Лабораторная работа 2 Изучение аналогоцифровых преобразователей по курсу- Программирование систем реа
Работа добавлена на сайт samzan.net:
PAGE \* MERGEFORMAT3
Министерство образования и науки, молодежи и спорта Украины
Донбасский Государственный Технический Университет
Кафедра АУТП
Лабораторная работа 2
Изучение аналого-цифровых преобразователей
по курсу: «Программирование систем реального времени»
Выполнил: ст. гр. АКТ-09-2
Рева В.А.
Принял: доц.каф.
Денищик С.С.
Алчевск, 2012
ВВЕДЕНИЕ
Целью данной лабораторной работы является изучение принципов построения аналого-цифровых преобразователей (АЦП), схемотехнических решений и методов расчета.
1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Преобразование аналоговой величины в цифровой код осуществляется путем выполнения сравнения измеряемой величины с набором дискретных эталонных величин. При этом происходит замена непрерывной величины на фиксированную образованную по определенному алгоритму.
Методы аналого-цифрового преобразования классифицируется по характеру такого преобразования во времени:
- метод последовательного счета (последовательные АЦП);
- метод поразрядного уравновешивания (АЦП поразрядного уравновешивания);
- метод одновременного считывания (параллельные АЦП, двухтактные АЦП);
- метод, основанный на стохастических алгоритмах (стохастические АЦП
- метод, основанный на интегрировании входного сигнала (интегрирующие АЦП).
1.1 АЦП, построенные на основании метода последовательного счета
Сущность метода последовательного счета заключается в последовательном во времени сравнении измеряемой величины ui с известной однородной мерой u0 (рисунок 1.1). Эту меру называют квантом. Для АЦП последовательного счета:
ui=m · u0,
где m-количество тактов в процессе сравнения
Рисунок 1.1 – Временная зависимость процесса сравнения АЦП последовательного счета
Для формирования ui, отличного от u0 необходимо несколько тактов. Как видно из рисунка 1.1 Точного совпадения ui=m · u0, не происходит, так как u0 имеет конечное значение. Разность между ui и mu0 обозначается ζ и называется погрешностью квантования.
Погрешность квантования представляет собой разность между ближайшей большей фиксированной величиной на которую происходит замена непрерывной измеряемой величины ui и этой измеряемой величиной. Погрешность квантования определяется соотношением:
0 ≤ ζ< u0.
Тогда
ui=m * u0 +ζ .
Таким образом, максимальная погрешность квантования:
Ζ ≤ U0
Время преобразования АЦП последовательного счета зависит от количества тактов и определяется выражением:
tпр = tт· m
где tт – длительность такта преобразования.
Длительность такта преобразования зависит, в свою очередь, от периода генератора, тактовых импульсов (ГТИ). Если суммарное время срабатывания элементов АЦП намного меньше периода ГТИ – к чему и стремятся при разработке преобразователей, то время преобразования определяется соотношением:
tпр =ТГТИ*m,
где ТГТИ - период генератора тактовых импульсов.
Максимальное время преобразования, которым и характеризуют АЦП и которое является одним из основных его параметров, зависит от количества разрядов преобразования. Максимальное количество тактов:
mмах= 2n,
где n – количество разрядов АЦП.
Максимальное время преобразования:
tпр мах = ТГТИ·2n,
Функциональная схема АЦП последовательного счета приведена на рисунке 1.2.
1-компаратор; 2-схема совпадения; 3-ГТИ; 4-двоичный счетчик; 5-ЦАП.
