Разработка аналого-цифрового преобразователя.

 

Разработка структурной схемы. Разработка аналого-цифрового преобразователя с последовательным выходом. Разработка аналого-цифрового преобразователя с параллельным выходом.

Цель работы: изучение принцип работы и основных характеристик аналого-цифрового преобразователя.

Задание:

- выбрать элементов для построения аналого-цифрового преобразователя;

- разработать структурную схему аналого-цифрового преобразователя;

- разработать принципиальную схему аналого-цифрового преобразователя;

- построить временную диаграмму работы аналого-цифрового преобразователя.

Содержание отчета:

· Цель работы.

· Структурная схема аналого-цифрового преобразователя.

· Принципиальная схема аналого-цифрового преобразователя.

· Временная диаграмма работы аналого-цифрового преобразователя.

· Выводы.

 

 

Теоретические сведения для выполнения лабораторной

работы

В настоящее время в большинстве случаев датчики являются элементами цифровых систем управления, что требует преобразования сигнала датчиков в цифровую форму, при вводе в контроллер и иногда обратного преобразования цифрового управляющего сигнала контроллера в аналоговую форму при выводе на исполнительное устройство. Аналого-цифровое преобразование (АЦП, ADC) содержит 3 фазы: дискретизацию по времени, квантование по уровню, цифровое, двоичное кодирование.

а) При дискретизации по времени из непрерывного сигнала x(t) формируется последовательность отсчетов y (T_i). В случае равномерной дискретизации . Возможность восстановления исходного сигнала по отсчетам определена теоремой Котельникова, по которой между частотой квантования и максимальной частотой спектра сигнала, которую надо учитывать, должно выполняться соотношение.

, где - частота квантования, - максимальная частота спектра сигнала.

Для упрощения построения АЦП обычно выбирают . рисунок 2.1.

Рисунок 2.1 - Аналого-цифровое преобразование.

b) Квантование по уровню состоит в округлении значения отсчета до ближайшего уровня квантования. Весь диапазон значений измеряемой величины от  до  разбивается на равные интервалы. Действительные значения воспроизводятся с помощью дискретных, отличающихся на . Процесс перехода от непрерывных значений в дискретные называется квантованием.  - шаг квантования. Шаг выбирается в пределах допускаемой погрешности измерения. Времени  соответствует значение , и т.д. Величина  - единицы измерения. Это равномерная шкала квантования, реже используются другие, например, логарифмические или специальные: A, l.. При квантовании возникает задержка нулевого уровня, которую надо учитывать при оценке динамических характеристик системы: .

c) Отсчеты кодируются в двоичном или двоично-десятичном коде. Для цифрового кодирования необходимо в каждый дискретный момент времени воспроизвести в цифровой форме значения, заменившее непрерывную измеряемую величину. Для этого дискретные значения  представляют в виде последовательности цифровых кодов. Например, Х₀ – 001, Х₁ – 101, Х₂ – 111 и т. д.

Преимущества цифровой формы, кроме непосредственной обработки контроллером:

1) большая помехоустойчивость;

2) простота передачи на расстояние;

Аналого-цифровое преобразование приводит к образованию двух видов ошибок: это ошибки метода и приборные ошибки.

Ошибки метода:

1. Задержка нулевого уровня .

2. Ошибка квантования . При N-разрядном коде , где S – диапазон входной величины.

Приборные ошибки АЦП.

1. Нелинейность характеристики; дрейф нуля, дребезг младшего разряда.

2. Динамические ошибки при переходном процессе, конечное время преобразования.

3. Ложные частоты.

Типовые схемы АЦП. Существуют различные типы АЦП. Мы остановимся лишь на тех типах, которые получили в настоящее время наибольшее распространение.

АЦП параллельного типа является самым быстродействующим. У него существенно меньше, чем у других АЦП время преобразования (tпр). Структурная схема АЦП параллельного типа приведена на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 - Схема АЦПпараллельного типа.

 

Здесь входная аналоговая величина U_вх с выхода схемы ВХ сравнивается с помощью 2ⁿ⁺¹ – 1 компараторов с 2(2ⁿ-1) эталонными уровнями, образованными делителем из резисторов равного сопротивления. На вход делителя подается стабилизированное опорное напряжение U_оп. При этом срабатывают те (m) младших компараторов, на входе которых уровень сигнала выше эталонного уровня. На выходах этих компараторов образуется единичный код, на выходе остальных (n-m) нулевой код. Код с выхода компараторов затем с помощью специального кодера-дешифратора преобразуется в двоично-кодированный выходной сигнал.

