11321

Аналого-цифровые преобразователи

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Занятие 10 Аналогоцифровые преобразователи Учебные и воспитательные цели: 1. Изучить принципы построения цифроаналоговых и аналогоцифровых преобразователей. 2. Воспитывать инженерное мышление. План лекции №№ п/п У

Русский

2013-04-07

125.5 KB

22 чел.

Занятие 10 Аналого-цифровые преобразователи

Учебные и воспитательные цели:

1. Изучить принципы построения цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей.

2. Воспитывать инженерное мышление.

План   лекции

№№

п/п

Учебные  вопросы

Время

   1. 5 МИН. |

   2.

  3.

ВВОДНАЯ   ЧАСТЬ

ОСНОВНАЯ   ЧАСТЬ

1.Общие сведения о цифровой обработке аналоговых сигналов.

2.Цифро-аналоговые преобразо ватели.

3.Аналого-цифровые преобразователи

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ     ЧАСТЬ

5 мин

80 мин.

15 мин.

25 мин.

30 мин.

5 мин

Материальное обеспечение:

1.Слайды "АЦП".

Литература:

1. Калабеков Б.А. Цифровые устройства и микропроцессорные   системы. – М.Горячая линия – Телеком, 2000г., с.156-172.

 


ВВОДНАЯ   ЧАСТЬ

Большинство преобразователей сообщения в сигнал имеют на выходе электрический сигнал аналоговой формы, представляющий собой непрерывную функцию времени. В качестве примера можно назвать речевой сигнал в телефонии и радиосвязи, телевизионный сигнал и др. Передача и обработка таких сигналов осуществляется, как правило, в аналоговой форме. Однако в последнее время всё более широкое распространение получают цифровые системы передачи, которые обеспечивают более высокую помехоустойчивость, а также позволяют использовать последние достижения микроэлектроники. Для передачи аналоговых сигналов по цифровым каналам, прежде всего, необходимо преобразовать сигналы из аналоговой формы в цифровую. Устройства, обеспечивающие такое преобразование, называют аналого-цифровыми преобразователями (АЦП). В месте приема необходимо обратное преобразование сигналов из цифровой формы в аналоговую, которое выполняется цифро-аналоговыми преобразователями (ЦАП). Рассмотрим общие сведения о цифровой обработке сигналов.

ОСНОВНАЯ   ЧАСТЬ

1. Общие сведения о цифровой обработке аналоговых

сигналов

В процессе преобразования сигналов из аналоговой формы в цифровую можно выделить следующие операции:

- дискретизацию;

- квантование;

- кодирование.

Процесс дискретизации заключается в том, что из непрерывного во времени сигнала выбираются отдельные его значения, которые следуют через определенный интервал времени Т, называемым интервалом дискретизации. Согласно теореме Котельникова, если сигнал имеет ограниченный спектр, т.е. в его составе нет спектральных составляющих с частотами выше частоты Fmax, то для восстановления аналогового сигнала из последовательности его дискретных значений интервал дискретизации должен удовлетворять условию Т<1 /2Fmax.

Сущность процесса квантования состоит в следующем. Создается сетка так называемых уровней квантования, смещенных друг относительно друга на величину, называемую шагом квантования. Каждому уровню квантования присваивается свой номер (0, 1, 2, 3, . . .). Полученные в результате дискретизации отсчеты заменяются ближайшим к ним уровнем квантования. Так на рис.1 отсчет в момент t0 заменяется ближайшим к нему уровнем 3, а взятый в момент t1 отсчет - ближайшим к нему уровнем квантования с номером 6 и т.д.

Очевидно, процесс квантования вносит погрешность в представлении значения сигнала. Однако выбором достаточно малого шага квантования эту погрешность можно снизить до допустимых значений. Таким образом, последовательность отсчетов сигнала в процессе квантования преобразуется в последовательность соответствующих чисел - номеров уровней квантования. Для представленного на рис.1 сигнала эта последовательность чисел: 3,6,7,4,2,1,3,6.

