3945

Дослідження роботи ЦАП і АЦП

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Дослідження роботи ЦАП і АЦП Мета роботи: Виведення функціонального призначення мікросхем КР572ПА2, КР572ПВ1. Отримання навиків у експерементальному дослідженні роботи мікросхем ЦАП і АЦП. 2. Короткі теоретичні відомості: Аналого-цифровий пере...

Украинкский

2012-11-10

427.5 KB

62 чел.

Дослідження роботи ЦАП і АЦП

  1.  Мета роботи:

Виведення функціонального призначення мікросхем КР572ПА2, КР572ПВ1. Отримання навиків у експерементальному дослідженні роботи мікросхем ЦАП і АЦП.

2. Короткі теоретичні відомості:

Аналого-цифровий перетворювач являє собою пристрій для перетворення величини, що змінюються у часі, у відповідні значення числових кадрів. Перетворення здійснюється через певний інтервал часу.  Тд, який визначається необхідною   частотою  дискретизації   вхідного   аналогового  сигналу  у конкретній цифровій радіоприймальній системі.

Кількісний зв'язок між аналоговою величиною й і відповідною їй цифровою величиною z, яка характеризує алгоритм квантування, має вигляд: z=(и – δ й)/∆и, де  ∆и - відкрок квантування є аналоговий елемент одиниці молодшого розряду коду;

δй - похибка перетворення на даному кроці.

Основні параметри АЦП можна розділити на дві групи: характеризуючу статичну та динамічну точність.

Параметри, які характеризують статичну точність, визначають роботу АЦП при дискретизації квазіпостійних фізичних величин. До цих параметрів відносяться:

похибка квантування;

інструментальна похибка;

часова нестабільність - це здібність АЦП зберігати статичну точність на   протязі відповідних інтервалів часу;

дозволяюча здатність - це здібність АЦП розрізнювати два значення вхідного сигналу, характеризує потенційні можливості АЦП з точки зору досяжної точності;

діапазони вимірювальних величин - максимальні та мінімальні для даного АЦП значення вимірювальної величини;

вхідний опір - характеризує міру впливу входа АЦП на вимірювальну величину.

Якщо вхідний опір не великий та сумісний з опором джерела сигналу 1 він не є постійним, то це може призвести до появи додаткових похибок. Тому до величини вхідного опору пред'являють жорсткі вимоги до постійної 1 величини.

Поява динамічних похибок пов'язана з дискретизацією сигналів, які змінюються з часом. До параметрів, що характеризують динамічну точність відносяться: частота дискретизації, час перетворення, час вибірки (стробування).

Частота дискретизації - це частота , з якою здійснюється утворення дискретних значень сигнала.

Час перетворення Тпр - час, який відраховує від початку перетворення до появи на виході коду, відповідного даній вибірці.

Час вибірки Тв (стробування) - час, на протязі якого здійснюється поява одного вибраного значення, Рис. 1. 

                                                              Рис.1

За принципом дії АЦП поділяються на послідовні та послідовно-паралельні. Найбільше розповсюдження отримали АЦП послідовного приблизно послідовного рахування з подвійним інтегруванням та перетворювачі зчитування.

Цифро-аналоговий перетворювач являє собою пристрій для декодування вхідних величин, представлених числовими кодами, у відповідні їм значення вихідного струму чи напруги. Кількісний зв'язок між вхідною числовою величиною z та її аналоговим еквівалентом й  для ЦАП має вигляд:

, де - аналоговий еквівалент Ед.М;

- похибка перетворення.

Перетворення з ЦАП повинно закінчуватися за час, на багато менший інтервалу між змінами числових кодів на виході ЦАП.

Основними параметрами ЦАП є:

- абсолютна похибка перетворення. Абсолютна похибка вимірюється в
одиницях мВ або відсотках від максимальної вхідної напруги;

- нелінійність - відносне відхилення дійсної характеристики перетворення від
ідеальної лінійної залежності. Нелінійність вимірюється у відсотках.

диференційна нелінійність (характеризує відхилення різниці двох аналогових сигналів, відповідних сусіднім кодам, від значення відстані квантування;

час встановлення - інтервал часу від подачі вхідного коду до входження вихідного сигналу (струму, напруги) в межах заданого відхилення від встановившогося значення.

