Кодирование сигналов в цифровых измерительных приборах

Цифро-аналоговое преобразование является одним из важнейших этапов в процессе измерений с помощью цифровых приборов. Кодирование сигналов происходит по определенным правилам представления чисел в альтернативных системах счисления.

Используя десятичную, двоичную и комбинированные системы счисления, а также комбинации целых чисел, измеряемую величину можно представить в виде серии импульсов, определенного значения и очередности.

Десятичная система счисления

Используя десятичную систему счисления любое целое число можно разложить по формуле:

где n – число разрядов;

ki – коэффициент принимающий одно из десяти значений от 0 до 9.

Например, число 503 можно представить в следующем виде: 5х10² + 0х10¹ + 3х10⁰. Как правило, записывают только коэффициенты ki, располагая их слева направо по убывающему порядку.

При такой записи, положение коэффициента определяет его «вес», то есть разряд. Широкого применения десятичные системы не получили, так как для образования кода требуется 10 различных по амплитуде или продолжительности импульсов. Устройства способные выдавать такие импульсы, громоздки и неудобны в применении.

Двоичная система счисления

Разложение числа в двоичной системе выполняется в виде кода из двух цифр 0 и 1. При разложении числа в двоичный вид производится его деление на два. Если деление происходит с остатком - записываем 1, если число делится ровно - записываем 0.

Деление числа на два производится до тех пор, пока не останется значение меньше 1. Полученный ряд из 0 и 1 записывают в обратном порядке. Для примера, переведем число 503 в двоичный вид:

503/2 = 251,5 1

251/2 = 125,5 1

125/2 = 62,5 1

62/2 = 31 0

31/2 = 15,5 1

15/2 = 7,5 1

7/2 = 3,5 1

3/2 = 1,5 1

1/2 = 0,5 1

так, число 503 в двоичном виде 111110111. Иначе это может быть записано в виде ряда:

0*2⁹ + 1*2⁸ + 1*2⁷ +1*2⁶ + 1*2⁵ + 1*2⁴ + 0*2³ + 1*2⁴ + 1*2¹ + 1*2⁰.

Коэффициенты k каждого слагаемого составляют двоичный код числа.

Единичная система счисления

При единичной системе счисления каждое число может быть представлено в виде суммы единичных сигналов, например: 3 – 111, 4 – 1111 и т.д. При такой системе код числа образуется последовательными импульсами и носит название число-импульсного или единичного кода.

В области больших чисел такой код имеет более громоздкую форму в сравнении с десятичной и двоичной системой. Однако преимуществом единичной системы счисления является простота суммирования импульсов с помощью простейших устройств, имеющих два устойчивых положения.

Каждая из вышеприведенных систем имеет свои достоинства и недостатки, поэтому на практике применяют комбинированные системы счисления: единично – десятичную и двоично – десятичную.

При единично – десятичном коде для передачи значения требуется десять элементов кода с «весами» от 0 до 9.

Двоичный код более компактный, чем единично – десятичный, однако не удобен для управления десятичным отсчетным устройством. Поэтому на практике применяют двоично – десятичный код. При этом каждый элемент разряда может быть представлен в виде суммы слагаемых:

S=С1*а1 + С2*а2 + С3*а3 + С4*а4

где С1 – С4 - коэффициенты принимающие значение 0 или 1;

а1 – а4 – «веса» элементов кода.

Веса элементов кода подбираются из цифр, суммируя которые можно получить любое число от 1 до 10. Такими наборами могут быть: 1, 2, 4, 5; 1, 2, 4, 8; 1, 2, 4, 4; и т.д. Такая система счисления более удобна, чем двоичная в работе с отсчетным устройством, и количество знаков ненамного превосходит двоичную систему.

Преобразование единичных кодов в двоичные и двоично-десятичные коды выполняется с помощью устройств называемых триггерами (Тр). Конструктивно Тр выполняются в виде интегральных микросхем.

Тр имеет два устойчивых состояния, условно 0 и 1. В современной технике применяют потенциальные Тр, выходные сигналы которых различаются по уровню выходного напряжения.

Итак, триггер представляет собой четырехполюсник с одним управляющим счетным входом СВ. При подаче импульса на вход Х0, Тр принимает состояние 0, при подаче импульса на вход Х1 – состояние 1.

В состоянии 0 выходной сигнал Y1 имеет высокий потенциал, выход Y0 – низкий. В состоянии 1 все с точностью наоборот. При подаче импульса на счетный вход, триггер занимает следующее положение.

Триггер со счетным входом является пересчетным устройством (ПУ) с коэффициентом пересчета равным 2, так как частота выходных импульсов ровно в два раза меньше частоты импульсов на входе.

Подключая несколько триггеров последовательно можно получить ПУ с коэффициентом пересчета 2n, где n – количество последовательно включенных триггеров.

Используя различное подключение нескольких триггеров можно собрать схему, при которой ПУ будет иметь коэффициент пересчета равный 10. В этом случае, после достижения 10 положения, ПУ переходит в исходное положение.

Если к пересчетному устройству добавить ЦОУ получится счетчик импульсов, который будет отображать текущий номер состояния схемы.