АЦП является одним из основных функциональных элементов ЦИП. АЦП представляет собой устройство, обеспечивающее квантование, дискретизацию и кодирование аналогового сигнала. Исходя из указанной совокупности процессов, происходящих в АЦП, его обобщенную структурную схему принято представлять в виде трех взаимосвязанных элементов.
Рис. 4 Структурная схема АЦП.
В дискретизирующем устройстве реализуется процесс преобразования непрерывного во времени сигнала 
в дискретный сигнал 
. При этом значения дискретного сигнала равны мгновенным значениям исходного непрерывного сигнала в фиксированные моменты времени. Промежутки времени меду двумя соседними дискретными моментами времени называют шагом дискретизации 
.
В ЦИП значение сигнала измеряется только в фиксированные моменты времени . Частота дискретизации выбирается из противоречивых условий. Действительно, чем больше частота дискретизации 
, тем меньше потери измерительной информации, но это приводит к ужесточению требований по быстродействию АЦП и, следовательно, к его усложнению.
Задача правильного выбора частоты дискретизации это фактически задача выбора интервала интерполяции . При этом под правильно выбранной частотой дискретизации следует понимать такую частоту, при которой погрешность интерполяции оказывается не более заданной. При решении этой задачи принято рассматривать различные интерполяционные полиномы.
В устройстве квантования происходит процесс замены мгновенных значений непрерывной по размеру величины . Разность 
между двумя соседними уровнями называется шагом квантования. При квантовании, как и при дискретизации, теряется часть информации о непрерывной измеряемой величине , следовательно, квантующее устройство, как и дискретизирующее, является источником методической погрешности.
|
|
Рис. 5 Квантование и дискретизация аналогового сигнала.
Из сравнения реальной и идеальной функции преобразования следует, что погрешность квантования:
. (1)
Из рисунка видно, что погрешность квантования имеет характер ломаной линии. При таком характере погрешности квантования СКО погрешности квантования, характеризуется средней мощностью за длительность одного импульса, определяется равенством:
. (2)
В кодирующем устройстве происходит представление дискретного значения сигнала в удобном для последующей обработки виде, например, в двоичной системе счисления. Таким образом, процесс преобразования аналогового сигнала в цифровой сигнал неизбежно приводит к возникновению погрешностей, вызванных процедурами дискретизации и квантования.
Рис. 6 Диаграммы, поясняющие погрешность квантования: а – реальная и идеальная функции преобразования; б – кривая погрешности квантования.
Погрешность АЦП определяется суммой методической и инструментальной составляющих:
. (8.3)
Методическая погрешность определяется принципом работы преобразователя и зависит от погрешности дискретизации и квантования, а инструментальная погрешност ь определяется нестабильностью работы узлов и элементов АЦП.
Кроме погрешности, АЦП характеризуются ценой деления, разрешающей способностью, чувствительностью, быстродействием.
В измерительных устройствах используют АЦП прямого и уравновешивающего преобразования.
|
|
Прямое АЦП реализуется одним из следующих способов:
· время - импульсное кодирование;
· амплитудное кодирование;
· пространственное кодирование;
· число – импульсное кодирование;
· частотно – импульсное кодирование.
В ЦИП наибольшее распространение получили время – импульсное и частотно – импульсное кодирование.
АЦП время – импульсного кодирования работает на основе последовательного преобразования измеряемого напряжения в пропорциональный ему временной интервал. В течение этого интервала времени на электронный счетчик поступают импульсы с известной частотой повторения, число которых пропорционально величине измеряемого постоянного напряжения.
Последовательность работы рассматриваемого АЦП поясняется временными диаграммами. При подаче на вход АЦП измеряемого напряжения по сигналу с устройства управления показания счетчика и ЦОУ сбрасывается, а генератор ГЛИН начинает формировать пилообразное напряжение. В это же время на выходе компаратора начинается формироваться импульс. При поступлении этого импульса на временной селектор последний открывается и пропускает на вход счетчика импульсы с генератора счетных импульсов. При достижении равенства напряжения ГЛИН и измеряемого напряжения формирование импульса на выходе компаратора прекращается, схема «И» закрывается и счет импульсов прекращается. В результате счетчик регистрирует некоторое число импульсов N за интервал времени, а ЦОУ отображает соответствующее ему число. В дальнейшем рассмотренная процедура работы продолжается.
|
|
Рис.7 АЦП время-импульсного действия: а - структурная схема; б – временная диаграмма.
Длительность интервала подсчета импульсов:
. (4)
С другой стороны,
. (5)
После соответствующих преобразований получим:
. (6)
Поскольку значение 
численно соответствует скорости изменения пилообразного напряжения V, то
. (7)
Для конкретных схем АЦП значение 
выбирается равным 
, при этом:
. (8)
Суммарная погрешность АЦП данного типа определяется следующими причинами:
· погрешностью преобразования измеряемого напряжения в длительность прямоугольного импульса (нелинейность и нестабильность ГЛИН, погрешность компаратора);
· погрешностью преобразования интервала времени в код.
Общая погрешность такого АЦП составляет обычно 0,1 %.
Более помехоустойчивой является схема с двойным интегрированием (0,01%). Это объясняется тем, что рассматриваемый АЦП преобразует не мгновенное, а среднее значение входного напряжения.
Список литературы
1. Преображенский В. П. Теплотехнические измерения и приборы: Учебник для вузов по специальности «Автоматизация теплоэнергетических процессов» — М.: Энергия, 1978
2. Е. А. Шорников. Измерительно-вычислительные приборы в теплоэнергетике — М.— Л.: Энергия, 1966
3. Иванова Г.М., Кузнецов Н.Д., Чистяков В.С. Теплотехнические измерения и приборы учебник для вузов.
2-е изд., перераб. и доп. – М.: Издательство МЭИ, 2005.