ЦАП можна розділити на перетворювачі з прямим та з проміжним перетворюванням.

ЦАП з прямим перетворенням поділяються на послідовні та Паралельні. Більшість мікроелектроних ЦАП паралельного типу. В основі їх роботи лежить підрахування струмів, відповідних до значень розрядів перетворювачів.

В будь-якому з перетворювачів можна виділити цифрову та аналогову частини, в цифровій здійснюється кодування чи декодування, порівняння, зсув, рахунок і т.д. Еквівалент, який використовується при побудові перетворювачів також поділяються на цифрові та аналогові, електричні та експлуатаційні характеристики перетворювачів багато в чому залежать від характеристик складаючих елементів перетворювачів.

Аналогові елементи є головною частиною АЦП і ЦАП, оскільки вони визначають такі характеристики перетворювачів, як швидкодію та точність. Головні аналогові елементи ЦАП і АЦП операційні підсилювачі (ОП), компаратори напруги (КН), пристрій вибірки та зберігання (ПВЗ), аналогові ключі (АК) та комутатор (К), резистивні матриці, джерела опорної напруги (ДОН), докладно розповідається в літературі [1,2].

Для виконання цієї роботи потрібно вміти перетворювати аналоговий сигнал у цифровий код. Розглянемо на прикладі цей процес.

В перетворювачі сигналів з аналогової форми в цифрову можно виділити наступні етапи: дискретизацію, квантування, кодування. Розглянемо послідовність цих етапів.

Дискретизація неперервних сигналів. Процес дискретизації міститься в тому, що з неперервного у часі сигналу обираються окремі його значення, відповідні моментам часу, які з'являються через визначений часовий інтервал Т. Інтервал Т називається тактовим інтервалом часу, а моменти часу tl, t2, ... , в які беруться відліки, - тактовими моментами часу.

Дискретні значення  сигналу потрібно  визначати з таким  малим тактовим інтервалом Т, щоб по ним можна було б встановити сигнал в аналоговій формі з потрібною точністю. ( Рис.2)

Рис.2

Квантування і кодування. Сутність цих операцій заключається в наступному. Складається сітка так званнях рівнів квантування, зсунутих один відносно іншого на величину , яка називається кроком квантування. Кожному рівню квантування можна дати порядковий номер (0, 1, 2, 3 і т.д.). Далі, отримані в результаті дискретизації значення початкової аналогової напруги замінюються найблищими до них рівнями квантування. Так, на діаграмі значення напруги в момент to замінюється найблищим до неї рівнем квантування з номером 3, в тактовий момент t1 значення напруги блище до рівня 6 і замінюється цим рівнем і т.д.

Описаний процес носить назву операції квантування, зміст якого складається в округленні значень аналогової напруги, обраних в тактові моменти часу. Як і будь-яке округлення, процес квантування призводить до похибки (до помилок квантування) в представленні дискретних значень напруги, створюючи так званий шум квантування. При проектуванні АЦП намагаються понизити шум квантування до такого рівня, при якому він ще забезпечує потрібну точність представлення сигналу.

Наступна операція, яка виконується при аналого-цифровом перетворенні сигналів - кодування. Зміст її складається в наступному. Округлення значення напруги, яке виконується при операції квантуванні, дозволяє ці значення представляти числами (номерами відповідних рівнів квантування). Для діаграми на рис.З. створюється послідовність чисел: 3, 6, 7, 4, 1, 2 і т.д. Далі, отримана таким шляхом послідовність чисел представляється двійковим кодом.

Рис.3

В даний час випускають кілька типів напівпровідникових мікросхем АЦП і ЦАП з достатньо широким діапазоном точних та швидкісних характеристик. При досягненому ступеню інтеграції сучасні напівпровідникові ІС АЦП і ЦАП відносяться до категорії ВІС. Можна виділити серії К572, К1107, К1108, К1113, К1118.

Апаратне та програмне забезпечення сучасних мікропроцесорів (МП) та мікро-ЕОМ дозволяє здійснювати цифрову обробку інформації з великою швидкістю в інформаційно-вимірювальних системах обробки сигналів.

Тому одним з найважливіших вимог АЦП і ЦАП є можливість їх спряження з МП по шині адресів, даних та шині управління. Необхідною умовою сумісної

роботи АЦП і ЦАП з МП є також їх сумісність по логічним рівням цифрових сигналів, цифровому коду і формі даних (паралельний чи послідовний код).

