5. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи

1. Аналого-цифровые преобразователи

2. Цифро-аналоговые преобразователи

3. Преобразователи интервалов времени

4. Вопросы для самоконтроля

Использование цифровой вычислительной техники и микропроцессорных устройств в системах телеизмерений, контроля и управления процессами определяет задачу связи их с объектами, информация о состоянии которых поступает чаще всего в виде непрерывного (аналогового) сигнала. Непосредственно такие сигналы использовать и обработать в цифровых устройствах нельзя, требуется предварительно преобразовать их в цифровую форму, что выполняется в аналого-цифровых преобразователях (АЦП). Для использования результатов цифровой обработки информации в качестве управляющих сигналов для аналоговых устройств необходимо преобразовывать выводимую из ЭВМ информацию из цифровой в аналоговую форму, что выполняется в цифро-аналоговых преобразователях (ЦАП).

Цель главы – ознакомление с принципами построения, функционированием и применением основных типовых аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей.

ПОСЛЕ ИЗУЧЕНИЯ ГЛАВЫ НЕОБХОДИМО ЗНАТЬ:

• назначение, устройство, принцип действия и особенности реализации аналого-цифровых преобразователей различных типов;

• назначение, устройство, принцип действия и особенности реализации цифро-аналоговых преобразователей.

5.1. Аналого-цифровые преобразователи

Использование цифровой вычислительной техники и микропроцессорных устройств в системах телеизмерений, контроля и управления процессами определяет задачу связи их с объектами, информация о состоянии которых поступает чаще всего в виде непрерывного (аналогового) сигнала. Непосредственно такие сигналы использовать и обработать в цифровых устройствах нельзя, требуется предварительно преобразовать их в цифровую форму, что выполняется в аналого-цифровых преобразователях (АЦП). Для использования результатов обработки информации в качестве управляющих сигналов в аналоговых устройствах необходимо преобразовывать выводимую из ЭВМ информацию из цифровой в аналоговую форму, что выполняется в цифро-аналоговых преобразователях (ЦАП).

Аналого-цифровые преобразователи обычно реализуются на микроэлектронной базе в виде микросхем, которые для своего функционирования могут потребовать наличия внешних вспомогательных устройств и сигналов. К таким внешним устройствам можно отнести, например, источники опорного (эталонного) напряжения, генераторы тактовых импульсов, выходные буферные усилители, устройства выборки-хранения для замораживания входного сигнала на время преобразования. Выпускаются и полные АЦП, которые не требуют для работы дополнительных внешних устройств и которые обеспечивают простое сопряжение с ЭВМ и устройствами индикации. Существует достаточно много способов аналого-цифрового преобразования, некоторые из которых рассмотрим более подробно.

5.1.1. Принцип аналого-цифрового преобразования

Процесс преобразования аналогового сигнала в цифровую форму можно разделить на три этапа: дискретизацию во времени, квантование по уровню и кодирование (представление в виде двоичного числа).

Этап дискретизации состоит в выборе моментов времени, когда следует измерять мгновенное значение непрерывного сигнала для последующего преобразования в цифровой (моментов отсчета). При этом следует помнить, что чем чаще выбираются моменты отсчета (меньше период дискретизации Т_дискр), тем меньше потери информации об измеряемом процессе. С другой стороны, частое измерение параметров процесса не всегда ведет к увеличению информативности о нем, а лишь к количественному увеличению единиц информации, которые необходимо хранить и обрабатывать, что понижает быстродействие устройства без увеличения качества управления. Необходим компромисс, позволяющий уменьшить количество единиц, которыми отображается информация, без уменьшения ее качества (информативности о наблюдаемом процессе).

Выбор периода дискретизации производится на основе фундаментальной теоремы отсчетов, сформулированной и доказанной академиком В.А. Котельниковым, которая носит его имя. На основании этой теоремы, выбирать период дискретизации следует так, чтобы частота измерения (отсчета) сигнала F_отс была выше верхней частоты его спектра F_в не менее, чем в два раза:

.

В этом случае значения сигнала в выбранные моменты времени несут всю информацию об исследуемом процессе. Более частые измерения информации не добавляют, а лишь загружают память ЭВМ и увеличивают время обработки.

Этап квантования заключается в выборе шага квантования – значения измеряемой величины, принятой за единицу, и определении уровней квантования – количества шагов квантования, которое содержит измеряемый сигнал в каждый момент отсчета. Измеряемый сигнал обычно содержит не целое, а дробное количество шагов квантования, поэтому преобразование происходит с некоторой погрешностью , которую называют шумами квантования (рис. 5.1).

У

Рис. 5.1 Принцип аналого-цифрового преобразования

ровни квантования, наложенные на моменты отсчета, образуют сетку, по которой значения аналогового сигнала заменяются ближайшим к нему числом, равным уровню квантования. Можно выбирать ближайшее снизу или ближайшее сверху (с избытком или недостатком) число шагов квантования в рассматриваемые моменты времени. На рис. 5.1 показано преобразование с выбором ближайших снизу уровней квантования (t₁ ,t₂ ,t₃ , ... – моменты отсчета, 1, 2, 3 ... – по вертикальной оси – уровни квантования).

Значение сигнала в момент t₁ заменяется ближайшим к нему уровнем квантования с номером 5, в момент t₂ – уровнем 7 и т.д. Несмотря на то, что при t₂ и t₃ аналоговый сигнал ближе к уровню квантования с номером 8, ему так же, как и при t₂, приписывается уже достигнутый меньший уровень 7 (более высокий уровень измеряемой величины при выбранном способе квантования не достигается).

Точка отсчета	Отсчитанный уровень	Код уровня
t1	5	101
t2	7	111
t3	7	111
t4	7	111
t5	5	101
t6	3	011
t7	2	010

Коды уровней сигнала рис.5.1

Таблица 5.1 При квантовании исходная непрерывная и гладкая функция заменяется ступенчатой. Разность между истинным значением аналогового сигнала и приписанным ему уровнем квантования в любой момент времени определяет погрешность преобразования (погрешность квантования, шумы квантования). Чем меньше шаг квантования, тем меньше и погрешность, тем более точно осуществляется преобразование, что может быть достигнуто только усложнением преобразующего устройства и уменьшением его быстродействия

Кодирование заключается в преобразовании последовательности чисел, соответствующих уровням квантования, достигнутых сигналом в моменты отсчета (в рассматриваемом примере – 5, 7, 7...), в двоичные коды этих чисел (соответственно – 101, 111,111 ... в таблице 5.1.)

Аналого-цифровые преобразователи используются для преобразования электрических величин (напряжений, токов) в цифровой сигнал. Преобразование неэлектрических величин ( например, интервалов времени, перемещений) в цифровой сигнал требует их предварительного преобразования в электрическую величину с помощью соответствующих преобразователей.