Аналого-цифровые преобразователи

Поскольку в ряде случаев в системах автоматики одновременно исполь-

зуются устройства аналогового и цифрового действия, возникает необходимость преобразования аналоговых величин в цифровые и обратно. Устройство, осуществляющее преобразование входной аналоговой величины в соответствующий цифровой код, называется аналого-цифровым преобразователем (АЦП). При этом преобразовании происходят три операции: дискретизация, квантование и кодирование. В общем случае различают три вида квантования: по уровню, когда фиксируются значения (уровни) непрерывного сигнала в произвольные моменты времени; по времени, когда фиксируются произвольные значения выходного сигнала в фиксированные моменты времени; одновременно по уровню и по времени.

По методам преобразования АЦП можно разделить на несколько групп:

АЦП

С простран-ственным кодирова-нием

Число-импульс-ные

С уравнове-шиванием

Рис. 11.5. Классификация аналого-цифровых преобразователей

Свойства АЦП оцениваются по форме представления кодов, диапазону изменения входных и выходных величин, погрешности преобразования, времени преобразования, надежности работы.

а б

Рис. 11.6. Процесс дискретизации (а) и квантования (б) непрерывного сигнала u(t)

Таким образом, при преобразовании напряжений в цифровой код сначала непрерывная функция преобразуется в последовательность ее

отсчетов в определенные моменты времени. При этом дискретизация бывает равномерная и неравномерная. При равномерной дискретизации период отсчетов Т остается постоянным, а при неравномерной он может меняться.

Неравномерная дискретизация чаще всего обусловлена скоростью изменения сигнала и потому называется адаптивной. Затем мгновенные значения функции ограничиваются определенными уровнями. В результате непрерывная функция превращается в ступенчатую.

Вторая операция, квантование, состоит в том, что мгновенные значения функции u(t) ограничиваются только определенными уровнями, которые называют уровнями квантования. В результате квантования непрерывная функция принимает вид ступенчатой кривой.

Третья операция, называемая кодированием, представляет дискретные квантованные величины в виде цифрового кода, т.е. последовательности цифр, подчиненных определенному закону. С помощью операции кодирования осуществляется условное представление численного значения величины.

По существу квантование представляет собой операцию округления непрерывной величины до ближайшего целого значения. В результате получается погрешность, определяемая шагом квантования.

По признаку измеряемого значения напряжений все АЦП можно разделить на две группа: АЦП мгновенных значений и АЦП средних значений или интегрирующие.

а б

Рис. 11.7. Структурная схема АЦП последовательного счета (а) и графики процесса преобразования (б).

АЦП мгновенных значений можно разделить на следующие основные виды: последовательного счета, последовательного приближения, параллельные, параллельно-последовательные, с промежуточным преобразованием в интервал времени.

Структурная схема АЦП последовательного счета представлена на

рис. 11.7. На прямой вход компаратора подается входной сигнал. На инвертирующий вход – напряжение обратной связи с ЦАП, выполняющий роль опорного напряжения. В начале преобразования от схемы управления подается команда «пуск». Через ключ S импульсы от генератора подаются на счетчик, который управляет работой ЦАП. По мере роста выходного кода растет напряжение на выходе ЦАП. Когда оно сравняется с входным, произойдет переключение компаратора, сигнал с его выхода отключит генератор от счетчика, на выходе которого получим код, соответствующий мгновенному значению напряжения на входе.

Такой АЦП имеет сравнительно невысокое быстродействие, поскольку его время преобразования

T_пр= (2ⁿ – 1) T

где n –число разрядов;

T – период следования счетных импульсов.

Второй распространенный вид АЦП – АЦП параллельного действия

(рис. 11.8).Схема осуществляет одновременное квантование входного сигнала u_вхс помощью набора компараторов, включенных параллельно источнику сигнала. Пороговые уровни компараторов установлены с помощью резистивного делителя в соответствии с принятой шкалой квантования. На выходе компараторов, у которых равны входные и опорные напряжения, появляются квантованные сигналы, образующие унитарный код.

Рис. 11.8. Структурная схема параллельного АЦП

Преобразователь кодов преобразует унитарный код в двоичный, который далее реализуется вычислительным устройством. Недостатком АЦП параллельного действия является сложность схемы и большое число элементов. Уменьшить это число можно, применив параллельно-последовательные схемы (рис. 11.9),

Рис. 11.9. Структурная схема параллельно-последовательного АЦП

однако при этом снижается быстродействие. Такой АЦП работает в несколько тактов. В первом такте АЦП 1 преобразует старшие разряды входного напряжения в цифровой код. (на схеме это разряды 2⁵, 2⁴, 2³).

Затем, во втором такте эти разряды преобразуются с помощью цифроаналогового преобразователя (ЦАП) в напряжение, которое вычитается из входного сигнала в вычислительном устройстве ВУ. В третьем такте полученная разность преобразуется в цифровой код в АЦП 2, образуя код младших разрядов входного напряжения.

К АЦП мгновенных значений относятся также АЦП с время-импульсным преобразованием. Принцип их работы основан на предварительном преобразовании входного сигнала во временной интервал. Структурная схема такого АЦП приведена на рис. 11.10. АЦП состоит из генератора линейно-изменяющегося напряжения ГЛИН, компараторов К1 и К2 , формирователя длительности импульса, генератора тактовых импульсов и счетчика, с выхода которого снимается код преобразованного напряжения. Первый импульс u₂ формируется при

а б

Рис. 11.10. Структурная схема АЦП времяимпульсного преобразования (а) и графики процесса преобразования (б)

сравнении входного напряжения u_вх с напряжением u₁, а второй – при достижении напряжением ГЛИН нулевого уровня. В код преобразуется

количество импульсов генератора тактовой частоты, прошедших на счетчик за время импульса на выходе формирователя.