Аналого-цифровое преобразование измеряемых сигналов

Тема 7. Изучаемые вопросы: Числовой код и представление чисел в виде двоичного кода; Принцип аналого-цифрового преобразования.

Измеренные при помощи измерительных систем электрические сигналы можно наблюдать визуально на экране осциллографа. Все они аналоговые, т.е. имеют вид непрерывных во времени функций U(t); I(t); R(t) и т.п. Именно поэтому они в исходном виде не пригодны для обработки в компьютере. Современные компьютеры это цифровые системы, понимающие только коды в виде логических нулей и единиц. Логическим нулем для ЭВМ является электрический сигнал, напряжение которого находится в диапазоне от 0В, до 0,4В. Логической единицей является электрический сигнал, напряжение которого находится в диапазоне от 2,4В, до 5,0В. Это позволяет представить любое число в виде 8-и, 12-и, 16-и или 24-х разрядного кода.

В таблице приведен пример кодирования числа 5. Оно представлено в виде 12-ти разрядного кода, состоящего из комбинации нулей и единиц.

Пример кода числа 5	1	0	1	0	0		0	0	0	0		0	0	0
Номера разрядов (биты)	1	2	3	4	5		6	7	8	9		10	11	12
Номера байтов	1					2					3

Числовой код состоит из 12-ти разрядов, в каждом из которых обозначен или нуль, или единица, причем объем информации в каждом разряде равен одному биту. Каждые четыре бита содержат один байт информации.

Для того чтобы аналоговый электрический сигнал стал «понятен» компьютеру его оцифровывают или преобразуют в коды компьютера. Процесс преобразования аналогового электрического сигнала в цифровые коды компьютера, называется аналого-цифровым преобразованием.

Структурная схема процесса аналого-цифрового преобразования представлена на рис. 23. На примере данного рисунка рассмотрим преобразование аналогового электрического сигнала представляющего функцию зависимости напряжения от времени U(t) в цифровые коды компьютера. Пусть для этого имеется 12-ти разрядный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) – электронное устройство, преобразующее аналоговый сигнал в последовательность цифровых кодов. После подачи аналогового электрического сигнала U(t) на вход аналого-цифрового преобразователя, АЦП осуществляет его квантование – деление на N-е количество уровней (см. рис. 23).

Количество N уровней квантования амплитуды измеряемого сигнала U_max определяется как:

N=2ⁿ (12)

где n - разрядность АЦП.

Рис. 23. Структурная схема процесса аналого-цифрового преобразования.

В нашем примере при разрядности АЦП n = 12 бит, количество уровней квантования будет равным N=4096. Другими словами, амплитуда входного аналогового сигнала будет поделена на 4096 равных частей (уровней квантования). Каждый уровень квантования имеет свой числовой код. Таблица кодов приведена справа на рис. 23.

Суть аналого-цифрового преобразования заключается в пошаговом выявлении уровня, в котором в данный момент времени находится величина напряжения аналогового входного сигнала и присвоении ему числового кода.

На рис. 23 показаны 14 шагов аналого-цифрового преобразования. Рассмотрим их подробнее. Аналого-цифровое преобразование осуществляется АЦП пошагово, т.е. дискретно и через заданные интервалы времени Δt. Шаг времени преобразования Δt определяется частотой _АЦП работы тактового генератора АЦП:

Δt = , [с] (13)

В нашем примере, при частоте _АЦП= 70 КГц, шаг времени преобразования Δt составит:

Δt = = 0,0000142 с, или 14,2 мкс.

Таким образом, АЦП будет определять, в каком уровне находится напряжение аналогового сигнала U(t) через каждые 14,2 мкс.

В первый момент времени (шаг 1) напряжение аналогового сигнала U(t) будет находится на нулевом уровне квантования и поэтому ему будет присвоен код нулевого уровня = 0000 0000 0000 0000. Этот код будет передан в ЭВМ.

На втором шаге, напряжение аналогового сигнала U(t) будет находится на третьем уровне квантования и поэтому ему будет присвоен код третьего уровня = 1100 0000 0000 0000. Этот код будет также передан в ЭВМ.

На третьем шаге, напряжение аналогового сигнала U(t) будет находится на пятом уровне квантования и поэтому ему будет присвоен код пятого уровня = 1010 0000 0000 0000. Этот код будет передан в ЭВМ, и т.д.

	б)	Рис. 24. Внешний вид аналого-цифровых преобразователей фирмы «L-Card»: а) АЦП L-Card модели Е 14-140 с USB выходом; б) АЦП L-Card модели L-154 с шиной PCI;
	а)

После выполнения 14 шагов аналого-цифрового преобразования от АЦП в ЭВМ поступит 14 кодов с интервалом времени 14,2 мкс. В итоге, аналоговый сигнал U(t) будет представлять собой следующую последовательность кодов:

Шаг	Время, (с)		Коды уровней сигнала
1	0.0000000	0		0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
2	0.0000142	1		1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
3	0.0000284	1		0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0
4	0.0000426	0		1	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0
5	0.0000568	1		1	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0
6	0.0000710	1		0	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0
7	0.0000852	0		0	1	1	0	0	0	0	0	0	0	0
8	0.0000994	1		0	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0
9	0.0001136	1		1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
10	0.0001278	0		0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
11	0.0001420	0		0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
12	0.0001562	1		1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
13	0.0001704	1		0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0
14	0.0001846	0		0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0

Следует помнить, что количество уровней квантования N в нашем примере составляет N=4096. Поэтому дискретность квантования (МЗР³) при амплитуде измеряемого сигналаU_max = 5 В, составит:

МЗР = [В]

Дальнейшая обработка сигнала, его масштабирование, построение графиков и пр. будет осуществляться в компьютере на программном уровне.