Описание исследуемых схем ЦАП и АЦП

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

АНАЛОГО – ЦИФРОВЫЕ И ЦИФРО - АНАЛОГОВЫЕ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

 

Цель работы

Анализ и моделирование основных схем цифро-аналоговых преобразователей.

Моделирование и исследование типовых структур аналого-цифровых преобразователей

 

Основные положения

Аналого - цифровой преобразователь (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. К первой группе относятся АЦП, выполненные в виде микросхем (полупроводниковых, гибридных) и не являющиеся средствами измерений. АЦП второй группы являются средствами измерений.

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.

АЦП выполняет операции квантования по уровню и по времени аналоговой величины, сравнения ее с мерой и кодирование результатов. При этом на выходе вырабатывается дискретный сигнал, который преобразуется в цифровой отсчет или в виде кода вводится в управляющее устройство.

В АЦП используют обычно те же коды, что и в компьютерной технике, поскольку они совместно работают в различных системах сбора и обработки данных. В основном это разновидности двоичного кода.

Основными параметрами АЦП первой группы являются:

Характеристика преобразования АЦП- это зависимость между напряжением на его аналоговом входе и множествомвозможных значений выходного кода, заданная в виде таблицы, графика или формулы. Различают номинальную характеристику преобразования, установленную в технических условиях на АЦП конкретного типа, и действительную характеристику преобразования, найденную экспериментальным путем.

Количество разрядов.Для наиболее распространенных двоичных АЦП число разрядов равно двоичному логарифму максимального числа возможных кодовых комбинаций на выходе АЦП.

Разрешающая способность- величина, обратная максимальному числу кодовых комбинаций на выходе АЦП. Разрешающая способность выражается в процентах, разрядах или децибелах и характеризует потенциальные возможности АЦП с точки зрения достижимой точности.

Например, 12-разрядный АЦП имеет разрешающую способность 1/212 = 1/4096, или 0.0245% от полной шкалы, или -72.2 дБ.

Напряжение межкодового перехода- определенное по характеристике преобразования значение напряжения на аналоговом входе, соответствующее переходу от предыдущего к заданному значению выходного кода.

При наличии шума значением напряжения межкодового перехода называют значение напряжения на аналоговом входе АЦП, при котором вероятности появления на выходе АЦП предыдущего и заданного значения выходного кода равны между собой.

К основным характеристикам АЦП второй группы можно отнести точность преобразования, время преобразования (быстродействие), пределы изменения входной величины, чувствительность (разрешающая способность), помехоустойчивость.

Точность. Под точностью в общем случае понимают тот диапазон, в пределах которого находится погрешность измерения при определенных условиях его применения. По природе возникновения погрешность можно разделить на методическую и инструментальную. В АЦП методическая погрешность является следствием квантования непрерывной величины по уровню и дискретизации во времени. Инструментальная погрешность определяется суммарным влиянием погрешностей и нестабильностью параметров отдельных узлов и элементов АЦП.

Время преобразования – это время, затрачиваемое на выполнение одного преобразования аналоговой величины в цифровой код.

Порог чувствительности (разрешающая способность) – наименьшее различимое преобразователем изменение входной величины. Для цифровых измерительных преобразователей это обычно изменение цифрового отсчета на единицу младшего разряда.

В основу классификации АЦП может быть положен признак, указывающий на то, как во времени разворачивается процесс преобразования аналоговой величины в цифровую. Последний может осуществляться с помощью параллельной, последовательной, либо последовательно-параллельной процедуры приближения цифрового эквивалента к преобразуемой аналоговой величине.

Параллельные АЦП осуществляют квантование сигнала единовременно с помощью набора компараторов, включенных параллельно источнику входного сигнала [2]. Соответствующие опорные напряжения образуются с помощью резистивного делителя. При определенном входном напряжении часть компараторов устанавливается в состояние 1, а другая часть – в состояние 0. Приоритетный шифратор преобразует эту группу кодов в двоичное число. Параллельные АЦП отличает высокое быстродействие. Недостатком является сложность и значительная потребляемая мощность.

К последовательным АЦП относятся АЦП последовательного счета, последовательного приближения, интегрирующие, сигма-дельта и преобразователи напряжение-частота.

АЦП последовательного счета (единичного приближения) состоит из компаратора, счетчика и цифроаналогового преобразователя (рисунок 2.1).

