10.3.4. АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) промышленного производства обычно представляют собой двоичные либо двоично-десятичные (ДД) системы. Двоичная система преобразует непрерывные изменения электрического напряжения в двоичный цифровой код, а ДД-система — в цифровой код, который может быть представлен десятью различными цифрами. Конструкция двоичной системы сравнительно проще, но для обработки данных приходится составлять, как правило, программы в машинном коде. Двоично-десятичная система сложнее и относительно менее надежна, но она позволяет производить непосредственно обработку данных наблюдений по программам, написанным на обычном алгоритмическом языке, например на Фортране. Кроме того, ДД-системы могут непосредственно взаимодействовать с терминалом или дисплеем.

Помимо уже рассмотренных ошибок дискретизации и квантования необходимо указать еще и другие наиболее существенные ошибки, возникающие в системах АЦП. К ним относятся:

1) апертурная ошибка, которая возникает за счет того, что каждый отсчет выполняется на протяжении некоторого отрезка времени, а не мгновенно;

2) дребезжание или неустойчивая синхронизация — ошибка, возникающая в результате того, что интервал времени между соседними отсчетами может меняться случайным образом;

3) нелинейные эффекты, которые появляются в результате самых различных причин, например плохой подгонки деталей системы, неточной градуировки, разрыва в нуле и т. д.

Как правило, скорость преобразования в существующих АЦП составляет до отсчетов в секунду при -битном слове и до отсчетов при -битном слове. Однако на практике ограничения, налагаемые цифровыми магнитными устройствами и требуемой разрешающей способностью, приводят к уменьшению скорости квантования. Кроме того, скорость снятия отсчетов в АЦП следует уменьшить во столько раз, сколько каналов

опрашивается одновременно, и этот результат даст истинную скорость снятия отсчетов для каждого канала.

Необходимо отметить еще одно обстоятельство, касающееся аналого-цифровых преобразователей. При одновременном преобразовании в нескольких каналах наличие интервала времени между опросами в различных каналах приводит к появлению межканальной временнбй ошибки в отсчетах, которая для быстро меняющихся сигналов может оказаться весьма заметной. Ее появления можно избежать, используя в системах АЦП запоминающие схемы, в которые данные из всех каналов поступают одновременно и хранятся там до момента опроса соответствующего канала коммутатором.

ПРИМЕР 10.3. ДИСКРЕТИЗАЦИЯ ДАННЫХ. Случайные вибрации конструкции измеряются датчиком, который преобразует механическое ускорение в аналоговую форму колебаний электрического напряжения. Получаемую запись предполагается перевести в цифровую форму для последующего анализа в диапазоне частот от 0 до 2000 Гц при отношении сигнал/шум не менее Требуется определить частоту опроса и число бит на один отсчет, необходимые для аналого-цифрового преобразования сигнала.

Прежде всего для получения данных в диапазоне частот до 2000 Гц без ошибок маскировки частот аналоговый сигнал следует пропустить через фильтр низких частот с вырезывающей частотой 2000 Гц. Поскольку частотные характеристики противоподменных фильтров не могут спадать строго вертикально, следует принять несколько более высокую частоту Найквиста, скажем 2500 Гц. В соответствии с формулой (10.12) необходимый для этого интервал дискретности так что частота съема должна еоставить 5000 отсчетов в секунду.

Для получения максимальной величины отношения сигнала к среднеквадратичному уровню шума около (104 по амплитуде) необходимо в соответствии с формулой (10.15), чтобы выполнялось условие где — число бит на один отсчет. Логарифмируя обе части этого равенства по основанию 10, получаем равенство Следовательно, так что нужное при преобразовании число бит на один отсчет равно 12.