Лабораторная работа №3 по курсу "Микропроцессоры в управляющих системах" Моделирование работы цап и ацп. Москва. 2010 г



Скачать 225.96 Kb.
Дата17.10.2016
Размер225.96 Kb.
ТипЛабораторная работа


МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Н.Э.Баумана

С.Б. Спиридонов, А.В. Шигин

Лабораторная работа № 3

по курсу "Микропроцессоры в управляющих системах"

Моделирование работы ЦАП и АЦП.

Москва. 2010 г.



Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи

Аналого-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) при меняются в информационно-измерительных системах, в технике связи, в цифровом телевидении, в бытовой технике и т.п.



1. ЦАП с весовыми резисторами

Цифро-аналоговые преобразователи используются для преобразования цифрового кода в аналоговый сигнал, например, для управления в автоматических системах исполнительными органами (электродвигателями, электромагнитами и т.п.).

Наиболее простой ЦАП с весовыми резисторами (рис. 1) состоит из двух уз лов: резистивной схемы (матрицы) на резисторах R1...R4 и суммирующего усилителя (ОУ OU с резистором обратной связи Ro) Опорное напряжение Uon (3 В) подключается к резисторам матрицы переключателями D, С, В и А, управляемыми одноименными клавишами клавиатуры и имитирующими преобразуемый код. Выходное напряжение Uo измеряется мультиметром. Такой ЦАП относится к устройствам прямого преобразования.



Рис.1. ЦАП с весовыми резисторами

Если все переключатели замкнуты на "землю", как показано на рис. 1 то напряжение на входе и выходе ОУ равно 0 В. Предположим теперь, что переключатель А установлен в положение, соответствующее логической 1. Тогда на вход 01 через резистор R1 подается напряжение 3 В. Рассчитаем для этого случая коэффициент усиления напряжения по формуле: К = Ro/R1 = 10000/150000 = 0,066. Отсюда получаем, что выходное напряжение Uo = 0,066·3 = 0,2 В соответствует двоичной комбинации 0001 на входе ЦАП.

Подадим теперь на входы ЦАП двоичную комбинацию 0010: для этого установим переключатель В в положение, соответствующее логической единице, тем caмым подадим на ОУ через резистор R2 напряжение 3 В. Для коэффициента усиления в данном случае получаем К = Ro/R2 = 10000/75000 = 0,133. Умножив этот коэффициент усиления на величину входного напряжения, найдем, что выходное напряжение равно 0,4 В.

Таким образом, при переходе к каждому очередному двоичному числу, имитируемому ключами, выходное напряжение ЦАП увеличивается на 0,2 В. Это обеспечивается за счет увеличения Коэффициента усиления напряжения ОУ при подключении различных по сопротивлению резисторов. Если бы в схеме на рис. 11.1 мы подключили только один резистор R4 (с помощью переключателя D), то тем самым установили бы коэффициент усиления К = 10000/18700 = 0,535: при этом выходное напряжение ОУ составит около 1,6 В. Если все переключатели в схеме на рис. 1 установлены в положения, соответствующие логическим единицам, выходное напряжение ОУ равно Uon = 3 В, поскольку коэффициент передачи в этом случае становится равным 1.

Схема ЦАП на рис. 1 имеет два недостатка: 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 состояниях.

Контрольные вопросы и задания



  1. По какому закону выбираются сопротивления в ЦАП с весовыми резисторами?

  2. Рассчитайте коэффициент усиления напряжения ОУ и выходное напряжение ЦАП в схеме на рис. 1 для случая, когда в положение, соответствующее логи­ческой единице, установлен только переключатель С. Результаты расчета про­верьте на модели.

  3. Получите выражение для расчета выходного напряжения ЦАП в общем виде и проверьте его на модели.

  4. Замените переключатели А, В, С, D программными переключателями (реле вре­мени), имитирующими последовательное во времени с интервалом 5 с появление кодовых комбинаций 0001, 0011, 0111 и 1111.

