Аналого-цифровые преобразователи

АЦП является одним из главных многофункциональных частей ЦИП. АЦП представляет собой устройство, обеспечивающее квантование, дискретизацию и кодирование аналогового сигнала. Исходя из обозначенной совокупы процессов, происходящих в АЦП, его обобщенную структурную схему принято представлять в виде 3-х взаимосвязанных частей.

Reis. 8.4 Структурная схема АЦП.

In дискретизирующем устройстве реализуется процесс преобразования непрерывного во времени сигнала в дискретный сигнал . При всем этом значения дискретного сигнала равны моментальным значениям начального непрерывного сигнала в фиксированные моменты времени. Промежутки времени меду 2-мя примыкающими дискретными моментами времени именуют шагом дискретизации .

В ЦИП значение сигнала измеряется исключительно в фиксированные моменты времени . Частота дискретизации выбирается из противоречивых критерий. Вправду, чем больше частота дискретизации , тем меньше утраты измерительной инфы, но это приводит к ужесточению требований по быстродействию АЦП и, как следует, к его усложнению.

Задачка правильного выбора частоты дискретизации это практически задачка выбора интервала интерполяции . При всем этом под верно избранной частотой дискретизации следует осознавать такую частоту, при которой погрешность интерполяции оказывается менее данной. При решении этой задачки принято рассматривать разные интерполяционные полиномы.

В устройстве квантования происходит процесс подмены моментальных значений непрерывной по размеру величины . Разность меж 2-мя примыкающими уровнями именуется шагом квантования. При квантовании, как и при дискретизации, пропадает часть инфы о непрерывной измеряемой величине , как следует, квантующее устройство, как и дискретизирующее, является источником методической погрешности.

Reis. 8.5 Квантование и дискретизация аналогового сигнала.

Из сопоставления реальной и безупречной функции преобразования следует, что погрешность квантования:

. (8.1)

Из рисунка видно, что погрешность квантования имеет нрав ломаной полосы. При таком нраве погрешности квантования СКО погрешности квантования, характеризуется средней мощностью за продолжительность 1-го импульса, определяется равенством:

. (8.2)

В кодирующем устройстве происходит представление дискретного значения сигнала в комфортном для следующей обработки виде, zum Beispiel, в двоичной системе счисления. Таким макаром, процесс преобразования аналогового сигнала в цифровой сигнал безизбежно приводит к появлению погрешностей, вызванных процедурами дискретизации и квантования.

Reis. 8.6 Diagramm, поясняющие погрешность квантования: а – настоящая и безупречная функции преобразования; б – кривая погрешности квантования.

Погрешность АЦП определяется суммой методической и инструментальной составляющих:

. (8.3)

Методическая погрешность определяется механизмом работы преобразователя и находится в зависимости от погрешности дискретизации и квантования, und инструментальная погрешность определяется непостоянностью работы узлов и частей АЦП.

Не считая погрешности, АЦП характеризуются ценой деления, разрешающей способностью, чувствительностью, быстродействием.

В измерительных устройствах употребляют АЦП прямого и уравновешивающего преобразования.

Прямое АЦП реализуется одним из последующих методов:

· Zeit – импульсное кодирование;

· амплитудное кодирование;

· пространственное кодирование;

· число – импульсное кодирование;

· частотно – импульсное кодирование.

В ЦИП наибольшее распространение получили время – импульсное и частотно – импульсное кодирование.

АЦП время – импульсного кодировки работает на базе поочередного преобразования измеряемого напряжения в пропорциональный ему временной интервал. В течение этого интервала времени на электрический счетчик поступают импульсы с известной частотой повторения, число которых пропорционально величине измеряемого неизменного напряжения.

Последовательность работы рассматриваемого АЦП поясняется временными диаграммами. При подаче на вход АЦП измеряемого напряжения по сигналу с устройства управления показания счетчика и ЦОУ сбрасывается, а генератор ГЛИН начинает сформировывать пилообразное напряжение. В это время на выходе компаратора начинается формироваться импульс. При поступлении этого импульса на временной селектор последний раскрывается и пропускает на вход счетчика импульсы с генератора счетных импульсов. При достижении равенства напряжения ГЛИН и измеряемого напряжения формирование импульса на выходе компаратора прекращается, схема «И» запирается и счет импульсов прекращается. В итоге счетчик регистрирует некое число импульсов N за интервал времени, а ЦОУ показывает соответственное ему число. В предстоящем рассмотренная процедура работы длится.

Reis. 8.7 АЦП время-импульсного деяния: und – структурная схема; б – временная диаграмма.

Продолжительность интервала подсчета импульсов:

. (8.4)

Andererseits,

. (8.5)

После соответственных преобразований получим:

. (8.6)

Так как значение численно соответствует скорости конфигурации пилообразного напряжения V, dann

. (8.7)

Для определенных схем АЦП значение выбирается равным , при всем этом:

. (8.8)

Суммарная погрешность АЦП данного типа определяется последующими причинами:

· погрешностью преобразования измеряемого напряжения в продолжительность прямоугольного импульса (нелинейность и непостоянность ГЛИН, погрешность компаратора);

· погрешностью преобразования интервала времени в код.

Общая погрешность такового АЦП составляет обычно 0,1 %.

Более помехоустойчивой является схема с двойным интегрированием (0,01%). Это разъясняется тем, что рассматриваемый АЦП конвертирует не секундное, а среднее значение входного напряжения.