Основные структуры аналого-цифровых преобразователей (АЦП)

Исходная непрерывная физическая величина (первоначальные напря­жения или ток, уровень жидкости, давление газа, частота вращения и т.д.) сначала преобразуется в электрический аналог (ток или напряжение), ко­торый изменяется во времени по тому же закону, что и первичная физиче­ская величина, а затем уже электрический аналог преобразуется в код (в её цифровой эквивалент).

В настоящее время разработано большое количество типов АЦП, удовлетворяющих разнообразным требованиям. В одних случаях преобладающим требованием является высокая точность, в других — скорость преобразования.

В ряде случаев один АЦП используется для одновременного преобразования нескольких аналоговых сигналов. При этом требуется ввести в со­став АЦП два дополнительных устройства:

1)мультиплексор, обеспечивающий коммутацию в определенной последовательности соответствующих аналоговых сигналов к общему входу АЦП;

2) устройство выборки и хранения, которое запоминает текущее значение аналогового сигнала в коротком интервале времени и сохраняет это значение постоянным (в пределах допускаемой по­грешности) до тех пор, пока АЦП не завершит процесс преобразования.

АЦП мож­но разделить на программируемые и непрограммируемые.

В программируемых АЦП процесс преобразования состоит из заданного, вполне конкретного числа шагов, каждый из которых тактиру­ется и имеет фиксированную длительность (АЦП последователь­ного приближения).

Для непрограммируемых АЦП время преоб­разования определяется только длительностью переходных про­цессов в цепях преобразования (АЦП с одновременным сравнени­ем или параллельный АЦП).

Также АЦП подразделяютя по наличию или отсутствию цепи обратной связи (в первом случае — это уравнове­шивающие АЦП, во втором — АЦП прямого преобразования).

По принципу действия все существующие типы АЦП можно разделить на две группы:

АЦП интегрирующего типа;

АЦП со сравнением входного преобразуемого сигнала с дискретными уров­нями напряжений.

Принцип работы АЦП интегрирующего типа основан на преоб­разовании в код времени, необходимого для заряда конденсатора до некоторого уровня опорного или входного напряжения.

АЦП напряжения в частоту является наиболее про­стым по своей структуре среди интегрирующих преобразователей. Двухпороговый преобразователь (рис.5.10, а) содержит инте­гратор ИН, два пороговых устройства (компаратора) ПУ1 и ПУ2, выходной триггерТ и коммутирующий элемент на транзисторе VT.

Если к входу такого интегратора приложить постоянное напряжение, то напряжение на выходе интегратора будет возрастать линейно.

Очевидно, чем больше Ux(t), тем круче будет прямая на выходе интегратора и тем быстрее напряжение достигает заданного порогового значения U_П1. Интервал времени между срабатываниями пороговых устройств ПУ1 и ПУ2 будет обратно пропорционален, а частота переключения триггера Т прямо пропорциональна входному напряжению Uх(t) (рис.5.10, б).

 

 

Рис.5.10. Схема простейшего двухпорогового преобразователя

В АЦП со сравнением входного преобразуемого сигнала с дис­кретными уровнями напряжения используется процесс преобразо­вания, сущность которого заключается в формировании напряже­ний с уровнями, эквивалентными соответствующим цифровым ко­дам, и сравнении этих уровней напряжения с входным напряжени­ем с целью определения цифрового эквивалента входного сигнала. При этом уровни напряжения могут формироваться одновременно, последовательно или комбинированным способом.

АЦП последовательного счётасо ступенчатым пилообразным напряжением является одним из простейших преобразователей, в которых используется сравнение дискретных уровней напряжения. Однако эта простота обеспечивается снижением быстродействия этого АЦП (рис.5.11, а), в который входят двоичныйСч, ЦАП, КН, ИОН. Процесс преобразования начинается в момент времениt_ос приходом импульса «Запуск», обеспечивающим установку Сч в исходное нулевое состояние. Соответственно на выходе ЦАП, управляемом выходным кодом счётчика, устанавливается напря­жение, равное нулю. При этом КН находится в состоянии, разре­шающем поступление черезлогическую схему «И» с генератора Г тактовых импульсов вСч. По мере возрастания числа импульсов, накопленных вСч, выходное напряжение ЦАП U_ВЫХтакже возрастает

 

Рис. 5.11. Структурная схема (а) и временная диаграмма (б) работы АЦП последовательного счёта

(рис.5.11, б). В момент времени t₁ , когда число в Сч возрастет настолько, что выходное напряжение ЦАП U_ВЫХпревысит входное преобразуемое напряжение U_ВХ, KHизменит свое состояние, за­крывая при этом логическую схему «И» и прекращая поступление тактовых импульсов в Сч. В результате полученный в Сч параллельный цифровой кодN_ВЫХбудет цифровым эквивалентом преобразуемого напряжения.

Разрядность и разрешающая способность таких АЦП определя­ется разрядностью и разрешающей способностью используемого в его составе ЦАП.Время преобразования зависит от уровня вход­ного преобразуемого напряжения U_ВХ. Для входного напряжения, соответствующего значению полной шкалы, Сч должен быть заполнен и при этом он должен сформировать на входе ЦАП код полной шкалы. Это требует дляn-разрядного ЦАП времени пре­образования в (2ⁿ— 1) раз больше периода тактовых импульсов. Естественно, для быстрого аналого-цифрового преобразования ис­пользование подобныхАЦПнецелесообразно.

Следящий АЦПхарактеризуется тем, что в нем суммирующий Сч заменён на реверсивный счетчикРСч(рис.5.12). Благодаря этому становится возможным получать цифровые отсчёты, отсле­живающие изменяющееся входное преобразуемое напряжение. Выходной сигнал КН определяет направление счёта (прямое или обратное) в зависимости от того, превышает или нет входное на­пряжение АЦП U_ВХвыходное напряжение ЦАПU_ВЫХ.Для умень­шения среднего времени, необходимого для первого преобразова­ния, перед началом измеренийРСч устанавливается в состояние, соответствующее середине шкалы (01... 1).

Рис.5.12.

Первый цикл преобразования следящего АЦП аналогичен циклу преобразования в АЦП последовательного счета, т.е. РСчза­полняется тактовыми импульсами и на цифровых входах ЦАП формируется параллельный двоичный код, который обеспечивает возрастание выходного напряжения ЦАП U_ВЫХ.Когда U_ВЫХдо­стигнет значения U_ВХ, KHсрабатывает и прекращает счёт импуль­сов. При этом выходной код N_ВЫХсоответствует входному напря­жению. Как видно, первый цикл преобразования по длительности такой же, как и в предыдущем АЦП. Однако в дальнейшем циклы преобразования существенно сокращаются, так как данный АЦП успевает отследить малые отклонения входного сигнала за несколько тактовых периодов, увеличивая или уменьшая число им­пульсов, записанное вРСч, в зависимости от знака рассогласова­ния текущего значения преобразуемого напряжения U_ВХ и выходного напряжения ЦАП. Эта возможность быстрого отслеживания текущего значения входного напряжения и обусловила названиеподобныхАЦП — следящие.

В АЦП параллельного типавходной сигнал одновременно при­кладывается ко входам всех КН, число которых mопределяется разрядностью АЦП и равно т=2^п—1, где n — число разрядов АЦП (рис.5.13). В каждом КН сигнал сравнивается с опорным напряжением, соответствующим весу опре­деленного разряда и сни­маемым с узлов резисторного делителя, питаемогоот ИОН. Выходные сигналы КН обрабатываются логи­ческимдешифратором (ДШ), вырабатывающим выходной параллельный кодN_ВЫХ, являющийся циф­ровым эквивалентом вход­ного напряжения U_ВХ.

Подобные АЦП облада­ют самым высоким быстро­действием по сравнению с другими типами АЦП, по­скольку преобразование выполняется за один такт и время преобразования определяется быстродействием компараторов и задержками в логическом ДШ.

Рис.5.13.

Недостаток таких АЦП заключается в том, что с ростом раз­рядности количество требуемых элементов практически удваива­ется (например, для 8-разрядного преобразователя необходимо иметь 255 компараторов, сформировать 255 опорных уровней на­пряжения и иметь соответствующее число логических схем в дешифрато­ре). Все это затрудняет построение многоразрядных АЦП подобного типа. Кроме того, точность преобразования ограничивается точностью и стабильностью отдельных КН и резисторного делите­ля.

 

Расчет дешифратора

2. Расчет синхронного счетчика

3. Расчет цифро-аналогового преобразователя

4. Построение аналого-цифрового преобразователя

Заключение

Список использованных источников

 

Введение

 

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) – устройство, преобразующее аналоговый сигнал в цифровой код. Как правило, АЦП применяется для ввода аналогового сигнала в цифровую ЭВМ. АЦП характеризуется разрядностью (количеством дискретных значений, которые преобразователь может выдать на выходе) и частотой дискретизации (частотой выборки цифровых значений из аналогового сигнала).

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) – устройство, преобразующее цифровой код в аналоговый сигнал. Характеризуется разрядностью (количество различных уровней выходного сигнала, которые ЦАП может воспроизвести) и максимальной частотой дискретизации (максимальной частотой, на которой ЦАП может работать, выдавая на выходе корректный результат).

Дешифратор – устройство, выполняющее преобразование одного цифрового кода в другой. В данной работе дешифратор выполняет преобразование из взвешенного двоично-десятичного кода в код семисегментного преобразователя. В связи с повсеместным использованием ЭВМ, устройства, выполняющие преобразования аналоговых сигналов в цифровые и обратно находят широкое применение.

Целью работы является освоение методов проектирования цифровых устройств с использованием пакета схемотехнического моделирования Micro-CAP.

В ходе данной работы необходимо решить следующие задачи: для взвешенного двоично-десятичного кода с весами 8 -4 -2 1 спроектировать дешифратор из взвешенного двоично-десятичного кода в код семисегментного индикатора, ЦАП взвешивающего типа, АЦП последовательного приближения. В соответствии с вариантом на задание в счетчике АЦП в порядке понижения веса разряда используются следующие типы триггеров: D, T, JK, RS.

Расчет дешифратора

 

Семисегментный индикатор содержит семь сегментов a, b, c, d, e, f, g (рисунок 1).

 

Рисунок 1 – Семисегментный индикатор

 

В соответствии с заданными весами составим таблицу истинности для дешифратора (таблица 1):

 

Таблица 1 – Таблица истинности

A

B

C

D

-4

-2

a

b

c

d

e

f

g

 

Найдем минимизированные выражения для переменных a, b, c, d, e, f, g с помощью карт Карно:

 

a

b

c

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

d

e

f

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

g

X

X

X

X

X

X

 

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

 

Модель дешифратора в пакете Micro-CAP приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Модель дешифратора в пакете Micro-CAP

 

Расчет синхронного счетчика

 

Счетчик используется в АЦП последовательного приближения. В соответствии с заданием в счетчике используются синхронные триггеры с динамической синхронизацией по срезу импульса: D, T, JK, RS. Причем в старшем разряде – D-триггер, в младшем – RS-триггер. В соответствии с заданными весами составим таблицу переходов триггеров счетчика (таблица 2).

Таблица 2 – Таблица переходов

		A	B	C	D
			-4	-2		D	T	JK	RS
									˄
						˄	˄	˄	˅
									˄
								˅	˅
									˄
							˅	˄	˅
									˄
								˅	˅
									˄
						˅			˅

 

В соответствии со словарем триггеров (таблица 3) заполним карты Карно для переменных S, R, J, K, T, D:

цифровой аналоговый преобразователь моделирование

Таблица 3 – Словарь переходов

	S	R	J	K	T	D
		X		X
	X		X
˄				X
˅			X

 

S

R

J

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

K

T

D

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

 

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

 

Модель схемы синхронного счетчика в пакете Micro-CAP представлена на рисунке 3.

 

Рисунок 3 – Модель синхронного счетчика в пакете Micro-CAP

3. Расчет цифро-аналогового преобразователя

 

ЦАП взвешивающего типа работает следующим образом. Каждому биту преобразуемого двоичного кода соответствует резистор или источник тока, подключенный на общую точку суммирования. Сила тока источника (проводимость резистора) пропорциональна весу бита, которому он соответствует. Таким образом, все ненулевые биты кода суммируются с весом. Сопротивления резисторов находятся по формуле:

 

, (14)

 

где – сопротивление резистора, соответствующего i-тому разряду, – сопротивление общего для всех разрядов резистора в цепи обратной связи операционного усилителя, – вес i-того разряда.

Таким образом, для :

Отрицательные веса используют источник опорного напряжения с отрицательным напряжением относительно общей точки. Модель ЦАП взвешивающего типа в пакете Micro-CAP представлена на рисунке 4. Напряжение на выходе ЦАП при последовательном счете показано на рисунке 5.

Рисунок 4 – Модель ЦАП взвешивающего типа в пакете Micro-CAP

 

Рисунок 5 – Выходное напряжение ЦАП

 

⇐ Предыдущая12131415161718192021Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. Delphi. Основные характеристики и терминология
2. I. Основные профессиональные способности людей (Уровень 4)
3. II. ОСНОВНЫЕ ЖАЛОБЫ БОЛЬНОГО
4. II. Основные расчетные величины индивидуального пожарного риска
5. VIII. Основные направления просветительской, популяризаторской и коммуникативной деятельности библиотек
6. XVI. Любой опыт, несовместимый с организацией или структурой самости, может восприниматься как угроза, и чем больше таких восприятий, тем жестче организация структуры самости для самозащиты.
7. XVI. Основные правовые системы современности.
8. А. Жизненный цикл продукта и его основные стадии. Оценка конкурентоспособности продукта
9. А. И. Черевко. Расчет и выбор судовых силовых трансформаторов для полупроводниковых преобразователей. Севмашвтуз, 2007.
10. Авторитарный режим: основные черты и виды
11. АДАПТАЦИИ К ПАРАЗИТИЧЕСКОМУ ОБРАЗУ ЖИЗНИ. ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ
12. Адаптивные организационные структуры