Алгоритм действия и характеристики аналого-цифрового преобразователя
Аналого-цифровой преобразователь – это устройство, которое преобразует входной аналоговый сигнал в дискретный.
Алгоритм действия аналого-цифрового преобразователя состоит из следующих этапов:
- Выборка значений исходной аналоговой величины в определенные дискретные моменты времени (дискретизация сигнала по времени).
- Округление последовательности значений исходной величины, полученных в определенные моменты времени, до известных величин (уровневое квантование сигнала).
- Замена найденных квантовых значений числовыми кодами (кодирование сигнала).
Процесс преобразование в цифровой сигнал аналогового изображен на рисунке ниже.
Рисунок 1. Процесс преобразование аналогового сигнала в цифровой сигнал. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
На этом рисунке задана последовательность U(t). Для того, чтобы получить ее дискретный эквивалент надо выбрать ее значения через промежутки времени Tд. Данная величина называется периодом дискретизации. Полученная в результате функция до сих пор имеет аналоговый характер, потому что может принимать бесконечное число значений. Процесс квантования по дискретной функции U (Тд) состоит в отображении бесконечного числа ее значений на некоторое конечное множество $U*n$ - уровень квантования. Для осуществления данного процесса весь динамический диапазон функции U (Тд) разбивается на заданное число уровней N, после чего производится округление каждой величины Un(Тд) до самого близкого уровня $U*n$. Разница между самыми близкими уровнями - шаг квантования h.
С целью осуществления последнего этапа преобразования выбирается код, который способен отражать не менее N+1-го значений, затем каждому дискретному значений $U*n$ сопоставляется код.
Таким образом процессу преобразования присуща потеря части информации об исходном сигнале во время перехода непрерывной функции к дискретной. Квантование сигнала вносит некоторую погрешность - шум квантования, использующуюся для увеличения частоты дискретизации и разрядности аналого-цифрового преобразователя.
Микросхемы аналого-цифровых преобразователей характеризуются широким спектром параметров и характеристик. Как правило, в своих каталогах производители указывают следующие параметры:
- Цена.
- Разрядность (от 4 до 31 бита).
- Потребляемоая мощность.
- Количество выборок за одну минуту.
- Диапазон входного сигнала.
- Число каналов (от 1 до 64 аналоговых каналов).
- Напряжение питания.
- Поддерживаемый интерфейс.
Использование аналого-цифровых преобразователей для измерения физических величин
Амперметр – это прибор, используемыйя для измерения силы тока в амперах
Во время проектирования цепей для измерения аналоговых сигналов, необходимо учитывать ряд факторов, чтобы полученные данные были максимально достоверные. Аналого-цифровой преобразователь может применяться для измерения таких физических величин, как: ток, напряжение, температура, освещенность.
Для преобразования тока и напряжения в цифровой код используется при построении цифровых амперметров и вольтметров. Измеряемое напряжение в цифровом вольтметре предварительно фильтруется и усиливается после чего поступает на вход аналого-цифрового преобразователя. Обработка цифрового кода в этом случае производит микроконтроллер, который передает всю необходимую информацию на устройство индикации. В данном случае в качестве преобразователя может быть использован внутренний преобразователь микроконтроллера. При построении цифрового амперметра в схему цифрового вольтметра достаточно добавить преобразователь тока в напряжение.
В большинстве случаев температура представляет собой медленно изменяющуюся физическую величину, поэтому для ее измерения предпочтение отдается аналого-цифровым преобразователям с низкими частотами дискретизации. Самыми распространенными датчиками измерения температуры являются термистор, интегральный датчик температуры, термическая пара и резистивный температурный датчик. Для подачи сигнала с резистивного датчика вход преобразователя обычно используется дифференциальный метод включения с применением моста Уитсона. Это обеспечивает снижение погрешности измерения, благодаря подавлению синфазных помех.
Для измерения освещенности применяют фотодиоды. Принципиальная схема измерения освещенности с использованием аналого-цифрового преобразователя последовательного приближения изображена на рисунке ниже.
Рисунок 2. Принципиальная схема измерения освещенности с использованием аналого-цифрового преобразователя последовательного приближения. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Поток света, который попадает на фотодиоды, становится причиной появления обратного тока, протекающего через резистор обратной связи Rf. Напряжение на аноде и неинвертирующем входе усилителя поддерживается на уровне 300 мВ по отношению к потенциалу земли. Фильтр низких частот (ФНЧ) подавляет составляющие с высокой частотой, после чего сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь последовательного приближения.
