Urządzenia  wyjściowe  w  komputerowych  układach 
sterowania

Urządzenia wyjściowe stanowią ogniwo pośrednie między szybko 

działającym, obsługującym wiele kanałów komputerem a wolno 

działającymi urządzeniami wykonawczymi i regulatorami analogowymi. 

Urządzenia te powinny zapewnić:

• przyporządkowanie sygnału wyjściowego odpowiedniemu kanałowi 

(komutację);

• zapamiętanie wartości sygnału;

• przekształcenie i wzmocnienie mocy sygnału;

• pozostanie urządzeń wykonawczych w położeniach zajmowanych w 

chwili awarii komputera

.

Sygnały przeznaczone do sterowania zaworów z napędem 

elektromagnetycznym, sprzęgieł, przekaźników itp. są zapamiętywane w 

rejestrach i wzmacniane. Często między rejestrem a wzmacniaczami mocy są 

stosowane układy separacji galwanicznej- tak jak w układach wejściowych 

stosowane są w tym celu optoizolatory. 

Do wzmacniania sygnałów tej grupy stosowane są kluczowane wzmacniacze 

tranzystorowe lub tyrystorowe.

Dla uzyskania sygnałów sterujących urządzenia analogowe są 

stosowane na stępujące metody:

• Zamiana liczby zapisanej w rejestrze na napięcie w przetworniku C/A 

dołączonym na stałe do sterowanego urządzenia.

• Zamiana liczby zapisanej w rejestrze na napięcie i zapamiętywanie wyniku 

w pamięci analogowej —w tym rozwiązaniu jeden przetwornik C/A 

obsługuje wiele kanałów.

• Zamiana liczby zapisanej w rejestrze na czas trwania impulsu o stałej 

amplitudzie.

• Zamiana liczby zapisanej w rejestrze na czas załączenia silnika o stałej 

prędkości wirowania, a więc na zmianę położenia.

• Zamiana liczby wpisanej do licznika na liczbę kroków silnika skokowego, 

czyli tak jak poprzednio na zmianę położenia.

W komputerowym sterowaniu urządzeń analogowych rozróżnia się 

algorytmy przyrostowe i pozycyjne. 

W pierwszym przypadku sygnał wyjściowy określa żądaną zmianę wartości 

wielkości analogowej, a w drugim żądaną wartość tej wielkości. 

Przy stosowaniu algorytmu przyrostowego urządzenie sterowane musi 

zawierać element całkujący. Elementem całkującym jest np. silnik, a więc 

sterowanie silnikami odbywa się z użyciem algorytmu przyrostowego

- liczba otrzymywana na wyjściu komputera jest przetwarzana na zmianę 

położenia. Przy zamianie liczby na napięcie może być używany zarówno 

algorytm przyrostowy, jak i pozycyjny.

Urządzenia wyjściowe dla sygnałów analogowych

Urządzenie zamieniające liczbę na wartość napięcia nazywane jest 

przetwornikiem cyfrowo-analogowym (przetwornikiem C/A). 

Przetwarzana  liczba  wpisywana  jest  do  rejestru,  którego  każda  pozycja  steruje 

jednym z kluczy 

K1  -  Kn.  Wpisanie  jedynki  do  komórki  rejestru  powoduje  ustawienie 

odpowiadającego  jej  klucza  w  pozycji  górnej  (oczywiście  klucze  są 

półprzewodnikowe).

  Do  wejścia  wzmacniacza  dołączona  jest  tzw.  drabinka  rezystancyjna, 

przez  którą  na  wejście  wzmacniacza  podawany  jest  sygnał  o  wartości 

zależnej od kombinacji zer i jedynek wpisanych do rejestru. 

Wartości rezystorów tworzących drabinkę są tak dobrane, że ustawienie każdego 

klucza w pozycji górnej zwiększa sygnał wyjściowy wzmacniacza o wartość 

odpowiadającą wadze bitu sterującego tym kluczem. Dzięki temu, przy 

określonej wartości napięcia odniesienia, napięcie wyjściowe wzmacniacza, 

będące również sygnałem wyjściowym przetwornika, odpowiada liczbie 

binarnej wpisanej do rejestru

. 

Przetwornik może przetwarzać liczby z uwzględnieniem ich znaku: bit znaku 

przetwarzanej  liczby  określa  polaryzację  napięcia  odniesienia,  a  więc 

jednocześnie polaryzację napięcia wyjściowego. 

Dokładności  przetwarzania  produkowanych  przetworników  są  większe  niż 

wymagania 

urządzeń 

analogowych, 

szczególnie 

przy 

sterowaniu 

przyrostowym,  gdy  maksymalny  sygnał  wyjściowy  przetwornika  odpowiada  z 

reguły ok. 10% zmiany wielkości wyjściowej sterowanego urządzenia.

Przetworniki C/A, produkowane przez wiele firm jako układy scalone, są jeszcze 

na tyle drogie, że często są stosowane rozwiązania, w których jeden przetwornik 

obsługuje wiele kanałów. 

Wymaga to oczywiście stosowania pamięci analogowych, pamiętających 

wartość sygnału analogowego, dołączanych do wyjścia przetwornika przez 

komutator. Ponieważ sygnał wyjściowy przetwornika ma zakres zmienności kilku 

woltów, komutacja nie sprawia więc kłopotów. Komutator zawiera z reguły 

szereg kluczy półprzewodnikowych montowanych łącznie z pamięciami 

analogowymi.

