Время открытияОпределение момента времени переключения со «считывания»на «запоминание» (выдержку) связано с некоторой неточностью порядка 10—100 нс. Это время называется временем открытия Т0 и дает при быстро изменяющемся входном сигнале случайную погрешность измерения. На рис. 6 показано число k ошибочных бит (LSB) для различных отношений времени открытия Т0 к продолжительности периода Т синусоидального аналогового сигнала. Рис. 6. Влияние времени открытия Т0 /Т на максимальную погрешность при считывании гармонического сигнала преобразователями с различным числом разрядов (бит n); LSB — наименьший значащий разряд Отсюда следует, например, что для регистрации синусоидального сигнала с частотой 10 кГц при помощи 10-азрядного аналого-цифрового преобразователя с погрешностью <0,1 % (что соответствует одному ошибочному биту) время открытия Т0 должно быть <30 нс. Максимальная погрешность, % 5 Мультиплексор Иногда применяют один быстродействующий преобразователя для кодирования сразу нескольких аналоговых сигналов. Такие устройства используются в приборах с зарядовой связью для считывания изображений. Для этого все сигналы должны быть приведены одну и ту же область величины сигнала. Различные сигналы в таком случае вводятся в аналого-цифровой преобразователь последовательно. Для этой цели используют так называемый мультиплексор (рис.7), загружающий только один канал входа в ЭВМ.
Рис. 7. Муьтлиплексор для нескольких вводимых сигналов: / — мультиплексор; 2 — фиксирующее ввено; 3 — аналого-цифровой преобразователь; 4 — управление Мультиплексор состоит из некоторого количества управляемых электронных ключей (например, полевых транзисторов), из которых замкнутым в каждый момент является только один. Поскольку незамкнутые (запертые) выключатели имеют некоторое конечное сопротивление прохождению тока, сигнал, подключаемый в каждый момент к считывающему устройству, несколько искажается Это так называемое взаимное влияние каналов обычно не превышает —60 дБ. Однако фильтр для подавления эффекта наложения и в этом случае должен устанавливаться для каждого входного сигнала индивидуально, т. е. перед мультиплексором. 6. Квантование Для цифрового кодирования аналоговых измерительных сигналов с целью их обработки на ЭВМ применяют аналого-цифровые преобразователи. Они преобразовывают входное напряжение Uе (ПД) в кодированный выходной сигнал (Код) Uа. Двоично-кодированный выходной сигнал (рис.8) может быть представлен в следующей форме:De = a1.2-1+a2-2-2+¼ + an-2-n = (Uе / Uref) +e, причем—2-(n+1)£ e £+2-(n+1), где n — число разрядов (бит) аналого-цифрового преобразователя; Uref — сравнительное напряжение, т. е. диапазон входного сигнала; ai — значения отдельных разрядов (0 или 1); e— погрешность квантования, не превышающая по абсолютной величине половины ошибочного бита: Рис 8 Аналого-цифровой бинарный (двоичный) преобразователь | е | £ 1/2 (LSB); ап —наименьший значащий бит (LSB), т. е. бит о наименьшим значением позиции (least significant bit). Наибольшая погрешность квантования определяется из выражения Ure f /(2n — 1)» Uref /2n (для больших значений п). Разрешающую способность аналого-цифрового преобразователя обычно выбирают с таким расчетом, чтобы погрешность квантования имела бы такой же порядок величин, что и абсолютная погрешность входного сигнала Uв. При этом очень важно, чтобы амплитуда аналогового входного сигнала возможно лучше соответствовала бы входному диапазону аналого-цифрового преобразователя. 7 Аналого-цифровые преобразователи По принципу функционирования аналого-цифровые преобразователи подразделяют на параллельные и последовательные. Параллельные аналого-цифровые преобразователи определяют все коэффициенты ai одновременно. В последовательных преобразователях все коэффициенты определяются один за другим. Такой процесс происходит медленнее, чем в параллельном преобразователе, однако затраты на схемную часть при этом значительно сокращаются. Кроме того, существуют различные способы, в которых используются комбинации обеих разновидностей или же работа ведется с промежуточными величинами. Способ кодирования цифрового выходного сигнала в аналого-цифровом преобразователе в общем случае может выбираться произвольно. Наиболее употребителен двоичный код, к которому относятся и применяемые ниже обозначения. Аналого-цифровые преобразователи многих типов используют в схеме с обратной связью для получения напряжения, компенсирующего входное преобразуемое напряжение. Параллельные аналого-цифровые преобразователи. Здесь входной сигнал непосредственно сопоставляется с 2n — 1 сравнительными напряжениями (рис. 9). Коэффициенты аi определяются по логическим выходным сигналам в специальном блоке перекодирования. Ввиду высоких затрат на схемную часть этот способ подходит только для преобразователей с малым числом разрядов (п= 4¸8 бит). Однако одновременное определение всех коэффициентов обеспечивает очень короткое время преобразования (<100 нc). Последовательные аналого-цифровые преобразователи. В инкрементном преобразователе (рис. 10) применяется только один компаратор, а сравнительное напряжение ступенчато повышается. Число превращений подсчитывается до тех пор, пока выход компаратора логически не становится равным единице, т. е. пока входной аналоговый сигнал Ue не будет равен сравни-тельному напряжению. При равенстве обоих напряжений на счетчике будет получен непосредственно выходной сигнал в двоичном коде..
