Технические измерения и приборы (Принципы построения многоканальных измерителей температуры, шифраторов приращения и абсолютных шифраторов): Учебное пособие, страница 5

Входной аналоговый сигнал, который нужно преобразовать в код, подаётся на верхний вход компаратора К, который своим выходным сигналом управляет одним из трёх входов конъюнктора И. На его второй вход схема управления СУ после получения импульса  «Запуск» выставляет логическую единицу, а на третий вход  начинают поступать счётные импульсы от ГСИ с интервалом  Dt_cч. Эти импульсы начинают заполнять предварительно обнулённый счетчик  (Сч), на промежуточных выходах которого выделяется кодовый эквивалент текущего содержимого Сч. Изменяемые значения кода  на выходе  Сч  непрерывно    преобразуются  цифроаналоговым  преобразователем   ЦАП   и   в  аналоговой форме  подаются на второй вход компаратора для сравнения с преобразуемым входным сигналом. Пока напряжение u_вх(t) по мгновенному значению превышает u_{вых ЦАП}, компаратор будет подтверждать прохождение импульсов на счётчик. И только, пусть даже ничтожно малое, превышение сигнала с ЦАП заставит компаратор переключиться и снять свой разрешающий сигнал с конъюнктора. Это происходит тогда, когда на выходах счетчика сформирован код, соответствующий величине преобразуемого в данном цикле сигнала.

Рис. 12

Ёмкость счётчика определяется его разрядностью. При числе разрядов mАЦП с диапазоном преобразования сигналов от 0 до H обеспечивает их представление в виде  N = 2^m – 1 дискретных уровней (дискрет), равноотстоящих друг от друга на величину шага квантования h =H /(2^m –1). Поскольку шаг квантования представляет собой статическую погрешность АЦП, из последнего видно влияние разрядности на точность.

Из поясняющих работу АЦП диаграмм (рис. 12) видно, что продолжительность процесса преобразования  t_{пр. макс} =Dt_сч (2^m – 1) тоже зависит от разрядности, только в несколько ином смысле: с ростом  mуменьшается быстродействие. И хотя в разных структурах АЦП  количественно это проявляется по-разному, общая закономерность сохраняется.

По этим причинам не всегда следует стремиться к выбору наиболее высокой разрядности. Иногда бывает целесообразнее так организовать тракты обработки сигнала, чтобы требуемые технические характеристики достигались применением более простых средств.

Расчет необходимой разрядности АЦП

Так как на вход аналого-цифрового преобразователя подается ограниченный снизу сигнал, для иллюстрации того, что это дает в отношении требуемой разрядности АЦП, расчет выполним параллельно для обоих вариантов: с ограничением сигнала и без него. Расчет выполним в масштабе сигналов, снимаемых с датчика, так как последующее его усиление будет вызывать изменение лишь величин, а не их соотношения.

Сопоставление расчетов показывает, что ограничение сигнала на входе АЦП на величину, соответствующую нижней границе регулирования температуры, способствует снижению требуемой его разрядности. Это можно объяснить тем, что без ограничения сигнала бóльшая часть дискрет АЦП, располагающаяся в диапазоне от нуля до уровня ограничения, оказывается излишней и не участвует в выработке сигналов управления температурой.

Обеспечение точности преобразования зависит от разрядности применяемого АЦП, но определяется не только им. Покажем это на примере использования восьмиразрядного АЦП с диапазоном изменения аналогового сигнала на его входе 10 В. При  общем числе дискретных уровней N=255 значение каждого из них равно  h  = 10 / 255 = 0,039 В.

При температуре горячего спая термопары 1600 °С она увеличит свои показания на 2,4 мВ по сравнению с нижним порогом регулирования в 1400 °C. Чтобы при входном сигнале 2,4 мВ и наличии ограничения получить на входе АЦП уровень напряжения  10 В, коэффициент усиления должен быть равен  к_u = 10 / 0,0024 = 4000. При таком усилении цена дискреты АЦП пересчитается к уровню сигналов термопары как h₁ = 0,039 / 4000 = 10^-5 В = 0,01 мВ. На такую величину должна измениться термоэдс датчика, чтобы выходной сигнал АЦП изменился на один дискретный уровень преобразования.

Посмотрим, к чему приведёт при прочих равных условиях получение максимального уровня сигнала на входе АЦП, равного 5 В, что соответствовало бы выбору коэффициента усиления  к_u = 2000. Следует признать, что половина диапазона преобразования АЦП (от 5 до 10 В) не будет использована при сохранении той же  дискретности преобразования. Это приведёт к тому, что станет другой величина, на которую должен измениться сигнал термопары, вызывающий изменение выхода АЦП на величину одной дискреты: h₂  = 0,039 / 2000 = 0,02 мВ, т.е. станет в два раза больше, что равносильно уменьшению точности преобразования.

Поэтому, кроме выбора бóльшей разрядности для повышения точности, следует согласовывать уровень преобразуемого сигнала с диапазоном преобразования АЦП. Практически это может быть реализовано выбором коэффициента усиления сигнала между выходом датчика и входом АЦП.