Dispozitivele de conversie a datelor sunt componente foarte importante ale unei unități de control pentru mașini (MCU). MCU-urile sunt controlate de diverse computere sau microcontrolere care acceptă semnale doar în Forma Digitală, adică sub formă de 0 și 1, pe când semnalele primite de la modulul de condiționare a semnalului sau senzori sunt, în general, în formă analogică (continuă). Prin urmare, un sistem este esențial necesar pentru a converti semnale analogice în formă digitală. Convertorul Analogic-Digital este prescurtat ca ADC. Figura 2.8.1 prezintă un sistem de control tipic cu dispozitive de conversie a datelor. 

Figura 2.8.1 Un sistem de control cu ​​dispozitive ADC și DAC 

Pe baza semnalelor primite de la senzori, MCU generează semnale de acționare în forma digitală. Majoritatea actuatoarelor, de exemplu servomotoarele DC, acceptă numai semnale analogice. Prin urmare, semnalele digitale trebuie convertite în formă analogică, astfel încât actuatorul necesar să poată fi acționat în consecință. În acest scop, sunt utilizate Convertoare Digital-Analogice, care sunt prescurtate ca DAC-uri. În secțiunile următoare vom discuta despre diferite tipuri de dispozitive ADC și DAC, principiul lor de lucru și circuite. 

Componente de bază utilizate în ADC și DAC 

1. Comparatoare 

În general, ADC și DAC includ comparatoare. Comparatorul este o combinație de diode și amplificatoare operaționale. Un comparator este un dispozitiv care compară intrarea de tensiune sau intrarea de curent la cele două terminale și oferă ieșire sub formă de semnal digital, adică sub formă de 0 și 1 care indică ce tensiune este mai mare. Dacă V+ și V- sunt tensiuni de intrare la două terminale ale comparatorului, atunci ieșirea comparatorului va fi:  

V+ > V-   →  Ieșire 1

 V+ < V-   →  Ieșire 0 

2. Codificatoare (encodere) 

Deși ieșirea obținută de la comparatoare este în formă de 0 și 1, nu poate fi numită ieșire binară. O secvență de 0 și 1 va fi convertită în formă binară folosind un circuit numit Encoder. Un encoder simplu convertește 2n linii de intrare în 'n' linii de ieșire.  Aceste „n” linii de ieșire urmează algebra binară.   

3. Convertor analogic-digital (ADC) 

După cum s-a discutat în secțiunea anterioară, ADC-urile sunt utilizate pentru a converti semnale analogice în semnale digitale. Există diverse tehnici de conversie a semnalelor analogice în semnale digitale care sunt prezentate mai jos. Dar, vom discuta doar ADC cu conversia directă, studiul detaliat al altor tehnici este în afara domeniului de curs.  

1. ADC cu conversie directă sau ADC Flash

2. ADC de aproximare succesivă

3. ADC compară-cu o rampă 

4. ADC Wilkinson  

5. ADC integrator

6. ADC codificat-Delta sau contra-rampă 

7. ADC conductă (numit și cuantificator subranging) 

8. ADC Sigma-delta (cunoscut și ca ADC delta-sigma) 

9. ADC intercalat în timp  

3.1 ADC cu conversie directă sau ADC Flash 

Figura 2.8.2 Circuitul flash ADC 

Figura 2.8.2 prezintă circuitul ADC cu conversie directă sau ADC Flash. Pentru a converti un semnal digital de N-biți, Flash ADC necesită 2N-1 comparatoare și 2N rezistoare. Circuitul oferă tensiune de referință pentru toate comparatoarele. Fiecare comparator dă o ieșire 1 când tensiunea sa analogică este mai mare decât tensiunea de referință sau altfel, ieșirea este 0. În circuitul de mai sus, tensiunile de referință la comparatoare sunt furnizate prin logica scării de rezistoare.  

Circuitul descris în figura 2.8.2 acționează ca dispozitiv ADC cu 3 biți. Presupunem că acest ADC funcționează între 0-10 Volți.  Circuitul necesită 7 comparatoare și 8 rezistoare. Acum tensiunile de pe fiecare rezistor sunt împărțite astfel încât o scară de 1 volt este construită cu ajutorul rezistențelor de 1 KOhm. Prin urmare, tensiunile de referință pentru toate comparatoarele sunt 1-7 volți. 

