12.3. Аналого-цифровые преобразователи.

АЦП – это измерительные преобразователи, которые автоматически преобразуют измеряемую аналоговую величину в дискретную, представленную в виде цифрового кода (т.е. автоматически выполняют квантование и дискретизацию входной аналоговой величины и выдают цифровой код). По методу построения все АЦП принято делить на три группы: АЦП с время-импульсным преобразованием, АЦП с частотно-импульсным преобразованием, АЦП поразрядного уравновешивания (последовательного приближения).

АЦП с время-импульсным преобразованием. В основу время-импульсного преобразования положено преобразование измеряемой величины во временной интервал, который заполняется затем импульсами со стабильной частотой (счетными импульсами). Упрощенная функциональная схема такого АЦП приведена на следующем рисунке:

Схема содержит два преобразователя. Первый преобразует измеряемую величину х в интервал времени Δt, второй - интервал времени Δt в последовательность счетных импульсов (цифровой код) Ν. Структура первого преобразователя зависит от вида измеряемой величины х и может быть различной. Структура второго преобразователя временного интервала Δt в код Ν одинакова для всех АЦП и в упрощенном виде представлена на следующем рисунке:

На этом рисунке: ГСИ – генератор счетных импульсов строго неизменной частоты; ВС – временной селектор. Временной селектор открывается передним фронтом импульса, длительностью Δt, который вырабатывается первым преобразователем АЦП, и запирается задним скатом этого импульса. Счетные импульса могут проходить через ВС только тогда, когда ВС открыт. Поскольку период счетных импульсов много меньше длительности импульса Δt, то количество счетных импульсов Ν, прошедших через ВС за время действия импульса Δt, пропорционально длительности импульса Δt и значению измеряемой величины х. Таким образом, значению измеряемой величины х ставится в соответствие последовательность определенного числа счетных импульсов, т.е. число-импульсный цифровой код.

АЦП, использущие время-импульсный метод, применяются для преобразования временного интервала, частоты, разности фаз, напряжения и других величин в цифровой код.

АЦП с частотно-импульсным преобразованием. В этих АЦП измеряемая аналоговая величина х предварительно преобразуется в частоту следования импульсов f_x; цифровой код формируется путем заполнения этими импульсами временного интервала Т₀ строго определенной длительности. Количество счетных импульсов, прошедших через ВС такого АЦП в течение определенного и неизменного интервала времени Т₀, пропорционально частоте f_x и значению измеряемой величины х.

АЦП поразрядного уравновешивания. В этих АЦП измеряемая аналоговая величина (обычно напряжение u_х) последовательно во времени сравнивается с известной квантованной величиной u₀, значения которой изменяются во времени скачками по определенному правилу (например, в соответствии с разрядами двоичной системы). На каждом цикле работы АЦП процедура сопоставления u_х и u₀ продолжается до тех пор, пока путем подбора значений квантованной величины u₀ не будет достигнуто равенства u_х = u₀. Значение величины u₀, при котором достигается равенство u_х = u₀, определяет номер отождествляемого уровня квантования, которому соответствует определенный цифровой код. Этот код ставится в соответствие значению измеряемого напряжения u_х. АЦП поразрядного уравновешивания применяются, как правило, в цифровых вольтметрах.