Методы аналого-цифрового преобразования.

При построении цифрового измерительного оборудования применяются различные методы и средства преобразования аналоговой информации в цифровую, отличающиеся метрологией, помехозащищенностью, динамикой.

В цифровой измерительной технике достаточно широко применяется преобразователь (считающийся классическим типом АЦП) последовательного приближения (поразрядного уравновешивания) – с устройством выборки и хранения (УВХ) на входе. Устройство выборки и хранения обеспечивает выполнение дискретизации входного сигнала, т.е. переход к дискретному времени.

Один цикл преобразования входного измеряемого напряжения U_Х в этом методе состоит из нескольких тактов. Уравновешивание выполняется с помощью автоматически изменяющегося компенсирующего напряжения. Процесс преобразования заключается в поочередном сравнении изменяющегося по определенному алгоритму компенсирующего напряжения U_К с измеряемым U_X. В соответствии с алгоритмом, напряжение компенсирующее целенаправленно стремиться стать равным измеряемому напряжению. В течении нескольких тактов напряжение U_К становиться практически равным U_X. Такое преобразование напоминает процедуру взвешивания, когда используя несколько разных гирь и подбирая (устанавливая или снимая) гири, начиная со старшей, т.е. уравновешивая, можно достичь удовлетворительного равновесия.

Этот метод преобразования обеспечивает средние метрологические характеристики и достаточно высокое быстродействие. Поэтому именно он применяется в цифровых средствах динамических измерений.

Другой метод используемый в средствах динамических измерений – метод параллельного преобразования , который обеспечивает наиболее высокое быстродействие (правда, с малой разрядностью и невысокой точностью).

Входной сигнал при помощи множества однотипных компараторов сравнивается одновременно с рядом опорных напряжений, формируемых точным делителем напряжения. Затем с помощью дешифратора выявляется граница между двумя группами компараторов с одинаковыми состояниями («0» и «1») и результат сравнения преобразуется в двоичный код.

В автономных цифровых вольтметрах и мультиметрах, предназначенных для статических измерений, а также в некоторых регистраторах, которые предназначены для работы с медленноменяющимися процессами, применяются АЦП интегрирующего типа.

Интегрирующие методы преобразования обеспечивают самые высокие точность, чувствительность, разрешающую способность, а также высокое подавление периодических помех сетевой частоты. Правда, эти АЦП сравнительно медленнодействующие, но для автономных приборов и не требуется высокого быстродействия.

В настоящее время применяют две разновидности интегрирующего аналого-цифрового преобразования :

1) Времяимпульсный;

2) Частотно-импульсный;

При использовании времяимпульсного метода входное напряжение преобразуется пропорциональный по длительности интервал времени, который затем заполняется импульсами стабильной, известной частоты. Сформированная таким образом серия импульсов подсчитывается счетчиком, содержимое которого после окончания счета и определяет значение измеряемого напряжения. Цикл преобразования состоит из двух основных тактов. Основной узел такого АЦП – интегратор, который в течение первого такта Т₁ (длительность которого всегда постоянна) интегрирует входной сигнал, а если к сигналу примешана периодическая помеха, то интегрирует сумму сигнала и помехи. На этом такте емкость интегратора линейно заряжается. При равенстве (или кратности) интервала первого такта периоду помехи результат не будет зависеть от помехи. Во втором такте Т₂ на вход интегратора поступает опорное (стабильное, образцовое) напряжение, полярность которого противоположна полярности измеряемого напряжения. При этом емкость интегратора линейно разряжается. Компаратор фиксирует момент полного разряда емкости. Таким образом, длительность второго такта пропорциональна значению входного постоянного напряжения. Затем значение длительности второго такта с помощью генератора тактовой частоты и счетчика импульсов преобразуется в пропорциональный цифровой код. Длительность интервала первого такта Т₁ задается разработчиком равным или кратным периоду периодической помехи (20мс).

Степень ослабления влияния помехи характеризуется коэффициентом подавления К_П, который выражается в децибелах. Чем больше значение К_П, тем выше подавление помехи, и тем, следовательно, лучше.

Частотно-импульсный метод основан на предварительном преобразовании входного сигнала в пропорциональную частоту следования импульсов. Эти импульсы в течении стабильного интервала времени Т₀ поступают на счетчик, который подсчитывает число импульсов в серии. Таким образом, содержимое счетчика отражает значение входного напряжения.