Să presupunem acum că un semnal cu tensiune de intrare de 2,5 V trebuie să fie convertit în forma sa digitală conexă. Deoarece 2,5 V este mai mare decât 1 V și 2 V, primele două comparatoare vor produce 1, 1. Dar 2,5 V este mai mic decât valorile 3, 4, 5, 6, 7 V, prin urmare, toate celelalte comparatoare vor oferi 0. Astfel vom avea ieșirea de la comparatoare ca 0000011 (de sus). Aceasta va fi trimisă circuitului logic al encoderului. Acest circuit va schimba mai întâi ieșirea într-un singur format de linie high și apoi o va converti în format de 3 linii de ieșire folosind algebra binară. Apoi această ieșire digitală de la ADC poate fi folosită pentru  manipulare sau acționare de către microcontrolere sau computere. 

4. Convertor digital-analogic 

După cum s-a discutat în secțiunea anterioară, DAC-urile sunt utilizate pentru a converti semnale digitale în semnale analogice. Există diferite tehnici de conversie a semnalelor digitale în semnale analogice, care sunt următoarele, însă vom discuta doar câteva  tehnici importante în detaliu:  

1. Modulator lățime impuls

2. Supraeșantionarea DAC-urilor sau interpolarea DAC-urilor 

3. DAC-ponderat binar 

4. DAC cu rezistor comutat 

5. DAC sursă de curent comutată

6. DAC condensator comutat 

7. Scara R-2R 

8. DAC-Aproximare succesivă sau ciclic,

9. DAC-ul codat-termometru 

4.1 DAC ponderat binar 

Figura 2.8.3 Circuitul DAC ponderat binar 

Figura 2.8.4 Un op-amp utilizat în DAC 

După cum indică numele, în DAC ponderat binar, tensiunea de ieșire poate fi calculată prin expresia care lucrează pe ponderi binare. Circuitul său poate fi realizat ca în figura 2.8.3. Din figură se poate remarca faptul că cel mai important bit al intrării digitale este conectat la rezistența minimă și invers. Biții digitali pot fi conectați la rezistență printr-un întrerupător care conectează capătul rezistenței la masă. Intrarea digitală este zero atunci când primul bit este conectat la tensiunea de referință și dacă este 1. Acest lucru poate fi înțeles din fig. 2.8.4. Tensiunea de ieșire DAC poate fi calculată pe baza proprietății amplificatoarelor operaționale. Dacă V1 este tensiunea de intrare la MSB (bitul cel mai semnificativ), V2 este tensiunea de intrare la bitul următor și așa mai departe, pentru DAC cu patru biți putem scrie, 

Notă: Aici V1, V2 V3, V4 vor fi Vref dacă intrarea digitală este 1 sau altfel va fi zero. 

Prin urmare, tensiunea de ieșire poate fi găsită ca: 

Dar, DAC-ul ponderat binar nu funcționează pentru sisteme cu biți mai mulți sau mai mari, deoarece valoarea rezistenței se dublează în fiecare caz.   

Astfel, semnalele digitale simple și cu biți puțini de la un traductor pot fi convertite într-o valoare continuă a tensiunilor (analogic), utilizând DAC binar ponderat. Acestea vor fi utilizate în continuare pentru manipulare sau acționare. 

4.2  DAC bazat pe scară R-2R  

Figura 2.8.5 DAC bazat pe scară R-2R

În logica scării R-2R, deficiența Logicii binare a fost înlăturată făcând valoarea rezistenței maxime dublă, însă restul circuitului rămâne același. Figura 2.8.5 prezintă circuitul DAC bazat pe scară R-2R. Dacă aplicăm regula divizării tensiunii în cazul de mai sus, atunci putem calcula tensiunea de ieșire ca, 

În cazul în care VAL poate fi calculată de la intrarea semnalului digital ca,            

În acest fel, tensiunea de ieșire este obținută prin conversia semnalelor digitale primite de la microprocesor/microcontroler. Aceste tensiuni vor fi utilizate ulterior pentru acționarea actuatorului dorit, adică motoare DC/AC. 

În acest modul am studiat principiul funcționării diverșilor senzori care sunt utilizați uzual în mecatronică și automatizarea producției. De asemenea, au fost studiate operațiile de condiționare a semnalului și dispozitivele utilizate pentru a genera semnale adecvate pentru aplicația de automatizare dorită. În modulul următor vom studia construcția și funcționarea microprocesorului și a dispozitivelor care sunt utilizate în controlul operațiilor de automatizare cu ajutorul microprocesoarelor. 

Chestionar:

1. Diferențați între DAC ponderat binar și DAC bazat pe scară R-2R. 

2. Explicați importanța dispozitivelor de conversie a datelor în mecatronică cu un exemplu adecvat.