Работа 24. Исследование АЦП и ЦАП

Работа «Исследование АЦП и ЦАП» предназначена для изучения процессов аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразований сигналов.

Она содержит шесть заданий:

1 и 2. Знакомство с осциллограммами сигналов на выходах отдельных ФУ АЦП и ЦАП при использовании 8-разрядного АЦП с логикой последовательного уравновешивания.

3 и 4. Знакомство с осциллограммами сигналов на выходах отдельных ФУ АЦП и ЦАП при использовании 4-разрядного АЦП с логикой поразрядного уравновешивания.

5. Исследование влияния логики уравновешивания и разрядности на формирование образцовых напряжений в АЦП.

6. Исследование влияния антиэлайсингового фильтра на качество передачи аналоговых сигналов.

 

Задание 1

В аналого-цифровом преобразователе (АЦП) выключите антиэлайсинговый ФНЧ (на входе схемы выборки-хранения (СВХ)). Установите разрядность АЦП N = 4, тип логики последовательного уравновешивания «1». Выберите в качестве передаваемого сигнала линейно нарастающее напряжение (№ 2 от источника сигнала) при его длительности 10 мс. Масштаб развертки осциллографа установите 0 – 7, 5 мс (кнопкой «t x 2»). Наблюдайте и зафиксируйте осциллограммы и спектрограммы сигналов в разных точках АЦП в следующем порядке по каналам:

1) передаваемый сигнал на входе АЦП (т.13),

2) на выходе СВХ (т.15),

3) на выходе ЦАП («#/^») при N = 4 (т.16),

4) на выходе ЦАП («#/^») при N = 8 (т.16).

 

Комментарии и выводы

Работа АЦП с последовательной логикой уравновешивания протекает следующим образом:

1) Преобразуемое аналоговое напряжение подвергается дискретизации в схеме выборки-хранения (СВХ) для хранения отсчетов u_i в течении цикла преобразования (периода цикловых импульсов (ЦИ)).

2) Компаратор сравнивает эти отсчеты с напряжением от генератора образцовых напряжений (ГОН) u_ГОН.

3) В качестве ГОН используется цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) на вход которого подается последовательность нарастающих двоичных чисел от счетчика тактовых импульсов (ТИ) в схеме логики последовательного уравновешивания. Эта последовательность чисел с помощью ЦАП преобразуется в ступенчато нарастающее образцовое напряжение u_ГОН, начинающееся с нижней границы диапазона преобразования АЦП.

Работа счетчика и рост u_ГОН продолжаются пока u_ГОН < u_i. Как только u_ГОН превысит u_i, сменится состояние компаратора из «0» в «1», что приведет к прекращению счета ТИ в счетчике и, соответственно, к прекращению дальнейшего роста u_ГОН. При этом последнее состояние счетчика можно трактовать как цифровое значение отсчета u_i. Зафиксированный в счетчике код переводится из натурального в дополнительный, запоминается в регистре схемы логики и в следующем цикле выводится в последовательном формате на выход АЦП.

Нетрудно сообразить, что частота следования ТИ должна в 2^N раз превышать частоту ЦИ (N – разрядность АЦП), а шаг квантования в 2^N раз меньше диапазона преобразования АЦП. По этой причине АЦП с последовательной логикой уравновешивания являются самыми медленными. Кроме того имеет место задержка в передаче цифрового отсчета на длительность цикла преобразования.

 

Задание 2

В продолжение задания 1 наблюдайте и зафиксируйте осциллограммы и спектрограммы сигналов в разных точках АЦП в следующем порядке по каналам:

1) на выходе компаратора «= =» (т.17),

2) на выходе АЦП (в дополнительном

коде последовательного формата) (т.18),

3) на выходе ЦАП (т.20),

4) на выходе сглаживающего ФНЧ (т.21).

 

Комментарии и выводы

При использовании в АЦП логики последовательного уравновешивания напряжение на выходе компаратора («= =») в каждом цикле преобразования имеет вид импульса, длительность которого оказывается пропорциональной величине отсчета входного сигнала u_i.

Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) работает следующим образом.

1) Поступающий на его вход код цифрового отсчета с помощью регистра сдвига преобразуется из последовательного формата в параллельный.

2) Управляемый этим кодом делитель эталонного напряжения в виде декодирующей сетки резисторов типа «R-2R» формирует на своем выходе напряжение с уровнем пропорциональным значению кода, т.е. квантованному значению u_i. Таким образом это выходное напряжение приобретает ступенчатую форму цифрового сигнала с 2^N возможными уровнями значений.

3) Окончательное превращение цифрового сигнала в аналоговый достигается с помощью сглаживающего идеального ФНЧ с шириной полосы пропускания в два раза меньше частоты следования цикловых импульсов (частоты дискретизации).

 

Задание 3

В аналого-цифровом преобразователе (АЦП) выключите антиэлайсинговый ФНЧ (на входе схемы выборки-хранения (СВХ)). Установите разрядность АЦП N = 5, тип логики поразрядного уравновешивания «2». Выберите в качестве передаваемого сигнала линейно убывающее напряжение (№ 3 от источника сигнала) при его длительности 10 мс. Масштаб развертки осциллографа установите 0 – 7, 5 мс (кнопкой «t x 2»).

