17. Основные положения цифровых методов измерения.

18. Ацп время импульсный

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.

19. АЦП – с двойным интегрированием.

20. АЦП – частотного преобразования.

ОТВЕТ ВЗЯТ ИЗ ГУГЛА

На рисунке показана структура АЦП с частотным преобразованием и временные диаграммы ее работы. Развертка входного напряжения во временной интервал в таком АЦП основана на линейной зависимости изменения скорости напряжения на выходе интегратора от величины поданного на его вход постоянного напряжения. Перед началом кодирования счетчик СТ обнуляют, емкость интегратора разряжают и напряжение на его выходе Uинт становится равным нулю. Одновременно с 55 подачей на вход АЦП в момент времени t1 входного кодируемого напряжения Uх разрешается поступление импульсов с ГТИ через ключ S на счетчик, который начинает их подсчет. С подачей на вход напряжения Uх напряжение Uинт начинает линейно нарастать. Сравнивающее устройство СУ оценивает соотношение величин напряжения Uинт и напряжения источника опорного напряжения (ИОН). В момент t2, когда они сравняются, СУ устанавливается в состояние, закрывающее ключ S. Поступление через него импульсов с ГТИ на счетчик СТ и их подсчет прекращается. Так как скорость нарастания Uинт линейно зависит от величины подаваемого на вход интегратора напряжения (и с увеличением подаваемого напряжения растет), а напряжение Uинт с течением времени растет линейно, то продолжительность отрезка времени (t2-t1) будет всегда пропорциональна величине кодируемого напряжения Uх. Следовательно, будет пропорционально напряжению Uх и количество подсчитанных счетчиком СТ импульсов. Таким образом, код на выходе является цифровой оценкой величины Uвх.

21. АЦП – поразрядного уравновешивания. Параллельные АЦП

АЦП предназначены для преобразования аналогового сигнала в цифровой.

АЦП с поразрядным уравновешивание АЦП нашли самое широкое распространение. АЦП характерны такие свойства, как большое число уровней квантования (до 14 двоичных разрядов), среднее быстродействие (10⁵- 10⁶ преобразований в секунду). Существенным недостатком АЦП ПУ являются большие значения дифференциальной и интегральной нелинейностей (0.5 - 1 цены МЗР).

Основная погрешность таких АЦП определяется:

- конечной чувствительностью компаратора, погрешностями изготовления сопротивлений в ЦАП и ограниченным количеством разрядов - аддитивная составляющая погрешности,

- погрешностью рабочего тока ЦАП - мультипликативная составляющая погрешности.

Поэтому в общем случае основная погрешность АЦП поразрядного уравновешивания нормируется предельно допускаемой относительной погрешностью, которая выражается двучленной формулой.

Динамической характеристикой АЦП поразрядного уравновешивания является длительность цикла преобразования или обратная величина - частота преобразования. Погрешность датирования отсчетов или апертурное время таких АЦП не превышает длительности цикла преобразования.

В настоящее время АЦП поразрядного уравновешивания обладают следующими предельно достижимыми характеристиками: максимальная частота измерений от 50 Гц (при 24 двоичных разрядах) до 400 МГц (при 8 двоичных разрядах).

У параллельных АЦП все разряды выходного кода вычисляются одновременно/параллельно, поэтому они самые быстродействующие.

Недостаток таких АЦП - высокая сложность. Действительно, n-разрядный параллельный АЦП сдержит 2 n -1 компараторов и 2 n резисторов (например, при n=10, требуется 1023 компаратора и 1024 резистора). Точность резисторов и компараторов должна быть лучше половины величины МЗР. Отсюда - высокая стоимость и значительная потребляемая мощность. Поэтому параллельные АЦП имеют невысокую разрядность (6 - 10), а в некоторых АЦП применяется параллельно-последовательный принцип, что несколько снижает быстродействие подобного АЦП по сравнению с обычным параллельным АЦП, но зато позволяет получить большее число разрядов, не увеличивая количество компараторов (до 2n –1).