2. ЦАП лестничного типа

Схема ЦАП такого типа (рис. 2) состоит из резистивной матрицы R-2R, на­поминающей лестницу, и суммирующего усилителя. Преимущество использования матрицы состоит в том, что в ней используются резисторы только двух номиналов. Сопротивление каждого из резисторов R1...R5 равно 20 кОм, а резисторов R6...R8, Ro — 10 кОм. Отметим, что сопротивления горизонтально расположенных резисторов "лестницы" ровно в 2 раза больше сопротивлений вертикальных.





Рис.2. ЦАП с лестничного типа

ЦАП лестничного типа аналогичен ЦАП с весовыми резисторами. В рассмат­риваемом примере схемы используется опорное напряжение 3,75 В. Переход к каж­дой следующей двоичной последовательности на Входах приводит к увеличению аналогового выходного сигнала на 0,25 В. Опорное напряжение выбрано равным 3,75 В из соображения удобства сопряжения с ИМС семейства ТТЛ при замене клю­чей A...D такими ИМС.



Выходное напряжение ЦАП на рис. 2 определяется по формуле [32]:

Uo = UonRo[S12n-1 + S22n-2+ ... + Si2n-i+ Sn]/R2n, (1)

где Si — значение цифрового сигнала (0 или 1) на i-м входе, n — число разрядов пре­образования (для схемы на рис. 2 n = 4), R -— сопротивление резистора матрицы R-2R (R = 10 кОм для схемы на рис. 2).

Вариант ЦАП с использованием в качестве коммутирующего устройства двоично-десятичного счетчика 74160 (К155ИЕ9) показан на рис. 3, а.

Из сравнения ЦАП на рис. 2 и 3 видно, что во втором отсутствует источник опорного напряжения: его роль выполняет сам счетчик-коммутатор. Эквивалентное значение Uon можно получить на основании формулы (1) и результатов осциллографических измерений, показанных на рис. 3, б. В частности, максималь­ное выходное напряжение ЦАП VB2 = -2,8125 В, минимальное — VB1 = -0,3125 В, их разность — VB2 - VB1 = -2,45 В.



а)


А

В


б)

Рис.3. Четырехразрядный ЦАП лестничного типа на базе счетчика 74160 (а) и осциллограммы сигналов (б) на его счетном входе (A) и выходе ЦАП (B)

Контрольные вопросы и задания



  1. Чем отличается ЦАП лестничного типа от ЦАП с весовыми резисторами? К какому типу ЦАП он относится?

  2. С помощью формулы (1) рассчитайте выходное напряжение ЦАП на рис. 1 для всех 16 комбинаций переключателей А, В, С, D и сравните полученные результаты с результатами моделирования.

  3. Замените переключатели А, В, С, D в схеме на рис. 2 программными переключателями, имитирующими последовательное во времени с интервалом 5 с проявление кодовых комбинаций 0001, 0010, 0100 и 1000.

  4. Используя формулу (1) и результаты моделирования, рассчитайте эквива­лентное напряжение Uon для схемы на рис. 3, а

3. АЦП прямого преобразования

АЦП прямого преобразования являются наиболее простыми и часто встраиваются непосредственно в датчики. Основным функциональным элементом таких АЦП является преобразователь электрической величины (тока, напряжения, сопротивления, емкости и др.) во временной интервал или частоту. Примерами таких преобразователей может служить рассматриваемый ниже преобразователь постоянного положительного напряжения в частоту (рис. 4, б). Для преобразования временного ин­тервала или частоты в цифровой код, что по существу является конечной задачей любого АЦП, выполняется ЭВМ в случае АСУ или дополнительным устройством в случае автономного АЦП. Пример такого устройства, осуществляющего преобразование временного интервала в код, показан на рис. 4, а. В этом устройстве временной интервал задается программным ключом Т, имитирующим, например, ШИМ и определяющим количество импульсов, поступающих на четырехразрядный счетчик с генератора опорной частоты Us. Рассматриваемое устройство посуществу является частотомером. Если преобразуемая величина прямо пропорциональна периоду, то соответственно дополнительное устройство должно обеспеспечить преобразование периода в код.

