Тема Аналогоцифровые преобразователи

Работа добавлена на сайт samzan.net:

Практическая работа № 6

Тема. Аналого-цифровые преобразователи.

Цель:  ознакомиться с методами выбора аналого-цифровых преобразователей.

Краткие теоретические сведенья.

Аналого-цифровой преобразователь – это устройство, предназначенное для преобразования непрерывно-изменяющейся во времени физической величины в эквивалентные ей значения цифровых кодов.

В качестве аналоговой величины может быть напряжение, ток, угловое перемещение, давление газа и т.д.

Процесс аналого-цифрового преобразования предполагает последовательное выполнение следующих операций:

— выборку значений исходной аналоговой величины в некоторые заданные моменты времени, т.е. дискретизация сигнала во времени;

— квантование (округление преобразуемой величины до некоторых известных величин) полученной в дискретные моменты времени значения аналоговой величины по уровню;

— кодирование – замена найденных квантовых значений некоторыми числовыми кодами.

В основу классификации АЦП положен признак, указывающий на то, как во времени разворачивается процесс преобразования аналоговой величины в цифровую. В основе преобразования выборочных значений сигнала в цифровые эквиваленты лежат операции квантования и кодирования. Они могут осуществляться с помощью либо последовательной, либо параллельной, либо последовательно-параллельной процедур приближения цифрового эквивалента к преобразуемой величине.

Разрешение АЦП — минимальное изменение величины аналогового сигнала, которое может быть преобразовано данным АЦП — связано с его разрядностью. В случае единичного измерения без учёта шумов разрешение напрямую определяется разрядностью АЦП.

Разрядность АЦП характеризует количество дискретных значений, которые преобразователь может выдать на выходе. В двоичных АЦП измеряется в битах. Например, двоичный АЦП, способный выдать 256 дискретных значений (0…255), имеет разрядность 8 бит, поскольку 28 = 256.

Разрешение по напряжению равно разности напряжений, соответствующих максимальному и минимальному выходному коду, делённой на количество выходных дискретных значений. Например:

•  Диапазон входных значений = от 0 до 10 вольт
  •  Разрядность двоичного АЦП 12 бит: 212 = 4096 уровней квантования
  •  Разрешение двоичного АЦП по напряжению: (10-0)/4096 = 0,00244 вольт = 2,44 мВ

Разрешающая способность преобразователя есть наименьший уровень входного аналогового сигнала (для АЦП), для которого вырабатывается выходной цифровой код, и наименьший входной цифровой код (для ЦАП), для которого образуется уровень выходного аналогового сигнала. На практике полезная разрешающая способность преобразователя часто оказывается меньше указанной, поскольку она ограничивается из-за воздействия шума, температуры и факторов времени.

Параметры АЦП

При последовательном возрастании значений входного аналогового сигнала Uвх(t) от 0 до величины, соответствующей полной шкале АЦП Uпш выходной цифровой сигнал D(t) образует ступенчатую кусочно-постоянную линию. Такую зависимость называют обычно характеристикой преобразования АЦП. В отсутствие аппаратных погрешностей средние точки ступенек расположены на идеальной прямой 1, которой соответствует идеальная характеристика преобразования. Реальная характеристика преобразования может существенно отличаться от идеальной размерами и формой ступенек, а также расположением на плоскости координат. Для количественного описания этих различий существует целый ряд параметров.

Статические параметры

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 1/4096, или 0,0245% от полной шкалы, или -72,2 дБ.

Разрешающей способности соответствует приращение входного напряжения АЦП Uвх при изменении Dj на единицу младшего разряда (ЕМР). Это приращение является шагом квантования. Для двоичных кодов преобразования номинальное значение шага квантования h=Uпш/(2N-1), где Uпш - номинальное максимальное входное напряжение АЦП (напряжение полной шкалы), соответствующее максимальному значению выходного кода, N - разрядность АЦП. Чем больше разрядность преобразователя, тем выше его разрешающая способность.

Погрешность полной шкалы - относительная разность между реальным и идеальным значениями предела шкалы преобразования при отсутствии смещения нуля.

Эта погрешность является составляющей полной погрешности. Иногда указывается соответствующим числом ЕМР.