Рисунок 1.2 – Функциональная схема АЦП последовательного счета
Измеряемое напряжение ui подается на один из входов компаратора. На другой вход подается напряжение, формируемое ЦАП, которое с каждым тактом ГТИ увеличивается на u0 Пока m u0 не превышает Uвх сигнал на выходе компаратора равен логической 1 и импульсы ГТИ проходят через схему совпадения и поступают на счетчик. Счетчик эти импульсы считает и формирует на своем выходе двоичный код, величина которого с каждым тактом возрастает. Этот двоичный код подается на вход ЦАП, который, в свою очередь, формирует соответствующие ему, увеличивающееся напряжение, подаваемое на второй вход компаратора. Так происходит, пока это напряжение не превысит Uвх. В этом случае на выходе компаратора формируется логический 0, схема совпадения блокируется и импульсы на вход счетчика не поступают. Код, установившийся на выходе счетчика будет соответствовать измеряемому входному напряжению. Стробирующий импульс предназначен для запуска АЦП и разрешения его работы.
Достоинством АЦП последовательного счета является простота схемной реализации и малая статическая погрешность. Недостаток таких АЦП – низкое быстродействие.
Аналого-цифровые преобразователи последовательного счета находят применение в основном в цифровых вольтметрах постоянного тока и цифровых измерительных системах, предназначенных для работы с постоянным и медленно меняющимся напряжением.
1.2 АЦП, построенные на основании метода поразрядного уравновешивания
Недостаток АЦП последовательного счета – низкое быстродействие можно устранить, если оперировать не с однородной величиной (мерой u0), а с разновеликими мерами u01,u02…uok. в этом случае временная зависимость процесса сравнения будет такой, как показано на рисунке 1.3.
Рисунок 1.3 – Временная зависимость процесса сравнения АЦП поразрядного уравновешивания
Максимальное количество тактов в такой схеме всего в два раза больше, чем количество разрядов:
Mмах=2n,
Такие АЦП обеспечивают до 105…106 преобразований в секунду. В то же время, статическая погрешность мала, что позволяет реализовать разрешающую способность до 16 двоичных разрядов. Время преобразования в таких схемах зависит от формы и временных параметров входного сигнала, то есть время преобразования у них переменное.
АЦП, использующие метод поразрядного уравновешивания широко применяются при создании различных цифровых измерительных приборов, а также при цифровой обработке быстроизменяющихся сигналов.
Функциональная схема АЦП, реализующая этот метод, приведена на рисунке 1.4. Измеряемое напряжение подается на один из входов компаратора. ГТИ здесь формирует импульсы разрешения записи в регистр. При подаче сигнала «Пуск» на вход предустановки регистра S, в старший разряд записывается логическая 1. На выходе регистра формируется соответствующий код, который подается на ЦАП.
1-компаратор; 2-ГТИ; 3-регистр; 4-ЦАП.
Рисунок 2.4 – Функциональная схема АЦП поразрядного уравновешивания.
ЦАП формирует соответствующее этому коду напряжение, которое подается на второй вход компаратора и используется в качестве напряжения Uоп. Если Uвх оказывается больше Uоп то в следующий разряд регистра записывается «1», если меньше, то в старший разряд записывается «0». Этот процесс происходит, разность между измеряемой величиной Uвх (u) и Uоп не станет меньше кванта u0, в этом случае процесс сравнения прерывается и соответствующий измеряемому напряжению код снимается с выходов регистра.
1.3 АЦП, построенные на основании метода одновременного считывания
В этом методе реализуется однозначное соответствие между множеством квантов сравнения u01,u02…uok и множеством дискретных значений входной непрерывной величины ui. То есть происходит одновременное, или параллельное сравнение измеряемой величины с набором мер, значения которых подобраны по определенному закону. Именно поэтому такие АЦП еще называются параллельными. Временная зависимость процесса сравнения для данного метода представлена на рисунке 1.5.
Рисунок 1.5 – Временная зависимость процесса сравнения АЦП одновременного считывания
Функциональная схема параллельного АЦП приведена на рисунке 1.6.
1-делитель напряжения; 2-компараторы; 3-кодирующий преобразователь.
Рисунок 1.6 – Функциональная схема параллельного АЦП.