Следующая операция аналого-цифрового преобразования сигналов кодирование. Смысл её состоит в следующем. Квантованные напряжения отсчетов позволяют представить эти значения числами в двоичном коде. Последовательность чисел в двоичном коде образует цифровой сигнал.

2. Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП)

ЦАП называют устройство, преобразующее двоичную кодовую комбинацию в напряжение, пропорциональное числовому значению комбинации.

Для построения ЦАП могут использоваться различные принципы, суть которых сводится к формированию напряжений или токов, пропорциональных значениям коэффициентов двоичного кода с последующим их суммированием.

Принцип построения ЦАП рассмотрим на конкретном примере. Пусть необходимо преобразовать четырехразрядную кодовую комбинацию в аналоговый сигнал, изменяющийся в интервале  0 - 3В.

Составим таблицу истинности такого ЦАП (табл.1).

Схема устройства реализующего преобразование, заданное табл. 1, приведена на рис.2

Схема содержит:

Е=3в - высокостабильный источник опорного напряжения с эдс равной 3в. Стабильность данного источника определяет точность работы всей схемы. Резисторы R1, R2, R3, R4 (резистивная матрица) - набор резисторов для формирования напряжений, пропорциональных весовым коэффициентам на цифровых входах. Резистивная матрица образована резисторами с номиналами 150к, 75к, 37.5к  и 18.75к..

АК - аналоговые ключи для выполнения коммутаций в схеме; Аналоговые ключи - довольно сложные переключатели, каждый из которых собран на нескольких транзисторах. Такой переключатель имеет малое сопротивление во включенном состоянии (Rвкл) и большое в выключенном (Rвыкл). Отношение сопротивления в выключенном состоянии к сопротивлению во включенном состоянии должно быть не менее Rвыкл/Rвкл > 104 . Аналоговые ключи представлены переключателями, причем предполагается, что если в разряде кодовой комбинации 1, то соответствующий переключатель замкнут, а если 0 - разомкнут.

Для формирования аналогового выходного сигнала используется суммирующий усилитель, выполненный на операционном усилителе с отрицательной обратной связью за счет сопротивления резистора R5=10к. Известно, что коэффициент усиления такого усилителя определяется величиной отношения сопротивления обратной связи к сопротивлению, подключенному к входу ОУ.

Легко показать, что данная схема функционирует в соответствии с табл. 1.

При нулевой комбинации A=B=C=D=0 все переключатели разомкнуты Uвх = 0 и Uвых = 0.

При подаче на АК комбинации А=В=С=0, D=1 к входу ОУ подключается источник E=3B через резистор 150к. Тогда

Uвых = Е • К = 3  =  0,2 В,

При подаче на АК следующей комбинации A=B=D=0, C=l источник опорного напряжения подключается к входу ОУ через резистор 75к. Тогда

Uвых = Е • К = 3  = 0,4 В

При подаче на АК комбинации А=В=0, C=D=1 источник опорного напряжения подключается к входу через два резистора 150 и 75к, причем их эквивалентное сопротивление

Rэкв =  = 50к ,

тогда

Uвых = Е • К = 3  = 0,6 В.

Рассмотренная схема наглядно демонстрирует принцип построения ЦАП, но на практике широкого применения не находит в силу больших трудностей, возникающих при изготовлении в микроэлектронном исполнении резистивной матрицы. Как видно из схемы 4-х разрядного ЦАП сопротивления крайних резисторов матрицы отличаются в 23 = 8 раз. На практике используются 10-разрядные ЦАП и более. Тогда крайние резисторы матрицы будут отличаться в 210, т.е. более чем в 1000 раз. Изготовление с достаточно большой точностью 10 резисторов с различными номиналами в столь широком диапазоне представляет трудную  задачу. Поэтому на практике применяют резистивную матрицу лестничного типа R - 2R. Именно так построен 10 разрядный ЦАП К572ПА1, у которого на одном кристалле выполнены только аналоговые ключи и резистивная матрица. Для построения ЦАП к данной ИМС необходимо подключить источник опорного напряжения и операционный усилитель.

