Спряження вимірювальних приладів з цифровими пристроями (стр. 2 из 3)
Корекція по частоті
Частоти корисного сигналу звичайно лежать в діапазоні від ω0 до ω1. Крім корисного сигналу завжди присутній шум з широким діапазоном частот. Для підвищення відношення сигнал/шум використовують частотні фільтри (низьких і високих частот).
Довідка: ємнісний опір конденсатора
, індуктивний опір 
, де 
.2. Цифро-аналогові перетворювачі
2.1 Загальна характеристика цифро-аналогових перетворювачів
Важливим етапом в багатьох процесів керування являється цифрово-аналогове перетворення – генерація аналогового сигналу з рівнем напруги, відповідним цифровому значенню на вході. Ця процедура використовується для передачі від комп’ютера керуючого сигналу виконавчому механізму чи опорного значення для регулятора. ЦА-перетворення – також необхідний крок для виконання зворотного аналого-цифрового (АЦ) перетворення.
Ідеальний цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП, Digital-analog Converter, D/A converter – DAC) виробляє вихідний аналоговий сигнал, що лінійно залежить від n-бітного цифрового вхідного сигналу.
ЦАП призначені для перетворення цифрової інформації в аналогову форму у вигляді напруги (іноді струму). Використання - для керування виконавчими пристроями (принтери, монітори, крокові двигуни..).
Цифро-аналогове перетворення полягає в перетворенні вхідного n-розрядного коду N у пропорційні йому рівні напруг U(N),
U(N) = k N = k (Dn-12n-1 +.. Dі2і.. +.. D121 + D020),
де k – коефіцієнт пропорційності,
Dn-1, Dі, D1, D0 – розряди (біти: 0/1) n-розрядного коду N, 2і – вага і-го розряду.
Використовують ЦАП із сумуванням струмів і напруг, але частіше- з сумуванням струмів.
2.2 Схеми ЦАП із сумуванням струмів
Структура ЦАП містить резистину або транзисторну матрицю для формування еталонних струмів; ключі для комутації струмів; операційний підсилювач (ОП) для перетворення суми вихідних струмів у вихідну напругу; допоміжні схеми калібрування та живлення.
Резистині матриці містять набір двійково-зважених резисторів (R2n,... R21, R20,) або ланцюга резисторів номіналів (R, 2R).
Розглянемо схему з двійково-зваженими резисторами. У такій схемі опір резистора зменшується у 2 рази при переході від молодшого розряду до старшого, відповідно еталонні струми збільшуються у 2 рази.
Рис.6. ЦАП з двійково-зваженими резисторами
Якщо R0=10 кОм, R1= 5 кОм, І0 = 10 мА, то І1 = 20 мА. (струми – на ОП або на землю)
Вхідний опір ОП дуже великий, тому струми сумуються незалежно:
IS = I0 D0 + I1 D1 +... In-1 Dn-1 = I0 20 D0 + I0 21 D1 +.. In-1 2n-1 Dn-1. (струм - як вода)
Ключі пропучкають або не пропучкають струм і керуються станом бітів Di (0/1), 0 – не пропускають. Тоді вихідна напруга
U(N) = RОЗ IS = RОЗ
= RОЗ I0 
= RОЗ I0 N.Тобто вихідна напруга пропорційна до вхідного двійкового коду.
Наприклад: I0 = 0,05 мА, I1 = 0,1 мА, I2 = 0,2 мА, RОЗ=4 кОм,
| D2 D1 D0 | N | IS, мА | U(N), В |
| 0 0 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 0 1 | 1 | 0,05 | 0,2 |
| 0 1 0 | 2 | 0,1 | 0,4 |
| 0 1 1 | 3 | 0,15 | 0,6 |
| 1 0 0 | 4 | 0,20 | 0,8 |
| 1 0 1 | 5 | 0,25 | 1,0 |
| 1 1 0 | 6 | 0,30 | 1,2 |
| 1 1 1 | 7 | 0,35 | 1,4 |
Основні параметри ЦАП
| Тип мікросхеми | Розрядність, n | Макс. відхилення d, % | Час встановлення tвст, мкм |
| К427 ПА4 | 16 | 0,0015 | 20 |
| К572 ПА2 | 12 | 0,025 | 15 |
| К1108 ПА3 | 8 | 0,5 | 0,05 |
Діапазон зміни вихідної напруги (0 – Umax; 0 – 5В) (іноді – від’ємні напруги, -2,5.. 2,5В)
Umax ~ UОП (1 – 2n).
Роздільна здатність h характеризується мінімальним квантом вихідної напруги, який відповідає зміні вхідного коду на 1:
h = UОП / (2n+1 -1). (таблиця)
Час встановлення (швидкодія) – це інтервал часу від подачі вхідного коду до моменту встановлення вихідної напруги.
