Московский государственный институт электронной техники

К. К. Недопекин

Преобразователи информации.

Курс лекций.

Москва

2007

Содержание.

1. Назначение, классификация и основные характеристики преобразователей информации	5
1.1. Классификация преобразователей информации.	6
1.1.1. Классификация АЦП	7
1.1.2. Классификация ЦАП	8
1.2. Параметры преобразователей информации	9
2. Квантование непрерывных величин во времени и по уровню	13
2.1. Квантование во времени	13
2.1.1. Определение частоты квантования по теореме Котельникова	16
2.1.2. Определение частоты квантования с помощью интерполяционного многочлена Лагранжа	21
2.2. Квантование по уровню	24
3. Классификация и методы определения погрешностей	28
3.1. Классификация погрешностей	28
3.2. Методы определения ошибки устройства, вызванной действием одной первичной ошибки.	31
3.3. Методы суммирования случайных ошибок	33
4. Преобразователи цифровых кодов в электрические сигналы (ЦАП)	36
4.1. Классификация	36
4.2. ЦАП с весовыми резисторами	38
4.3. ЦАП с СР R-2R и одним эталонным источником напряжения	41
4.4. ЦАП с СР R-2R и источниками равных токов в разрядах	47
4.5. ЦАП с сеткой резисторов комбинированного типа	51
4.6. ЦАП с коммутируемыми конденсаторами (ЦАП с конденсаторами с перераспределением зарядов)	55
4.7. ЦАП с суммированием единичных приращений. ЦАП с ШИМ и ЧИМ	57
4.8. ЦАП последовательного кода в напряжение	62
4.9. ЦАП последовательного кода в напряжение на коммутируемых конденсаторах.	65
4.10. Полно-декодирующие ЦАП (или строковые ЦАП)	67
4.11. Сегментные ЦАП	69
4.12. Биполярные ЦАП	70
5. Аналогово-цифровые преобразователи электрических сигналов (АЦП)	75
5.1. Классификация	75
5.2. АЦП считывания	76
5.3. Преобразователи напряжение в код (ПНК) с полной обратной связью	81
5.4. АЦП, основанные на методе сравнения и вычитания	85
5.5. АЦП последовательного приближения (ПНК, использующий в обратной связи ЦАП с суммированием с учетом веса разряда)	87
5.6. АЦП без обратной связи конвейерного типа (на одноразрядных АЦП-ЦАП)	92
5.7. АЦП с промежуточным преобразованием	95
5.7.1. АЦП с времяимпульсной модуляцией (АЦП с ВИМ)	95
5.7.2. Время-импульсный АЦП с двойным интегрированием	98
5.7.3. Схема преобразования напряжения в код с трехтактным интегрированием	103
5.7.4. АЦП с промежуточным преобразованием в частоту	107
5.7.5 Генератор управляемый напряжением (ГУН)	113
5.8. Архитектура сигма-дельта АЦП	115
5.8.1. Шумообразующий - модулятор (АЦП со сбалансированными зарядом и разрядом)	119
5.8.2. Изменение формы сигнала	122
5.8.3. Сравнение метода двухшагового преобразователя с преобразователем со сбалансированным зарядом и разрядом	123
5.9. Стахостическо-эргодический метод преобразования напряжения в код	125
5.9.1 Удобство обработки	130
6. Кодовые шкалы преобразователей считывания	133
6.1. Применение в преобразователях специальных кодов для устранения ошибок неоднозначности при считывании	133
6.2. Двоичные кодовые шкалы	134
6.3 Двоично-сдвинутые коды	137
6.4. Метод «двойной щетки»	140
6.5. Однопеременный циклический код. Код Грея	142
6.6. Двоично-десятичные кодовые шкалы	149
6.6.1. Взвешенный двоично-десятичный код	149
6.6.2. Невзвешенные двоично-десятичные коды последовательным изменением одной единицы	151
7. Аналого-цифровые преобразователи механических перемещений	155
7.1. Классификация	155
7.2. Преобразователи перемещений в код накапливающего типа	156
7.3. Циклический преобразователь с промежуточным преобразованием в фазу и временной интервал	161
7.4. Фазовращатель на основе вращающихся трансформаторов ВТ, СКВТ)	162
7.4.1. Схема фазовращателя с вращающимся полем	163
7.4.2. Схема фазовращателя с пульсирующим полем	167
7.5. Фазовые методы преобразования информации	170
7.5.1. Фазовый интерполятор прямого преобразования о методу стробирующей бегущей метки	170
7.5.2. Формирование цифрового кода на выходе фазовращателя	172
7.5.3. Фазовый следящий интерполятор	173
7.6. Амплитудные методы преобразования информации	175
7.6.1. Интерполяторы следящего типа (компенсационные)	175
7.6.2 Амплитудный интерполятор прямого преобразования	178
Список литературы	180

1. Назначение, классификация и основные характеристики

преобразователей информации

Современный период развития науки и техники характеризуется широким распространением в автоматических системах средств вычислительной техники. Быстрое развитие элементной баз от ИС до СБИС (сверхбольших интегральных схем) привело к широкому использованию ЭЦВМ для автоматизации и механизации:

- вычислительных и логических операций;

- программного управления;

- управления различными процессами и системами (объектами).

Внедрение цифровой вычислительной техники и микропроцессоров в автоматические системы выдвигает на первый план проблему их связи с объектами, параметры которых в большинстве случаев характеризуются величинами, являющимися непрерывными функциями времени.

Непрерывным называется сигнал, если множество значений параметра образуют непрерывную последовательность.

Эти параметры могут быть в виде электрических сигналов или механических перемещений. Непосредственное использование и обработка таких функций в цифровых устройствах невозможна, необходимо преобразовать аналоговые сигналы в цифровые.

Эту операцию реализует аналого-цифровой преобразователь (АЦП).

Цифровая машина работает с дискретным представлением информации.

Дискретным называется сигнал, если множество значений, которые может принимать параметр, является числом счетным.

Для обеспечения вывода из процессора результатов обработки информации на управляемый объект необходимо преобразовать цифровые сигналы в непрерывные выходные сигналы, пригодные для работы с аналоговыми устройствами и приборами систем управления объектом.

Это осуществляется при помощи цифро-аналогового преобразователя (ЦАП).

Блок схема системы управления с использованием ЭЦВМ и преобразователей обоих типов представлена на рис. 1.1.

Входная информация поступает на ЭЦВМ в виде координат X,Y,Z через преобразователи (АЦП) П1 и характеризуют собой внешние условия, влияющие на процесс управления объектом.

Рис. 1.1. Блок схема системы управления.

Обычно, эти координаты бывают непрерывны (координаты цели – дальность, углы и т.д.). Преобразователи П1 преобразуют их в дискретную форму.

Информация о состоянии объекта поступает в виде непрерывных величин . Перед вводом их в ЭЦВМ эти величины также преобразуются в дискретные второй группой преобразователей (АЦП) П1.

По результатам входной и информации об управляемом объекте- ЭЦВМ вырабатывает дискретное управляющее воздействие, которое затем преобразуется преобразователями П2 в непрерывные величины и поступают на объект и изменяют его состояние.

1.1. Классификация преобразователей информации

Таким образом, для связи объекта с ЭЦВМ необходимо иметь два вида преобразователей:

- аналог-код – АЦП,

- код-аналог – ЦАП.

Очевидно, что параметры системы могут быть самые разнообразные (температура, скорость перемещения, угловые координаты, концентрации составов и т.д.), однако информация о них чаще всего поступает от первичных датчиков (не рассматриваемых в данном курсе) в виде непрерывных аналоговых величин

- механического линейного и углового перемещения;

- электрического напряжения и тока;

- временного интервала, фазы, частоты.

Дискретными величинами являются коды, количество импульсов, частотный поток импульсов.

1.1.1. Классификация ацп

В настоящее время разработано и используется большое количество преобразователей различных типов.

Классификация преобразователей в связи с этим затруднена, однако ее удобнее на начальном этапе провести по двум признакам:

- по принципу (методу), используемому в процессе преобразования;

- по виду преобразуемой величины (механическое перемещения, электрические величины).

Методы преобразования.

Преобразователи непрерывных величин в дискретные (АЦП) обеспечивают быстрое и точное измерение аналоговых величин, причем результаты измерений выдаются в форме, удобной для использования в ЭЦВМ. В связи с этим методы измерения аналоговых величин одновременно представляют собой и основные методы преобразования непрерывных величин в дискретные.

Основными методами измерения аналоговых величин являются следующие:

- метод последовательного счета;

- метод считывания;

- метод сравнения и вычитания.

Рассмотрим эти методы.

1. При методе последовательного счета измеряемая аналоговая величина разбивается на ряд равных составных частей (приращений). Каждому приращению ставится в соответствие единица младшего разряда цифрового кода. В результате подсчета этих приращений (с помощью счетчика) получают код – эквивалент исходной аналоговой величины.

2. При методе считывания сразу определяется цифровой код – эквивалент аналоговой величины.

3. При использовании метода сравнения и вычитания производится последовательное сравнение аналоговой величины с набором ее эталонных значений. При этом сравнение начинается с максимальной эталонной величины. После каждого сравнения формируется значение данного разряда. Разность между измеряемой величиной и использованным эталоном поступает для сравнения со следующим эталоном

В соответствии с этими методами, преобразователи «аналог-код» разделяются на три группы:

- преобразователи последовательного счета;

- преобразователи считывания;

- преобразователи сравнения и вычитания.

По виду преобразуемой информации преобразователи разделяются на

- преобразователи механического (линейного и углового) перемещения в код;

- преобразователи электрической величины в код (напряжение, ток, частота, фаза).

Следует отметить, что преобразователи механических перемещений в код могут быть построены по методу последовательного счета, по методу считывания.

В преобразователях электрических величин нашли применение все три метода измерения аналоговых величин.