Алгоритм работы ацп алгоритм квантования по уровню Алгоритм дискретизации по времени

АЦП. Аналогово-цифровые преобразователи- алгоритм

1. 
   Алгоритм работы АЦП
   
2. 
   Алгоритм квантования по уровню
   
3. 
   Алгоритм дискретизации по времени
   
4. 
   Алгоритм шифрования уровней
   

Ключевые слова: квантование по уровню, дискретизация по времени, шифрование уровней
Информация о физических процессах в реальных электротехнических устройствах представляется в аналоговой форме. В такой же форме должны формироваться и управляющие воздействия на различные объекты, подвергающиеся анализу, контролю или управлению. Для возможности осуществлять обработку полученной с датчиков аналоговой информации цифровыми методами необходимо выполнить преобразование этой информации к виду, доступному к восприятию цифровыми устройствами.
Преобразование аналоговых сигналов в цифровые называется аналого-цифровым преобразованием и осуществляется в аналогово-цифровых преобразователях (АЦП). Обратное преобразование, заключающееся в переводе информации, полученной с выходов цифрового устройства в аналоговую форму в виде непрерывной функции времени, называется цифро-аналоговым преобразованием и осуществляется цифро-аналоговыми преобразователями (ЦАП).
Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) является микроэлектронным устройством, осуществляющим автоматическое преобразование непрерывно меняющегося аналогового сигнала в цифровой код. Процесс аналогово-цифрового преобразования включает три этапа: дискретизация во времени, квантование по уровню и шифрование.
На рис. 108 представлена зависимость аналогового напряжения u_а(t) в качестве некоторого информационного сигнала, получаемого от объекта с помощью первичного преобразователя (датчика). Исходный сигнал характеризуется непрерывностью значений как по времени, так и по уровню напряжения.

Рис.108
Дискретизация во времени подразумевает фиксирование значений информационного сигнала u_а(t) на n равных промежутках времени T_д, называемых периодом дискретизации, причем значение u_а(t) принимается равным его среднему значению на промежутке T_д .
Квантование по уровню подразумевает, что диапазон, в котором изменяется функция u_а(t), разбивается на m квантованных уровней m_jQ с равным шагом квантования Q, соответствующем некоторому уровню, принимаемому за единицу (рис. ). При этом преобразование осуществляется только в фиксированные моменты времени t_i с равными периодами дискретизации Т_д. Очевидно, что в эти моменты времени функция u_а(t) может либо не достичь некоторого уровня m_jQ, либо превысить его, т.е. не будет совпадать с заданными квантованными уровнями. Поэтому в качестве значений ступенчатой функции u_д,к(n_iT_д, m_jQ) в моменты времени t_i выбираются округленные до ближайшего уровня m_jQ значения исходной функции u_а(t). При квантовании по уровню возникает погрешность округления , максимальное значение которой определяется величиной ±Q/2.
Шифрование заключается в присвоении двоичного цифрового кода X_j каждому значению u_д,к(n_iT_д, m_jQ), равного десятичному эквиваленту номера m_j квантованного уровня. В этом случае максимальному значению кода соответствует значение максимально возможного входного напряжения за вычетом одного кванта (u_вх.max-Q). Объясняется это тем, что одна кодовая комбинация должна соответствовать нулевому значению входного напряжения u_а(t).
На рис. 109 приведена одна из возможных схем АЦП параллельного кодирования, позволяющая преобразовать аналоговое напряжение в n-разрядное двоичное число.
АЦП работает следующим образом. Эталонная э.д.с Е_эт с помощью резистивного делителя, выполненного на резисторах R₁ ­–R_n–1, делится на 2ⁿ градаций и подается на инвертирующие входы операционных усилителей. Для 2ⁿ градаций должно быть 2ⁿ–1 операционных усилителей. На неинвертирующие входы, которые соединены между собой, подается аналоговое входное напряжение u_вх.

Рис.109
На инвертирующих входах операционных усилителей, начиная с верхнего по схеме, соответственно будут напряжения , и т.д до значения на нижнем операционном усилителе.
Операционные усилители включены по схеме компараторов, и позволяют сравнивать аналоговое напряжение u_вх на неинвертирующем входе с частью эталонного напряжения u_эт на инвертирующем входе. Если уровень аналогового напряжения u_вх равен или больше напряжения u_эт на инвертирующем входе соответствующего операционного усилителя, то на его выходе будет положительное напряжение, а если аналоговое напряжение u_вх меньше напряжения u_эт на инвертирующем входе, то на выходе соответствующего операционного усилителя будет отрицательное напряжение. Таким образом, чем на более высоко расположенном (по схеме)операционном усилителе появляется положительное напряжение, тем входное напряжение выше.
Приоритетный шифратор EC формирует на выходах Q_n–1 – Q₀ двоичное число, соответствующее номеру самого высокого (по схеме) операционного усилителя, на выходе которого имеется положительное напряжение.
Кроме АЦП с параллельным преобразованием, применяются АЦП с последовательным преобразованием (аналоговый сигнал проходит последовательно по нескольким ОУ, и его уровень определяется номером ОУ, на выходе которого появится положительный сигнал), и АЦП с конвейерным преобразованием ( аналоговый сигнал сначала разлагается на разряды, а потом уже каждый разряд преобразуется в цифровую форму).
Выбор типа АЦП происходит по двум основным критериям – частоте дискретизации и битности (разрядности) шифрования.