2.4 Методы преобразования непрерывных величин в код.

Рассмотрим пять методов, представленых на рис. 2.5, в которых в качестве измеряемой величины выбрана длина отрезка .

Первый метод. Применяется для случаем, когда , где:

‑ квант, мера, единица измерения, отрезок единичной длины;

‑ длина измеряемого отрезка;

‑ выражение в единицах .

На шаге мы переходим через границу отрезка (рис.2.5.а).

‑ определяет абсолютную погрешность измерения.

Второй метод. Применяется для случаев, когда невелико (например, очень короткий отрезок Δt либо временные интервалы малой длительности) и не обеспечивается неравенство . При этом в цифровых приборах технически невозможно (либо экономически невыгодно) создавать генератор с периодом следования счетных импульсов очень малым в сравнении с . В этом случае формируется калиброванная мера >>Y (рис. 2.5.б), на которой откладывается :

,

где ‑ количество , отложенных на .

Характерная черта первого и второго методов – последовательный счет повторяющейся величины до приближения суммы к значению более крупной величины.

Третий метод. Необходимо иметь набор мер (отрезков), значения которых соответствуют весовым коэффициентам двоичного кода, , …, , и равных , , …, , . С последовательно сравнивают наибольшую меру ( ), (рис.2.5.в). Эту меру в рассматриваемом случае равную , сравнивают с , фиксируют результат сравнения по правилу: ; . В соответствии с рис. , поэтому на следующем шаге с сравнивается следующая по величине мера ‑ ; . Далее до достижения равенства суммы мер измеряемой величине .

Результат измерения представлен в двоичном коде и равен 1011.

Четвертый метод. Комбинации из отрезков , , … заготовлены в кодовой маске. Столбцы маски (рис. 2.5.г) соответствуют двоичным разрядам. В столбцах чередуются участки, имеющие резко различающиеся свойства проводник – изолятор, прозрачность – непрозрачность.

Условимся, что при прохождении линии, определяющей конечную точку измеряемого отрезка, через незаштрихованный участок, в соответствующем двоичном разряде считывается «1»; через заштрихованный участок соответственно «0».

Характерная черта метода: наличие кодовой маски; считывание одного из двух состояний в каждом разряде.

По этому методу были реализованы первые цифровые вольтметры.

Пятый метод. Как и в предыдущем случае кодовые комбинации заготовлены заранее, но результат измерения формируется иначе: с отрезком сравнивается все множество отрезков, кратных кванту, т.е. , … и в нем выделяется подмножество отрезков, меньших .

Характерные черты метода: одновременное сравнение измеряемой величины с множеством мер таких, что каждая данная отличается от соседних на один квант. Устройство, реализующее этот метод обладает: наибольшим быстродействием (результат измерения получаем за один такт).

Итак, рассмотрены методы, в которых в качестве измеряемой величины выбрана длина отрезка .

Иногда для получения результата измерения производят несколько преобразований: температура может измеряться с помощью терморезистора, включенного в одно из плеч неравновесного моста, питае мого от источника постоянного напряжения.

Имеем два последовательных преобразования: , где ‑ изменение сопротивления терморезистора.

2.5 Структурные схемы АЦП

Будем считать, что входной величиной является одна из указанных величин . Это может быть либо собственно измеряемая величина , либо , полученная в результате предварительного преобразования .

Первый метод. Рассмотрим его применение для (рис.2.7 а).

В течении интервала времени Δt сигнал “3” на выходе логического элемента “И” повторяет сигнал “1”, поступающий от генератора импульсов Г с периодом следования импульсов Т_сч.

На счетчике импульсов (СТ) образуется код числа . Вид кода (двоичный, двоично-десятичный и т.д.) зависит от схемы счетчика. Частота должна быть стабильной. Перед началом следующего цикла преобразования осуществляется сброс счетчика.

Этот метод находит широкое применение в следующих видах ЦИП:

• цифровых хронометрах (ЦХ), где измеряемой величиной является интервал времени ;

• цифровых измерителях периода периодических сигналов;

• цифровых вольтметрах, где первичной измеряемой величиной является напряжение постоянного тока ‑, поэтому здесь должно осуществляться предварительное пропорциональное преобразование в .

Данный метод применяется также в так называемых пространственных АЦП, когда ‑ угловое или линейное перемещение.

Второй метод. Он применяется для случая , т.е. измеряется частота сигнала (рис.2.7, б). Длительность образцового интервала времени задается генератором импульсов Г вместе с делителем частоты (ДЧ). На СТ проходят N импульсов входного сигнала с измеряемой частотой , причем

;

стабильность интервала времени определяется стабильностью частоты . На счетчике образуется код числа N. Вид кода зависит от схемы счетчика. Метод находит применение в следующих видах ЦИП:

• цифровых частотомерах (ЦЧ), где измеряемой величиной является частота , при этом входной сигнал, в частности синусоидальный, следует преобразовать в импульсный;

• цифровых вольтметрах (ЦВ), где первичной измеряемой величиной является напряжение постоянного тока , поэтому здесь должно осуществляется предварительное пропорциональное преобразование в частоту .

