Аналого-цифровые преобразователи

АЦП является одним из основных функциональных элементов ЦИП. АЦП представляет собой устройство, обеспечивающее квантование, дискретизацию и кодирование аналогового сигнала. Исходя из указанной совокупности процессов, происходящих в АЦП, его обобщенную структурную схему принято представлять в виде трех взаимосвязанных элементов.

Рис. 8.4 Структурная схема АЦП.

В дискретизирующем устройстве реализуется процесс преобразования непрерывного во времени сигнала в дискретный сигнал . При этом значения дискретного сигнала равны мгновенным значениям исходного непрерывного сигнала в фиксированные моменты времени. Промежутки времени меду двумя соседними дискретными моментами времени называют шагом дискретизации .

В ЦИП значение сигнала измеряется только в фиксированные моменты времени . Частота дискретизации выбирается из противоречивых условий. Действительно, чем больше частота дискретизации , тем меньше потери измерительной информации, но это приводит к ужесточению требований по быстродействию АЦП и, следовательно, к его усложнению.

Задача правильного выбора частоты дискретизации это фактически задача выбора интервала интерполяции . При этом под правильно выбранной частотой дискретизации следует понимать такую частоту, при которой погрешность интерполяции оказывается не более заданной. При решении этой задачи принято рассматривать различные интерполяционные полиномы.

В устройстве квантования происходит процесс замены мгновенных значений непрерывной по размеру величины . Разность между двумя соседними уровнями называется шагом квантования. При квантовании, как и при дискретизации, теряется часть информации о непрерывной измеряемой величине , следовательно, квантующее устройство, как и дискретизирующее, является источником методической погрешности.

Рис. 8.5 Квантование и дискретизация аналогового сигнала.

Из сравнения реальной и идеальной функции преобразования следует, что погрешность квантования:

. (8.1)

Из рисунка видно, что погрешность квантования имеет характер ломаной линии. При таком характере погрешности квантования СКО погрешности квантования, характеризуется средней мощностью за длительность одного импульса, определяется равенством:

. (8.2)

В кодирующем устройстве происходит представление дискретного значения сигнала в удобном для последующей обработки виде, например, в двоичной системе счисления. Таким образом, процесс преобразования аналогового сигнала в цифровой сигнал неизбежно приводит к возникновению погрешностей, вызванных процедурами дискретизации и квантования.

Рис. 8.6 Диаграммы, поясняющие погрешность квантования: а – реальная и идеальная функции преобразования; б – кривая погрешности квантования.

Погрешность АЦП определяется суммой методической и инструментальной составляющих:

. (8.3)

Методическая погрешность определяется принципом работы преобразователя и зависит от погрешности дискретизации и квантования, а инструментальная погрешность определяется нестабильностью работы узлов и элементов АЦП.

Кроме погрешности, АЦП характеризуются ценой деления, разрешающей способностью, чувствительностью, быстродействием.

В измерительных устройствах используют АЦП прямого и уравновешивающего преобразования.

Прямое АЦП реализуется одним из следующих способов:

· время - 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 кодирования работает на основе последовательного преобразования измеряемого напряжения в пропорциональный ему временной интервал. В течение этого интервала времени на электронный счетчик поступают импульсы с известной частотой повторения, число которых пропорционально величине измеряемого постоянного 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 формировать пилообразное напряжение. В это же время на выходе компаратора начинается формироваться импульс. При поступлении этого импульса на временной селектор последний открывается 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» закрывается и счет импульсов прекращается. В результате счетчик регистрирует некоторое число импульсов N за интервал времени, а ЦОУ отображает соответствующее ему число. В дальнейшем рассмотренная процедура работы продолжается.

Рис. 8.7 АЦП время-импульсного действия: а - структурная схема; б – временная диаграмма.

Длительность интервала подсчета импульсов:

. (8.4)

С другой стороны,

. (8.5)

После соответствующих преобразований получим:

. (8.6)

Поскольку значение численно соответствует скорости изменения пилообразного напряжения V, то

. (8.7)

Для конкретных схем АЦП значение выбирается равным , при этом:

. (8.8)

Суммарная погрешность АЦП данного типа определяется следующими причинами:

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

· погрешностью преобразования интервала времени в код.

Общая погрешность такого АЦП составляет обычно 0,1 %.

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

Автоматизация измерений

Электронные вольтметры

Аналоговые электронные измерительные приборы

Основные компоненты ИИС

Основные характеристики средств измерений

Вернуться в оглавление: Методы и средства измерений электрических величин