3. Аналого-цифровой преобразователь

В настоящее время разработаны и находят применение АЦП, реализующие различные принципы преобразования аналогового сигнала в код. В качестве примера рассмотрим АЦП с последовательным единичным приближением. Структурная схема простейшего АЦП приведена на рис.3.

Схема содержит следующие элементы: компаратор, генератор импульсов Г, логическую схему И на 3 входа, ЦАП, счетчик импульсов. В данной схеме новым элементом является только компаратор.

Компаратором напряжения называют устройство сравнения двух напряжений,  вырабатывающее в зависимости от их соотношения сигнал 0 или 1 на выходе. Это устройство с двумя входами и одним выходом. На один из входов подается напряжение с выхода ЦАП, а на другой - Uвх с устройства выборки и хранения (УВХ). Устройство выборки и хранения обеспечивает выборку мгновенного значения входного сигнала и хранение его заданное время с требуемой точностью. Компаратор должен произвести сравнение Uвх с Uцaп  и в соответствии с результатом сравнения установить выходное напряжение. Если   Uвх Uцaп, то  Uвых =0,  и если  Uвх  Uцaп,  то  Uвых=1.

В исходном состоянии все разряды счетчика устанавливаются в нулевое состояние 0000. В соответствии с этим напряжение на выходе ЦАП будет равно 0. Это напряжение подается на первый вход компаратора. На второй вход подается  напряжение сигнала с УВХ. Для простоты предположим, что преобразованию подвергается напряжение положительной полярности. Если Uцaп = 0, то выполняется условие Uвx > Uцaп и компаратор вырабатывает на выходе сигнал "1". Генератор импульсов непрерывно вырабатывает импульсы, которые подводятся ко второму входу схемы И, однако через неё на счетчик не проходят, пока на третий вход не поступит сигнал 1 - пуск, следующий с частотой дискретизации.

Работа преобразователя начинается с поступления сигнала "пуск". При этом импульсы с выходами генератора поступают через схему И на вход счетчика, который подсчитывает их число, в результате чего цифровой код счетчика последовательно увеличивается на единицу после поступления очередного импульса. ЦАП преобразует цифровой код счетчика в соответствующее ему аналоговое напряжение, в результате чего выходное напряжение Uцап нарастает единичными скачкообразными приращениями так, как это показано на рис. 4.

В процессе своего нарастания Uцап должно превзойти входное напряжение в результате чего будет выполнено условие Uцап > Uвx. Как только это произойдет, компаратор изменит свое состояние и его выходное напряжение перейдет из 1 в 0, что приведет к отключению генератора импульсов от счетчика.

Установившийся на счетчике код представляет собой цифровой эквивалент аналогового входного сигнала Uвx т.к. в момент срабатывания компаратора (переход из 1 в 0) имеет место соотношение Uцап = Uвx. Фактически Uцaп несколько больше Uвx, но лишь на величину, не превышающую шага квантования. Поскольку при числе разрядов 10-12 шаг квантования достаточно мал, ошибка преобразования также невелика.

После считывания полученного кода для осуществления нового цикла преобразования необходимо перевести счетчик в нулевое состояние и тогда с подачей сигнала 1 на вход пуск начинается новый цикл преобразования.

Таким образом, анализ принципа работы преобразователя показывает, что преобразование входного аналогового сигнала в цифровую форму достигается путем приближения от нулевого значения единичными скачками, равными выбранному шагу квантования. Минимальный шаг квантования, как уже отмечалось, определяется числом разрядов счетчика и ЦАП и равен

Uвх max – Uвx min/2n ,

где n – число разрядов.

