Параметры систем АЦП

Аналоговое и цифровое представление сигнала

3. Параметры систем АЦП (аналого-цифрового преобразования)

Существует несколько параметров схем аналогового ввода и вывода:

• Разрядность и рабочий диапазон АЦП

• Коэффициент усиления инструментального усилителя

• Сочетание разрядности, диапазона и усиления для вычисления такой характеристики, как разрешающая способность.

Разрядность

Число бит, используемых для представления аналогового сигнала, определяет разрядность АЦП. Разрядность напоминает отметки на измерительной линейке. Чем больше отметок на линейке, тем выше точность измерения. Чем больше разрядность устройства, тем на большее число частей система делит рабочий диапазон АЦП, и, следовательно, можно зафиксировать меньшее изменение сигнала. 3 битный АЦП разделяет диапазон на 2³ или 8 частей. Каждое деление представляется дискретным или цифровым кодом в диапазоне от ООО до 111. АЦП преобразует измерение аналогового сигнала в цифровой код. Следующий рисунок показывает дискретное представление 3-битовым АЦП синусоидальной волны с частотой 5 кГц. Цифровой сигнал в недостаточной мере представляет исходный сигнал, поскольку преобразователь имеет слишком мало цифровых делений для представления различных напряжений аналогового сигнала. Однако при увеличении разрешающей способности до 16 бит число делений возрастает с восьми (2³ ) до 65536 (2¹⁶ ), позволяя 16-битовому АЦП достигнуть высокой точности представления аналогового сигнала.

Рабочий диапазон устройства

Рабочим диапазоном называют минимальный и максимальный уровни аналогового сигнала, при которых АЦП может преобразовывать его в цифровую форму. Многие АЦП устройства имеют переменные рабочие диапазоны (обычно от 0 до 10 В и от -10 до 10 В). Поэтому вы можете подобрать рабочий диапазон, наиболее подходящий для данного сигнала с тем, чтобы воспользоваться всеми преимуществами максимального разрешения для точного измерения сигнала. Например, посмотрим на следующий рисунок. На первом графике отображено, что 3-битовый АЦП имеет восемь дискретных делений в однополярном диапазоне от 0 до 10 В. При выборе биполярного диапазона от -10 до 10 вольт (это показано на втором графике) тот же АЦП разделяет этот диапазон в 20 вольт опять на восемь делений. Наименьшее измеряемое напряжение увеличилось с 1.25 до 2.50 вольт, поэтому правый график - это менее точное представление сигнала.

Усиление

Для улучшения представления сигнала может возникнуть необходимость в усилении или ослаблении сигнала перед его оцифровкой. Усиливая либо ослабляя сигнал, вы можете эффективно уменьшать/увеличивать входной диапазон АЦП, и, таким образом, позволить АЦП использовать максимально возможное число дискретных делений для представления сигнала. Например, следующий рисунок показывает эффект применения усиления сигнала, меняющегося в пределах от 0 до 5 вольт, с использованием 3-битового АЦП с рабочим диапазоном 0-10 вольт. Без усиления, т.е. когда КУ = 1, АЦП использует только четыре из восьми делений для преобразования. При усилении сигнала перед оцифровкой в два раза, АЦП использует все восемь делений, поэтому дискретное представление становится более точным. В этом случае устройство имеет эффективный рабочий диапазон от 0 до 5 вольт, поскольку любой сигнал с напряжением больше 5 вольт, будучи умноженным на два, становится больше 10 вольт и поступает на вход АЦП.

Рабочий диапазон, разрядность и усиление устройства сбора данных определяют наименьшее фиксируемое изменение входного напряжения. Это изменение напряжения представляет собой самый младший (двоичный) разряд дискретной величины и по- другому называется разрешающей способностью.

Разрешающая способность

Разрешающая способность характеризуется шагом дискретизации. Шаг дискретизации - наименьшее изменение сигнала, которое может обнаружить измерительная система. Шаг дискретизации вычисляется по следующей формуле:

Чем меньше шаг дискретизации, тем более точно АЦП устройство может представить сигнал.

Определение шага дискретизации играет важную роль при выборе устройства сбора данных. Например, 12-битовое устройство с рабочим диапазоном от 0 до 10 вольт и единичным усилением фиксирует изменение напряжения на 2.4 мВ, в то время как то же устройство с рабочим диапазоном от -10 до 10 вольт сможет зафиксировать изменение на 4.8 мВ.