Погрешность смещения нуля - значение Uвх, когда входной код ЦАП равен нулю. Является составляющей полной погрешности. Обычно определяется по формуле

где Uвх.01 - значение входного напряжения, при котором происходит переход выходного кода из 0 в 1. Часто указывается в милливольтах или в процентах от полной шкалы:

Погрешности полной шкалы и смещения нуля АЦП могут быть уменьшены либо подстройкой аналоговой части схемы, либо коррекцией вычислительного алгоритма цифровой части устройства.

Нелинейность - максимальное отклонение реальной характеристики преобразования D(Uвх) от оптимальной. Оптимальная характеристика находится эмпирически так, чтобы минимизировать значение погрешности нелинейности. Нелинейность обычно определяется в относительных единицах, но в справочных данных приводится также и в ЕМР.

Дифференциальной нелинейностью АЦП в данной точке k характеристики преобразования называется разность между значением кванта преобразования hk и средним значением кванта преобразования h. В спецификациях на конкретные АЦП значения дифференциальной нелинейности выражаются в долях ЕМР или процентах от полной шкалы.

Погрешность дифференциальной линейности определяет два важных свойства АЦП: непропадание кодов и монотонность характеристики преобразования. Непропадание кодов - свойство АЦП выдавать все возможные выходные коды при изменении входного напряжения от начальной до конечной точки диапазона преобразования. При нормировании непропадания кодов указывается эквивалентная разрядность АЦП - максимальное количество разрядов АЦП, для которых не пропадают соответствующие им кодовые комбинации.

Монотонность характеристики преобразования - это неизменность знака приращения выходного кода D при монотонном изменении входного преобразуемого сигнала. Монотонность не гарантирует малых значений дифференциальной нелинейности и непропадания кодов.

Температурная нестабильность АЦ-преобразователя характеризуется температурными коэффициентами погрешности полной шкалы и погрешности смещения нуля.

Динамические параметры

Возникновение динамических погрешностей связано с дискретизацией сигналов, изменяющихся во времени. Можно выделить следующие параметры АЦП, определяющие его динамическую точность.

Максимальная частота дискретизации (преобразования) - это наибольшая частота, с которой происходит образование выборочных значений сигнала, при которой выбранный параметр АЦП не выходит за заданные пределы. Измеряется числом выборок в секунду. Выбранным параметром может быть, например, монотонность характеристики преобразования или погрешность линейности.

Время преобразования (tпр) - это время, отсчитываемое от начала импульса дискретизации или начала преобразования до появления на выходе устойчивого кода, соответствующего данной выборке. Для одних АЦП, например, последовательного счета или многотактного интегрирования, эта величина является переменной, зависящей от значения входного сигнала, для других, таких как параллельные или последовательно-параллельные АЦП, а также АЦП последовательного приближения, примерно постоянной. При работе АЦП без УВХ время преобразования является апертурным временем.

Время выборки (стробирования) - время, в течение которого происходит образование одного выборочного значения. При работе без УВХ равно времени преобразования АЦП.

Интерфейсы АЦП

Важную часть аналого-цифрового преобразователя составляет цифровой интерфейс, т.е. схемы, обеспечивающие связь АЦП с приемниками цифровых сигналов. Структура цифрового интерфейса определяет способ подключения АЦП к приемнику выходного кода, например, микропроцессору, микроконтроллеру или цифровому процессору сигналов. Свойства цифрового интерфейса непосредственно влияют на уровень верхней границы частоты преобразования АЦП.

Наиболее часто применяют способ связи АЦП с процессором, при котором АЦП является для процессора как бы одной из ячеек памяти. При этом АЦП имеет необходимое число адресных входов, дешифратор адреса и подключается непосредственно к адресной шине и шине данных процессора. Для этого он обязательно должен иметь выходные каскады с тремя состояниями.

Другое требование совместной работы АЦП с микропроцессорами, называемое программным сопряжением, является общим для любых систем, в которые входят ЭВМ и АЦП. Имеется несколько способов программного сопряжения АЦП с процессорами. Рассмотрим основные.

