1.2. Аналогово-цифрове перетворення

Для комп’ютерної обробки дискретні аналогові значення вимірювального сигналу необхідно представити у цифровій формі (у вигляді n-бітного цифрового вихідного сигналу), тобто виконати аналого-цифрове перетворення. Відповідний пристрій являється аналого-цифровим перетворювачем (АЦП, Analog-Digital Converter – ADC). В АЦП застосовуються такі методи перетворення [4, с.179-190]:

1. Послідовної лічби (з використанням ЦАП або з двотактним інтегруванням).

2. Порозрядного кодування (послідовного двійкового наближення).

3. Паралельної дії.

4. Паралельно-послідовні (комбіновані).

В багатьох АЦП використовуються ЦАП, тому розглянемо коротко їх принцип роботи. Ідеальний цифро-аналоговий перетво­рювач (ЦАП, Digital-analog Converter – DAC) виробляє вихідний аналоговий сигнал, що лінійно залежить від n-бітного цифрового вхідного сигналу. ЦАП призначені для перетворення цифрової інформації в аналогову форму у вигляді напруги (іноді струму). Використовуються у складі АЦП та для керування виконавчими пристроями (принтери, монітори, електричні двигуни та ін.).

Цифро-аналогове перетворення полягає в перетворенні вхідного n-розрядного коду N у пропорційні йому рівні напруг U(N):

U(N) = k · N = k (D_n-12^n-1 + .. D_і 2^і .. + .. D₁2¹ + D₀2⁰), (1.4)

де k – коефіцієнт пропорційності,

D_n-1, D_і, D₁, D₀ – розряди (біти) n-розрядного коду N,

2^і – вага і-го розряду .

Використовують ЦАП із додаванням струмів і напруг, але частіше – з додаванням струмів.

1.2.1. Аналого-цифрові перетворювачі послідовної лічби

Метод послідовної лічби заснований на урівноваженні вхідної напруги U_ВХ вихідною напругою з ЦАП (рис. 1.2 а). На початку АЦ-перетворення сигналом "Пуск" RS-тригер перемикається в стан "1" і дозволяє проходження імпульсів від генератора G через елемент AND на вхід двійкового лічильника СТ2. Наростаючий цифровий код D_n-1, ..., D₀ з виходу лічильника СТ2 перетворюється за допомогою ЦАП в напругу, яка подається на вхід компаратора КОМП. На другий вхід КОМП поступає вимірювана напруга U_ВХ. У момент рівності напруг U_ВХ=U_ЦАП компаратор виробляє сигнал скидання тригера. Після цього рахунок імпульсів припиняється і на виході лічильника СТ2 фіксується цифровий еквівалент вхідної напруги. Час перетворення t_р залежить від значення напруги U_ВХ (рис. 1.2 б).

а) б)

Рис. 1.2. Аналого-цифровий перетворювач послідовної лічби з ЦАП:

а – схема; б – часові діаграми роботи

Важливим параметром АЦП є опорна напруга U₀. Якщо вхідна аналогова напруга U_ВХ вимірюється відносно 0 В, то в цьому випадку опорна напруга U₀ – це максимальне допустиме значення U_ВХ. Якщо U_ВХ=U₀, то всі біти вихідного коду АЦП рівні 1.

1.2.2. Параметри ацп

До основних параметрів АЦП належать:

1. кількість розрядів n вихідного коду;

2. діапазон і полярність вхідної напруги U_ВХ, значення опорної напруги U₀;

3. роздільна здатність h_U = U₀/ (2ⁿ -1) – мінімальний квант вхідної напруги, за якої вихідний код змінюються на одиницю молодшого розряду;

4. абсолютна похибка Δ_U = h/2 – найбільше відхилення вихідного коду від розрахункового в кінцевій точці шкали;

5. час перетворення t_р – інтервал від моменту початку перетворення до появи на виході сталого коду; часто замість t_р швидкодія АЦП характеризується частотою дискретизації f_d = 1/ t_p.