В данном выражении Uвх maxUвx min  максимально допустимый диапазон изменения входных напряжений, Ввиду того, что точность компаратора и ЦАП ограничена, шаг квантования нецелесообразно выбирать очень малым. Учитывая, что максимально допустимый диапазон изменения входного сигнала чаще всего ограничивается величиной 5В, то число разрядов целесообразно выбирать равным 12.

В качестве примера АЦП, выполненного в виде полупроводниковой БИС можно указать К1113ПВ1. Микросхема осуществляет 10 разрядное аналого-цифровое преобразование однополярного или биполярного входного сигнала с представлением результатов преобразования в параллельном двоичном коде. АЦП рассчитан на номинальное напряжение 10В в режиме униполярного сигнала и ±5В в режиме биполярного сигнала. Микросхема требует два питающих напряжения +5В и -15В. Уровни выходных сигналов 0,4 и  4В.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ    ЧАСТЬ

В ходе данной лекции рассмотрены принципы построения простейшего ЦАП и АЦП с последовательным единичным приближением. Это не единственно возможные варианты построения таких преобразователей. В измерительной аппаратуре, когда требуется высокая точность, находят применение АЦП с двойным интегрированием. Для сокращения времени преобразования используются преобразователи с последовательным двоичным приближением, а также АЦП параллельного типа.

Задание на самостоятельную работу

  1.  Изучить материал по учебнику [1] стр.156-172.
  2.  Вычертить схему параллельного АЦП.

Доцент кафедры №9                        Б.Степанов

Рецензент    полковник                    Г.Журбин

Рис. 1

7

6

5

4

3

2

1

0

t5

t41

t3

t2

t1

t9

t8

t7

t6

t

U

Цифровой сигнал

Аналого-вый

Сигнал В

A

В

C

D

0

0

0

0

0

0

0

0

1

1

1

1

1

1

1

1

0

0

0

0

1

1

1

1

0

0

0

0

1

1

1

1

0

0

1

1

0

0

1

1

0

0

1

1

0

0

1

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

2.2

2.4

2.6

2.8

3.0

Таблица 1

Е=3в

R4=18,75к

R1=150к

R2=75к

R3=37,5к

+

АК

Uвых

ОУ

_

Рис. 2

R5=10к

D

С

В

А

UЦАП

 Компаратор

   &

ГИ

Пуск

        ЦАП

     Счетчик

  В Ы Х О Д Ы

UВХ

Рис. 3

t

t

t

0

0

0

UПУСК

UГИ

UВХ

UЦАП

Рис. 4


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

68653. Разработка математической модели оценки платежеспособности корпоративного заемщика 1.71 MB
  Обзор основных моделей которые применятся в банках для анализа кредитоспособности платежеспособности потенциальных заемщиков. Контрольный пример использования математического аппарата в разработки методики анализа кредитоспособности заемщика. Перечень графических материалов...
68655. Разработка технологии создания учебного пособия и проверкаэффективность в реальном творческом проекте 1.05 MB
  Цель данного дипломного проекта – разработать технологию создания учебного пособия и проверить ее эффективность в реальном творческом проекте. Реализация данной цели требует содержательного и методического решения следующих задач: изучить историю и теорию Web-дизайна разработать концептуальную модель учебника...
68656. Конструкторско-технологическая часть проекта упаковки для пищевой промышленности 2.47 MB
  В современной жизни упаковка прочно вошла в наш быт, и сопровождает человека на всех стадиях его деятельности. По состоянию развития упаковочной индустрии стали судить об экономическом и техническом уровне той или иной страны. Наиболее развитые страны вкладывают значительные средства в эту сферу.
68659. Расчет показателей надежности и безопасности АЭУ Запорожской АЭС 3.96 MB
  Площадка Запорожской АЭС проектной мощностью 6000 МВт расположена в Каменско-Днепровском районе Запорожской области вблизи действующей Запорожской ГРЭС. Электростанция предназначена для снабжения электроэнергией южных районов Украины и входит в Объединенную энергосистему Юга.