Преобразование аналоговой информации в цифровую и наоборот

Квантование информации по времени и по уровню

Информация, используемая в исследовательских установках и технологическом оборудовании машиностроения, поступает с описанных ранее датчиков, как правило, в аналоговой форме. Аналоговыми электрическими величинами, которые должны восприниматься, обрабатываться и тем или иным образом использоваться, могут быть напряжение, сопротивление, ток, частота и сдвиг фазы. Иногда такой входной величиной является перемещение или угол поворота, но это специфическая задача, решаемая, как это уже было рассмотрено, с помощью различного рода кодирующих масок. Здесь будем рассматривать способы преобразования аналоговой электрической величины в электрический же код, а также способы обратного преобразования.

Цифровая информация по сравнению с аналоговой более удобна для визуального отсчета и регистрации, для передачи на расстояние и для запоминания. Кроме того, цифровая информация меньше подвержена искажениям и влиянию помех, ее легче обрабатывать (выполнять над ней различные операции). Можно добиться, чтобы во время вычислительной обработки цифровой информации ошибки вычислений не возрастали, не накапливались и не запоминались. Принципиальным достоинством цифровых устройств по сравнению с аналоговыми является отс>тствие явления, называемого «дрейфом нуля», т. е. изменения показаний на выходе при неизменном значении входной величины. Принципиальным же недостатком цифровой информационной технологии по сравнению с аналоговой является большая сложность цифровых устройств, обусловленная необходимостью реализации большого количества переключательных схем, зачастую весьма сложных и состоящих из большого числа элементов. Кроме того, большое число элементов, необходимое для обработки информации, приводит к увеличению времени обработки, что особенно заметно для простых операций. Достигаемое при этом повышение точности зачастую просто не требуется. Современные технологии производства электронных устройств обеспечивают высокую степень интеграции при малых габаритах, достаточную надежность, большое быстродействие и делают эти недостатки не очень существенными. Поэтому, как правило, полученная тем или иным образом аналоговая величина должна быть преобразована в цифровую форму и представлена в виде числа.

Числовое значение измеряемой величины определяется в процессе ее квантования. Квантованием называется процесс преобразования непрерывных (аналоговых) сигналов в дискретные, изменяющиеся скачками. Различают три вида квантования: по уровню, по времени и совместно — по уровню и по времени.

На рис. 11.1 представлено квантование по уровню. Для этого вида квантования характерно представление аналоговой величины лишь теми ее значениями, которые располагаются через определенные интервалы AY: y_v у₂, у_г и у_4У а также (в отрицательной области) —— y_v -у₃ и —у_А. Моменты времени, в которые происходит такое представление входной аналоговой величины, заранее не задаются и определяются только фактом достижения аналоговой величиной заданного уровня.

Таким образом, — /_в * /₂ — — /₂ * /₄ — — /₄ * н т. д.

Интервалы изменений квантуемой аналоговой величины называются шагом квантования. Вместо действительных значений.

Рис. 11.1. Квантование аналоговой величины по уровню.

Рис. 11.2. Квантование по времени.

квантуемой аналоговой величины на выходе такого квантователя воспроизводятся ближайшие к ним дискретные значения. Шаг квантования выбирается исходя из допускаемой погрешности. Очевидно, что чем меньше шаг квантования, тем ближе к исходной непрерывной кривой изображающая ее ступенчатая ломаная линия.

Квантование по времени показано на рис. 11.2. В этом случае непрерывная кривая заменяется ее отдельными значениями в заранее определенные моменты времени. Обычно эти моменты времени выбираются равноотстоящими друг от друга, хотя иногда на интервале резкого изменения квантуемой величины они «сгущаются», а на том интервале, где квантуемая величина остается постоянной, эти моменты времени дальше отстоят друг от друга. Промежуток времени между двумя соседними моментами, в которые определяется значение квантуемой величины, называется в этом случае периодом дискретности, или интервалом квантования. Необходимость такой операции квантования вытекает из того, что практически невозможно непрерывно оценивать аналоговую величину скачкообразно изменяющимся числом. Такую оценку можно осуществлять не непрерывно, а лишь через определенные промежутки времени, хотя бы и малые (но не бесконечно малые).

В цифровых измерительных приборах и цифровых автоматических системах цифровое кодирование входной аналоговой величины, т. е. представление ее в виде цифрового кода, чаще.

Рис. 11.3. Комбинированное квантование по времени и по уровню.

всего осуществляется с помощью комбинированного подхода, сочетающего квантование и по уровню, и по времени. Квантование и по уровню, и по времени изображено на рис. 11.3.

В результате комбинированного квантования дискретные (квантованные) значения входной величины представляются в виде цифрового кода, причем наиболее удобным для дальнейшей обработки является двоичный код. Для индикации и визуального восприятия более удобным является десятичный код. Однако перевод (трансляция) двоичного кода в десятичный обычно осуществляется на выходе автоматического управляющего или измерительного устройства после выполнения операций квантования и действий над квантованными величинами.