Проверка сигнала преобразования. Этот способ состоит в том, что команда начала преобразования "Пуск" периодически подается на АЦП от таймера. Процессор находится в цикле ожидания от АЦП сигнала окончания преобразования "Готов", после которого выходит из цикла, считывает данные с АЦП и в соответствии с ними приступает либо к следующему преобразованию, либо к выполнению основной программы, а затем вновь входит в цикл ожидания. Этот способ почти не требует дополнительной аппаратуры, но пригоден только в системах, где процессор не слишком загружен, т.е. длительность обработки данных от АЦП меньше времени преобразования АЦП. Указанный способ позволяет максимально использовать производительность АЦП.

Простое прерывание. Выдав команду "Пуск", процессор продолжает работу по основной программе. После окончания преобразования формируется сигнал прерывания, который прерывает в процессоре вычисления и включает процедуру поиска периферийного прибора, пославшего сигнал прерывания. Эта процедура состоит в переборе всех периферийных устройств до тех пор, пока не будет найден нужный. Преимущество этого способа по сравнению с предыдущим проявляется в большем числе преобразований за одно и то же время, если используемый АЦП работает медленно. Если же АЦП быстродействующий, то этот способ работы может оказаться даже медленнее предыдущего, так как на обработку прерывания требуется значительное время.

Векторное прерывание. Этот способ отличается от предыдущего тем, что вместе с сигналом прерывания посылается и адрес программы обращения к данному АЦП. Следовательно, не нужно перебирать все периферийные приборы.

Прямой доступ к памяти. Здесь также используется прерывание, но в отличие от предыдущих двух способов, управление по системе прерывания передается на специальный интерфейс, который и производит перезапись данных преобразования в память, минуя регистры процессора. Это позволяет сократить длительность прерывания до одного такта. Номера ячеек памяти хранятся адресном регистре интерфейса. Для этой цели выпускаются ИМС контроллеров прямого доступа к памяти.

Примеры интерфейсов АЦП показаны на рисунке 1.

Рис. 1. Подключение АЦП К1113ПВ1 и ADS7825 для работы в параллельном режиме.

Нормализующие буферные цепи подключения АЦП.

Нормализующие буферные схемы (нормализаторы) предназначены для приведения уровня входного сигнала к напряжению полной шкалы АЦП, согласования выходного сопротивления измерительной схемы с входным сопротивление АЦП. В качестве буферных схем обычно применяются сумматоры-вычитатели, инвертирующие или неинвертирующие повторители или инвертирующие (неинвертирующие) усилители.

Необходимость инвертирования входного сигнала обусловливается знаком входного сигнала нормализатора и знаком напряжения полной шкалы АЦП.

Основные соотношения для выбора АЦП

Исходными данными для расчета являются:

1.  Класс точности преобразования;

2. Входные напряжения для заданного диапазона температур;

Расчет начинают  с определения требуемой разрядности АЦП в соответствии с заданным классом точности, а затем рассчитываются параметры нормализатора.

1. Определяется полезная разрешающая способность АЦП  с заданной точностью;

где

– требуемое значение класса точности преобразователя.

2. Определяется разрешающая способность аналого-цифрового преобразования

где  – максимальная погрешность преобразователя (±5 дискретов).

В том случае если N не равно 2n, N принимается равным 2n.

3. Задаются напряжением полной шкалы АЦП. Можно принять одно из стандартных значений 0…10В или 0… 5В.

4. По справочным данным выбирается АЦП с разрядностью равной или большей чем полученное значение N. и напряжением полной шкалы равной выбранной.

Основные соотношения для расчета нормализатора

 

Исходными данными для расчета нормализатора являются:

1. Напряжение на входе при максимальной температуре

2. Напряжение на входе при минимальной температуре

3. Знак и напряжение полной шкалы АЦП

Рассчитывается нормализатор напряжения, схема которого может быть спроектирована таким образом, как представлена на рисунке 2 или на рисунке 3.

Рис.2. Нормализатор напряжения – неивертирующий сумматор.

Рис.3. Нормализатор напряжения –инвертирующий сумматор.

1. Определяется напряжение смещение шкалы нормализатора. Напряжение смещения выбирается таким образом, чтобы напряжение на выходе нормализатора при минимальной температуре заданного диапазона было равно 0 В.

