37872

Устройства сопряжения аналоговых и цифровых сигналов

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Основными устройствами осуществляющими преобразование информационных сигналов в дискретные последовательности импульсов и наоборот являются аналогоцифровые преобразователи АЦП цифроаналоговые преобразователи ЦАП и устройства выборки и хранения УВХ которые могут входить и в состав АЦП. Данная лабораторная работа не преследует цели обучения проектированию преобразователей: в настоящее время производится большое количество самых разнообразных микросхем ЦАП и АЦП. Цифроаналоговые преобразователи Назначение ЦАП преобразование...

Русский

2013-09-25

157.5 KB

20 чел.

150

Устройства сопряжения аналоговых и цифровых сигналов

Ц е л ь   р а б о т ы: познакомиться с основными способами и устройствами преобразования аналоговых сигналов к виду, удобному для цифровой обработки, и цифровых сигналов, полученных на выходе цифрового процессора, в аналоговые сигналы отображения и управления.

Введение

Методы  цифровой обработки сигналов в настоящее время нашли самое широкое применение: при анализе и синтезе речи; в радиоастрономии, геофизике, при интерпретации результатов медицинских исследований, в частности, электрокардиограмм, томограмм; для улучшения качества изображений или распознавания образов при обработке фотографий, сделанных с ИСЗ; в радио и телефонной связи, в создании мультимедиа и т. п.

В современных системах связи представление исходного сообщения в форме дискретной последовательности символов из конечного алфавита имеет следующие преимущества:

а) делает возможной унификацию модуляторов и демодуляторов (модемов) и каналов связи независимо от характера передаваемого сообщения (речь, изображение, данные и др.);

б) позволяет легко оперировать дискретной  информационной последовательностью с целью использования кодов с исправлением ошибок, засекречивания информации, уплотнения и т. п., сохраняя при этом базовую форму сообщения;

в) позволяет восстанавливать форму сигналов в трансляторах, благодаря чему ошибки и шумы не накапливаются при большом количестве последовательных операций.

Основными устройствами, осуществляющими преобразование информационных сигналов в дискретные последовательности импульсов и наоборот, являются аналого-цифровые преобразователи (АЦП), цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) и устройства выборки и хранения (УВХ), которые могут входить и в состав АЦП.

Данная лабораторная работа не преследует цели обучения проектированию преобразователей: в настоящее время производится большое количество самых разнообразных микросхем ЦАП и АЦП. Наша задача скорее состоит в том, чтобы понять принципы функционирования этих устройств, сформулировать критерии оценки качества преобразователей и таким образом суметь при необходимости осуществить выбор конкретной микросхемы, соответствующей требованиям технического задания.

Цифро-аналоговые преобразователи

Назначение ЦАП – преобразование величин, заданных двоичными числами, в пропорциональный им уровень напряжения или тока. Это преобразование можно представить как дешифрацию одного кода в другой. Для примера на рис.1 представлена таблица истинности 3-х разрядного дешифратора и соответствующая ей передаточная характеристика.

X2

X1

X0

Y (В)

0

0

0

0

0

0

1

0,50

0

1

0

1,00

0

1

1

1,50

1

0

0

2,00

1

0

1

2,50

1

1

0

3,00

1

1

1

3,50

Основным параметром ЦАП является разрешающая способность, определяемая числом разрядов N. ЦАП, преобразующий  N-разрядные двоичные коды, должен обеспечить 2N различных значений выходного сигнала с разрешающей способностью (2N - 1)-1. Максимальное выходное напряжение ЦАП называется напряжением шкалы. В абсолютных единицах разрешающая способность определяется как шк = Uшк/(2N - 1). В нашем простом примере при N = 3 и Uшк = 3,5В разрешающая способность шк = 3,5/7 = 0,5В.

Отличие реального значения разрешающей способности от теоретического обусловлено погрешностями элементов и шумами ЦАП. Точность ЦАП определяется значениями абсолютной погрешности, нелинейностью и дифференциальной нелинейностью.

Из динамических параметров наиболее существенными являются время установления выходного напряжения или тока и максимальная частота преобразования.

В настоящее время в зависимости от значений параметров выделяют прецизионные ( с нелинейностью не более 0,1%) и быстродействующие ЦАП (с временем установления до 100 нс.).

ЦАП с резистивными матрицами

Легко прийти к идее построения ЦАП, если воспользоваться выражением для коэффициента передачи операционного усилителя с несколькими входами:

.