Делитель напряжения формирует напряжения, называемые квантами сравнения u01,u02…uok . Они подаются на входы соответствующих компараторов На вторые входы компараторов подается измеряемое напряжение Uвх. На тех компараторах, где входное напряжение больше кванта сравнения на выходе устанавливается логический 0, где меньше – логическая 1. Процесс сравнения происходит на всех компараторах одновременно. Поэтому, код, соответствующий измеряемой величине ui формируется сразу, а не постепенно. Затем этот код преобразуется кодирующим преобразователем в код двоичный.
АЦП, построенные по таким схемам, являются самыми быстродействующими Они позволяют достичь частот преобразования 100...200 МГц. Время преобразования параллельных АЦП – от нескольких сотен, до нескольких десятков наносекунд.
Максимальное время преобразования:
tпр мах =tзск· tзсп,
где tзск– время задержки срабатывания компараторов схемы (так как процесс сравнения происходит одновременно на всех компараторах схемы, то это время равно времени задержки срабатывания одного компаратора);
tзсп – время задержки срабатывания кодирующего преобразователя.
Недостатком схем одновременного считывания является аппаратная сложность, определяемая числом компараторов N:
N=2n,
где n- число разрядов двоичного кода
Если делитель, формирующий кванты сравнения равномерный, то:
U01=Uион/N+1,
Максимальная погрешность квантования
Ζ ≤ U01,
1.4 Двухтактные параллельные АЦП
Недостаток параллельных АЦП – аппаратная сложность и большое количество компонентов частично устраняется в двухтактных параллельных АЦП. Схема такого АЦП приведена на рисунке 1.7.
АЦП1 преобразует в цифровой код n-к старших разрядов. Этот цифровой код подается на ЦАП и преобразуется в напряжение, которое вычитается в сумматоре из входного Uвх. Разность напряжений преобразуется АЦП2 в код младших разрядов.
1-АЦП старших разрядов; 2 – ЦАП; 3 – сумматор;4- АЦП младших разрядов.
Рисунок 1.7 – Структурная схема двухтактного параллельного АЦП.
Достоинством двухтактных параллельных схем является меньшее количество компонентов компараторов, по сравнению с параллельными, более простая схемная реализация и, как следствие, меньшая стоимость. Быстродействие АЦП построенных по двухтактной схеме примерно в два раза ниже, чем параллельных АЦП.
Максимальное время преобразования:
tпр мах =tАЦП1 + tЦАП + tСУМ + tАЦП2,
где tАЦП1 – время преобразования для параллельного АЦП старших разрядов;
tЦАП – время установления для цифроаналогового преобразователя;
tСУМ – время задержки срабатывания сумматора;
tАЦП2 – время преобразования для параллельного АЦП младших разрядов.
Временная зависимость процесса сравнения двухтактных схем такая же как и у параллельных АЦП.
U01 и ζмах определяется теми же соотношениями, что и для параллельных АЦП. Необходимо заметить, что эти параметры следует вычислять в двухтактной схеме для АЦП младших разрядов.
Количество компараторов в двухтактных параллельных АЦП:
N=N1+N2,
где N1+N2 - количество компараторов в АЦП 1 – старших разрядов и АЦП 2 – младших разрядов соответственно.
N1=2n1,
где n1 – количество старших разрядов.
N2=2n2,
где n2 – количество старших разрядов.
Общее количество разрядов:
n=n1+n2 ,
Обычно количество старших разрядов в параллельных двухтактных АЦП равно количеству младших, то есть:
n1=n2 =n/2.
1.5 АЦП, построенные с использованием стохастических алгоритмов
Рассматривавшиеся до сих пор алгоритмы преобразования аналоговых величин в дискретные являются детерминированными. При переходе от n-го к (n+1)-му приближению делается шаг определенной длины, сформированный по какому-либо закону (алгоритму).
Принципиально другой класс алгоритмов составляют стохастические алгоритмы аналого-цифрового преобразования. В них длина шага является случайной. Стохастические методы аналого-цифрового преобразования являются сравнительно новой областью теории цифровых измерений.
Для определенного круга задач стохастические АЦП являются более приемлемые. Например при измерении параметров случайных процессов, а также в задачах адаптации АЦП по входному сигналу и некоторых других.
