2. Дискретизация аналоговых сигналов

В информационно-управляющих системах часто возникает задача обработки аналоговых сообщений, снимаемых с аналоговых датчиков. Для ввода такой информации в компьютер, ведущий обработку в цифровом виде, осуществляется дискретизация (квантование) аналоговых сигналов.

Различают 3-и вида дискретизации:

• по уровню;

• по времени;

• по уровню и времени (комбинированная).

Рассмотрим каждый из названных видов квантования более подробно.

2.1 Квантование по уровню

Предположим, что информация отображается аналоговым (непрерывным) напряжением U(t), которое медленно изменяется по закону, представленному на рисунке 2.1.

Мгновенные значения этого напряжения лежат в диапазоне ((Umin=0)…Umax). При выполнении операции квантования по уровню диапазон изменения значений непрерывной величины разбивается на ряд уровней Nу, включая нулевой. Число Nу определяется из выражения

,(2.1)

где ∆U – величина шага квантования по уровню. Последняя является постоянной величиной (∆U=const) и определяется требуемой погрешностью дискретизации. В нашем примере Nу = 5. Каждый уровень пронумерован в десятичной системе счисления. Работа квантователя сводится к следующему: он определяет моменты времени, когда входной аналоговый сигнал достигает очередного дискретного уровня.

Рисунок 2.1

Эти моменты обозначены t0, t1, t2, t3... Очевидно, что при нелинейном входном сигнале интервал между соседними временными отсчетами является переменной величиной (∆t = var). Примером устройств, в которых осуществляется квантование по уровню, является релейные (пороговые) устройства.

2.2 Квантование по времени

Рисунок 2.2

При выполнении операции квантования по времени (рисунок 2.2) непрерывный входной сигнал заменяется решетчатым (дискретным), снимаемым с выхода квантователя в дискретные моменты времени t1, t2, t3,... Интервал между соседними моментами времени ∆t = t1-t0 = t2-t1= =... = const. Очевидно, что разность соседних значений входного сигнала при нелинейном законе изменения входного напряжения является переменной величиной (∆U=var). Примером устройств, в которых осуществляется квантование по времени, являются импульсные системы автоматического управления [20].

2.3 Квантование по уровню и по времени

Рисунок 2.3

Работа такого преобразователя (рисунок 2.3) сводится к тому, что из непрерывного сигнала периодически производятся выборки мгновенных значений. Временной интервал между соседними выборками ∆t=const. Каждая выборка округляется преобразователем до ближайшего уровня квантования, полученного от дискретизации по уровню. Интервал между соседними уровнями ∆U=const. Значение уровня представляется в десятичной или двоичной системе счисления (десятичным или двоичным кодом). Код уровня в свою очередь представляется цифровым сигналом. Выходной сигнал имеет ступенчатую форму и с определенной степенью точности соответствует преобразуемому аналоговому напряжению. По такому принципу работают электронные аналогово-цифровые преобразователи (АЦП) [10, 13].

цифровой электронный логический микросхема