Для МП типа КР580ИК80А, як ЦАП і АЦП можливо використовувати мікросхеми серії К572.

Мікросхеми серії К572 виконані за КМОП-технологією, володіють середньою швидкодією.

К572ПА1 - 10-розрядний помножуючий ЦАП. Мікросхема є універсальна структурна ланка для побудови мікроелектроних ЦАП та АЦП та керуємих кодових дільників струму. Ч

К572ПА2 - ВІС 12-розрядного помножуючого ЦАП. Мікросхема призначена для використання у вихідних аналогових пристроях систем з цифровою обробкою даних, УГП  ІС К 572 ПА2 приведена на Рис. 4. (призначення виводів у таблиці 1).

                                                           Рис. 4

                                                                                                         Таблиця 1

Номер виводу

Графічне позначення

Призначення виводу

35

D11

Цифровий вхід     1 розряд(старший)

36

D10

-----------------       2 розряд

37

D9

-----------------       3 розряд

38

D8

-----------------       4 розряд

39

D7

-----------------       5 розряд

40

D6

-----------------       6 розряд

1

D5

-----------------       7 розряд

2

D4

-----------------       8 розряд

3

D3

-----------------       9 розряд

4

D2

-----------------       10 розряд

5

D1

-----------------       11 розряд

6

D0

-----------------       12 розряд(молодший)

7

U1

Вхідна напруга живлення (+5В)

8

E2

Вхід керування регістра 2

9

GD

«Цифрова земля»

10

U2

Вхідна напруга живлення (+15В)

13

13

Вихід кінцевого резистора матриці

27

UR

Вхід опорної напруги

28

R

Вивід резистора зворотного зв’язку

31

11

Аналоговий вихід 1

32

12

Аналоговий вихід 2

33

GA

Шина «аналогова земля»

34

E1

Вихід регістра 1

К572ПВІ - напівпровідникова ВК 12-розрядного малопотужного АЦП. Мікросхема є універсальним багатофункціональним вузлом для пристроя аналогового вводу-виводу мікропроцесорних систем низької і середньої швидкості УГП ІС К572ПВІ приведена на Рис.5.(призначення виводів у таблиці 2).

Рис. 5

                                                                                                                 Таблиця 2

№ виводу

Графічне поз-ня

Призначення виводу

1

2

3

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

26

27

28

29

31

32

33

34

35

37

38

39

40

D1

HE

U1

D11

D10

D9

D8

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

LE

U

Z0

CI

U2

C

DR

ST

Z

RE

GD

13

R0

R1

R2

UR

1R

2R

R2R

11

12

GA

Послідовний вхід

Вхід керування старшими розрядами

Вхідна напруга живлення буферного каскаду

Цифровий вхід-вихід  1 розряд (старший)

------------‘’-----------     2 розряд

------------‘’-----------     3 розряд

------------‘’-----------     4 розряд

------------‘’-----------     5 розряд

------------‘’-----------     6 розряд

------------‘’-----------     7 розряд

------------‘’-----------     8 розряд

------------‘’-----------     9 розряд

------------‘’-----------     10 розряд

------------‘’-----------     11 розряд

------------‘’-----------     12 розряд (молодший)

Вхід керування молодшими розрядами

Вхід керування режимом АЦП-ЦАП

Вихід «цикл»

Вхід порівняння

Вхідна напруга живлення регістра та ЦАП

Тактовий вхід

Вихід «кінець перетворення»

Вхід «запуск»

Вхід «цикл»

Вхід «стропування ЦАП»

«Цифрова земля»

Кінцевий вивід матриці R-2R

Спільний вивід резисторів R/2, R/4

Вивід резистора R/4

Вивід резистора R/2

Вхід опірної напруги

Аналоговий вхід 1

Аналоговий вхід 2

Спільний вивід резисторів аналогових входів 1,2

Аналоговий вихід 1

Аналоговий вихід 2

Шина «аналогова земля»

Разом з зовнішніми КН або ОП, ФСН, генератором тактових імпульсів (ГП) мікросхема виконує функції АЦП послідовних приближень з виводом паралельного двійкового коду через вихідні каскади з трьома становищами, а також помножуючого ЦАП з паралельними послідовними вводами інформації. Схема вмикання КР572ПВІ у режимі АЦП приведена на Рис. 6.

Рис.6 Схема включення ІС КР572ПВІ у режимі АЦП

В даній схемі показаний 8-розрядний АЦП, так як це пов'язано з можливостями НМК (навчально-міропроцесорноий комплект на базі П К580). За ДОН приймаємо напругу 5В, подане з НМК.

Мікросхема К521САЗ (Д2) компаратор напруги, який працює в режимі порівняння струмів АЦП та вхідного сигналу.

Схема вмикання КР572ПА2 в ЦАП показана на Рис. 7.

Рис.7 Схема включення ІС КР572ПВІ у режимі ЦАП

Для функціонування ВІС необхідні ДОН, вихідний ОП. За ДОН приймаємо 5В УМК, а ОП-мікросхема К544УД2, перетворює вхідний струм в напругу. Позитивними якостями серії є низька споживаюча  напруга, сумісність зі стандартом ТТЛ та КМОП рівнями, а також висока надійність роботи АЦП і ЦАП на протязі усього часу експлуатування. До недоліків відносяться мала швидкодія та критичність ІС до пробою статичною електрикою в процесі монтажу та наладки.

3.ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ:

 3.1.Вивчити основні теоретичні відомості, подані в даному описі лабораторної роботи.

 3.2.По довіднику Л2 вивчити функціональне призначення мікросхем К572ПА2, К572ПВ1.

3.3.Записати у звіті УГП мікросхеми, призначення усіх виводів, основні параметри, переваги та недоліки.

3.4.Відповідно до варіанту завдання (порядковий номер у журналі групи, наприклад порядковий номер 3, код варіанта 03) з таблиці 3 вибрати відповідний аналоговий сигнал.

3.5.Замалювати сигнал аналогової форми (приведений у таблиці 3) в зошит та виконати процеси дискретизації, квантування та кодування (число рівнів квантування 20 та 30).

  1.  


                                                                                                              Таблиця 3

3.6. Одержані дані занести у таблицю істинності (табл. 4)

                                                                                                              Таблиця 4

Кількість

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

Аналогов.

16-й код

3.7. Замалювати таблицю істинності (табл. 5)

                                                                                                              Таблиця 5

Кількість

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

Аналогов.

16-й код

                       

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

4  . .ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ:

4.1.Порівняти початкову та експериментальну криві та визначити середнє
значення похибки.

,     де ХІординати початкової кривої; YI - ординати

                      експериментальної кривої; N - кількість розбивок.

4.2. Вкажіть похибку, яку вносить АЦП та чи відповідає це довідковим даним мікросхеми К572ПВ1.

5. КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ:

  1.  Перелічити основні аналогові елементи, які є основною частиною АЦП та ЦАП.
  2.  Назвіть тип технології мікросхеми серії К572.
  3.  Перелічити основні вимоги сопряжіння АЦП та ЦАП з МП.
  4.  Перелічити позитивні якості та недоліки серії К572.
  5.  ЗМІСТ ЗВІТУ:
  6.  Назва та мета лабораторної роботи. Пристрої та обладнання.
  7.  Таблиці істинності для АЦП та ЦАП , часові діаграми аналогового сигналу початкового та експерементального.
  8.  Порівняльний аналіз одержаних результатів.
  9.  Відповіді на контрольні запитання.
  10.  Висновок.

7. ЛІТЕРАТУРА.

  1.  Калабеков В. А. "Цифровые устройства и микропроцессорные системы", Радио и связь, 1987.
  2.  Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы. Справочное пособие-М.: Радио и связь, 1984.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

55452. Психология будущего 2.03 MB
  Холотропные переживания такого рода являются базовым источником существования космологических мифологических философских и религиозных систем описывающих духовную природу и...
55455. ПСИХОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ УРОКА 85.5 KB
  Важнейшей составляющей учительского профессионализма как и вообще уровня развития личности является высокий уровень развития педагогической рефлексии то есть умения по ходу урока анализировать конкретную обстановку...
55457. Психологический анализ урока. Методическое пособие 212.5 KB
  Целенаправленная организация учителем деятельности учащихся на уроке обеспечивает значимые изменения всех сфер их психической жизни. Опираясь на общую структуру деятельности А. Леонтьев и на структуру учебной деятельности...