17525

Реалізація аналого-цифрового перетворювача

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Тема: Реалізація аналогоцифрового перетворювача. Мета: Ознайомлення з принципом роботи аналогоцифрових перетворювачів порозрядного зрівноваження. Завдання: Виміряти значення напруги на виході потенціометра з допомогою АЦП реалізованого на базі ЦАП згідно ва...

Украинкский

2013-07-01

537.99 KB

11 чел.

Тема: Реалізація аналого-цифрового перетворювача.

Мета: Ознайомлення з принципом роботи аналого-цифрових перетворювачів порозрядного зрівноваження.

Завдання:

Виміряти значення напруги на виході потенціометра з допомогою АЦП реалізованого на базі ЦАП згідно варіанту та відобразити виміряне значення на рідкокристалічному дисплеї;

Номер варіанту: 20

Тип ЦАП: MCP4725

Теоретичні відомості

Аналого-цифрове перетворення використовується для обробки, зберігання або передачі аналогових сигнал в цифровій формі. Наприклад швидкі відео АЦП використовуються, наприклад, в ТБ тюнерах. Повільні вбудовані 8, 10, 12, або 16 бітові АЦП часто входять до складу мікроконтролерів.

Основні типи електронних АЦП:

АЦП прямого перетворення або паралельний АЦП містить один компаратор на кожен дискретний рівень вхідного сигналу. У будь-який момент часу тільки ті компаратори, які відповідають рівням нижчим за рівень вхідного сигналу, видадуть на своєму виході сигнал перевищення. Сигнали всіх компараторів поступають на логічну схему яка видає цифровий код, залежний від того, скільки компараторів показали перевищення. Паралельні АЦП забезпечують найменший час перетворення, але зазвичай мають роздільну здатність не більше ніж 8 біт, оскільки, мають велику кількість компараторів, кожен з яких повинен мати метрологічні та динамічні параметри узгоджені зі всіма решта. Такі АЦП часто використовуються для опрацювання відео або інших високочастотних сигналів. Приклад схеми паралельного АЦП на 3 розряди представлено на рис.1.

АЦП послідовного наближення або АЦП з порозрядним зрівноваженням містить компаратор, допоміжний ЦАП і регістр послідовного наближення. АЦП забезпечує перетворення вхідного аналогового сигналу в цифровій за N кроків, де N — розрядність АЦП. На кожному кроці визначається по одному біту шуканого цифрового коду, починаючи від старшого значущого розряду і закінчуючи молодшим. При визначенні кожного біту виконується наступна послідовність дій:

  • на допоміжному ЦАП виставляється аналогове значення, утворене з бітів, вже визначених на попередніх кроках, біт, який визначається на даному кроці, встановлюється в 1, а всі молодші біти скинуті в 0;
  •  отримане на допоміжному ЦАП значення порівнюється з вхідним аналоговим значенням;
  • якщо компаратор не спрацював (значення вхідного сигналу більше значення на допоміжному ЦАП), то біт, який визначається на даному кроці, отримує значення 1, інакше 0.

АЦП цього типу забезпечують одночасно відносно високу швидкістю і велику роздільну здатність. Для усунення впливу зміни вхідної напруги за час перетворення на результат аналого-цифрового перетворення на вході таких АЦП встановлюють пристрій вибірки-зберігання. Приклад схеми АЦП порозрядного зрівноваження та діаграма роботи представлені на рис. 2 та рис.3 відповідно.

Рис.1 – Структурна схема паралельного АЦП

Рис.2 – Структурна схема АЦП порозрядного зрівноваження

Рис.3 – Діаграма роботи АЦП порозрядного зрівноваження

АЦП диференціального кодування (англ. delta-encoded ADC) містять реверсивний лічильник, код з якого поступає на допоміжний ЦАП. Вхідний сигнал і сигнал з допоміжного ЦАП порівнюються на компараторі. Завдяки від’ємному зворотному зв’язку з компаратора на лічильник код на лічильнику постійно міняється так, щоб сигнал з допоміжного ЦАП мінімально відрізнявся від вхідного сигналу. Після деякого часу різниця сигналів стає менше, ніж МЗР, при цьому код лічильника прочитується як вихідний цифровий сигнал АЦП. АЦП цього типу мають дуже великий діапазон вхідного сигналу і високу розрядність, але час перетворення залежить від вхідного сигналу, хоч і є обмеженим зверху. У найгіршому випадку час перетворення рівний Tmax=(2q) / fс, де q — розрядність АЦП, fс — частота тактового генератора лічильника. АЦП диференціального кодування зазвичай вибирають для аналого-цифрового перетворення одноканальних систем, оскільки більшість сигналів у фізичних системах не схильні до стрибкподібних змін. У деяких АЦП використовується комбінований підхід: диференційне кодування і послідовне наближення; це особливо добре працює у випадках, коли відомо, що високочастотні компоненти в сигналі відносно невеликі.

