Тема № 2. Основные методы преобразования непрерывных величин в коды, применяемые в цифровых измерительных устройствах

Первый метод: Пусть имеется измеряемая величина х и имеется отрезок единичной длины квант g:

 Будем последовательно откладывать квант на измеряемом отрезке. На N+1 шаге мы перешагнём через конец отрезка х. Если округлить в меньшую сторону, то число N будет выражать длину отрезка, т.е. х в единицах g.

x = g · N

Характерные черты метода: последовательный счёт повторяющейся единичной меры кванта до приближения получаемой суммы к значению измеряемой величины.

 

Второй метод: Пусть есть измеряемый отрезок х и нет единичной меры меньше измеряемого отрезка:

Тогда измеряемую величину х будем считать единичной мерой (квантом) и  откладывать ее на мере М. При этом можно подсчитать число квантов, укладывающихся на мере и его величину, т.е.:

Характерные черты метода: последовательный счёт измеряемой величины до приближения получаемой суммы к значению крупной меры, т.е.

 

Третий метод: Пусть имеется измеряемая величина х и набор отрезков, длины которых соответствуют весовым коэффициентам двоичного кода:

 

1g

2g

4g

8g

20

21

22

23

 

Эти отрезки последовательно сравнивают с измеряемой величиной х. Сначала берут наибольший отрезок 8g и откладывают его на отрезке х. Если он меньше, то его оставляют и добавляют последующий отрезок (8g+4g=12g). Их сумму сравнивают с х. Если она больше х, то 4g отбрасывают и добавляют последующий 2g (8g-4g+2g=10g). Аналогично эту сумму сравнивают с х, если меньше, то добавляют 1g (10g+1g=11g). Если полученная сумма больше х, то 1g отбрасывают, если меньше – оставляют.

Результат измерения запишем следующим образом: меньше – 1, больше – 0. Тогда эта запись, читаемая слева направо, будет представлять собой двоичный код числа N. Это результат измерения в единицах g.

Характерные черты метода: наличие нескольких мер, кратных кванту и соотносящихся как весовые коэффициенты кода, где количество мер равно числу его разрядов. Комбинации мер сравниваются с измеряемой величиной и последовательно приближаются к мере. Результаты сравнения (больше/меньше) определяют состояние в разрядах кода в направлении от старшего к младшему.

Четвертый метод: В отличие от предыдущего метода, где комбинации из отрезков 8g, 4g, 2g,1g конструируются при каждом измерении, то в данном методе они как бы заготовлены в виде кодовой маски. Столбцы этой маски соответствуют двоичным разрядам.

Условимся, что если пунктирная линия, проходящая через конец измеряемого отрезка х, проходит незаштрихованный участок, то в соответствующем разряде считывается 1, а если заштрихованный, то 0. Полученная запись, читаемая слева на право будет представлять двоичный код числа N в единицах g.

Характерные черты метода: наличие кодовой маски позволяет вести считывание одновременно во всех разрядах, что повышает быстродействие метода.

 

Пятый метод: Как и в предыдущем методе есть заготовленные кодовые комбинации, но результат измерения формируется иначе.

С отрезком х сравнивается всё множество отрезков, кратных кванту и выделяются отрезки меньше х и им придаётся 1, а остальным 0. Если в образовавшейся последовательности отбросить нули, то оставшиеся единицы образуют единичный код числа N, выражающего х в единицах g.

Характерные черты метода: одновременное сравнение измеряемой величины с мерами, отличающимися друг от друга на 1 квант.

При преобразовании непрерывной величины в код большое количество физических единиц х преобразуется в ограниченное количество y (x –> y). Такой величиной y может быть:

-       y = Δt – временной интервал;

-       y = f – частота следования импульсов;

-       y = U – постоянное напряжение;

-       y = l, y = α – линейное и угловое перемещение.

Рассмотрим функциональные схемы реализации перечисленных методов, где будем считать, что одной из измеряемых величин будет y:

Первый метод (времяимпульсный метод): Применяется когда y=Δt.

Структурная схема реализации метода и графики процессов в ней имеют вид:

В течение Δt сигнал 3 на выходе И повторяет сигнал 1 от G, при этом количество переходов сигнала 3 от 0 к 1 будет определяться:

.

На выходе счётчика образуется код числа N.

Область применения:

-       в цифровых хронометрах, в которых измеряемой величиной является Δt;

-       в цифровых вольтметрах, в которых U –> Δt;

-       в пространственных АЦП.

 

Второй метод (частотно-импульсный метод):

Применяется когда .

Структурная схема реализации и временная диаграмма имеют вид:

Длительность Δt0 опорного интервала времени задаётся генератором импульсов G вместе с делителем частоты . На счётчик импульсов Ст приходит N импульсов, которое определяется как:

.

На выходе Ст образуется код числа N.

В данном случае входной величиной Т считать не удобно, т.к. число N связано с Т обратной зависимостью, поэтому считают входной величиной f.

 

Область применения:

-       цифровые частотомеры, где yàf;

-       цифровые вольтметры, где Uàf.

 

Третий метод (кодоимпульсный метод, метод поразрядного уравновешивания, метод поразрядного кодирования, метод развёртывающего уравновешивания, метод последовательного приближения).

 

Структурная схема реализации и временная диаграмма имеют вид:

ПКН – преобразователь кода в напряжение; УУ – устройство управления; УС – устройство сравнения; U0 – опорное напряжение.

Измеряемое напряжение U сравнивается с опорным U0, которое скачкообразно изменяется и тем самым приближается к U. УС выдаёт на УУ информацию о том, какое напряжение больше. Весь процесс происходит за несколько тактов, которые задаёт генератор импульсов G. В каждом такте на выходе УУ образуется код К, который поступает на преобразователь кода в напряжение ПКН.