На один вход компаратора поступает входной сигнал, на другой - сигнал обратной связи с цифро – аналогового преобразователя (ЦАП). Работа АЦП начинается с прихода импульса запуска, который через схему управления (СУ) включает счетчик, суммирующий число импульсов, поступающих от генератора тактовых импульсов ГТИ. Выходной код счетчика подается на ЦАП, преобразующий его в напряжение обратной связи . Процесс продолжается до момента времени , когда напряжение обратной связи сравняется с входным напряжением и компаратор переключится в состояние 0, запретив поступление тактовых импульсов на счетчик. Особенностью таких АЦП является небольшая частота дискретизации, сравнительная простота построения.

В основе работы АЦП последовательного приближения (поразрядного уравновешивания) лежит принцип последовательного сравнения измеряемой величины с 1/2, 1/4, 1/8 и т.д. от ее полной шкалы. АЦП состоит из трех основных узлов: компаратора, регистра последовательного приближения (РПП) и ЦАП (рисунок 2.2). После команды «Пуск» РПП принудительно задает на вход ЦАП код, равный половине его шкалы. В результате напряжение на выходе ЦАП составляет половину возможного диапазона преобразуемых сигналов. Если входное напряжение больше, чем эта величина, то на выходе компаратора устанавливается 1, если меньше, то 0. В последнем случае схема управления должна переключить старший разряд обратно в состояние нуля. Вслед за этим остаток таким же образом сравнивается с ближайшим младшим разрядом и т. д. После ряда подобных выравнивающих шагов в регистре последовательного приближения оказывается двоичное число, из которого после цифроаналогового преобразования получается напряжение, соответствующее входному, с точностью до единицы младшего разряда. Выходное число может быть считано с РПП в виде параллельного двоичного кода.

В основе работы АЦП с время - импульсным преобразованием лежит принцип преобразования измеряемой величины входного напряжения во временной интервал, который заполняется импульсами фиксированной частоты. Количество импульсов, подсчитанное счетчиком, служит цифровым эквивалентом величины преобразуемого аналогового сигнала.

Структурная схема АЦП приведена на рисунке 2.3 а, временная диаграмма на рисунке 2.3 б. Импульсы запуска , вырабатываемые генератором импульсов ГИ и делителем частоты ДЧ, устанавливают триггер Тг в единичное состояние и одновременно запускают генератор пилообразного напряжения ГПН, который формирует напряжение развертки ,  где  - скорость изменения пилообразного напряжения;  - максимальное значение напряжения развертки;  - время развертки.

В момент равенства измеряемого напряжения  и напряжения развертки  устройство сравнения УС вырабатывает импульс, возвращающий триггер Тг в нулевое состояние. На выходе триггера формируется импульс  длительностью , в течение которого открыт ключ К и импульсы  образцовой частоты поступают в счетчик Сч. Количество этих импульсов  пропорционально измеряемому напряжению. АЦП обеспечивает относительно высокое быстродействие и прост в реализации.

В измерительной технике наибольшее распространение получили АЦП двухтактного интегрирования, структурная схема и временная диаграмма работы которых представлены на рисунке 2.4 а, б.

При поступлении импульса запуска  триггер Тг1 устанавливается в единичное состояние. Сигнал  с его выхода открывает ключ К2 и на вход интегратора И поступает измеряемое напряжение . Одновременно сигнал  открывает ключ К3 и импульсы генератора импульсов ГИ с частотой  поступают на вход делителя частоты ДЧ. При коэффициенте деления делителя частоты  через время  на выходе ДЧ появляется импульс, устанавливающий триггер Тг1 в нулевое состояние, а триггер Тг2 - в единичное. При этом закрывается ключ К2 и прекращается интегрирование измеряемого напряжения, а открывается ключ К1, и на вход интегратора подается опорное напряжение , полярность которого противоположна полярности .

В момент времени  напряжение на выходе И ,

где  - постоянная времени интегратора.

При  на выходе И формируется напряжение .

В момент , когда напряжение достигает нулевого значения, устройство сравнения сбрасывает триггер Тг2, в результате чего закрывается ключ К1 и прекращается интегрирование. При этом напряжение , откуда  и

Импульс  на время  открывает ключ К4  и импульсы с частотой  поступают на вход счетчика Сч. Количество импульсов, подсчитанных Сч пропорционально среднему значению измеряемого напряжения. .

Результат измерения не зависит от значения постоянной времени интегратора и тактовой частоты и такие АЦП отличаются высокой помехоустойчивостью и малой погрешностью измерения.