Т ретий метод. Напряжение постоянного тока сравнивается с опорным напряжением , которое скачкообразно приближается к по определенной программе (рис.2.8). Устройство сравнения (УС) выдает на устройство управления (УУ) информацию о том, какое из двух напряжений больше. Весь процесс происходит в несколько тактов, которые задает генератор импульсов (Г). В каждом такте на выходе УУ образуется код К который поступает на преобразователь кода в напряжение (ПКН). Вид кода (двоичный, двоично-десятичный и др.) определяет схему ПКН. Код, образовавшийся на выходе УУ по окончании уравновешивания, выражает значение .

Точность измерения зависит от ПКН и УС и не зависит от УУ и генератора импульса (см. для сравнения первый и второй методы, где требуется стабильность частоты генератора). Основное применение метод находит в цифровых вольтметрах, цифровых мостах, АЦП – “напряжение – код”. Ступени в АЦП на десять двоичных разрядов будут: 512q, 256q, 128q, 64q, 32q, 16q, 8q, 4q, 2q, q, а в цифровых вольтметрах (ЦВ) на три десятичных разряда с кодом 2421: 200q, 400q, 200q, 100q, 20q, 40q, 20q, 10q, 2q, 4q, 2q, q.

В табл. 2.4 показан принцип работы в случае Ū=5q

Номер такта	Код	N		Соотношение сигналов	Код
				На входе УС	На выходе УС (сигнал “2”)
1	1000	8	8q	>	0
2	0100	4	4q	<	1
3	0110	4+2=6	6q	<	0
4	0101	4+1=5	5q	≤	1

Таблица 2.4 Алгоритм работы преобразователя напряжение ‑ код

Код на выходе УУ по окончании уравновешивания, выражает значения Ū. Для получения результатов измерения при четырех разрядах потребовалось пять тактов.

Четвертый метод применяется в пространственных АЦП, преобразующих в код угловые или линейные положения ( или ). Соответственно кодовая маска представляет собой диск или прямоугольник.

Если чередование участков маски основано, например, на прозрачности – непрозрачности, то для считывания состояний в разрядах используется оптическая система, содержащая по одну сторону от маски источник света, а по другую – фотоэлементы, например, фотодиоды (по одному на каждый разряд). Одна часть системы, например источник света и фотоэлементы остается неподвижной, а другая часть т.е. маска занимает относительно нее различные положения. Состояния фотоэлементов (освещен или нет) легко преобразуется в электрический кодовый сигнал, отображающий каждое данное положение. Одной из трудностей, встречающихся на пути практической реализации таких АЦП, является неоднозначность считывания, когда считывающие элементы оказываются на границах участков маски. Есть разные способы преодоления этой трудности. Один из них – применение рисунка маски, соответствующего коду Грея.

Пятый метод. Напряжение постоянного тока сравнивается с рядом постоянных опорных напряжений , количество которых равно количеству квантов (рис. 2.8). Они имеются на выходе источника опорных напряжений ИОН. Два ближайших по значению напряжения различаются между собой на один квант. Количество устройств сравнения УС тоже равно количеству квантов. Напряжение подается параллельно на все УС. С приходом строб-импульсов на выходах УС₁, УС₂, …, УС_Nmax образуются сигналы , представляющие собой некий код выражающий значение : для всех сигнал принимает значение 1, для остальных – 0.

Этот код можно преобразовать в какой-нибудь другой, например, в двоичный. Этот метод принципиально обеспечивает максимально возможное быстродействие, но требует максимальных аппаратурных затрат. В чистом виде он находит применение в АЦП “напряжение – код” с небольшим числом разрядов.

Рассмотренные пять элементарных методов преобразования непрерывных величин в код имеют свои названия. Классифицировать ЦИУ или методы, лежащие в их основе, можно по разным признакам, например:

• по роду преобразуемых величин (интервал времени, частота, напряжение и т.д.);

• по виду структурной схемы (замкнута она или разомкнута) и т.п.

так согласно государственному стандарту утверждены следующие названия методов преобразования непрерывных величин в код:

• времяимпульсный (первый метод при );

• частотно-импульсный (второй метод при Y=f);

• метод пространственного кодирования (первый метод при или и четвертый метод).

Третий метод богат синонимами. Кроме официального (кодоимпульсный) встречаются такие названия метода:

• поразрядного уравновешивания;

• поразрядного кодирования;

• последовательного во времени развертывающего уравновешивания;

• сравнения и вычитания;

• последовательных приближений (часто встречаются в иностранной литературе).

Первый и второй методы иногда объединяют и называют методом последовательного счета, а четвертый и пятый – методом считывания.

Пятый метод называют еще методом совпадений, амплитудным и параллельным.