По выходному сигналу компаратора одновременно путем отрицания (инверсии) может быть получен сигнал «данные готовы к опросу» (data ready). Перед следующим преобразованием счетчик должен быть сброшен на нульВ противоположность параллельному аналого-цифровому преобразованию этот способ очень медленный; время преобразования существенно зависит от числа разрядов и от абсолютной величины сигнала. Применением реверсивного счетчика, непосредственно следящего за входным напряжением, время преобразования можно сильно сократить, главным образом в области малых" изменений сигнала, так как исключается процедура сбрасывания на нуль и последующего повторного счета на повышение. При способе последовательного приближения (поразрядного уравновешивания) к напряжению Uv (рис. 11) на каждом этапе добавляется некоторая часть сравнительного напряжения Uref /2k (где k = 1,2, 3,.... п). Если после этого эквивалентное напряжение Uv станет больше входного Uв то соответствующий коэффициент ak принимается равным нулю и при этом напряжение Ure f /2k снова вычитается. Для следующего этапа значение k увеличивается на 1 и повторяется тот же процесс — до тех пор, пока не будет определено значение ап. После этого коэффициенты цифрового выходного сигнала Da могут быть взяты непосредственно из двоичного регистра памяти.
Быстродействие такого способа существенно зависит от типа применяемого цифро-аналогового преобразователя, вследствие чего здесь часто применяют преобразователь параллельного типа. При этом могут быть изготовлены 10-разрядные аналого-цифровые преобразователи, совершающие до 100 тыс. преобразований в секунду. Преобразователи с пилообразным импульсом, с двухтактным интегрированием и с преобразованием напряжения в частоту работают с использованием промежуточных величин. При этих способах напряжение интегрируется до тех пор, пока не будет достигнуто некоторое значение. Время, необходимое для этого, измеряется путем подсчета импульсов. Аналого-цифровые преобразователи с пилообразным импульсом. Аналого-цифровой преобразователь с пилообразным импульсом (рис. 12) работает с генератором линейно возрастающего напряжения. До тех пор пока выходной сигнал этого генератора меньше входного напряжения Ue, в счетчике подсчитывается число импульсов генератора эталонной частоты. Время T1 определяемое числом этих импульсов, пропорционально величине входного сигнала Uв,. Предполагается, что и частота генератора, и парамет- ры сигнала генератора пилообразного напряжения очень стабильны. Преобразователь с интегрированием входного напряжения (рис. 13) работает по тому же принципу, но только здесь вместо постоянного сравнительного напряжения для формирования линейно нарастающего напряжения интегрируется входное напряжение Ue и напряжение Ux затем сравнивается со сравнительным Ure f Аналого-цифровой преобразователь с двухтактным интегрированием. У аналого-цифрового преобразователя с двухтактным интегрированием (рис. 14) в течение времени T1 входное напряжение Ub интегрируется в интеграторе. Затем начинается непрерывная разрядка конденсатора С постоянным напряжением Uref. Число импульсов, отсчитанных во время разрядки, пропорционально времени T 2 и тем самым входному напряжению Uв.
Рис. 14.Аналого-цифровой преобразователь с двухтактным интегрированием (треугольными импульсами):1— генератор колебаний; 2 — компаратор: 3 — двоичный счетчик; 4 — управление Такой способ имеет преимущество перед принципом пилообразного импульса в том, что изменения свойств элементов интегратора (омического сопротивления R и емкости С) не влияют на точность, если они остаются постоянными в течение одного периода преобразования.
Рис. 15. Интегрирование невозмущенного входного напряжения U1 и входного напряжения с наложением периодического возмущения U2 (а) и ослабление n частотных составляющих помех (б) в АЦП с двухтактным интегрированием Если переключатель управляется непосредственно частотой осциллятора, то ее постоянство тоже не оказывает влияния на точность результата. Кроме того, соответствующий выбор продолжительности интегрирования обеспечивает подавление периодической составляющей сигнала помех. Так, если продолжительность интегрирования T1 является целым кратным продолжительности периода Т какого-либо сигнала помех, то этот сигнал полностью подавляется; в противном случае он только ослабляется в зависимости от отношения Т1/Т и от сдвига фаз j. Однако в любом случае значения располагаются ниже огибающей v = Т {pТ1). Впрочем, это свойство может быть использовано только в том случае, когда можно обойтись без фиксирующего звена, т. е. при условии, что полезный сигнал в течение времени интегрирования остается сравнительно постоянным. Существенное повышение скорости преобразования по методу двухтактного интегрирования может быть достигнуто за счет осуществления разрядки конденсатора в две ступени. На первой ступени происходит быстрая разрядка до величины напряжения, близкой к нулю, а на втором этапе конденсатор медленно разряжается до нуля. При помощи соответствующего управления счетчиком это позволяет достичь повышения скорости в 10 раз по сравнению с получаемой при двухтактном интегрировании без снижения точности. Помимо погрешности квантования (погрешность <0,5 младшего разряда), которая в настоящее время гарантируется практически для всех преобразователей, возможны погрешности, встречающиеся во всех электронных схемах (нелинейность, смещение нуля, температурная зависимость и т. д. [.
|