Ucм=Utmin* Кп * Кф;

где Utmin напряжение при минимальной температуре заданного диапазона, которое определяется при расчете преобразователя температуры, Кп –коэффициент усиления преобразователя, Кф - коэффициент усиления фильтра.

2. Рассчитывается источник  Ucм, в качестве которого может быть использован параметрический стабилизатор.  Задаемся напряжением источника смещения
Uст.ном. = Ucм. Выбираем соответствующий стабилитрон с наиболее близким напряжением стабилизации.

3. Задаемся значением резистора R2, с помощью которого подстраивается напряжение источника смещения. Можно принять типовое значение равное 1 кОм.

4. Определяем ток нагрузки стабилитрона, как:

5. Определяем балластное сопротивление  R1

где Eвх -  входное напряжение источника смещения, Iст.ном – рабочий ток стабилитрона.

Для неинвертирующего нормализатора

6. Определяем сопротивление  R3, R4, R5:

Для смещения диапазона входных напряжений необходимо чтобы выполнялось условие Uвых0= - Utmin + Ucм=0, тогда для неинвертирующего сумматора можно записать:

Для обеспечения равенства должно выполняться условие R3=R4=R5. Можно принять типовое значение равное 10 кОм.

10. Определяем требуемый коэффициент усиления:

где Uпш – напряжение полной шкалы АЦП (справочные данные), Кп –коэффициент усиления преобразователя, Кф - коэффициент усиления фильтра.

11. Определяем значения резисторов R6, R7, R8. Из выражения

Определяем значением сопротивлений  R6 и R8. Примем значение  сопротивления R8 равным R5, тогда для обеспечения 50 % диапазона регулировки коэффициента усиления номинал R6 будет равен R8/2. Следовательно

R7= (R6+ R8/2)К = R8*К

Для инвертирующего нормализатора

6. Определяем сопротивление  R3, R4. Можно принять типовое значение равное 10 кОм.

7. Определяем требуемый коэффициент усиления:

где Uпш – напряжение полной шкалы АЦП (справочные данные), Кп –коэффициент усиления преобразователя, Кф - коэффициент усиления фильтра.

8. Определяем значения суммы резисторов R5, R6 обозначив ее как R. Из выражения

Определяем значением сопротивлений  R5 и R6. Примем значение  сопротивления R5 равным R/2, тогда для обеспечения 50 % диапазона регулировки коэффициента усиления номинал R6 будет равно R.

12. По справочным данным выбирается тип резисторов и их номинал в соответствии с номинальным рядом. По справочным данным выбирается операционный усилитель с минимальным напряжением смещения Uсм, малыми входными токами iвх и низкой потребляемой мощностью Рn. Коэффициент усиления должен быть по возможности высоким.

Пример выбора АЦП и расчета нормализатора

Рассчитать нормализатор и выбрать АЦП по следующим исходным данным:

1. Напряжение при минимальной температуре     Utmin, мВ   12;

2. Напряжение при максимальной температуре    Utmax , В   0.25 В;

3. Кф           2;

4. Кп            5;

5. Напряжение полной шкалы АЦП, В     10;

6. Класс точности преобразования      0,5

1. Определяем полезную разрешающую способность АЦП

дискретов.

2. Определяем разрешающую способность АЦП, приняв δп = 5 дискретов.

дискретов.

Ближайшим значением к N является двоичное число 1024 (210).

Таким образом разрядность АЦП должна быть не меньше 10.

3. В соответствии с напряжением полной шкалы и разрядностью выбираем 10-ти разрядное АЦП К1113ПВ1.

В соответствии с типовой схемой включения АЦП разработаем схему электрическую принципиальная, которая представлена на рисунке 1.

Рис.1. Нормализатор напряжения с АЦП

В соответствии с рекомендуемой схемой включения номиналы резисторов R9, R10, R11, R12 соответственно равны:

R9 = 10 кОм, R10 = 1,7 кОм, R11=4,7 кОм, R12=7,5 кОм.

Рассчитываем неивертирующий нормализатор входного напряжения.

4. Определяем напряжение смещение шкалы нормализатора.

