Аналого-цифровые преобразователи. 
Технические средства автоматизации и управления

Удобнее всего измерять в цифровой форме такие физические величины как время и частота. Поэтому преобразователи времени в код и частоты в код применяются довольно часто.

Если входная информация изображается протяженностью временного отрезка, то входной сигнал стабильной частоты, например, формируемый кварцевым генератором, подается на счетчик входным фронтом сигнала, длительность которого изображает преобразуемую аналоговую величину, а задний фронт этого сигнала отключает подачу импульсов генератора на вход счетчика (запирает счетчик). Содержимое счетчика на момент подачи заднего фронта входного сигнала будет представлять собой число, пропорциональное длительности входного сигнала.

Если входная информация изображается частотой следования импульсов, то сигнал, генерируемый опорным генератором постоянной частоты, более низкой, чем измеряемая, включает и выключает подачу информационных импульсов на вход соответствующего счетчика. Для получения сигнала, открывающего и запирающего входы этого счетчика, часто используют промышленный переменный ток, гармонически изменяющийся с частотой 50 Гц, который переформировывается в прямоугольные импульсы той же частоты.

Схема преобразования интервала времени в код приведена на рис. 11.4, я, схема преобразования частоты в код — на рис. 11.4, б.

Если входная информация задается шириной импульса X (см. рис. 11.4, я), то выходной сигнал У преобразователя формируется импульсами стабильной частоты С от задающего генератора и после окончания импульса X блокируется: Сигналы считывания со счетчика и обнуления этого счетчика на рисунке не показаны. Но эти сигналы могут быть получены различными способами. Например, в качестве таких сигналов можно использовать очередные импульсы задающего генератора при условии, что Л' = 0.

Если входная информация задается частотой импульсов X (см. рис. 11.4, б), то сигнал С заданной частоты и скважности, генерируемый задающим генератором, служит для запирания и отпирания счета импульсов X.

Рис. 11.4. Временные диаграммы преобразования «время — код* и «частота — код*.

Рис. 11.5. Временная диаграмма преобразования напряжения в ширину импульса.

Существенным отличием между этими двумя способами преобразбвания входной аналоговой величины в цифровую форму является тот факт, что численное выражение времени длительности входного сигнала представляет собой мгновенное значение, тогда как численное выражение частоты представляет собой усредненное значение.

Для преобразования напряжения в код достаточно построить преобразователь напряжения во время или напряжения в частоту и далее использовать те схемы аналого-цифрового преобразования, которые уже были рассмотрены. Эти методы называются методами с использованием промежуточных преобразований.

Пример временной диаграммы преобразования напряжения во временной интервал (ширину импульса) приведен на рис. 11.5.

В соответствии со схемой рис. 11.5 преобразуемая аналоговая величина — напряжение X сравнивается в аналоговом устройстве сравнения (например, с помощью автоматического компенсатора, описанного выше) с пилообразным напряжением, получаемым с помощью специального генератора, аналогичного тому, который используется для телевизионной развертки, или использующему принцип интегрирования некоторого постоянного сигнала.

Если Х> ?/_р, то выходной импульс Y— 1. Если Х< ?/_р, то У= 0. Так как равенство X и ?/_р наступает в различные моменты в зависимости от величины X, то и ширина импульсов У будет различной в зависимости от величины X

Если генератор пилоообразного напряжения блокировать и обнулять в момент достижения равенства преобразуемой аналоговой величины X и пилообразного напряжения ?/_р, а затем снова включать генерацию следующего пилообразного импульса, то время между соседними выходными импульсами, а значит, и их частота будут однозначно определяться значениями преобразуемой аналоговой величины. Так работает преобразователь напряжения в частоту.

Точность преобразования входного аналогового сигнала в устройствах с пилообразным напряжением зависит от точности и стабильности пилообразного напряжения, а также от точности промежуточных преобразований. Схемы преобразования с использованием мгновенных значений в значительной степени подвержены воздействию помех. Схемы, использующие усредненные значения, подобные преобразователям частоты в код, обладают большей помехоустойчивостью, но характеризуются меньшим быстродействием.

Большей помехоустойчивостью обладает так называемый двухтактный преобразователь с двойным интегрированием. Временная диаграмма такого преобразователя приведена на рис. 11.6.

В соответствии с диаграммой рис. 11.6 двухтактный аналого-цифровой преобразователь работает следующим образом. В первом такте интегрирующий усилитель интегрирует входное аналоговое напряжение X при заданной неизменной опорной.

Рис. 11.6. Временная диаграмма двухтактного преобразования аналоговой • величины в код частоте в течение постоянного отрезка времени Г₀, определяемого емкостью базового счетчика. Факт заполнения всего базового счетчика определяет окончание первого такта преобразования (истечение времени 7^). Значение напряжения развертки ?/ в этот момент пропорционально среднему значению напряжения X за время Т₀. Во втором такте на вход интегрирующего усилителя подается эталонное напряжение обратного знака, вследствие чего напряжение U₉ линейно убывает, пока не окажется, что ?/ = 0 (пересечение ниспадающей прямой на графике напряжения развертки с горизонтальной осью). Продолжительность второго такта преобразования Т_х пропорциональна максимальному значению (/_р, достигнутому в предыдущем такте, или среднему значению выходной величины X за предыдущий такт. Преобразование же длительности временного интервала в показания счетчика при неизменной опорной частоте уже разбиралось ранее. Иными словами, по показаниям счетчика, полученным во время второго такта преобразования, можно однозначно судить о среднем значении преобразуемой аналоговой величины за время первого такта преобразования.

Существуют также схемы преобразователей аналоговой величины в код, не требующие использования промежуточного параметра. Такие преобразователи называются преобразователями с подсчетом.

Суть действия таких преобразователей состоит в том, что сигнал сброса обнуляет и запускает счетчик, выход которого и является выходом преобразователя. Питание на этот счетчик подается от генератора стабильной базовой частоты. Число, накопившееся в счетчике, подвергается обратному цифроаналоговому преобразованию (см. далее). Полученное таким образом аналоговое напряжение сравнивается со входным аналоговым напряжением (например, с помощью автоматического аналогового компаратора, описанного выше), и при достижении равенства этих напряжений формируется сигнал, отключающий дальнейший доступ опорных базовых импульсов от входа счетчика. Число, оказавшееся в этот момент в счетчике, должно быть считано раньше, чем поступит новый сигнал сброса и запуска нового цикла преобразования. Временная диаграмма такого преобразования изображена на рис. 11.7.

Рис. 11.7. Временная диаграмма циклического преобразования аналоговой величины в цифровую на основе подсчета базовой частоты.

Выдерживать соотношение между временами считывания числа, оказавшегося в счетчике, и запуском нового цикла преобразования необязательно, если использовать реверсивный счетчик. Временная диаграмма преобразования «аналог-код» на основе использования реверсивного счетчика, генератора стабильной базовой частоты и аналогового компаратора приведена на рис. 11.8.

Рис. 11.8 Временная диаграмма двухтактного преобразования аналоговой величины в цифровую на основе использования реверсивного счетчика.