АЦП порівняння з пилоподібним сигналом містять генератор пилоподібної напруги, компаратор і лічильник часу. Пилоподібний сигнал лінійно наростає до деякого рівня, потім швидко спадає до нуля. У момент початку наростання запускається лічильник часу. Коли пилоподібний сигнал досягає рівня вхідного сигналу, компаратор спрацьовує і зупиняє лічильник; значення прочитується з лічильника і подається на вихід АЦП. Даний тип АЦП є найпростішим по структурі і містить мінімальне число компонентів. Одночасно такі АЦП мають досить низьку точність і є чутливими до температури і інших зовнішніх параметрів. Для збільшення точності генератор пилоподібного сигналу може бути побудований на основі лічильника і допоміжного ЦАП, проте така структура не має ніяких переваг в порівнянні з АЦП послідовного наближення і АЦП диференціального кодування.

АЦП зі зрівноваженням заряду (до них відносяться АЦП двотактного інтегрування, АЦП багатотактного інтегрування і деякі інші) містять генератор стабільного струму, компаратор, інтегратор струму, тактовий генератор і лічильник. Перетворення відбувається в два етапи (двотактне інтегрування). На першому такта значення вхідного сигналу перетвориться в струм, який подається на інтегратор струму (заряд інтегратора спочатку рівний нулю); цей процес триває протягом часу TN, де T — період тактового генератора, N — константа (велике ціле число, визначає час накопичення заряду). Коли накопичення заряду закінчене, вхід інтегратора відключається від вхідного сигналу і підключається до генератора стабільного струму. Полярність генератора така, що він зменшує заряд, накопичений в інтеграторі. Процес розряду триває до тих пір, поки заряд в інтеграторі не зменшиться до нуля. Час розряду вимірюється шляхом підрахунку тактових імпульсів від моменту початку розряду до досягнення нульового заряду на інтеграторі. Порахована кількість тактових імпульсів і буде вихідним кодом АЦП. Кількість імпульсів n, підрахована за час розряду, дорівнює:

n=UвхN(RI0)-1,

де Uвх — вхідна напруга АЦП, N — число імпульсів, етапу накопичення (визначено вище), R — опір резистора, що перетворює вхідну напругу в струм, I0 — струм генератора стабільного струму. Таким чином, потенційно нестабільні параметри системи (перш за все, ємність конденсатора інтегратора) не входять в результуючий вираз. Це є наслідком двохстадійності процесу: похибки, введені на першому і другому етапах взаємно віднімаються. Такі АЦП не вимагають жорстких вимог навіть до довготривалої стабільності тактового генератора і напруги зміщення компаратора. Фактично, принцип двотактного інтегрування дозволяє перетворити відношення двох аналогових величин (вхідного і зразкового струму) у відношення числових кодів (n і N) практично без внесення додаткових похибок. Типова розрядність АЦП цього типу складає від 14 до 18 двійкових розрядів. Додатковою перевагою таких АЦП є можливість побудови перетворювачів, нечутливих до періодичних завад завдяки точній інтеграції вхідного сигналу за фіксований часовий інтервал. Недоліком даного типа АЦП є низька швидкість перетворення. АЦП з урівноваженням заряду використовуються у вимірювальних приладах високої точності.

Конвейерні АЦП використовують два або більше кроки-піддіапазони. На першому кроці проводиться грубе перетворення (з низькою розрядністю). Далі визначається різниця між вхідним сигналом і аналоговим сигналом, відповідним результату грубого перетворення (з допоміжного ЦАП, на який подається грубий код). На другому кроці знайдена різниця піддається перетворенню, і отриманий код об'єднується з грубим кодом для набуття повного вихідного цифрового значення. АЦП цього типу швидкі, мають високу розрядність і порівняно невеликий розмір кристалу. Структурну схему конвеєрного АЦП представлено на рис.4.

Рис.4 – Структурна схема конвеєрного АЦП

Схема

Програма

Файл main.c

#include <REGX52.H>

#include <stdio.h>

#include "iic_mast.h"

sbit comparator_out=P0^5;

bit comparator_off;

#define DAC_bits 8

#define Uref 5

float u;

unsigned char volt_pos;

void delay(unsigned int n);

/*-----------------------------------*/

#include "lcd.h"

/*-----------------------------------*/

void main(void)

{

unsigned char tt,n,nt;

sda=1;

scl=1;

write(0x58,0,0);

delay(2);

comparator_off=comparator_out;

init_LCD();

printf("\nLab N3 Example ");

volt_pos=print_ram_adres_lcd;

while(1)

 {

 n=0;

 nt=0;

 for(tt=0;tt<DAC_bits;tt++)

   {

n=1<<(DAC_bits-tt);

nt=nt|n;

   write(0x58,0,nt);

   delay(3);

if(comparator_out!=comparator_off)nt=nt&(~n);

   }

 u=(float)Uref/(1<<DAC_bits)*nt;

 print_ram_adres_lcd = volt_pos;

 printf("N=%bX U=%.3f",nt,u);