Цифро-аналоговые преобразователи используются для преобразования цифрового кода в аналоговый сигнал, что необходимо как для построения многих схем АЦП, так и для формирования аналоговых сигналов произвольной формы по кодовым входным сигналам (например, при создании перестраиваемых генераторов синусоидального напряжения, а также управляющих систем на основе микропроцессорной техники).

По принципу действия различают ЦАП с суммированием напряжений, с делением напряжения и с суммированием токов. По виду выходного сигнала ЦАП делят на две группы: с токовым выходом и с выходом по напряжению. Схемы, используемые в ЦАП для суммирования и деления, могут быть резистивными, емкостными и индуктивными.

Большинство схем параллельных ЦАП основано на суммировании токов, сила каждого из которых пропорциональна весу цифрового двоичного разряда, причем должны суммироваться только токи тех разрядов, значения которых равны 1. Чаще всего весовые токи формируются с помощью резисторов, сопротивления которых выбирают так, чтобы при замкнутых ключах через них протекал ток, соответствующий весу разряда.

ЦАП можно рассматривать как потенциометр с цифровым управлением, задающий аналоговые ток или напряжение, являющиеся частью полной шкалы.

 

Описание исследуемых схем ЦАП и АЦП

ЦАП с весовыми резисторами (рисунок 3.1) состоит из матрицы, выполненной на резисторах , и суммирующего усилителя, включающего в себя операционный усилитель ОУ и резистор обратной связи . Опорное напряжение  подключается к резисторам матрицы переключателями A, B, C, D. В случае, когда все переключатели замкнуты на «землю», напряжение на входе и выходе ОУ равно 0 В. Если переключатель А установлен в положение, соответствующее логической 1, то на вход ОУ через резистор  подается напряжение . Коэффициент усиления операционного усилителя будет равен . Выходное напряжение  соответствует двоичной комбинации 0001 на входе ЦАП. При переходе к очередному двоичному числу, имитируемому ключами, выходное напряжение ЦАП увеличивается на значение шага преобразования, что достигается за счет изменения коэффициента усиления напряжения ОУ при подключении различных по сопротивлению резисторов.

Схема ЦАП имеет следующие недостатки: во-первых, в ней сопротивления резисторов изменяются в широких пределах, во-вторых, точность преобразования невысока из-за влияния конечного сопротивления транзисторных ключей в открытом и закрытом состоянии.

ЦАП лестничного типа (рисунок 3.2) состоит из резистивной матрицы  и суммирующего усилителя. Преимущество использования матрицы состоит в том, что в ней используются резисторы только двух номиналов. Сопротивление каждого из резисторов  равно 20 кОм, а резисторов  - 10 кОм. Выходное напряжение ЦАП определяется формулой

,                           (3.1)

где S значение цифрового сигнала (0 или 1) на i-ом входе, n - число разрядов преобразования,  – сопротивление резистора матрицы.

Вариант ЦАП с использованием в качестве коммутирующего устройства двоично-десятичного счетчика К155ИЕ9 представлен на рисунке 3.3. В схеме роль источника опорного напряжения выполняет сам счетчик - коммутатор. Результаты осциллографических измерений позволяют получить значения максимального и минимального напряжений и определить эквивалентное значение .

АЦП на основе преобразователей напряжения в частоту являются наиболее простыми и часто встраиваются непосредственно в датчики. На рисунке 3.4 приведена схема преобразователя постоянного напряжения в частоту, выполненная на двух операционных усилителях: усилитель ОУ1 включен в режиме интегратора, а усилитель ОУ2 - в режиме регенеративного компаратора с гистерезисом. Когда выходное напряжение компаратора  имеет максимальное положительное значение , диод VD смещен в обратном направлении и напряжение  на выходе ОУ1 уменьшается по линейному закону со скоростью, определяемой значением входного положительного сигнала , до тех пор, пока не достигнет значения . В этот момент компаратор переключается в другое состояние, при котором напряжение на его выходе равно максимальному отрицательному значению , при этом диод VD открывается и выходное напряжение интегратора быстро нарастает до значения . При этом компаратор возвращается в первоначальное состояние и цикл повторяется. Так как время нарастания выходного напряжения интегратора значительно меньше времени спада, которое обратно пропорционально амплитуде выходного сигнала, частота повторения циклов  будет прямо пропорциональна входному напряжению. Пренебрегая собственным временем переключения компаратора, можно записать следующее выражение для частоты выходных импульсов:

                                                      (3.2)

С приведенными на рисунке номиналами элементов схема обеспечивает линейность преобразования не хуже  в диапазоне изменения входных напряжений 20 мВ … 10 В, при этом частота импульсов должна изменяться от 20 Гц до 10 кГц.

