VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Значение некоторых параметров технологических процессов представляются в виде аналоговых сигналов. Для ввода таких сигналов в контроллер их необходимо привести к двоичному виду. Устройство, которое преобразует значения аналогового сигнала в двоичную кодовую комбинацию, называют аналого-цифровой преобразователь (АЦП).

В процессе преобразования аналогового сигнала в цифровой код последовательно выполняются три операции: дискретизация, квантование и кодирование.

Рассмотрим подробно процесс преобразования, для этого построим временную диаграмму цифрового сигнала на выходе 4-х разрядного АЦП, если на его вход поступает аналоговый сигнал, экстремальные значения которого заданы в таблице 1. Известны также частота дискретизации f_Д = 25Гци величина уровня квантования Δ = 0,5В.

Таблица 1 – Экстремальные значения аналогового сигнала

Время, мс	0	100	200	300	400
Напряжение, В	3,8	6,8	4,3	6,6	1,9

Построим график изменения аналогового сигнала, исходя из значений в таблице. Полученный график представлен на рисунке 1.

Рисунок 1 – Аналоговый сигнал

Дискретизация представляет преобразование аналогового напряжения в последовательность отсчетов через равные промежутки времени. Чем выше скорость изменения напряжения, тем чаще должны следовать отсчеты. В простейшем случае отсчёты представляют последовательность импульсов, амплитуда которых равна мгновенным значениям напряжения в момент дискретизации.

Определяем интервал дискретизации по формуле:

Исходя из рассчитанного выше значения, откладываем по оси времени интервалы, именуемые отсчетами, и получаем график процесса дискретизации, представленный на рисунке 2.

Рисунок 2 – Процесс дискретизации

Далее каждый отсчет квантуется по уровню. Эта операция выполняется путем сравнения отсчета со шкалой, имеющей конечное число значений, в данном случае равное 14. Каждому отсчету присваивается ближайшее разрешенное значение шкалы. Так в момент времени t = 0 значение нулевого отсчета равно 3.8, но так как присваивается ближайшее к нему значение уровня, то значение будет равно 8. Подробно процесс квантования представлен на рисунке 3.

Рисунок 3 – Процесс квантования

Отсюда видно, что операция квантования вносит погрешность, которая не превышает половину одного деления шкалы. Цена деления определяется максимально допустимым значением входного аналогового напряжения и установленным числом делений шкалы.

Следующая операция аналого-цифрового преобразования кодирование. Смысл кодирования заключается в представлении квантованного значения отсчета в двоичном коде. Для упрощения данной операции соотнесем уровни с их значением в виде четырехразрядной двоичной кодовой комбинации и занесем в таблицу 2.

0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
0000	0001	0010	0011	0100	0101	0110	0111	1000	1001	1010	1011	1100	1101	1110

Таблица 2 – значение уровня в виде двоичной комбинации

График процесса кодирования, исходя из значений таблицы и процесса квантования, представлен на рисунке 4.

Рисунок 4 – Процесс кодирования

Значение единицы, в каждой двоичной кодовой комбинации значения уровня квантованного отсчета, означает логическую единицу на выходе АЦП и раскрывает смысл аналого-цифрового преобразования.

Литература

1. Шишмарев В.Ю. Физические основы получения информации: учеб. пособие для вузов / Шишмарев В.Ю.; – М.: «Академия», 2010. – 448 с.

2. Шандров Б.В. Технические средства автоматизации: учебник для вузов: / Шандров Б.В.; – М.: «Академия», 2007. – 368 с.

Код для цитирования: Скопировать