Преобразователь на рис. 4, б выполнен на двух ОУ: усилитель OU1 используется в интеграторе, a OU2 — в регенеративном компараторе с гистерезисом. Когда выходное напряжение компаратора Uf имеет максимальное положительное значение U1, диод VD смещен в обратном направлении и напряжение Us на выходе OU1(см. осциллограммы на рис. 4, в) уменьшается по линейному закону со скоростью, определяемой амплитудой входного положительного сигнала Ui, до тех пор, пока не достигнет значения U1R1/R2. В этот момент компаратор переключается. В дpyгoe состояние, при котором напряжение на его выходе равно максимальному отрицательному значению U2, при этом диод VD открывается и выходное напряжение интегратора быстро нарастает до значения U2R1/R2, после чего компаратор возвращается в первоначальное состояние и цикл повторяется.

Так как время нарастания выходного напряжения интегратора значительно меньше времени спада, которое обратно пропорционально амплитуде входного сиг-

частота циклов повторения F будет прямо пропорциональна входному напряжению. Пренебрегая собственным временем переключения компаратора, можно записать следующее выражение для частоты выходных импульсов:

F = Ui·R3/[R1·CR4(U1 - U2)]  1000·Ui. (2)

На самом деле размах напряжения Us на выходе OU1 несколько больше величины (Rl/R2)(U1 - U2) из-за отличного от нуля значения времени переключения компаратоpa, а частота соответственно меньше значения, определяемого выраженинием 2), причем это расхождение будет особенно значительным при больших амплитудах входного сигнала.

С указанными на рис. 4, б номиналами элементов схема должна обеспечивать линейность преобразования не хуже ±1% в диапазоне изменения входных на- напряжений 20 мВ...10 В, при этом частота выходных импульсов F должна изменяться от 20 Гц до 10 кГц [25].





а)



б)


А

В


в)

Рис.4. АЦП прямого преобразования (а) и осциллограммы (в) сигналов на выходе интегратора (В) и компаратора (А) (б)

Контрольные вопросы и задания

  1. Что из себя представляет АЦП прямого преобразования, в каких устройствах его целесообразно использовать?

  2. Проверьте работоспособность схемы на рис. 4, б и исследуйте зависимость частоты выходного сигнала от входного напряжения в диапазоне 20 мВ...10 В. Проверьте справедливость формулы (2).

  3. Какие дополнительные устройства необходимо подключить к схеме на рис. 4, б, чтобы получить цифровой отсчет измеряемого напряжения?

4. Преобразователь на интегральном таймере

Интегральные таймеры являются наиболее яркими представителями уст­ройств смешанного типа, из них наиболее популярным является таймер NE555 (оте­чественный аналог КР1006ВИ1). Учитывая его широкое распространение в различной аппаратуре промышленного и бытового назначения, рассмотрим крат­ко характеристики и особенности применения NE555 [34].

Функциональная схема таймера и его графическое обозначение в программе EWB показаны на рис. 5. Таймер содержит два компаратора на OU1 и OU2, RS-триггер, инвертирующий усилитель мощности UM, транзисторы VT1, VT2 для цепи разряда и принудительного сброса соответственно. Внутренний резистивный дели­тель задает пороговые напряжения, равные 2Ucc/3 для OU1 и Ucc/3 для OU2.





