ПЕРЕТВОРЮВАННЯ АНАЛОГОВИХ СИГНАЛІВ З АВТОМАТИЧНОЮ ІДЕНТИФІКАЦІЄЮ ЙОГО ВХІДНОГО РІВНЯ
В. Омельченко (кафедра iнформатики НаУКМА)
Якiстю будь-якої системи цифрової обробки даних в системах управлiння - точнiсть. iнформацiя про стан контролюємого об`єкту, а також якiсть виконання керуючих цим об`єктом сигналiв повинна бути абсолютно точною. При дослiдженнi рiзних систем перетворювання аналогових сигналiв вiд первинних джерел iнформацiї (датчикiв), привело до висновку, що найбiльш використовуються - багатоканальнi перетворювачi.
Аналого-цифрове перетворювання по сутi є операцiя, яка встановлює вiдношення двох величин. Вхiдний аналоговий сигнал перетворюється в дрiб шляхом спiвставлення його значення з рiвнем опiрного сигналу. Цифровий сигнал перетворювача є кодова наявнiсть цiєї дробi. Для взаємооднозначного спiввiдношення, дiапазон вимiрювання вхiдного сигналу повинен бути розбит на n-вхiдних рiвнiв. Кожен квант (величина iнтервалу) такого розбивання є значення аналогової величини, на яку вiдрiзняються рiвнi вхiдного сигналу, представленнi двома сусiднiми кодовими комбiнацiями. Цей квант має назву величиною молодшего значащого розряду (МЗР). Таким чином, квант Q буде:
Q = МЗР = ПД/2N ,
де Q - квант, МЗР - аналоговий еквiвалент МЗР та ПД - повний дiапазон вимiрювання вхiдного аналогового сигналу.
Всi аналоговi величiнi внутрiшньо заданного iнтервалу розбиття є тим самим цифровим кодом, якому пiдставляють вiдповiдне значення аналогової змiнної в среднiй точцi iнтервалу, та має назву пороговим рiвнем. З урахуванням того, що одна з кодових комбiнацiй належить нульовому рiвню вхiдного сигналу, максимальний вихiдний сигнал АЦП завжди вiдповiдає аналоговiй величинi повного дiапазону мiнус 1 МЗР. Таким чином точнiсть перетвореного аналогового сигналу в цифровий двiйковий код залежить вiд розрядностi АЦП. Бiльша кiлькiсть розрядiв дозволяють перетворювати сигнал з великою точнiстю та малою погрiшнiстю дискретизацiї.
Однак дiапазон вхiдного аналогового сигналу може бути рiзним i для рiзних вхiдних сигналiв необхiдио застосування рiзних типiв АЦП, в залежностi вiд їх точностi. Точнiсть перетворювача вираховується як максимальна рiзнiсть мiж фактичиою вхiдною напругою та аналоговим еквiвалентом двiйкового вихiдного коду при заданому повному дiапазонi. Бiльш широко використовуються 8-ми розряднi АЦП, т.я. вони мають бiльшу швидкiсть та, вiдповiдно, менший час перетворення. iснують також iншi типи АЦП, i, в залежностi вiд постановки задачi яка буде розв`язуватись, вибирається вiдповiдний тип АЦП.
Існують два способи перетворення вхiдних сигналiв, якi перевищують за рiвнем опiрну напругу АЦП:
1) зниження рiвня вхiдних аналогових сигналiв;
2) введення додаткових функцiональних вузлiв у пристрiй.
Перший спосiб використовується тiльки у випадку, коли вiдсутня необхiдиiсть точного перетворення сигналу. При зменшеннi на входi рiвня сигнала може бути загублена iнформацiйнiсть сигналу. Другий - дозволяє виконати перетворення вхiдного сигналу без загублення його iнформацiйностi, хоча при цьому ускладнюється сам пристрiй. Вiдомi модулi АЦП мають обмежене число розрядiв, т.я. АЦП оцiнюють узагальненою характеристикою - динамiчним дiапазоном.
Якщо вiдношення сигнал/шум Pc/Pш > 22r, де r - розряднiсть, то
DАЦП = 10 lg(Pc/Pш) = 
При збiльшенi розрядностi АЦП на одиницю, збiльшується i DАЦП на 6 дБ. Необхiдну розряднiсть АЦП вираховують, якщо вiдомим є динамiчний дiапазон сигналу Dc. Наприклад, при Dc > 100 дБ кiлькiсть рiвней квантувания буде , що вiдповiдає розрядностi r = 19. На сьогоднi така кiлькiсть розрядiв АЦП недоступна в однокристальному виконаннi, т.я. найбiльш вiдома кiлькiсть розрядiв кристала АЦП - 12. Для збiльшення розрядностi АЦП, при вже iснуючему n-розрядному кристалi, необхiдно його включити в блок перетворювача, в якому iснують засоби пiдвищення розрядностi АЦП до необхiдної кiлькостi розрядiв, шляхом попереднього аналого-цифрового перетворення. Це веде до збiльшення розрядностi блока та, вiдповiдно, пiдвищує його iнформативнiсть i в залежностi вiд рiвня вхiдного сигналу, дiапазон цього сигнала попередньо розбивається на пiддiапазони. Наприклад, при роздiленнi на 4 пiддиапазони, отримуємо вiдповiднi коди цих пiддиапазонiв (мал. 1).
x(t)
(t)
Мал. 1
Кожний код, також буде вiдповiдати рiвню коефiцiента для посилювача сигналу, що дозволяє змiнювати Dc та використовувати ресурси iснуючого в наявностi АЦП. Якiсть перетворення характеризується можливостями системи по забезпеченню вiдповiдної нормалiзацiї сигнала в кожному дiапазонi.