Объединим все входы и подадим в эту точку, так называемое, опорное напряжение Uon. Тогда  напряжение на выходе ОУ примет вид:

.

Заметим, что если подобрать номиналы резисторов R1...Rn так, чтобы токи протекающие через них были пропорциональны весам разрядов двоичного числа, а именно, Rn = 20R, Rn-1 = 21R, Rn-2 = 22R ,..., R1 = 2n-1R, то выходное напряжение такого сумматора на ОУ запишется в виде:

,

где  x1, x2, ..., xn – значения соответствующих разрядов двоичного числа.

После небольших преобразований окончательно получим:

. (*)

Анализируя выражение, отметим, что в скобках записано десятичное значение двоичного числа. Следовательно, сомножитель перед скобками представляет минимальный шаг изменения выходного напряжения. Если выходное напряжение будет равно напряжению шкалы, то этот минимальный шаг есть разрешающая способность такого ЦАП.

Рассмотрим пример моделирования ЦАП, описываемый выражением (*), который можно назвать ЦАП с суммированием токов. Схема, поясняющая принцип работы ЦАП представлена на рис.2.

Схему условно можно разделить на две части: формирователь двоичного кода, построенный на двоичном счетчике U1, и собственно ЦАП, включающий логические элементы U2, резистивную матрицу (R1 – R4) и суммирующий ОУ.

Работой счетчика управляет генератор счетных импульсов (DSTM1). Формирователь DSTM2 устанавливает счетчик в исходное положение перед началом работы.

               Практическое задание 1       

Логические элементы "И", включенные как буферные элементы, выполняют роль ключей, коммутирующих входы "весовых" резисторов между низким логическим уровнем (равным 0В) и высоким логическим уровнем , который является в данном случае опорным напряжением (3,5В). В реальных схемах ключи выполняют на биполярных или МОП-транзисторах, а в качестве опорных источников используют специальные схемы.

  1.  Скопируйте в свою рабочую директорию из директории msimev54 (msimev71) файл DAC1.sch, содержащий схему ЦАП, изображенную на рис.2. Присвойте ему новое имя.
  2.  Запустите программу моделирования и посмотрите временные диаграммы сигналов во всех узлах схемы. Согласуется ли их характер с вашим пониманием работы устройства?
  3.  По заданию преподавателя спроектируйте собственный АЦП, используя тот же набор элементов, что и в схеме из примера. Оцените необходимые номинал резистора в цепи обратной связи и смещение на неинвертирующем входе ОУ, обеспечивающие работу преобразователя в соответствии с заданием.
  4.  Снимите временные диаграммы токов, протекающих через резисторы матрицы, и сопоставьте им двоичные коды, поступающие на вход АЦП. Объясните полученные данные.

Другим вариантом ЦАП с матрицей резисторов является схема, изображенная на рис.3. Она непосредственно формирует выходное напряжение, используя набор резисторов только двух номиналов (R – 2R). Однако число резисторов в этой схеме вдвое больше, чем в предыдущей, при той же разрядности устройства.

               Практическое задание 2      

               Практическое задание 2       

  1.  Выполните схему АЦП с прежними требованиями, но по структуре, представленной на рис.3, используя формирователь двоичного кода из предыдущего опыта.
  2.  Моделируйте работу схемы и снимите временные диаграммы напряжений в узлах резистивной матрицы.
  3.  Проверьте, что при подаче на один из разрядов "1", а на остальные "0", в соответствующем узле матрицы потенциал равен Uon/3.
  4.  Проверьте, что при передаче этого напряжения к следующему узлу справа, оно делится пополам. Таким образом, чем дальше отстоит узел от выхода матрицы, тем меньше вклад этого узла в выходное напряжение.

ЦАП с масштабирующими источниками тока

При данном методе преобразования входной двоичный код управляет включением источников, генерирующих токи, в соответствии с их весовыми коэффициентами. Эти токи суммируются, и суммарный ток либо непосредственно используется в качестве выходного, либо преобразуется в напряжение с помощью ОУ.

Функциональная схема ЦАП данного типа приведена на рис.4. Здесь в качестве коммутирующих ключей используются диоды. На катоды левых диодов в каждой паре подаются управляющие цифровые коды. При наличии "1" в данном разряде управляющий диод закрыт и ток источника протекает через правый диод и нагрузку. При значении разряда равном "0" ток источника ответвляется через левый диод, не создавая падения напряжения на нагрузке.