а)

б)

Рис.5. Функциональная схема таймера NE555 (а) и его графическое изображение в программе EWB (б)

Напряжение питания таймера Ucc — 5... 16,5 В, ток нагрузки (вывод 7) — 200 мА, что позволяет управлять непосредственно лампочками или электромагнит­ными реле. Выходное сопротивление около 10 Ом как для низкого, так и для высо­кого уровней выходного напряжения. Запуск таймера осуществляется подачей на вывод 2 напряжения менее Ucc/З (эту цепь обычно называют триггерным входом). При высоком напряжении на выводе 2 состоянием выхода таймера можно управлять с помощью компаратора OU1 по выводу 6, называемому обычно пороговым входом. Входной ток, втекающий в OU1 (вывод 6) и вытекающий из OU2 (вывод 2), не превы­шает 0,5 мкА. Для сброса таймера, т. е. установки на его выходе низкого напряже­ния независимо от напряжения на выводах 2 и 6 используется вывод 4. Если напряжение на этом выводе меньше 0,4 В, напряжение на выходе равно 0,1...0,2 В, а при напряжении более 1 В цепь сброса выключена и не влияет на работу таймера. Кроме низкоомного выхода (вывод 3) таймер имеет и вспомогательный высокоомный выход (вывод 7, коллектор транзистора VT1), который обычно используется для организации обратной связи с выхода на входы (выводы 2 и 6) таймера. Допустимое изменение напряжения на выводах 2, 4, 6 и 7 находится в пределах 0...16,5 В. В тай­мере имеется доступ через вывод 5 к входам внутренних компараторов, на которые поданы пороговые напряжения. Этот вывод от резистивного делителя позволяет из­менять пороговые напряжения компараторов при постоянном напряжении питания и тем самым дополнительно управлять работой таймера. Чтобы избежать влияния внешних помех и пульсации напряжения питания на точность работы таймера, ре­комендуется шунтировать вывод 5 конденсатором емкостью 0,01 мкФ.

В режиме прямой трансляции сигнала с входа на выход таймер работает в ди­апазоне частот до 10 МГц. Однако приводимое в справочных данных значение по­грешности формирования временного интервала, равное 0,5%, измеряется обычно при формировании импульсов длительностью более 10 мкс. Время нарастания вы­ходного напряжения таймера не превышает 100 нс.

Временные параметры таймера незначительно зависят от изменений Ucc и тем­пературы и полностью определяются компараторами и технологией их изготовления. В таймерах, изготовленных по КМОП-технологии, отличающейся худшим согласова­нием параметров парных транзисторов, зависимость характеристик от Ucc и темпера­туры значительно выше, чем у таймеров, изготовленных по биполярной технологии.

Чтобы параметры времязадающей RC-цепи не влияли на точность формирова­ния временных интервалов, необходимо ограничить диапазон изменения сопротив­ления R и емкости С. Максимальное сопротивление R определяется входным током Ii компараторов. Для формирования устойчивых временных интервалов достаточно выбрать максимальное сопротивление R из условия Rmax < Ucc/Ii; при Ucc = 10 B и Ii = 0,5 мкА Rmax = 20 МОм. При включении таймера по схеме мультивибратора, ког­да выводы 2 и 6 объединены, таймер сохраняет работоспособность при R > Rmax, при этом не рекомендуется использовать времязадающие резисторы с сопротивлени­ем R > 10 МОм.

Минимальное сопротивление R определяется максимально допустимым то­ком, протекающим через транзистор VT1 таймера при его насыщении. Хотя допу­стимый выходной ток устанавливают обычно на уровне 100 мА, не рекомендуется использовать малые сопротивления R в сочетании с большими емкостями С. Объ­ясняется это тем, что при разряде конденсатора большой емкости транзистор VT1 переходит в режим насыщения через конечное время, в течение которого он нахо­дится в активном режиме при напряжении коллектор-эмиттер Uкэ = Ucc/2, и при Rmin он может выйти из строя из-за большой рассеиваемой на нем мощности. По­этому при формировании малых временных интервалов рекомендуется ограни­читься значением Rmin = 1 кОм и выбрать исходя из этого емкость С. Если же таймер применяется в схеме, где С < 100 пФ, то сопротивление R может быть уменьшено до 150 Ом.

