Назначение АЦП, принципы, положенные в основу их работы.

Назначение АЦП, принципы, положенные в основу их работы

АЦП — аналого-цифровой преобразователь. Он предназначен для преобразования непрерывного аналогового сигнала, обычно напряжения или тока, в цифровой код, который может обрабатывать микроконтроллер, ПЛК или компьютер.

АЦП используется там, где нужно измерить аналоговую физическую величину и передать её в цифровую систему.

Назначение АЦП

С помощью АЦП можно преобразовывать сигналы от:

• датчиков температуры;

• датчиков давления;

• датчиков уровня;

• датчиков расхода;

• потенциометров;

• тензодатчиков;

• аналоговых преобразователей;

• сигналов 0–10 В;

• сигналов 4–20 мА после соответствующего преобразования.

Например:

Основной принцип работы

Работа АЦП включает несколько этапов:

1. дискретизация;

2. квантование;

3. кодирование.

1. Дискретизация

Аналоговый сигнал непрерывен во времени.

АЦП измеряет его не постоянно, а через определённые промежутки времени.

Получается последовательность отдельных отсчётов.

Частота, с которой выполняются измерения, называется частотой дискретизации.

2. Квантование

Каждый измеренный уровень напряжения округляется до ближайшего допустимого цифрового уровня.

Количество таких уровней зависит от разрядности АЦП.

Для nn-разрядного АЦП:

N=2nN = 2^n

Например:

• 8 бит — 256 уровней;

• 10 бит — 1024 уровня;

• 12 бит — 4096 уровней;

• 16 бит — 65536 уровней.

Чем выше разрядность, тем меньше шаг квантования и тем точнее измерение.

3. Кодирование

После определения уровня АЦП преобразует его в двоичный код.

Например, условно:

для 8-разрядного АЦП с диапазоном около 0–5 В.

Опорное напряжение

Для работы АЦП используется опорное напряжение UrefU_{ref}.

Оно определяет верхний предел преобразования.

Шаг квантования приблизительно равен:

ΔU=Uref2n\Delta U = \frac{U_{ref}}{2^n}

Например, при:

Uref=5 ВU_{ref}=5\text{ В}

и разрядности 10 бит:

ΔU=51024≈0,00488 В\Delta U=\frac{5}{1024}\approx0{,}00488\text{ В}

То есть один младший разряд соответствует примерно:

4,88 мВ4{,}88\text{ мВ}

Основные принципы построения АЦП

АЦП могут работать по разным принципам.

АЦП последовательного приближения

Один из самых распространённых типов.

Внутри используется:

• регистр последовательного приближения;

• внутренний ЦАП;

• компаратор.

Принцип работы:

1. АЦП формирует пробный цифровой код.

2. Внутренний ЦАП преобразует его в напряжение.

3. Компаратор сравнивает его с входным сигналом.

4. Код постепенно уточняется от старшего разряда к младшему.

5. После нескольких шагов получается цифровой результат.

Для nn-разрядного АЦП обычно требуется примерно nn сравнений.

Такой принцип часто применяется во встроенных АЦП микроконтроллеров.

Параллельный АЦП

Использует большое количество компараторов.

Все уровни сравниваются практически одновременно.

Преимущество — очень высокая скорость.

Недостаток — большое количество элементов.

Интегрирующий АЦП

Измеряемое напряжение преобразуется через процесс интегрирования.

Такие АЦП обладают хорошей точностью и помехоустойчивостью, но работают медленнее.

Часто применяются в цифровых измерительных приборах.

Сигма-дельта АЦП

Использует высокочастотную выборку, модуляцию и цифровую фильтрацию.

Характеризуется:

• высокой разрядностью;

• хорошей точностью;

• низким уровнем шумов.

Широко применяется в точных измерительных системах.

Основные параметры АЦП

К основным характеристикам относятся:

• разрядность;

• диапазон входного сигнала;

• разрешающая способность;

• точность;

• время преобразования;

• частота дискретизации;

• нелинейность;

• опорное напряжение;

• погрешность квантования.

Погрешность квантования

Поскольку аналоговый сигнал заменяется ближайшим цифровым уровнем, возникает неизбежная погрешность квантования.

Чем меньше шаг квантования, тем меньше эта погрешность.

Пример

Пусть имеется 8-разрядный АЦП:

n=8n=8

с опорным напряжением:

Uref=5 ВU_{ref}=5\text{ В}

Количество уровней:

28=2562^8=256

Шаг:

ΔU=5256≈19,5 мВ\Delta U=\frac{5}{256}\approx19{,}5\text{ мВ}

Если входное напряжение увеличивается, цифровой код также увеличивается.

Применение в автоматизации

АЦП применяется в:

• микроконтроллерах;

• ПЛК;

• модулях аналогового ввода;

• цифровых измерительных приборах;

• системах сбора данных;

• автоматических регуляторах;

• системах контроля технологических параметров.

Кратко для ответа по билету

АЦП — аналого-цифровой преобразователь, предназначенный для преобразования аналогового напряжения или тока в цифровой код. Основные этапы его работы — дискретизация, квантование и кодирование. Количество уровней определяется разрядностью:

N=2nN=2^n

а шаг квантования приблизительно равен:

ΔU=Uref2n\Delta U=\frac{U_{ref}}{2^n}

Основные типы АЦП — последовательного приближения, параллельные, интегрирующие и сигма-дельта. Чем выше разрядность АЦП, тем точнее можно представить входной аналоговый сигнал.