Применение стохастических алгоритмов позволяет повысить быстродействие АЦП и улучшает ряд других показателей, характеризующих их эффективность.
Аналого-цифровые преобразователи выпускаются промышленностью в виде функционально законченных узлов или интегральных микросхем (ИМС). Отдельные параметры некоторых из них приведены в таблице 2.1.
Таблица 2.1 – Типовые параметры промышленных АЦП
|
Тип |
Количество разрядов N |
Метод преобразования |
Время преобразования, tпр |
Примечание |
|
К572ПВ1 |
12 |
Последовательное приближенное |
170 мкс |
|
|
К1108ПВ1 |
10 |
Последовательное приближенное |
0,9 мкс |
|
|
К1113ПВ1 |
- |
Последовательное приближенное |
- |
Предназначены для работы с МП- системами |
|
К1107ПВ1 |
6 |
Одновременное считывание |
100 нс |
|
|
К1107ПВ2 |
8 |
Одновременное считывание |
200 нс |
|
|
К1107ПВ3 |
6 |
Одновременное считывание |
20 нс |
Сверхбыстродействующий. Выходные сигналы имеют ЭСЛ- уровни. |
1.6 Порядок выполнения работы
Изобразить структурную схему n-разрядного АЦП последовательного счета. Количество разрядов n = 16, напряжение кванта сравнения, U0 = 1,2 В, период ГТ ТГТИ = 21 нс. Привести формулы для расчета основных параметров данного преобразователя. Изобразить временную зависимость процесса сравнения АЦП последовательного счета.
Изобразить структурную схему n-разрядного АЦП одновременного считывания. Количество разрядов n = 12, tЗСК = 21 нс, tЗСП = 32 нс, UИОН = 31 В. Привести формулы для расчета основных параметров данного преобразователя. Изобразить временную зависимость процесса сравнения АЦП одновременного считывания.
Изобразить структурную схему n-разрядного двухтактного АЦП. Количество разрядов n = 12 tАЦП1 = 61 нс, tАЦП2 = 61 нс, tЦАП = 15,5 нс tСУМ = 16 нс UИОН = 31 В. Привести формулы для расчета основных параметров данного преобразователя. Изобразить временную зависимость процесса сравнения двухтактного АЦП.
Рассчитать максимальную погрешность квантования и максимальное время преобразования АЦП последовательного счета.
Рассчитать максимальное время преобразования, количество компараторов и максимальную погрешность квантования для АЦП одновременного считывания.
Рассчитать максимальное время преобразования, количество компараторов младших и старших разрядов, общее количество компараторов и максимальную погрешность квантования двухтактного АЦП.
.
2. Формування позитивної мотивації студентів засобами активних методів навчання
3. Спасибо Вам за тот мир в котором мы живём задачи проекта- развить интерес студенческой молодёжи к ист
4. Реферат- Кредитно-денежная политика в Узбекистане
5. тема в современной экономике
6. 2014 Дорогие коллеги Ассоциация дополнительного образования и просвещения АДОиП пригл
7. Тема дипломной работы Организация разработки рекламы на предприятии на примере ТГ Абсолют
8. Интраспинальное введение местных анестетиков
9. хайкайно рэнга дословно шуточная рэнга поэтическая игра по дописыванию чередующихся трехстиший и дву
10. триодная приставка Схема конструкция Работа Установка ДТП Техника безоп
11. Кемеровский государственный университет Т
12. либо чрезвычайные обстоятельства
13. Отцы и дети Тургенев
14. ибо живете по плоти то умрете а если духом умерщвяете дела плотские то живыРим
15. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ
16. Уфимский государственный авиационный технический университет Кафедра Физики
17. вступительных испытаний зачисляются при предъявлении соответствующих документов- дети ~ сироты и дети оста
18. Права налогоплательщика, акцизы, объект обложения акцизами
19. Грицько на груші В.
20. редактирование ~ Ldy strel Русифицированные иллюстрации ~ Dnholm Любое коммерческое использование данного тек