Минимальная емкость времязадающего конденсатора С должна быть значи­тельно больше изменений емкости выводов 2, 6 и 7, зависящей от напряжения на них. Поскольку эти изменения при перезаряде С не превышают нескольких пикофарад, при формировании точных временных интервалов целесообразно выбирать С < 100 пФ. Можно применять конденсаторы С сколь угодно большой емкости, если их ток утечки пренебрежимо мал. Фактически же, чем больше емкость конденсатора, тем больше его ток утечки; для нормальной работы таймера необходимо, чтобы этот ток не превышал зарядный ток через резистор R. Для формирования точных (<1%) временных интервалов ток утечки через С должен быть более чем на два порядка меньше зарядного тока.

Выходной инвертирующий усилитель таймера UM работает в режиме АВ, вследствие чего на переходной характеристике возникает "полка" длительностью 10...20 нc при напряжении 1,5 В. Если таймер нагружен на быстродействующие TTJI-схемы (например, серий 130 или 533), то наличие такой "полки" недопустимо, так как она может вызвать ложное срабатывание логического элемента. Для устра­нения этого недостатка необходимо выход таймера зашунтировать конденсатором емкостью около 100 пФ.

Преобразователи на интегральных таймерах отличаются весьма широким ча­стотным диапазоном (в пределах 2...4 декад) [25]. Так, при включении таймера по схеме самовозбуждающегося мультивибратора можно получить линейный преобра­зователь напряжения в частоту, изменяющуюся от 10 Гц до 10 кГц, причем этот ди­апазон может быть легко сдвинут в любую сторону заменой одного из элементов схемы [25]. К сожалению, модель таймера NE555 в программе EWB далека от совер­шенства и не позволяет это реализовать. Предварительное исследование преобразо­вателя, схема которого приведена на рис. 6, показало, что преобразуемое напряжение должно быть больше напряжения питания Ucc. Кроме того, модель не работает при отсутствии дополнительного сопротивления в цепи разряда интегриру­ющего конденсатора (транзистор VT1), поэтому сопротивление его заряда составле­но из сопротивлений двух резисторов — R и R’.

В схеме на рис. 6 использована пассивная интегрирующая RC-цепь, по­скольку преследовалась только цель проверки ее работоспособности. Для повыше­ния линейности преобразователя на входе практического аналога такой схемы используется преобразователь напряжение-ток (стабилизатор тока) [25].



Рис.6. Преобразователь напряжение-частота на таймере NE555 (б)


А

В


Рис.7. Осциллограммы на выходе таймера(А) и интегрирующем конденсаторе (В)

Осциллограммы сигналов на выходе OUT микросхемы и конденсаторе C пока­заны на рис. 7.

Контрольные вопросы и задания


  1. Что из себя представляют интегральные таймеры и почему они так называются?

  2. Чем вызвана популярность интегрального таймера NE555?

  3. Проверьте работоспособность схемы преобразователя на рис. 6 при Ui = 4...40 B с оценкой линейности преобразования в этом диапазоне.

  4. Проведите анализ и испытание преобразователя напряжение-частота и мульти­вибратора на NE555.



  1. Библиотечные ЦАП и АЦП

В библиотеке программы EWB 4.1 преобразователи представлены 8-разряд­ными ЦАП и АЦП.

Схема включения библиотечного ЦАП (рис. 8) содержит собственно ЦАП (DAC V), два источника опорного напряжения +Uop и -Uop, генератор слова и ос­циллограф.





Рис.8. Схема включения библиотечного ЦАП с установками генератора слова для его ис­пытания

Выходное напряжение ЦАП определяется выражением [67]:

Uo = D[(+Uop) + (-Uop)]/256,

где D — десятичный эквивалент входного двоичного кода (например, при входном коде 00000011 D = 3).

Задавая соответствующие кодовые комбинации на выходе генератора слова, можно с помощью осциллографа измерить максимальное выходное напряжение ЦАП, а также минимальное, соответствующее младшему разряду и определяющему разрешающую способность ЦАП. Нумерация разрядов показана на графическом значке ЦАП, осциллограмма выходного сигнала при указанных на рис. 8 кодо­вых комбинациях — на рис. 9.