  W  regulatorach  elektronicznych  pamięć  analogowa  jest  wykorzystywana  w 

układzie sterowania ręcznego i w układach współpracy z komputerem. 

W  obu  przypadkach  jest  to  pamięć  przyrostowa,  czyli  dobrej  klasy  element 

całkujący.  Uproszczony  schemat  takiej  pamięci  przedsta wiono  na  rysunku. 

Wzmacniacz  operacyjny  objęty  jest  pojemnościowym  (całkującym)  sprzężeniem 

zwrotnym. 

W położeniu 2 klucza sygnał wyjściowy 

y  nie  powinien  ulegać  zmianie.  Jego 

zmiany (zniekształcenia zawartej w nim 

informacji) mogą być powodowane:

• upływnością kondensatora;

• skończoną wartością rezystancji 

klucza w stanie rozwarcia;

• prądem wejściowym wzmacniacza;

• dryftem zera wzmacniacza;

• skończoną wartością rezystancji 

pomiędzy wejściem wzmacniacza a 

masą.

Tego  typu  pamięci  analogowe  budowane  są  ze  wzmacniaczy  scalonych  z 

dodatkowym  stopniem  wejściowym  na  tranzystorach  MOS.  Stopień  wejściowy 

stosuje się dla uzyskania bardzo dużej rezystancji wejściowej. 

W  układach  stosujących  pozycyjny  algorytm  pracy  używane  są  pamięci 

analogowe zapamiętujące wartość ostatnio wprowadzonego sygnału. Podobnie jak 

w pamięci przyrostowej, zapamiętany sygnał ulega zniekształceniu i powinien być 

możliwie często aktualizowany.

Utrzymywanie  stałej  wartości  napięcia wyjściowego  przy  roztwartym  kluczu  jest 

podstawowym wymaganiem stawianym pamięciom analogowym

. 

Dołączenie  do  przetwornika  C/A  wielu  pamięci  analogowych  powoduje,  że 

sygnały  przesyłane  do  pamięci  mają  postać  impulsów  o  amplitudzie  równej 

napięciu wyjściowemu przetwornika. 

Gdy  stosowany  jest  algorytm  pozycyjny  i  pamięci  zapamiętują  wartość 

(amplitudę)  tego  impulsu,  wówczas  jego  czas  trwania  (szerokość)  nie  ma 

większego znaczenia. 

Powinien  on  być  tylko  wystarczająco  długi,  aby  na  kondensatorze  zdążyła  się 

ustalić nowa wartość napięcia. 

W stosowanych rozwiązaniach czas ten jest rzędu l ms, co pozwala nawet przy 

dużej  liczbie  obsługiwanych  kanałów  powracać  do  tego  samego  kanału 

wystarczająco często, aby wyeliminować błędy spowodowane dryftem pamięci.

Gdy stosowany jest algorytm przyrostowy i pamięć analogowa jest po prostu 

elementem całkującym, wówczas znaczenie ma zarówno amplituda jak i 

szerokość impulsu.

Na rys.  przedstawiono schematy blokowe dwóch wariantów układu 

zamieniającego liczbę na czas trwania impulsu.

W  układzie  (a)  liczba  przetwarzana  jest 

wpisywana  do  rejestru,  a  impuls  o 

odpowiadającej 

jej 

szerokości 

jest 

otrzymywany 

z 

komparatora 

porównującego 

zawartość 

rejestru 

z 

zawartością  licznika  zliczającego  impulsy 

zegarowe. 

Na  wyjściu  komparatora  otrzymujemy  l, 

gdy  zawartość  licznika  jest  mniejsza  od 

liczby  wpisanej  do  rejestru.  Jeżeli  po 

wpisaniu  przetwarzanej  liczby  do  rejestru 

rozpoczniemy 

podawanie 

impulsów 

zegarowych  do  wyzerowanego  licznika,  to 

przez  czas  potrzebny  do  wprowadzenia  do 

licznika  liczby  impulsów  równej  liczbie 

wpisanej  do  rejestru,  sygnał  wyjściowy 

komparatora będzie miał wartość 

1. 

W  rozwiązaniu  przedstawionym  na 

rys.  (b)  liczba  przetwarzana  jest 

wpisywana 

do 

licznika, 

który 

następnie 

jest 

rozładowywany 

impulsami 

zegarowymi 

odejmowanymi  od  jego  zawartości. 

Układ 

badania 

stanu 

licznika 

wytwarza  sygnał  o  wartości  l  przez 

cały czas, gdy zawartość licznika jest 

różna od 0.

Impuls  na  wyjściu  tego  układu  trwa 

więc  od  wpisania  przetwarzanej 

liczby  do  licznika  aż  do  jego 

wyzerowania.

Przetwarzanie sygnałów wyjściowych komputera do postaci analogowej może 

być także dokonane przez zamianę liczby na kąt obrotu wału silnika. 

Metoda ta jest powszechnie stosowana, jeżeli sygnał wyjściowy komputera ma 

zostać prze tworzony na sygnał pneumatyczny. Stosowane są wówczas 

przetworniki przesuniecia-ciśnienia.