Роль и задачи цифровой техники

Современные информационные измерительные системы и устройства характеризуются широким применением микропроцессорной техники, управляющих контроллеров и ЭВМ различного класса. Для возможности взаимодействия микропроцессорной системы с различными измерительными преобразователями и приборами требуются средства сопряжения:

· аналого-цифровые преобразователи (АЦП) – для передачи информации в микропроцессорную систему;

· цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) – для передачи информации и формирования управляющих воздействий на исполнительные устройства

АЦП представляет собой устройство для автоматического преобразования непрерывно меняющихся во времени аналоговых величин (обычно электрических напряжений) в эквивалентные значения числовых кодов.

Все АЦП можно разделить на две группы, существенно различающиеся между собой по нормируемым характеристикам погрешностей и методам поверки. К первой группе относятся АЦП, выполненные в виде микросхем (полупроводниковых, гибридных) и не являющиеся средствами измерений. АЦП второй группы являются средствами измерений. АЦП первой группы широко используются не только для создания АЦП второй группы, но и в качестве узлов различных систем обработки аналоговых сигналов.

В состав АЦП часто входят вспомогательные узлы, существенно улучшающие метрологические характеристики и расширяющие функциональные возможности АЦП: буферные усилители, автоматические переключатели диапазонов, программируемые усилители, устройства выборки-хранения, схемы автокалибровки и автоподстройки, экстраполяторы, оперативные и постоянные запоминающие устройства, цифровые фильтры, и т.п.

Практически все современные АЦП ориентированы на совместную работу с микропроцессорными системами и содержат элементы интерфейса (буферные регистры, дешифраторы адреса ит.п.).

Цифровые способы обработки информации имеют существенные преимущества перед аналоговыми:

§ высокую помехозащищенность

§ высокое быстродействие

§ более высокую точность преобразования

§ удобство распределения значительных информационных потоков

§ возможность сопряжения с микропроцессорными системами, контроллерами и ЭВМ.

2.2 Системы счисления, формы представления чисел, цифровые коды

В обычной десятеричной системе счисления числа представляются по основанию числа 10:

    342=3∙10²+4∙10¹+2∙10⁰

    А₍₁₀₎=a∙10ⁿ+d∙10^n-1+c∙10^n-2+…+q∙10⁰

Величина числа А определяется коэффициентами a, b, c… q при степенях числа 10. Системы счисления, в которых величина цифры определяется ее положением, называется позиционной. Кроме десятеричной существуют и другие системы счисления.

В двоичной системе счисления основанием является число 2, и для записи чисел используются только две цифры: 0 и 1. Например, число 12, разложенное по степеням, может быть представлено в виде:

    12₍₁₀₎=1∙2³+1∙2²+0∙2⁰=8+4=12

    12₍₁₀₎=1100₍₂₎

Двоичная система счисления также как и десятичная является позиционной.

Перевод целых чисел из 10-ой в 2-ую систему счисления осуществляется методом последовательного деления на 2, то есть на основании новой системы счисления до тех пор, пока частное от деления не станет равным 1. Полученные единицы и нули записываются в обратном от деления порядке – справа на лево.

Пример:

              42₍₁₀₎=101010₍₂₎

Перевод дробных десятичных чисел в двоичную систему счисления осуществляется в 2 этапа. Вначале переводится целая часть числа, а затем дробная. При этом дробная часть переводится не путем деления, а путем последовательного умножения дробной части на основание 2.

Пример:

Представим число 42,41 в двоичной форме:

0,41

2                          42₍₁₀₎=101010₍₂₎

------------

0,82                          0,41₍₁₀₎=0,011₍₂₎

2                          42,41₍₁₀₎=101010,011₍₂₎

------------

1,64

2

------------

1,28

(для более точного представления дробной части умножение продолжают)

По рассмотренным правилам числа переводятся и в другие системы счисления – восьмеричную (основание 8), шестнадцатеричную (основание 16), двоично-десятичную (см. табл. 2.1). Во всех случаях умножение или деление чисел производится на основание новой системы счисления.

Таблица 2.1

Для цифровых преобразователей по ГОСТ 12814-86 используются цифровые коды, которые бывают унифицированными и рефлексными (циклическими).

Унифицированный код – это единичный нормальный позиционный код, в котором каждому десятичному числу соответствует определенное количество единиц.