Для ЦАП с опорными источниками тока +Iop, -Iop (DAC I — см. разд. 2.7) ток прямого и инверсного выхода определяется соответственно формулами [67]:

Io - D[(+Iop) + (–Iop)]/256; Iо’ = 255[(+Iор) + (–Iор)]/256 – Iо.

Схема включения библиотечного АЦП (рис. 10) содержит собственно АЦП (ADC), источники опорного напряжения, генератор слова для синхронизации и уп­равления выходом АЦП, функциональный генератор в качестве источника входно­го сигнала Ui, логический анализатор, преобразователь двоичный код-код ASCII и осциллограф.

Назначение выводов АЦП: VIN — вход для источника преобразуемого сигна­ла; VREF+, VREF — вход для источников опорного напряжения; SOC — вход син­хронизации; OE — разрешение на выдачу двоичной комбинации на выходы D0...D7; EOC — сигнал готовности данных (например, при выдаче данных на ЭВМ).

Для заданного значения входного напряжения Ui, зафиксированного, напри­мер, с помощью устройства выборки и хранения (см. разд. 10), десятичный экви­валент двоичного кода на выходе АЦП определяется выражением [67]:

D = 256Ui/ [(+Uop) + (–Uop)].



Рис.9. Осциллограмма выходного напряжения ЦАП



Рис. 10. Схема включения библиотечного АЦП



Рис. 11. Осциллограммы выходного сигнала АЦП на экране логического анализатора

Устройство ASCII позволяет записать данные в текстовый файл. После двой­ного щелчка по его изображению вызывается стандартное диалоговое окно, в кото­ром указывается имя файла. По умолчанию в меню предлагается имя схемного файла с расширением .txt.

Полученные данные с АЦП можно анализировать с помощью логического анализатора и осциллографа. Данные на экране логического анализатора при пре­образовании синусоидального сигнала напряжением 1 B и частотой 1 кГц показа­ны на рис. 11.



Рис. 12. Осциллограммы выходного сигнала ЦАП (А) и входного АЦП (В)

Начальный участок данных на рис. 11 после их преобразования в аналого­вый сигнал с помощью ЦАП показан в виде осциллограммы на рис. 12.

Контрольные вопросы и задания


  1. Используя данные на рис. 8 и 9, установите, каким кодовым комбинациям генератора слова соответствуют уровни выходного напряжения ЦАП в точках установки визирных линеек на осциллограмме рис. 9. Определите разрешаю­щую способность ЦАП (цену младшего разряда — MP).

  2. Составьте схему для испытания ЦАП с опорными источниками тока.

  3. Используется ли ЦАП в составе библиотечного АЦП?

  4. Проведите качественный сравнительный анализ осциллограмм на рис. 11 и 12.

  5. Проведите сопоставительный анализ данных на рис. 11 и данных, зарегист­рированных в текстовом файле.

  6. Ознакомьтесь со схемой включения в АЦП библиотечного ЦАП DAC I, а также с применением библиотечных АЦП и ЦАП в импульсно-кодовом, используемом в циф­ровых системах связи.




  1. Преобразователь на управляемых источниках

Источники напряжения из программы EWB 5.0, управляемые напряжением (ИНУН), которые могут быть использованы в преобразователях напряжение-частота, по­казаны на рис. 13.

Все три источника имеют практически одинаковый набор параметров. Например, диалоговое окно источника с выходным сигналом прямоугольной формы содержит две закладки со следующим набором редактируемых параметров: нижний L = 0 B и верхний Н = 1 B уровни прямоугольного импульса, т. е. задается последователь­ность импульсов положительной полярности с амплитудой 1 B; коэффициент запол­нения D = 0,2; длительность переднего TR = 1е-09 с и заднего TF = 1е-09 с фронтов; параметр N = 3 определяет количество точек, в которых заданному входному напря­жению в строках параметров С1...С5 (С1 = 0 B, С2 = 10 B, СЗ = 20 B, С4 = С5 = 0 В) будет соответствовать заданная частота в строках параметров F1...F5 (F1 = 1 Гц, F2 = 10 Гц, F3 = F4 = F5 = 1 Гц), т. е. задаются участки с различным коэффициентом преобразования (Гц/В).





а) б) в)

Рис. 13. ИНУН с выходным напряжением прямоугольной (а), треугольной (б) и
синусоидаль­ной формы (в)




а)



б)

Рис. 14. Схема включения ИНУН с выходным напряжением прямоугольной формы (а) и
ос­циллограммы его входного (А) и выходного (В) сигналов (б)

Схема включения ИНУН с выходным напряжением прямоугольной формы показана на рис. 14, а. Кроме собственно ИНУН VF схема содержит источник ли­нейно изменяющегося (пилообразного) напряжения на интеграторе (элементы ОУ1, R1 и С1)) постоянного напряжения U.

Осциллограммы сигналов на входе и выходе ИНУН, параметры которого уста­новлены в соответствии с приведенными выше данными, показаны на рис. 14,б, откуда видно, что при входном напряжении около 10 В (результаты измерений в строках VA1 и VA2 индикаторных окон) длительность двух периодов импульсной последовательности составляет около 200 мс (результаты измерений в строке Т2-Т1 индикаторного окна), т. е. частота импульсов соответствует установленным значе­ниям параметров С2 и F2 в диалоговом окне. Следовательно, коэффициент преобра­зования составляет 1 Гц/В.

Контрольные вопросы и задания



  1. Рассчитайте коэффициент нелинейности преобразования схемы на рис. 14 при малых входных напряжениях, если в качестве коэффициента преобразова­ния принять значение 1 Гц/B?

  2. Проведите испытания схемы преобразователя на рис. 14, а при значениях па­раметров F1, F2, и F3, увеличенных в 10 и 100 раз по сравнению с рассмотрен­ным случаем. Определите минимальное входное напряжение, при котором нелинейность преобразования не превышает 10%.




  1. АЦП уравновешивающего типа

Задолго до появления современных АЦП в измерительной технике уже ис­пользовались аналогичные устройства (так называемые потенциометры), позволяв­шие получать цифровой отсчет измеряемой величины с достаточно высокой точностью по положению ручек управления, с помощью которых производилось ручное уравновешивание схемы. В четырехразрядном «потенциометре» на рис. 15 измеряемое напряжение Ux сравнивается с падением напряжения на ре­зисторах R...8R, включаемых в цепь калиброванного источника тока Is с помощью сдвоенных переключателей 1...3; вторая половина этих переключателей использу­ется в схеме индикации получаемого кода в двоичной и десятичной форме. Индика­тором равенства измеряемого и компенсирующего напряжения служит гальванометр G: при равенстве указанных напряжений гальванометр будет иметь нулевые показания.

Как следует из рис. 15, самая первая (старшая) ступень равна 8 мВ, вто­рая — 4 мВ, третья — 2 мВ и последняя (самая младшая) — 1 мВ. Перед уравнове­шиванием все переключатели находятся в замкнутом положении, и нуль-орган (гальванометр G) показывает, что измеряемое напряжение Ux превышает компенси­рующее, равное в исходном состоянии нулю. Первой включается первая ступень, включающая компенсирующее напряжение величиной 8 мВ. Поскольку Ux < 8 мВ, то нуль-орган зафиксирует перекомпенсацию, поэтому эта ступень выключается. На втором шаге включается вторая ступень (4 мВ), при этом нуль-орган зафиксиру­ет недокомпенсацию, поэтому эта ступень остается включенной и к ней переключа­телем 1 добавляется третья ступень величиной 2 мВ. Однако и в этом случае нуль-орган зафиксирует недокомпенсацию. Поэтому на третьем шаге ключом 0 до­бавляется четвертая ступень величиной 1 мВ, после чего нуль-органом фиксируется нулевой результат, что соответствует равенству измеряемого и компенсирующего напряжений. При этом на выходе "преобразователя" получаем двоичный код 0111 и его десятичный эквивалент 7. Рассмотренный алгоритм преобразования носит на­звание поразрядного уравновешивания.



