Лекція №27 Тема лекції: Аналогові дані, цифрові дані. Дія і застосування аналогово-цифрових і цифро-аналогових перетворювачів, введення і виведення інформації



Скачати 80.69 Kb.
Дата конвертації16.12.2016
Розмір80.69 Kb.
Лекція №27

Тема лекції: Аналогові дані, цифрові дані. Дія і застосування аналогово-цифрових і цифро-аналогових перетворювачів, введення і виведення інформації.



План лекції

1. Цифро-аналогові перетворювачі

2. Аналого-цифрові перетворювачі

а) Аналого-цифрові перетворювачі послідовного рахунку

б) Аналого-цифрові перетворювачі з порозрядним кодуванням

в) Аналого-цифровий перетворювач паралельної і паралельно-послідовної дії



Література

1. Кучумов А.И. Электроника и схемотехніка – 2002. ст. 222-232.

2. Ю.П.Колонтаєвський „Промислова електроніка та мікросхемотехніка: теорія і практикум” – 2003. ст. 179-181.

4. Опадчий Ю.Ф. Аналоговая и цифровая электроника – 2000. ст. 736-762.



Зміст лекції

1. Цифро-аналогові перетворювачі

Цифро-аналогові перетворювачі (ЦАП) призначені для перетворення цифрової інформації в аналогову форму у вигляді напруги (іноді струму). Їх використовують в системах управління технологічними процесами, в аналогових мікропроцесорах, в дисплеях, графічних пристроях. Цифро-аналогове перетворення полягає в тому, що для вхідного паралельного n-разрядного коду: X = X12-1 + Х22-2 + ... + Xn2-n, де X - цифри 0 або 1, а 2-n— вага n-го розряду.

Структура ЦАП включає: резистивну або транзисторну матрицю для формування еталонних струмів; ключі для комутації еталонних струмів згідно вхідному коду до загальної точки підсумовування; операційний підсилювач для перетворення струму Іх у вихідну напругу; допоміжні схеми для узгодження з вхідними рівнями сигналів; стабілізоване джерело Uoп.

Резистивні матриці будують або з набору двійково-зважених по номіналах резисторів, або у вигляді сходового (багатоланкового) ланцюжка резисторів лише двох номіналів.

В схемі ЦАП з резистивною матрицею на основі двійково-зважених опорів вигляду R–2R–...–2n-1R опір резисторів матриці подвоюється при переході від старшого розряду до молодшого, а еталонні струми зменшуються в два рази (I1=1 мА, I2=0,5 мА, I3=0,25 мА).

Ключі К1 - Кn управляються рівнями напруг, що відображають цифри "нуль" і "один" відповідних розрядів вхідного коду. Джерело опорної напруги Uоп частіше всього буває зовнішнім, проте в деяких випадках його вбудовують в мікросхему ЦАП. На вході ОП завжди є практично нульовий потенціал. Основний недолік розглянутої структури ЦАП — це величезний діапазон опорів матриці, особливо при великій розрядності вхідного коду.

У схемі ЦАП на основі сходової матриці R-2R використовуються резистори тільки двох номіналів, тобто при переході від старшого розряду до молодшого еталонний струм зменшується в два рази. Для швидкодійних ЦАП струмові ключі будують на діодах і біполярних транзисторах; для перетворювачів середньої і низької швидкодії використовують ключі на КМОП-структурах.

У схеми ЦАП часто вбудовують генератори струмів (ГТ), призначені для термостабілізації струмів.

Введення інформації в ЦАП здійснюється, в основному, в паралельному коді. В ЦАП використовують три основні двійкові коди: прямий, зміщений і додатковий. Прямий код зручний при перетворенні сигналів стежачих систем, оскільки під час переходу через нуль не міняються старші розряди коду, що дозволяє реалізувати лінійний перехід від малих позитивних до малих негативних вихідних напругам. Для перетворення позитивних і негативних кодів використовують знаковий розряд, який управляє перемиканням вихідної напруги ЦАП. ля винятку зі схеми ЦАП комутуючих елементів використовують зміщений код, який є найпростішим. В додатковому коді позитивні числа перетворяться так само, як і в прямому коді, а негативні — двійковим доповненням відповідного позитивного числа (інверсія всіх розрядів з подальшим додаванням одиниці в молодший розряд).

Основними параметрами ЦАП є число розрядів вхідного цифрового коду, роздільна здатність, погрішності перетворення, діапазон вихідних сигналів, динамічні параметри.

Число розрядів п вхідного коду для різних типів ЦАП складає від восьми до вісімнадцяти. Число розрядів визначає максимальну кількість кодових комбінацій на вході ЦАП, рівну 2n.

Роздільна здатність h характеризується мінімальним квантом вихідної напруги, який відповідає зміні вхідного коду на одиницю молодшого розряду.

Абсолютна погрішність перетворення δа - відхилення вихідної напруги від розрахункового в кінцевій точці характеристики перетворення. Типова погрішність ЦАП не перевищує ± 1/2 молодшого розряду.