ЦАП поділяються на прецизійні (d< 0,1 %) і швидкодіючі (tвст < 100 нс).
Число розрядів n вхідного коду для різних типів ЦАП дорівнює від восьми до вісімнадцяти. Число розрядів визначає максимальну кількість кодових комбінацій на вході ЦАП, що дорівнює 2n.
Абсолютна похибка перетворення ðА – відхилення вихідної напруги від розрахунку в кінцевій точці характеристики перетворення. Типова похибка ЦАП не перевищує ±1/2 молодшого розряду.
Нелінійність ðЛ, — максимальне відхилення реальної характеристики перетворення від теоретичної (прямої лінії, що з'єднує точку нуля і мінімального вихідного сигналу).
Аналогово-цифрове перетворення
Для комп’ютерної обробки дискретні аналогові значення вимірювального сигналу, необхідно представити в цифровій формі, тобто виконати аналого-цифрове (AC, Analog-Digital – A/D) перетворення. Відповідний пристрій являється аналого-цифровим перетворювачем (АЦП, Analog-Digital Converter, ADC Converter – ADC). АЦП генерує двійкове слово – цифровий вихід – на основі аналогового сигналу. Існують АЦП, виконання, наприклад, в вигляді плати розширення комп’ютера. АЦП може працювати у відповідності з різними принципами: паралельне порівняння і покрокове наближення (апроксимація).
В АЦП, що працює по принципу порівняння (comparation), вхідне значення порівнюється з різними рівнями напруги, яка виробляється на основі вимірювальної опорної напруги і каскаду опорів. На виході кожної схеми порівняння комп’ютера – з’являється 0 або 1 в залежності від відповідності вхідної і опорної напруги. Такі АЦП володіють хорошою швидкодією, але достатньо дорогі.
АЦП, що працює по принципу покрокового наближення (incremental approximation), побудований на основі ЦАП (рис. 8). Діапазон вхідного сигналу розділений на 2n – 1 інтервалів, де n – число бітів в вихідному слові. Лічильник швидко генерую послідовні числа, які одразу перетворюються в аналоговий сигнал.
2.3 Аналого-цифрові перетворювачі послідовної лічби
Метод послідовної лічби із застосуванням АЦП заснований на урівноваженні вхідної напруги сумою еталонів, які підраховуються лічильником. Момент урівноваження визначається аналоговим компаратором.
Схема АЦП послідовної лічби показана на рис. 8. а. У ній за сигналом "Пуск" RS-тригер переключається в стан "1" і дозволяє проходження імпульсів від генератора G через елемент І на вхід підсумовування двійкового лічильника СТ2.
Наростаючий цифровий код з виходу лічильників С72 перетворюється за допомогою ЦАП в напругу, яка подається на вхід компаратора КОМП. На другий вхід КОМП поступає вимірювана напруга Uвх. У момент рівності напруг UВХ=UЦАП компаратор виробляє сигнал скидання тригера. Після цього рахунок імпульсів припиняється і на виході лічильника СТ2 фіксується цифровий еквівалент вхідної напруги. Час перетворення tпр залежить від значення напруги UВХ (рис. 8, б).
У схемі АЦП з порозрядним кодуванням {урівноваженням) вхідна напруга UВХ порівнюється стрибкоподібно з вихідною напругою UЦАП за певною програмою (рис.9).
Сигнал "Пуск" включає генератор періодичних імпульсів G і одночасно записує одиницю в старший розряд зсувового регістра порозрядного наближення РгПН, а інші розряди обнуляє. У першому такті за допомогою компаратора КОМП порівнюються вхідна напруга UВХ і напруга з виходу ЦАП, яка відповідає значенню старшого розряду РгПН. Алгоритм порівняння такий: якщо UЦАП > UВХ, то в наступному такті ця одиниця вилучається, а замість неї в РгПН додається наступна із сусіднього розряду. Якщо ж UЦАП < UВХ, то одиниця в старшому розряді зберігається і до неї додасться одиниця із сусіднього розряду і т. д.
Паралельні АЦП
В паралельних АЦП (СА3306) сигнал порівнюється з опорними значеннями
Рис.10. Паралельний АЦП
3. Основні параметри і характеристики аналого-цифрових перетворювачів
У АЦП використовують методи порозрядного кодування, послідовної лічби з двійковим інтегруванням і паралельного перетворення. Мікросхеми АЦП виконують за гібридною і напівпровідниковою технологією. У останні роки випускають, в основному, напівпровідникові АЦП. Основні параметри і характеристики деяких напівпровідникових АЦП наведені в табл. 2.
Основними параметрами і характеристиками АЦП є:
· число розрядів п вихідного коду;
· роздільна здатність h - мінімальний квант вхідної напруги, за якої вихідний код змінюються на одиницю молодшого розряду;
· нелінійність ðЛ - максимальне відхилення вихідного коду від розрахункового значення у всьому діапазоні шкали;