 }

}

/*-----------------------------------*/

void delay(unsigned int n)

{

unsigned int i,j;

for(i=0;i<n;i++)

 for(j=0;j<500;j++);

}

/*-----------------------------------*/

Файл iic_mast.h

#include<intrins.h>

/*--------------------------------------------------*/

sbit sda=P0^7;

sbit scl=P0^6;

/*--------------------------------------------------*/

void start_condition(void)

{

sda=1;scl=1;

if((sda)&&(scl))

  {

  _nop_();

  sda=0;

  _nop_();_nop_();

  _nop_();_nop_();_nop_();

  scl=0;

  }

}

/*--------------------------------------------------*/

void stop_condition(void)

{

sda=0;

_nop_();_nop_();

scl=1;

_nop_();_nop_();

_nop_();_nop_();_nop_();

sda=1;

}

/*--------------------------------------------------*/

void ACK(void)

{

sda=0;

_nop_();_nop_();

scl=1;

_nop_();_nop_();

_nop_();_nop_();

scl=0;

}

/*--------------------------------------------------*/

void NAK(void)

{

sda=1;

_nop_();_nop_();

scl=1;

_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();

scl=0;

}

/*--------------------------------------------------*/

unsigned char rbyte(void)

{

unsigned char tt,c=0,cc;

sda=1;

for(tt=0;tt<8;tt++)

 {

 _nop_();_nop_();_nop_();

 scl=1;

 _nop_();_nop_();

 if(sda)cc=(1<<7-tt);

 c=c|cc;

 scl=0;

 }

 return c;

}

/*--------------------------------------------------*/

unsigned char wbyte(unsigned char dd)

{

unsigned char tt=0;

unsigned char a,i;

sda=0;

for(i=0;i<8;i++)

 {

 a=dd&(1<<(7-i));

 if(a)sda=1;

   else sda=0;

 _nop_();

 scl=1;

 _nop_();_nop_();

 _nop_();_nop_();

 scl=0;

 }

sda=1;

_nop_();_nop_();

scl=1;

_nop_();_nop_();

_nop_();_nop_();

if(sda)tt=1;

scl=0;

return tt;

}

/*--------------------------------------------------*/

unsigned char read(unsigned char device,unsigned char address)

{

unsigned char t;

start_condition();

t=device&0xFE;

wbyte(t);

wbyte(address);

start_condition();

t=device|(0x01);

wbyte(t);

t=rbyte();

NAK();

stop_condition();

return t;

}

/*--------------------------------------------------*/

void write(unsigned char device,unsigned char address,unsigned char dd)

{

start_condition();

wbyte(device&0xFE);

wbyte(address);

wbyte(dd);

stop_condition();

}

/*--------------------------------------------------*/

Робота схеми

Міністерство освіти І науки України

національний університет “Львівська політехніка”

Лабораторна робота з дисципліни:

“ Дослідження і проектування вбудованих комп'ютерних систем 

на тему:

«Реалізація аналого-цифрового перетворювача»

Виконав:

студент групи СКСм-11з

Сулипа Анатолій

Прийняв:

Кочан Роман Володимирович

                  

ЛЬВІВ 2012


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

70206. Расчёт и проектирование фундаментов различного заложения 1.9 MB
  В процессе производства буровых работ подземные воды вскрыты скважинами на глубине 5,30 м от поверхности земли на абсолютной отметке 135,30 м. Максимально высокое положение уровня воды следует ожидать в весеннее время. Подземные воды являются слабоагрессивными.
70207. Проектирование застройки жилого комплекса в климатических условиях г. Новосибирска 525.5 KB
  Приобретение навыков: обоснования минимальной мощности и проектирования структуры организационной системы по осуществлению программы жилищного строительства; проектирования директивного графика строительства объектов в реальном масштабе времени, т.е. с учетом влияния климатических факторов...
70209. Основные понятия экологии. Экосистема - основная функциональная единица в экологии 152 KB
  Окружающая среда совокупность компонентов природной среды земля недра почвы поверхностные и подземные воды атмосферный воздух растительный и животный мир и иные организмы а также озоновый слой атмосферы и околоземное пространство природных и природно-антропогенных объектов...
70211. Техногенні та природні процеси порушення умов життя 155.5 KB
  Відповідно до причин походження подій що можуть зумовити виникнення надзвичайних ситуації на території України розрізняються: Таблиця 1 Класифікація надзвичайних ситуацій Надзвичайні ситуації Техногенного походження Природного походження Соціальнополітичного походження Воєнного походження...
70212. Kryminalistyka a jej wybrane elementy 723 KB
  Kształtowanie przedmiotu nauki kryminalistyki ma pewny historyczny aspekt, treść którego przed ten czas składa dyskusyjny problem. Przedmiot dowolnej nauki rozwija się, doskonalą się jego treść i metody w odpowiedniości do ogólnego gromadzenia naukowych wiedz i socjalnych warunków rozwoju społeczeństwa.