupu.

D/A převodníky jsou paralelní, sériové nepřímé atd. Lze je realizovat jak obvodově, tak programově.

Další informace o možných variantách převodníku můžete nalézt v literatuře [19].