Ucм= Utmin* Кп * Кф= 0,012В*5*2=0,12В.

5.  Рассчитываем источник  Ucм. Выбираем стабилитрон К133А с напряжением стабилизации равным 3,3 В и диапазоном рабочих токов Imax = 81 мА и Imin = 3 мА.

6. Выбираем номинал резистора R2, приняв его равным 500 Ом.

7.  Определяем ток нагрузки стабилитрона

8. Определяем балластное сопротивление  R1, выбрав в качестве входного напряжения Евх напряжение питания ОУ -15В

9. Выбираем номинал сопротивления  R3, R4, R5 равным 10 кОм.

10. Определяем требуемый коэффициент усиления:

11. Определяем значения резисторов R6, R7, R8. Примем значение  сопротивления R8 равным R5 и равным 10 кОм, тогда для обеспечения 50 % диапазона регулировки коэффициента усиления :

R6 =R8/2=5 кОм;

R7= (R6+ R8/2)К = R8*К=10 * 1,4 = 14 кОм.

12. Выбираем резисторы общего назначения типа МЛТ ІІ-го класса точности, тогда номиналы резистор составят:

R1= 680 Ом; R2= 470 Ом; R3=R4=R5=10 кОм; R6 = 4,7 кОм; R7 = 15 кОм; R8 = 10 кОм; R9 = 10 кОм, R10 = 1,8 кОм, R11=4,7 кОм, R12=7,5 кОм.

По справочным данным выбираем тип операционного усилителя. Для решения данной задачи можно выбрать прецизионный ОУ общего применения с внутренней частотной коррекцией 140УД6. 

 Индивидуальные задания

Варіант №	Напруга Utmin	Напруга Utmax	Кф	Кп	Напруга повної шкали	Клас точності  перетворення
	0,03	0,36	1	10	5	0,5
	0,006	0,5	3	5	10	0,2
	0,032	0,12	2	20	10	1
	0,009	0,32	2	5	5	0,05
	0,01	0,18	3	7	5	0,1
	0,0083	0,34	2	12	10	1
	0,04	0,28	1	21	10	0,2
	0,027	0,72	1	3	5	1
	0,012	0,24	3	10	10	0,05
	0,087	0,30	2	15	10	1
	0,007	0,17	5	5	5	0,1
	0,03	0,14	2	11	10	0,5
	0,001	0,08	5	9	10	1
	0,04	0,11	3	10	5	0,05
	0,008	0,12	1	12	5	0,2
	0,001	0,09	3	9	10	0,1
	0,01	0,11	2	20	10	0,05
	0,006	0,012	7	5	5	1
	0,008	0,14	2	10	10	0,2
	0,005	0,010	4	17	5	0,5
	0,009	0,013	3	13	10	0,05
	0,05	0,21	2	6	10	1
	0,006	0,01	2	10	5	0,1
	0,04	0,14	1	9	5	0,5
	0,007	0,04	4	9	10	0,05

1. Геологическая история Земли в кайнозойскую эру
2. Пути охраны флоры. Красные книги
3. методы сбора информации- а наблюдение; б эксперимент; в корреляционное исследовани
4. Ділове спілкування
5. Корзины перемещается Выберите один ответ
6. Анестезия при амбулаторных вмешательствах
7. Возникновение христианства и первые христианские общины
8. Функциональные асимметрии
9. 17 Жанры- Слэш яой Даркфик Ужасы U Предупреждения- Смерть персонажа OOC Насилие Изнасилование Размер-
10. Страхование
11. Что такое коэффициент компактности структуры Перечислите плотнейшие упаковки частиц в структурах
12. Органы занятости их права и обязанности
13.  noso logi наука о болезнях 2
14. 3М (стратегический бомбардировщик)
15. Повышение эффективности использования оборотных средств ДЭУ 66 РУП Минскавтодор-Центр
16. Династия Антигонидов
17.  Аналитический обзор литературы 1
18. ВВЕДЕНИЕ Механизм в общем случае может быть плоским или пространственным иметь одну или несколько степене
19. Как работать над ошибками Адресована учащимся 57 классов общеобразоват
20. Издержки производства

Материалы собраны группой SamZan и находятся в свободном доступе