В большинстве преобразователей этого типа источники тока фактически все время включены. Это обеспечивает повышение точности и быстродействия. Пример построения источников двоично взвешенных токов показан на рис.5. Операционный усилитель вместе с транзистором VT1 является стабилизатором тока, транзисторы VT2 – VT4 выполняют роль источников тока, значения которых определяются эмиттерными резисторами. Так как напряжение на базе этих транзисторов такое же, что и на базе транзистора VT1, то при постоянстве сопротивлений в цепях эмиттеров транзисторов их токи также будут стабильными.

Чтобы обеспечить равные условия работы всех транзисторов, независимо от величин протекающих через них токов, площади эмиттерных переходов транзисторов соотносятся как веса разрядов. Это обеспечивает одинаковую плотность эмиттерных токов и одинаковую тепловую нагрузку ключевых транзисторов.

               Практическое задание 3       

  1.  Скопируйте в свою рабочую директорию файл DAC1.sch, содержащий описание ЦАП с масштабирующими источниками тока, и сохраните его под другим именем.
  2.  Запустите программу на моделирование и по временным диаграммам проанализируйте принцип работы устройства.
  3.  Введите необходимые изменения в схему с тем, чтобы получить ЦАП с заданными вам характеристиками.
  4.   Снимите временные диаграммы выходного сигнала и токов через коммутирующие диоды.

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП)

АЦП выполняют функцию преобразования аналогового сигнала в цифровой код. По принципу построения их можно разделить на два типа: с применением ЦАП и без них.

АЦП с применением ЦАП

Схема, поясняющая принцип действия одного из таких устройств, приведена на рис.6. Сигнал с выхода ЦАП на каждом такте сравнивается с входным сигналом в компараторе, построенном на ОУ U3A. Если уровень напряжения на выходе ЦАП меньше уровня измеряемого сигнала, то на выходе компаратора будет высокий уровень,  который позволяет  тактовым импульсам с гене-

ратора DSTM1 проходить на тактовый вход счетчика. При этом уровень напряжения на выходе ЦАП продолжит увеличиваться. Как только этот уровень сравняется с измеряемым, выход компаратора станет низким и работа счетчика прекратится. Установившийся на его выходах цифровой код будет соответствовать измеряемому напряжению.

Рассматриваемая схема получила название "схема последовательного приближения", так как для каждой выборки измеряемого сигнала уровень напряжения ступенчато возрастает от нуля до уровня сигнала. Поэтому для N- разрядного ЦАП максимальное время, необходимое для одного измерения, будет определяться как Tпр = 2N, где - период тактовой импульсной последовательности.

Более быстродействующими АЦП являются АЦП поразрядного уравновешивания и АЦП параллельного действия.

               Практическое задание 4     

  1.  Скопируйте в свою рабочую директорию файл ADC1.sch, содержащий описание АЦП последовательного приближения, и сохраните его под другим именем.
  2.  Запустите программу на моделирование и по временным диаграммам проанализируйте принцип работы устройства.
  3.  Введите необходимые изменения в схему с тем, чтобы использовать спроектированный вами в предыдущих заданиях ЦАП. Установите время анализа для одной выборки измеряемого сигнала.
  4.  Задавайте последовательно на входе компаратора уровни измеряемого сигнала (не менее трех в пределах всего диапазона измеряемых напряжений) и сопоставьте каждому из них получившийся цифровой код.
  5.  Для одного из циклов измерений снимите временные диаграммы работы устройства.

АЦП без применения ЦАП

Примером АЦП такого типа является АЦП двойного интегрирования. Несмотря на то, что они не относятся к быстродействующим устройствам, их широко применяют в недорогих контрольно-измерительных приборах. Это связано с тем, что они содержат минимальное количество точных компонентов,  обладают  высокой  помехоустойчивостью  и  температурной  стабильностью, не имеют дифференциальной нелинейности характеристики преобразования.

Схема, поясняющая принцип работы АЦП двойного интегрирования, приведена на рис.7.

При подаче запускающего импульса с генератора DSTM1 триггер U8 через ключ S1подключает выборку входного сигнала к интегратору U1, построенному на ОУ. Когда линейно нарастающее напряжение с выхода интегратора сравняется с некоторым базовым уровнем Vo,  на выходе компаратора U2 появляется высокий уровень, устанавливающий выход триггера U4 в "1". При этом  импульсы с генератора тактовых импульсов DSTM2 начинают поступать на вход счетчика (U6 – U7).

Время, в течение которого идет процесс интегрирования (заряда конденсатора напряжением измеряемого сигнала), фиксировано и определяется разрядностью счетчика. Как только заполняются все разряды счетчика, единица переноса меняет состояния триггеров U8 и U9 на противоположные и ключи S1 и S2 переключаются так, что на вход интегратора подается напряжение опорного источника Von. Полярность напряжения опорного источника обратная полярности измеряемого напряжения. Поэтому начинается второй цикл преобразования – разынтегрирование (перезаряд конденсатора от некоторого напряжения Vc до уровня опорного).

С этого момента показания счетчика пропорциональны времени разряда конденсатора. Как только напряжение на нем снизится до базового  уровня Vo, на выходе компаратора формируется низкий уровень, устанавливающий выход триггера U4 в состояние "0". При этом работа счетчика прекращается и код, зафиксированный на выходе счетчика – есть цифровой эквивалент измеряемого аналогового сигнала.

В следующем практическом задании вы подробнее рассмотрите процессы, происходящие в преобразователе. Однако, из-за ограничений, накладываемых на  сложность схем, анализируемых  в DesignLab  (Evaluation version), процесс моделирования будет разбит на два этапа: интегрирование и разынтегрирование. Таким образом, сложность схемы, реализующей отдельный этап, становится меньше и укладывается в рамки имеющихся ограничений.

               Практическое задание 5     

часть А

  1.  Скопируйте в свою рабочую директорию файл ADC2.sch, содержащий описание АЦП двойного интегрирования для первого этапа, и сохраните его под другим именем.
  2.  Запустите программу на моделирование и по временным диаграммам проанализируйте принцип работы устройства на этапе интегрирования.
  3.  Скорректируйте схему с учетом требований, определенных заданием преподавателя. Установите время анализа для одной выборки измеряемого сигнала.
  4.  Задавайте последовательно на входе компаратора уровни измеряемого сигнала (не менее трех в пределах всего диапазона измеряемых напряжений) и зафиксируйте напряжения на конденсаторе интегратора, установившиеся при завершении интегрирования.
  5.  Для одного из циклов измерений снимите временные диаграммы работы устройства.

часть Б

  1.   Внесите следующие изменения в схему, чтобы продолжить моделирование АЦП на стадии разынтегрирования: а) поменяйте полярность источника постоянного напряжения на входе ключа S1 на противоположную и установите уровень напряжения источника равным Von;
    б) вход "R" триггера U8, управляющего работой ключа, перекоммутируйте с выхода счетчика на выход "NQ" триггера U5; в) установите начальное напряжение на конденсаторе равным тому, которое установилось на этапе интегрирования.
  2.  Запустите схему на моделирование и по временным диаграммам проанализируйте работу устройства на этапе разынтегрирования. Для того же входного напряжения, что и в п.5 снимите временные диаграммы. Каждому из измеряемых напряжений сопоставьте цифровой код, полученный на выходах счетчика.

Содержание отчета

Включает в себя цель работы, описание каждого эксперимента, результаты выполнения практических заданий в виде схем,  временных диаграмм, таблиц соответствия, анализа полученных данных, выводы по результатам анализа.

Контрольные вопросы

  1.  Проведите классификацию ЦАП и дайте их сравнительную характеристику.
  2.  Объясните физический смысл параметров, определяющих качество АЦП.  Приведите типовые параметры современных преобразователей.
  3.  Объясните принцип работы ЦАП с масштабирующими резисторами.
  4.  Объясните принцип работы ЦАП с многозвенной матрицей R – 2R.
  5.  Приведите схемы аналоговых ключей на биполярных и МОП-транзисторах, используемых в ЦАП.
  6.  Проведите классификацию АЦП и дайте их сравнительную характеристику.
  7.  Объясните принципы работы АЦП параллельного счета и с поразрядным уравновешиванием.
  8.  Дайте классификацию АЦП без применения ЦАП и принципы их построения.
  9.  Приведите примеры отечественных и зарубежных АЦП и ЦАП, их параметры и схемы включения.

Рекомендуемая литература

1. Гутников В. С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. – 2-е изд., перераб. и доп. – Л.: Энергоатомиздат. Ленинград. отд-ние, 1988. – 304 с.

2. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 2-х т. Т. 2. Пер. с англ. Изд. 2-е, стереотип. –  М.: Мир, 1984. – 590 с.

3. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник/ С. В. Якубовский, Л. И. Ниссельсон, В. И. Кулешова и др.; Под ред. С. В. Якубовского. – М.: Радио и связь, 1990. – 496 с.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

54873. Процент как доход на капитал. Номинальная и реальная ставка процента 19.21 KB
  Понятие «капитал» как ресурс в экономической теории включает в себя средства производства, созданные людьми. Использование капитала приносит в перспективе доход его владельцам.
54874. Двогранні куги піраміди. Побудова лінійного кута двогранного кута між бічною гранню та основою піраміди 196 KB
  Мета: засвоєний поняття двогранного кута та його лінійного кута; формування навичок доведення того що побудований кут є лінійним кутом двогранного кута піраміди; оволодіння навичками побудови лінійних кутів двогранних кутів піраміди; удосконалення вміння зображувати стереометричні фігури. Назвати план побудови лінійного кута двогранного кута між бічною гранню та основою піраміди. Довести що площина лінійного кута перпендикулярна до кожної грані лінійного кута.
54875. Пряма призма. Піраміда. Площа поверхні та об’єм призми і піраміди 152 KB
  Площа поверхні та обєм призми і піраміди. Демонструються моделі пірамід Спільну вершину трикутних граней називають вершиною піраміди протилежну їй грань основою а всі інші грані бічними гранями піраміди. Відрізки що сполучають вершину піраміди з вершинами основи називають бічними ребрами. Перпендикуляр опущений із вершини піраміди на площину її основи називають висотою піраміди.
54876. Подорож до Великих пірамід 352.5 KB
  Вчитель: Сьогодні на уроці ми поговоримо про піраміди як многогранники і основну увагу будемо приділяти правильній чотирикутній піраміді а також заочно побуваємо в Стародавньому Єгипті ознайомимося з першим дивом світупірамідою Хеопса поєднавши знання з геометрії і історії. На попередньому уроці ви одержали творче завдання: провести теоретичне дослідження правильної чотирикутної піраміди і зробити презентацію цього многогранника. Презентація піраміди Презентацію проводять двоє учнів використовуючи моделі пірамід різні слайди. 1й...
54877. Радісне свято Великдень 153.5 KB
  Коломия є музей писанки. Свячені писанки були оберегом житла від грому й вогнюа людей і тваринвід лихого ока.Жупарина Писанки Робота над мелодією дикцією диханням характером твору. Серед її інструментальних творів варіації для фортепіано Українські писанки особливо вирізняються самобутнім використанням та осмисленням української народної пісенності.
54878. Як писанка барвиста, наша славна Україна, її часточка маленька, наша класная родина 128.5 KB
  Приспів: Дуже класно буде тричі Посміхнись До вашої уваги веселий діалог: Кумедні історії нашого класу Максим і Марко МАРКО. Я завжди здоровий коли нема школи МАРКО. МАРКО. МАРКО перебиває.
54879. О писанко! Ти – символ України 104.5 KB
  Мета: ознайомити учнів з історичними традиціями святкування Великодня з релігійними обрядами повязаних з писанкарством; виховувати цікавість пошану до народних звичаїв та свят; вчити розмальовувати писанки; розвивати фантазію художній смак. Обладнання: інтерєр української світлиці: стіл рушники ікони паски вербові гілки яйця крашанки писанки крапанки фабричні деревяні писанки карта України добірка літератури про традиції святкування Воскресіння Христового писанки із завданнями мультимедійна...
54880. Інтегрований урок в 7 класі (інформатика, трудове навчання) 674.5 KB
  Ще одну писанку встановили у 2007 році на острові Хортиця. Учень Розмалюю писанку я сама Хоч іще маленька та дарма На звичайній крашанці жовтенькій Намалюю смужечки синенькі Червоні цяточки зелені листочки Рожеві блакитні пелюсточки Вийшла в мене писанка кольорова Ніби крапля сонечка веселкова Учень Вважається що чим більше кольорів на писанці тим вона магічніша тим...
54881. Мово українська, мово моя рідна 475.5 KB
  Особливої наруги зазнала наша мова оскільки саме вона була і буде мовою українського народу. Як саме виникла наша мова і яка історія виникнення письма Важкий шлях пройшла мова до сьогодення. Українська мова функціонує як національна мова нашого народу. Поза межами нашої держави українська мова в усній формі поширена в Білорусі Молдові.