Наблюдайте и зафиксируйте осциллограммы и спектрограммы сигналов в разных точках АЦП в следующем порядке по каналам:

1) передаваемый сигнал на входе АЦП (т.13),

2) на выходе СВХ (т.15),

3) на выходе ЦАП («#/^») при N = 5 (т.16),

4) на выходе ЦАП («#/^») при N = 8 (т.16).

 

Комментарии и выводы

Работа АЦП с поразрядной логикой уравновешивания протекает следующим образом:

1) Преобразуемое аналоговое напряжение подвергается дискретизации в схеме выборки-хранения (СВХ) для хранения отсчетов u_i в течении цикла преобразования (периода цикловых импульсов (ЦИ)).

2) Компаратор сравнивает эти отсчеты с напряжением от генератора образцовых напряжений (ГОН) u_ГОН.

3) В качестве ГОН используется цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) на вход которого подается последовательность кодов от схемы логики поразрядного уравновешивания. Эти коды с помощью ЦАП преобразуются в ступенчатое образцовое напряжение u_ГОН, начинающееся со среднего значения диапазона преобразования АЦП Δ.

На первом такте по реакции компаратора определяется, в какой половине Δ лежит отсчет u_i. Если u_i > u_ГОН, то отсчёт в верхней половине Δ и старший разряд двоичного числового эквивалента отсчета равен 1, иначе – в нижней половине Δ и старший разряд – 0. Для второго такта устанавливается образцовое напряжение, соответствующее середине выявленной половины диапазона (0, 75Δ при u_i > u_ГОН и 0, 25Δ при u_i < u_ГОН).

На каждом последующем такте эта процедура повторяется, и определяются шаг за шагом все N разрядов цифрового значения отсчета u_i, начиная со старшего. Получаемые значения разрядов цифрового отсчета можно сразу выводить на выход АЦП без дополнительной задержки на длительность цикла преобразования, как это имеет место при использовании логики последовательного уравновешивания.

Нетрудно сообразить, что частота следования ТИ должна в N раз превышать частоту ЦИ (N – разрядность АЦП), а шаг квантования в 2^N раз меньше диапазона преобразования АЦП. По этой причине поразрядная логика уравновешивания в 2^N / N раз быстрее последовательной.

 

Задание 4

В продолжение задания 3 наблюдайте и зафиксируйте осциллограммы и спектрограммы сигналов в разных точках АЦП в следующем порядке по каналам:

1) на выходе компаратора «= =» (т.17),

2) на выходе АЦП (в дополнительном

коде последовательного формата) (т.18),

3) на выходе ЦАП (т.20),

4) на выходе сглаживающего ФНЧ (т.21).

 

Комментарии и выводы

При использовании в АЦП логики поразрядного уравновешивания напряжение на выходе компаратора («= =») в каждом цикле преобразования имеет вид ступенек, величина которых такт за тактом уменьшается в два раза, а их значения приближаются к величине отсчета входного сигнала u_i.

Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) работает следующим образом:

1) Поступающий на его вход код цифрового отсчета с помощью регистра сдвига преобразуется из последовательного формата в параллельный.

2) Управляемый этим кодом делитель эталонного напряжения в виде декодирующей сетки резисторов типа «R-2R» формирует на своем выходе напряжение с уровнем пропорциональным значению кода, т.е. квантованному значению u_i. Таким образом это выходное напряжение приобретает ступенчатую форму цифрового сигнала с 2^N возможными уровнями значений.

3) Окончательное превращение цифрового сигнала в аналоговый достигается с помощью сглаживающего идеального ФНЧ с шириной полосы пропускания в два раза меньше частоты следования цикловых импульсов (частоты дискретизации).

 

Задание 5

Исследуйте влияние разрядности N и логики уравновешивания АЦП на формирование образцовых напряжений на выходе ЦАП («#/^»). Для этого выберите в качестве передаваемого сигнала постоянное напряжение +0, 67В (№1 от источника сигнала). Масштаб развертки осциллографа установите 0 – 1, 25мс (кнопкой «t»).

Наблюдайте и зафиксируйте осциллограммы и спектрограммы сигналов в разных точках АЦП в следующем порядке по каналам:

при последовательном уравновешивании «1»:

1) на выходе ЦАП («#/^») при N = 4 (т.16),

2) на выходе ЦАП («#/^») при N = 8 (т.16).

при поразрядном уравновешивании «2»:

3) на выходе ЦАП («#/^») при N = 4 (т.16),

4) на выходе ЦАП («#/^») при N = 8 (т.16).

 

Комментарии и выводы

Принципы работы АЦП с последовательной и поразрядной логиками уравновешивания и ЦАП изложены в комментариях по заданиям 1 – 2 и 3 – 4 данной работы.

 

Задание 6

Исследуйте влияние антиэлайсингового ФНЧ на точность передачи аналоговых сигналов по цифровому каналу. Для этого установите разрядность АЦП N = 8, тип логики параллельного уравновешивания «3». Выберите в качестве передаваемого сигнала треугольный импульс (№ 4 от источника сигнала) при его длительности 10 мс. Масштаб развертки осциллографа установите 0 – 7, 5 мс (кнопкой «t x 2»).