Возможен и другой способ уравновешивания, при котором этот процесс начи­нается с четвертой ступени (1 мВ). Если при этом фиксируется недокомпенсация, то переключатель 0 выключается и переключателем 1 включается третья ступень (2 мВ). При недокомпенсацнн переключателем 0 дополнительно подключается чет­вертая ступень, что в сумме дает 3 мВ. При недокомпенсации четвертая и третья сту­пени выключаются и переключателем 2 включается третья ступень (4 мВ). Далее поочередно подключаются четвертая и третья ступень, что обеспечивает увеличение компенсирующего напряжения на каждом шаге уравновешивания на величину од­ного кванта, равного в нашем случае 1 мВ. Уравновешивание заканчивается, когда при очередном добавлении одного кванта к компенсирующему напряжению послед­нее становится больше измеряемого. Рассмотренный метод преобразования получил название метода последовательного счета или развертывающего преобразования.



Рис. 15. Упрощенная схема четырехразрядного АЦП



а)





б)

в)

Рис. 16. Схема АЦП с ГПН (а) и осциллограммы его сигналов (б, в)

АЦП развертывающего типа может быть реализован также с использовани­ем в качестве источника компенсирующего напряжения прецизионного ГПН. Схе­ма шестиразрядного АЦП в таком исполнении содержит (см. рис. 16, а) шестиразрядный счетчик на триггерах D0...D5, двухвходовой элемент И U, гене­ратор опорной частоты Us, компаратор на ОУ1 и ГПН на ОУ2 с элементами R, С и U. Для согласования выходного сигнала компаратора с логическим элементом И положительное напряжение насыщения ОУ1 выбрано равным +5 В, отрицательное — 0 В. Переключатель X используется для оперативного контроля сигна­лов на выходе компаратора и элемента И (осциллограммы А на рис. 16, б, в). Скорость изменения выходного напряжения ГПН (осциллограммы В на рис. 16, б, в) равна v = U/RC = 1/106∙10-6 = 1 В/с. В момент пуска АЦП (начало моделирования) под действием преобразуемого напряжения Ux на выходе компа­ратора формируется сигнал логической единицы (см. осциллограмму А на рис. 16, б), в результате чего на вход счетчика через схему И начинают посту­пать импульсы с источника однополярных импульсов Us (см. осциллограмму А на рис. 16, в). Одновременно запускается и ГПН, выходное напряжение которого Ug = v-t, начиная с момента t1 = 0, непрерывно сравнивается с Ux. Когда в момент, времени t = t2Ug достигает значения Ux, 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 Us поступали на вход счетчика с частотой следо­вания F = 10 Гц, равно ∆t = t2t1 = Ux/v. Зарегистрированное счетчиком за это время число импульсов N = FЧUx/v = 10∙2,5/1 = 25 совпадает с показаниями ин­дикаторов 20 + 23 + 24 = 25.

Контрольные вопросы и задания



  1. Охарактеризуйте два способа уравновешивающего преобразования и проведите их сравнительный анализ по длительности процесса уравновешивания.

  2. Руководствуясь данными Приложения 5, определите основные характеристики АЦП на рис. 16, а.

  3. В АЦП на рис. 16, а обнуление (сброс) счетчика осуществляется программой ав­томатически в момент пуска. Каким образом это может быть реализовано в прак­тической конструкции АЦП аналогичного типа? Разработайте схему обнуления счетчика перед каждым циклом преобразования и проведите ее испытания.






Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©grazit.ru 2019
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал