Лекція 32. Перетворювачі сигналів.

План.

• Принцип перетворення напруги в цифровий код

• Аналого-цифрові перетворювачі (АЦП)

• Перетворювачі напруги в код.

• Перетворювачі кута повороту в код.

• Цифрово-аналогові перетворювачі.

• Перетворювач коду в напругу.

• Перетворювач коду в кут повороту.

Принцип перетворення напруги в цифровий код.

Принцип перетворення напруги в цифровий код полягає в наступному. Нехай датчик вимірює значення деякого параметра, який змінюється довільно, і видає напругу пропорційну вимірюваній величині. Діапазон можливих значень напруг датчика умовно розбивається на рівні. Відстань між рівнями береться однаковою і має назву крок квантування. Кожному рівню привласнюється код (зазвичай двійковий). Кількість рівнів діапазону береться рівним 2ⁿ, де n – розрядність коду. На рис. 1 наведений приклад, коли є вісім рівнів квантування. В момент часу t = 0 напруга на виході датчика має значення, що знаходиться між першим і другим рівнями, що відповідає значенню коду 001, який привласнений найближчому нижньому рівню. В момент наступного опиту t₁ (T_оп – час між черговими опитами датчика) напруга дорівнює четвертому рівню, код якого відповідає 100. В момент часу t₂ напруга більша за шостий рівень, що відповідає коду 110, і т.д. отже, перетворювач формує і передає коди тих рівнів, які дорівнюють або найближчі знизу до миттєвого значення напруги на виході датчика в момент опиту. Чим більше в перетворювачі рівнів, тим менший крок квантування і, відповідно, тим точніше перетворення сигналу, що знімається з датчика.

Рис. 1. Квантування сигналу в аналого-цифровому перетворювачі.

Якщо в системі є 2ⁿ рівнів, то відносна похибка перетворення  = 2^–n. Абсолютна похибка, що обумовлена квантуванням, дорівнює відстані між рівнями. Наприклад, при 256 рівнях квантування, тобто при 8–розрядному коді, відносна похибка в момент опиту  = 1 / 256 = 0,4 %. За наведеною вище формулою виходячи з заданої відносної похибки можна розрахувати розрядність перетворювача.

Аналого-цифрові перетворювачі (ацп).

Аналого-цифрові перетворювачі (АЦП) призначені для перетворення аналогової величини в цифровий код. За принципом отримання коду АЦП поділяються на два типи: ступінчасті та розрядного кодування. В ступінчастих АЦП код змінюється до потрібного значення сходинками, тому їх швидкодія нижча за швидкодію АЦП розрядного кодування. Під швидкодією тут мається на увазі час, потрібний на перетворення однієї вибірки вхідного сигналу в код. В АЦП ступінчастого типу для кодування використовується лічильник, який підсумовує лічильні імпульси. Тому такі АЦП іноді називають перетворювачами послідовного типу. В АЦП розрядного типу використовуються регістри або шифратори, що дозволяє під час кожного такту роботи перетворювача кодувати один, кілька або одразу всі розряди коду.

Перетворювачі напруги в код.

Схеми перетворювача напруги в код ступінчастого типу наведена на рис. 2-а. На вхід схеми подається напруга U_вх, яка за допомогою часово-імпульсного перетворювача (ЧІП) перетворюється в електричний імпульс. Тривалість цього імпульсу прямо пропорційна вхідній напрузі U_вх. В період t_і дії імпульсу відкрита схема збігання & і на вхід двійкового лічильника СТ надходять імпульси стабільної частоти від генератора імпульсів ГІ. Стан кожного тригера лічильника відповідає розряду двійкового числа (2⁰, 2¹, …, 2^n–1). При надходженні на вхід лічильника певного числа N імпульсів за час t_і тригери лічильника приймають деякий стан, який характеризує двійкове число, що пропорційне вхідній напрузі. В такий спосіб формується двійковий код, числове значення якого пропорційне вхідній напрузі.

Рис. 2. Схеми перетворювача напруги в код

а) – ступінчастого типу; б) – балансного типу.

Розглянутий перетворювач небалансний, оскільки не має зворотного зв’язку з виходом, тобто з кодом. Застосовуються також і балансні перетворювачі. Схема такого перетворювача наведена на рис. 2-б. Перетворювач коду в напругу ПКН, що включений на виході лічильника, перетворює код, що знімається з лічильника, в напругу керування U_к, пропорційну коду. При рівності напруг U_вх і U_к порівнювальний пристрій ПП припиняє видачу сигналу на схему І(&), в результаті чого перестають надходити імпульси на вхід лічильника, так як схема І(&) буде закрита. В цей момент код, що знімається з виходу лічильника, буде пропорційний вхідній напрузі.