Пример: 5→0000 11111

В позиционном унифицированном коде десятичному числу соответствует определенное положение знака 1 (←) – отсчет ведем справа налево

    Пример: 5→0000 10000

Такие коды крайне громоздки, неудобны и в современной технике не применяются. Из них использована лишь позиционность, например в двоично-десятичном коде:

    27₍₁₀₎ →0010 0111_{(2 10)}

(2) (7)

2.3 Рефлексные (циклические) коды

Их преимуществом является более простая схемная реализация преобразователей кодов, а также уменьшение погрешности от неоднозначности считывания производимых АЦП. К числу этих кодов относится код Грея, код 2421, код 5121.

Чтобы представить число, записанное в нормальном двоичном коде в коде Грея, необходимо произвести сложение этого числа, представленного в нормальном двоичном коде с таким же числом и в том же двоичном коде, но сдвинутым на 1 разряд в сторону младшего разряда и при сложении исключать перенос единиц в старшие разряды.

Пример:

    8₍₁₀₎                           7₍₁₀₎

           _________                                                                       _________                                                                                                                     

    1000                         0111 (перенос единицы не производится)

       +                                               +

    0100                         0011      

    _________                                                                       _________

    1100 (код Грея)       0100 (Грей)

Сущность реализации кода грея представлена на рис. 2.1. Чувствительный элемент (ЧЭ) занимает половину из того пространства, в котором он находится. Нанесем следующее количество меток: на ЧЭ1 – 16, на ЧЭ2 – 8 и на ЧЭ3 – 4 .

Рис. 2.1. Схема устройства, реализующего код Грея, и его временная диаграмма

За один оборот ЧЭ1 выработает 4 прямоугольных импульса (U₁), ЧЭ2 – два импульса U₂ с удвоенной по отношению к ЧЭ1 продолжительностью и ЧЭ3 - один импульс U₃ с удвоенной по отношению к ЧЭ2 продолжительностью. В коде Грея каждый разряд представляется комбинацией сигналов (импульсов) и пауз равной угловой протяженности, причем отличие каждого старшего разряда по отношению к предыдущему младшему состоит в том, что по угловой протяженности сигналы (импульсы) и паузы старшего разряда вдвое больше импульсов и пауз младшего. Между этими кодовыми сигналами выполнен сдвиг по фазе на половину единичного интервала предыдущего разряда. Такой вариант реализации может быть выполнен, например, в виде магнито-модулированной кодовой маски. В этом варианте каждый разряд получается независимо от другого и для этого требуется применение по одному чувствительному элементу ЧЭ1, ЧЭ2, ЧЭ3 разной угловой протяженности и по одной кодовой дорожке на каждый разряд. Таким образом, в этом варианте по периметру требуется разместить 7 независимых чувствительных элементов, которые отличаются друг от друга лишь угловым расположением и протяженностью. Например, для ЧЭ1^I – ЧЭ1^IV протяженность шага между элементами будет составлять:

    = 11,12^°

Аналогично ;

Последняя рассмотренная схема с точки зрения чувствительных элементов является более громоздкой, однако она весьма эффективна в многоразрядных преобразователях, так при добавлении еще двух чувствительных элементов (до 9) схема преобразуется из 3-х разрядной в 4-х разрядную, а при 15 элементах в многоэлементном статоре будет реализовываться полный шестнадцатиразрядный код.

В коде 2421 числа от 0 до 4 записываются в нормальном двоичном коде, а числа от 5 до 9 являются зеркальным отображением чисел от 4 до 0 с заменой единиц на нули и нулей на единицы.

    0 1 2 3 4                   1=0001

    9 8 7 6 5                   8(соотв. 1) =1110

Пример: 48₍₁₀₎ →0100 1110₍₂₄₂₁₎

                  (4) (8)

    37₍₁₀₎ →0011 1101₍₂₄₂₁₎

                  (3) (7)

В коде 5121 числа от 0 до 4 записываются в нормальном двоичном коде, а числа от 5 до 9 являются перевернутым зеркальным отображением чисел от 0 до 4 и с прибавлением единицы в старший разряд.

    0 1 2 3 4                   4 = 0100

    5 6 7 8 9                   9 = 1111

Пример: 29₍₁₀₎ →0010 1111₍₅₁₂₁₎

                  (2) (9)

    37₍₁₀₎ →0011 1101₍₅₁₂₁₎

         (3) (7)