АЦП развертывающего типа может быть реализован с использованием в качестве источника компенсирующего напряжения прецизионного генератора пилообразного напряжения (ГПН). Схема шестиразрядного АЦП (рисунок 3.5) содержит шестиразрядный счетчик на триггерах , двухвходовой элемент И, генератор опорной частоты , компаратор на ОУ1 и ГПН на ОУ2 с элементами . Для согласования выходного сигнала компаратора с логическим элементом И положительное напряжение насыщения ОУ1 выбрано равным + 5 В, отрицательное – 0 В. Переключатель Х используется для оперативного контроля сигнала на выходе компаратора и элемента И. Скорость изменения выходного напряжения ГПН равна = 1В/с. В момент пуска АЦП под действием преобразуемого напряжения  на выходе компаратора формируется сигнал логической единицы, в результате чего на вход счетчика через схему И начинают поступать импульсы с источника однополярных импульсов . Одновременно запускается и ГПН, выходное напряжение которого , начиная с момента  = 0, непрерывно сравнивается с . Когда в момент времени  напряжение  достигает значения , срабатывает компаратор, в результате чего на его выходе формируется сигнал логического нуля, схема И блокируется и поступление импульсов на счетчик прекращается. Промежуток времени, в течение которого импульсы от источника поступали на вход счетчика с частотой следования  = 10 Гц, равен . Зарегистрированное счетчиком число импульсов совпадает с показаниями индикаторов.

 

Порядок выполнения работы

 

4.1 Ознакомиться с работой и порядком моделирования схем в программе EWB.

4.2 Реализовать схему ЦАП с весовыми резисторами (рисунок 3.1). Установить переключатели в положение 0 (замкнуть на землю), определить выходное напряжение. Последовательно задавать на входе ЦАП двоичные комбинации 0001, 0010, … 1110, 1111, фиксировать выходные напряжения (переключатель А – младший разряд). Построить характеристику преобразования.

4.3 Составить схему ЦАП лестничного типа (рисунок 3.2). Установить переключатели в положение 0 (замкнуть на землю), определить выходное напряжение. Последовательно задавать на входе ЦАП двоичные комбинации 0001, 0010, … 1110, 1111, фиксировать выходные напряжения (переключатель А – младший разряд). Построить характеристику преобразования.

4.4 Составить схему ЦАП с использованием в качестве коммутирующего устройства двоично-десятичного счетчика К155ИЕ9 (рисунок 3.3.). Снять осциллограммы сигналов на счетном входе счетчика и на выходе ЦАП.

4.5 Реализовать схему АЦП на основе преобразователя напряжение-частота (рисунок 3.4). Снять осциллограммы сигналов на выходе интегратора и компаратора. Последовательно изменяя напряжение на входе, фиксировать значения выходного сигнала. Построить характеристику .

4.6 Реализовать схему АЦП уравновешивающего типа (рисунок 3.5). Снять осциллограммы сигналов на выходе ГПН, на выходе компаратора.

 

Содержание отчета

 

1 Схема ЦАП с весовыми резисторами. Таблица состояний. Характеристика преобразования.

2 Схема ЦАП лестничного типа. Таблица состояний. Характеристика преобразования.

3 Схема ЦАП с двоично - десятичным счетчиком. Осциллограммы сигналов.

4 Схема АЦП с преобразователем напряжение- частота. Осциллограммы сигналов. Характеристики преобразования.

5 Схема АЦП уравновешивающего типа.

 

Контрольные вопросы

 

1 Основные схемы построения ЦАП.

2 По какому закону выбираются сопротивления в ЦАП с весовыми резисторами?

3 Привести выражение для расчета выходного напряжения ЦАП в общем виде.

4 В чем отличие ЦАП лестничного типа от ЦАП с весовыми резисторами?

5 Параллельные АЦП.

6 Примеры последовательно - параллельных АЦП.

7 АЦП последовательного счета.

8 АЦП последовательного приближения.

9 Интегрирующие АЦП с время - импульсным преобразованием.

10 АЦП двухтактного интегрирования.

11 Преобразователи напряжение – частота.

 


Дата добавления: 2018-02-15; просмотров: 225; ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