Погрешность АЦПП определяется неточностью и нестабильностью эталонного напряжения, резистивного делителя и погрешностями компараторов. Значительную роль могут играть входные токи компараторов, если делитель недостаточно низкоомный. Основной недостаток требуется набор прецизионных сопротивлений.

АЦП последовательного приближения является наиболее распространенным.Существует много различных вариантов схемы такогоАЦП. Структурная схема АЦППП со счетчиком приведена на рисунке 2.3. Схема работает следующим образом. Входной аналоговый сигнал Х перед началом преобразования запоминается схемой выборки – хранения (В/Х), что необходимо, так как в процессе преобразования необходимо фиксировать значение аналогового сигнала. Сигнал с выхода схемы выборки – хранения подается на один из входов компаратора, на второй вход которого подается сигнал с выхода ЦАП. Состояние ЦАП определяется кодом, хранящимся в запоминающем устройстве (ЗУ), а этот код соответствует в свою очередь состоянию счетчика, входящего в состав устройства управления (УУ).

В начальный момент времени счетчик обнулен, на выходе ЦАП нулевой сигнал, на выходе компаратора сигнал логической единицы.

Рисунок 2.3 - Схема АЦП последовательного приближения

 

Далее по команде “Пуск” с генератора G на счетчик подаются тактовые счетные импульсы; код на выходе счетчик последовательно увеличивается; соответственно увеличивается напряжение на выходе ЦАП. Как только оно сравнивается с входным аналоговым сигналом, срабатывает компаратор, процесс счета останавливается и на выходе ЗУ формируется двоичный цифровой код, соответствующий входному аналоговому сигналу.

Погрешность АЦП определяется разрядностью АЦП, неточностью ЦАП, зоной нечувствительности и т. д.

, например для n=8 имеем d=100/256=0,4%.

На входе АЦП тоже включают аналоговый фильтр нижних частот, для уменьшения помех, после АЦП. В системах управления обязательно используют цифровой фильтр для усреднения сигнала, устранения влияния помех и субчастот.

Принципиальная схема АЦП с промежуточным преобразованием напряжения во временной интервал в среде Proteus 7 приводится на рисунке 2.4.

 

Рисунок 2.4 – Принципиальная схема АЦП последовательного типа с промежуточным преобразованием напряжения во временной интервал в среде Proteus 7.

Лабораторная работа № 5

Разработка цифроаналогового преобразователя.

 

 Разработка структурной схемы. Разработка цифроаналогового преобразователя с последовательным входом. Разработка цифроаналогового преобразователя с параллельным входом.

Цель работы: изучение принцип работы и основных характеристик цифроаналогового преобразователя.

Задание:

- выбрать элементов для построения цифроаналогового преобразователя;

- разработать структурную схему цифроаналогового преобразователя;

- разработать принципиальную схему цифроаналогового преобразователя;

- построить временную диаграмму работы цифроаналогового преобразователя.

Содержание отчета:

· Цель работы.

· Структурная схема цифроаналогового преобразователя.

· Принципиальная схема цифроаналогового преобразователя.

· Временная диаграмма работы цифроаналогового преобразователя.

· Выводы.

 

Теоретические сведения для выполнения лабораторной

работы

Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП). ЦАП служат для преобразования информации из цифровой формы в аналоговый сигнал. ЦАП широко применяется в различных устройствах автоматики для связи контроллеров, вырабатывающих сигналы управления в виде цифрового кода, с аналоговыми элементами системы.

Принцип работы ЦАП состоит в суммировании аналоговых сигналов, пропорциональных весам разрядов входного цифрового кода, с коэффициентами, равными нулю или единице в зависимости от значения соответствующего разряда кода.

ЦАП преобразует цифровой двоичный код а₀, а₁, а₂,.. а_п-1 в аналоговую величину, обычно напряжение U_вых.. Каждый разряд двоичного кода имеет определенный вес i-го разряда вдвое больше, чем вес (i-1)-го. Работу ЦАП можно описать следующей формулой:

,

где e =  - напряжение, соответствующее весу младшего разряда, а_i - значение i -го разряда двоичного кода (0 или 1).

Например, числу 1001 соответствует: U _вых=e*(0*1+0*2+1*4+1*8) =12*e.

Точность преобразования: , и для .

Выбором е можно установить требуемый масштаб аналоговой величины. На рисунке 2.5 приведена схема цифро-аналогового преобразователя.

Рисунок 2.5 - Схема цифро-аналогового преобразователя.

 

В регистр записывается двоичный код выходного сигнала, на выходе сумматора формируется аналоговый эквивалентный сигнал. Этот сигнал имеет ступенчатую форму (рисунок 2.6) и для его сглаживания нужен фильтр низкой частоты.

Рисунок 2.6 - Сигналы на выходе сумматора и фильтра.

 

ЦАП можно реализовать с помощью суммированием токов (рисунок 2.7), суммированием напряжений (рисунок 2.8) и делением напряжения (рисунок 2.9). В первом и втором случае в соответствии со значениями разрядов входного кода, суммируются сигналы генераторов токов и источников Э.Д.С. Последний способ представляет собой управляемый кодом делитель напряжения. Два последних способа не нашли широкого распространения в связи с практическими трудностями их реализации.

Рисунок 2.7 - ЦАП с суммированием токов

Рисунок 2.8 - ЦАП с суммированием напряжений

Рисунок 2.9 - ЦАП с делением напряжения

Способы реализации ЦАП с взвешенным суммированием токов. Рассмотрим построение простейшего ЦАП с взвешенным суммированием токов (рисунок 2.10).

Рисунок 2.10 - ЦАП с взвешенным суммированием токов

Этот ЦАП состоит из набора резисторов и набора ключей. Число ключей и число резисторов равно количеству разрядов n входного кода. Номиналы резисторов выбираются в соответствии с двоичным законом. Если R=3 Ом, то 2R= 6 Ом, 4R=12 Ом, и так и далее, т.е. каждый последующий резистор больше предыдущего в 2 раза. При присоединении источника напряжения и замыкании ключей, через каждый резистор потечет ток. Значения токов по резисторам, благодаря соответствующему выбору их номиналов, тоже будут распределены по двоичному закону. При подаче входного кода N_вх включение ключей производится в соответствии со значением соответствующих им разрядов входного кода. Ключ замыкается, если соответствующий ему разряд равен единице. При этом в узле суммируются токи, пропорциональные весам этих разрядов и величина вытекающего из узла тока в целом будет пропорциональна значению входного кода N_вх.

Сопротивление резисторов матрицы выбирают достаточно большое (десятки кОм). Поэтому для большинства практических случаев для нагрузки ЦАП играет роль источника тока. Если на выходе преобразователя необходимо получить напряжение, то на выходе такого ЦАП устанавливается преобразователь "ток-напряжение", например, на операционном усилителе (рисунок 2.11).

Рисунок 2.11 – ЦАП с преобразователем "ток-напряжение"

Однако при смене кода на входах ЦАП меняется величина тока, отбираемая от источника опорного напряжения. Это является главным недостатком такого способа построения ЦАП. Такой метод построения можно использовать только в том случае, если источник опорного напряжения будет с низким внутренним сопротивлением. В другом случае в момент смены входного кода изменяется ток, отбираемый у источника, что приводит к изменению падения напряжения на его внутреннем сопротивлении и, в свою очередь, к дополнительному напрямую не связанному со сменой кода изменению выходного тока. Исключить этот недостаток позволяет структура ЦАП с переключающимися ключами (рисунок 2.12).

Рисунок 2.12 - ЦАП с переключающимися ключами

В такой структуре имеется два выходных узла. В зависимости от значения разрядов входного кода соответствующие им ключи подключаются к узлу, связанному с выходом устройства, или к другому узлу, который чаще всего заземляется. При этом через каждый резистор матрицы ток течет постоянно, независимо от положения ключа, а величина тока, потребляемого от источника опорного напряжения, постоянна. Общим недостатком обоих рассмотренных структур является большое соотношение между наименьшим и наибольшим номиналом резисторов матрицы. Вместе с тем, не смотря на большую разницу номиналов резисторов необходимо обеспечивать одинаковую абсолютную точность подгонки как самого большого, так и самого маленького по номиналу резистора. В интегральном исполнении ЦАП при числе разрядов более 10 это обеспечить достаточно трудно.

От всех указанных выше недостатков свободны структуры на основе резистивных R-2R матриц (рисунок 2.13).

Рисунок 2.13 – ЦАП на основе резистивных R-2R матриц

При таком построении резистивной матрицы ток в каждой последующей параллельной ветви меньше чем в предыдущей в два раза. Наличие только двух номиналов резисторов в матрице позволяет достаточно просто осуществлять подгонку их значений. Выходной ток для каждой из представленных структур пропорционален одновременно не только величине входного кода, но и величине опорного напряжения. Часто говорят, что он пропорционален произведению этих двух величин. Поэтому такие ЦАП называют умножающими. Такими свойствами будут обладать все ЦАП, в которых формирование взвешенных значений токов, соответствующих весам разрядов, производится с помощью резистивных матриц.

Лабораторная работа № 6