Наблюдайте и зафиксируйте осциллограммы и спектрограммы сигналов в разных точках СПНС в следующем порядке по каналам:

1) на выходе сглаживающего ФНЧ при

выключении антиэлайсингового ФНЧ (т.21),

2) на выходе сглаживающего ФНЧ при

включении антиэлайсингового ФНЧ (т.21).

======================================

После смены треугольного импульса на

колокольный (сигнал № 5):

3) на выходе сглаживающего ФНЧ при

выключении антиэлайсингового ФНЧ (т.21),

4) на выходе сглаживающего ФНЧ при

включении антиэлайсингового ФНЧ (т.21).

 

Комментарии и выводы

Работа АЦП с логикой параллельного уравновешивания протекает следующим образом:

1) Преобразуемое аналоговое напряжение в начале каждого цикла преобразования (периода цикловых импульсов (ЦИ)) сравнивается в 2^N компараторах с 2^N уровнями образцовых напряжений, равномерно распределенных в диапазоне преобразования АЦП.

2) В зависимости от состояний компараторов вырабатывается код цифрового отсчета.

Нетрудно сообразить, что такое преобразование происходит практически мгновенно (за время срабатывания компараторов и логической схемы обработки их состояний). По этой причине АЦП с логикой параллельного уравновешивания являются самыми быстрыми, но и самыми дорогими. По этой же причине использование СВХ для хранения отсчетов сигнала на время их преобразования в цифру теряет смысл.

В процессе цифро-аналогового преобразования осуществляется дискретизация сигнала с частотой следования цикловых импульсов F_ЦИ. В соответствии с теоремой отсчетов (Котельникова) для сохранения возможности точного восстановления сигнала по его отсчетам необходимо выполнение условия F_ЦИ > 2F_В (F_В – максимальная частота спектральных составляющих аналогового сигнала). В противном случае в обогащенном спектре дискретизированного сигнала происходит наложение (элайсинг) повторяющихся «спектральных лепестков», приводящее к искажениям при последующем восстановлении непрерывного сигнала. Для предотвращения этих искажений на входе дискретизатора (СВХ или непосредственно компаратора) искусственно ограничивают ширину спектра аналогового сигнала, включая антиэлайсинговый ФНЧ с шириной полосы пропускания в два раза меньше частоты следования цикловых импульсов (ЦИ).

 

Последующие четыре работы (№№ 25 – 28) посвящены исследованию процессов формирования сигналов с разными видами цифровой модуляции и прохождения модулированных колебаний по каналам с ограниченной полосой пропускания. Они выполняются с использованием лабораторного стола №4, представленного на рис. 45. Входящий в передающую часть СПДС модулятор можно выбирать из списка раскрытых пунктов меню «Параметры СПДС» / «Модулятор» / «Вид модуляции» (рис. 46). Всего имеется шесть вариантов цифровых модуля
торов для формирования сигналов с фазовой (ФМ) и относительной фазовой (ОФМ) модуляциями (рис. 47), с четырехфазной ФМ (ФМ-4 или QPSK) (рис. 48), с четырехфазной ФМ со сдвигом (ФМ-4 со сдвигом или OQPSK) (рис. 49), с 16-фазной ФМ (ФМ-16) (рис. 50), с квадратурной амплитудной модуляцией 4-КАМ (QASK) (рис. 51) и с квадратурной амплитудной модуляцией КАМ-16 (SPM) (рис. 45). Модулированные сигналы про ходят через фазовращатель «φ » с регулируемым (регулятор «Фаза»)
фазовым сдвигом и полосовой фильтр «ПФ» с регулируемой шириной полосы пропускания (регулятор «Полоса») в диапазоне от 0, 2/T до 3/Т, где Т – длительность двоичного сигнала.

Имеется возможность добавлять к модулированному сигналу шум (опция «Добавить шум к сигналу»в меню «Параметры СПДС») с регулировкой отношения с/ш движковым регулятором «с/ш» (рис. 45).

С помощью меню «Приборы» можно заменять анализатор спектра и ИЧХ вектороскопом для показа сигнальных созвездий или векторных диаграмм сигналов на выходах модуляторов.

Предусмотрена возможность демонстрации разбиения пространства принимаемых сигналов на области принятия решения в демодуляторе (активизацией опции «Показать разбиение пространства сигналов» в меню «Параметры СПДС»).

Опция «Модулятор / Односигнальный режим» в меню «Параметры СПДС» позволяет в качестве источника сообщении выбрать источник битов (рис. 52), формирующий повторяющиеся дибиты или квадбиты, значения которых определяются полями «xy» или «xyzw» в зависимости от положения переключателя «Дибит» – «Квадбит». При установленном флажке «Автозапуск» каждое нажатие кнопки инкремента «+1» приводит к автозапуску развертки текущего или последующего измерительного канала в зависимости от установки (сброса) флажка «Память».

 

⇐ Предыдущая17181920212223242526Следующая ⇒

Поделиться: