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

4399. Понятие конвертируемости валюты (денежной единицы) страны 198.5 KB
  Введение Понятие конвертируемости валюты (денежной единицы) страны имеет в современной экономической теории размытые рамки, которые формально классифицированы, в частности, Международным валютным фондом создавшим за послевоенную историю нормативные ...
4400. Деньги и их характеристики. Инструменты кредитно-денежного регулирования 172.5 KB
  Деньгами в обширном смысле могут быть названы всякие знаки ценности, служащие для размена, приобретения других предметов, покупки или найма человеческого труда. Деньги - это общественный институт, который увеличивает богатство, снижая издер...
4401. Космологические модели вселенной 87.5 KB
  Космологические модели вселенной ЧТО ТАКОЕ КОСМОЛОГИЯ? Современная космология - это астрофизическая теория структуры и динамики изменения Метагалактики, включающая в себя и определенное понимание свойств всей Вселенной. Космология основывается на ас...
4402. Вивчення впливу зовнішнього оточення організації на її діяльність 111 KB
  Вступ Не існує жодної організації, що не мала б зовнішнього оточення і не знаходилася б з ним у стані постійної взаємодії. Успіх будь-якої організації залежить не тільки від факторів діючих всередині організації, але, вирішальним чином, залежи...
4403. Розрахунки чеками та векселями 51.5 KB
  Чек — грошовий документ встановленої форми, що містить беззаперечне письмове розпорядження власника рахунка (клієнта) банкові, який обслуговує його, сплатити певну суму грошей пред'явникові чека або іншій вказаній у чеку особі
4404. Агропомышленный комплекс Новосибирской области 92.5 KB
  Введение Новосибирская область: государственно-территориальное образование, входящее в состав Российской Федерации на правах ее равноправного субъекта, расположена в географическом центре страны, в юго-восточной части Западно-Сибирской равнины, глав...
4405. Фанализ - филосовско-аналитическая теория истины 152 KB
  Эта работа была задумана для рассмотрения более объективной оценки окружающего мира. Здесь рассматриваются более двадцати вопросов, наиболее значимых, при объяснении такого подхода поиска истины как Фанализ. Этот взгляд должен дать толчок для самора...
4406. Разработка тягового и топливно-экономического расчета автомобиля 1.09 MB
  В курсе теории автомобиля тяговый и топливно-экономический расчет является одним из важнейших разделов. Этот расчет позволяет по некоторым заданным параметрам определить остальные конструктивные и эксплуатационные параметры...
4407. Адвокат в гражданском процессе 268.5 KB
  Адвокат в гражданском процессе Введение Современный человек постоянно сталкивается с ситуациями, в которых ему необходимо руководствоваться теми или иными правовыми предписаниями, то есть законодательно закрепленными общеобязательными правилами пове...