Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
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.
.