Алгоритм работы: Если U0  > U, то в следующем такте эта ступень исключается, а вместо неё добавляется следующая. Если U0 < U, то эта ступень остаётся и к ней добавляется следующая, т.е. происходит процесс уравновешивания U и U0. Код на выходе устройства управления УУ по окончании процесса уравновешивания выражает значение U. Число тактов генератора G всегда больше на 1 числа разрядов кода. В этом методе точность преобразования зависит от ПКН и УС.

Область применения:

-       Цифровые вольтметры;

-       Цифровые мосты;

-       АЦП “напряжение – код” (U – К).

Четвертый метод (метод пространственного кодирования):

Этот метод применяется в пространственных АЦП для преобразования в код угловых и линейных перемещений.

Для построения пространственных АЦП существует два метода:

-         со счетом квантов;

-         с кодовыми масками.

В первом случае угловое (a) или линейное (l) перемещение преобразуется в пропорциональное количество импульсов, т.е. единичный код, выражающий значение (a) или (l) и поступающий на счетчик импульсов. На выходе счетчика образуется код, зависящий от его схемы (обычно применяются двоичные счетчики). Простейший вариант преобразователя (l) в (N)  показан на рисунке.

 

 

         Металлическая пластинка 1 с изолированными участками 2 перемещается относительно прижатых контактов 3 и 4. Источник ЭДС Е и два резистора R1 и R2 образуют делитель напряжения.

         Если контакт 3 расположен на изоляционном участке, то на выходе образуется напряжение . Если же контакт 3 находится на проводящем участке, то R2, будет замкнут накоротко и, следовательно, U=0. При перемещении пластинки на некоторое расстояние l относительно начального положения на выходе образуются импульсы прямоугольной формы, количество которых выражает значение l, т.е. l = qN.

         Аналого-цифровые преобразователи со счетом квантов могут работать либо в циклическом режиме, либо в режиме непрерывного реверсивного счета. В первом случае для получения каждого нового результата перемещение должно происходить, начиная с исходного положения, принимаемого за начало отсчета. Во втором случае не требуется возвращений к исходному положению, и это является преимуществом, но оно достигается усложнением АЦП: требуется реверсивный счетчик и устройство, распознающее направление движения.

         На рисунке показан второй вариант построения АЦП с кодовой маской. Здесь положение l пластинки-маски относительно группы контактов непосредственно преобразуется в параллельный 4 – разрядный двоичный код, который выражает уровни напряжений U1-U4.

         Маска содержит горизонтальные дорожки, соответствующие двоичным разрядам с чередующимися проводящими и изолированными участками. Если контакт оказался на изолированном участке, то на его соответствующем выходе образуется напряжение , где Ui = любое из четырех напряжений U1-U4. Если же контакт оказался на проводящем участке, то U=0 (логический ²0²).

 

Пятый метод (метод совпадений):

Структурная схема реализации имеет вид:

Принцип работы: постоянное U сравнивается с рядом постоянных опорных напряжений U01, U02, U0n, количество которых равно количеству квантов. Они имеются на выходе источника опорного напряжения – ИОН. Два ближайших напряжений отличаются на величину кванта. Количество УС равно количеству квантов. На выходе УС с приходом строб-импульса образуются сигналы y1, y2, yn, представляющие собой некий код. Для U0 < U y принимает значение 1, а при U0 > U – 0. Этот код посредством ПКК преобразуется в другой код, необходимый для ЦОУ.

Достоинства: высокое быстродействие.

Недостатки: большие материальные затраты.

Циклический и следящий режимы работы АЦП.

Рассмотрим преобразование непрерывных процессов. В этом случае задача измерения или преобразования непрерывной величины состоит в том, чтобы на выходе прибора получить временную последовательность кодовых комбинаций или кодовых слов, каждое из которых выражает непрерывную величину Н, т.е.

Н(t) → Д(t) → К(t)

1. Применение циклического режима. В определённые моменты времени должна выдаваться команда на совершение преобразования любым рассмотренным методом.

Рассмотрим работу циклического режима на основе 3-го метода. Графическое представление работы режима имеет вид:

В моменты времени ti и ti+1 и т.д. начинаются циклы преобразования, основанные на 3-м методе. Каждое преобразование занимает промежуток времени Тпр, в конце которого образуется значение величины Д(t), которое дискретно как по уровню так и по времени (квантование и дискретизация).

Величина Д(t) характеризует кодовое слово, которое сменяет предыдущее значение и хранится до появления следующего значения Д(t).

Как видно из рисунка кодовые слова представляют исходную функцию как неизменную в интервале времени ti+1t ti+1+Tпр и изменяющуюся скачкообразно на границах этих интервалов.

2. Использование следящего режима для преобразования непрерывных процессов во временные последовательности кодовых слов.

Принцип действия: УС управляет прохождением сигналов с G через логический элемент И на реверсивный счётчик Ст.

При |U(t) – U0(t)|<S (где S – чувствительность УС) импульсы на счётчик не проходят.

Если |U(t) – U0(t)|>S, то импульсы проходят на счётчик. Кроме того, УС управляет счётчиком.

Если U(t)>U0(t), то счётчик суммирует поступающие импульсы.

Если U(t)<U0(t), то счётчик вычитает поступающие импульсы.

Код, образующийся на выходе счётчика Ст, поступает на ПКН, благодаря чему и образуется U0(t). В начале происходит процесс вхождения в режим сложения, т.е. U0(t) скачкообразно изменяется и приближается к U(t), затем происходит захват и слежение. Как только |U0(t) – U(t)|>S происходит скачок на 1 квант; направление скачка зависит от разницы U(t) – U0(t).

 

Теория | Практикум | Контроль знаний | Об авторах