Нелінійність δл - максимальне відхилення реальної характеристики перетворення від теоретичної (прямої лінії, що сполучає точку нуля і мінімального вихідного сигналу).

Диференціальна нелінійність δлд - максимальне відхилення різниці двох аналогових сигналів сусідніх кодів від значення молодшого розряду. Параметри δа, δл і δлд виражаються в частках молодшого розряду або у відсотках від повної шкали вихідної напруги.

Час встановлення tуст - інтервал часу від подачі вхідного коду до моменту досягнення вихідним сигналом сталого значення із заданою погрішністю (звичайно ±1/2 молодшого розряду). Цей час визначає загальну швидкодію ЦАП. Залежно від значень параметрів виділяють прецизійні (δл<0,1%) і швидкодійні (tуст≤100 нc) ЦАП.

Цифро-аналогові перетворювачі розрізняються структурою резистивної матриці (зважені резистори або R-2R), елементною базою, функціональною повнотою, погоджуючими пристроями, числом джерел живлення і т.п.

Реалізуються ЦАП у вигляді гібридних і напівпровідникових мікросхем. Більшість мікросхем ЦАП - напівпровідникові, функціонально закінчені. Ряд ЦАП використовують зовнішні джерела опорної напруги і вихідні операційні підсилювачі. Живлення ЦАП може здійснюватися від одного або від декількох джерел, що визначається елементною базою. Перспективами розвитку ЦАП є підвищення швидкодії і точності, зручність узгодження з мікропроцесорами, зниження споживаної потужності.



2. Аналого-цифрові перетворювачі

Аналого-цифрові перетворювачі (АЦП) призначені для перетворення аналогової інформації (у вигляді напруги) в цифровий код. Використовують АЦП в мікропроцесорних системах, в цифрових вимірювальних приладах Багато в чому області їх вживання аналогічні ЦАП, оскільки вони часто використовуються спільно, наприклад, в автоматизованих системах управління (АСУ).



Основними параметрами і характеристиками АЦП є:



  • число розрядів n вихідного коду;

  • роздільна здатність h — мінімальний квант вхідної напруги, за який вихідний код змінюється на одиницю молодшого розряду;

  • нелінійність δл— максимальне відхилення вихідного коду від розрахункового значення у всьому діапазоні шкали;

  • абсолютна погрішність δа — найбільше відхилення вихідного коду від розрахункового в кінцевій точці шкали;

  • час перетворення tпр — інтервал від моменту початку перетворення до появи на виході сталого коду; часто замість tпр швидкодія АЦП характеризується частотою перетворення;

  • діапазон і полярність вхідної напруги, число джерел живлення, струм споживання, можливість загальної роботи з мікропроцесорами.

У АЦП використовуються наступні методи перетворення:

  • послідовного рахунку (з використанням ЦАП або з двотактною інтеграцією);

  • порозрядного кодування (послідовного двійкового наближення);

  • паралельної дії (зчитування);

  • паралельно-послідовні (комбіновані).

а) Аналого-цифрові перетворювачі послідовного рахунку

Метод послідовного рахунку із застосуванням АЦП заснований на урівноваженні вхідної напруги сумою еталонів, підраховуваних лічильником. Момент урівноваження визначається аналоговим компаратором. У ній по сигналу "Пуск" RS-тригер перемикається в стан "1" і дозволяє проходження імпульсів від генератора G через елемент І на вхід підсумовування двійкового лічильника СТ2.

Наростаючий цифровий код з виходу лічильників СТ2 перетвориться за допомогою ЦАП в напругу, яка подається на вхід компаратора КОМП. На другий вхід КОМП поступає вимірювана напруга Uвх. У момент рівності напруг Uвх = Uцап компаратор виробляє сигнал скидання тригера. Після цього рахунок імпульсів припиняється і на виході лічильника СТ2 фіксується цифровий еквівалент вхідної напруги. Час перетворення tпр залежить від значення напруги Uвх.

У АЦП з двотактною інтеграцією перетворення реалізується за два такти. В першому такті сигнал "Пуск" перемикає RS-тригер T1 в стан "1". Вхідна напруга мінус Uвх через ключ П1, керований виходом Q1 поступає на інтегратор ІНТ. Імпульси від генератора G через схему І-АБО подаються на вхід підсумовування лічильника СТ2. Після підрахунку 2n імпульсів (n - розрядність лічильника) сигнал з виходу Qn старшого розряду лічильника СТ2 скидає тригер Т1 і встановлює в стан "1" RS-тригер T2. На цьому перший етап інтеграції закінчується.

У другому такті на інтегратор поступає опорна напруга плюс Uоп через ключ П2, керований виходом Q2. Одночасно високий рівень напруги з виходу дозволяє проходження імпульсів від генератора G на той, що підсумовує вхід лічильника СТ2 (починається новий рахунок).

У мить, коли напруга на виході ИНТ рівна нулю, компаратор обнуляє тригер Т1, проходження імпульсів на вхід лічильника блокується, і на його виходах фіксується цифровий код Nх, пропорційний вхідній напрузі. Для інтегратора прирости напруг в першому і другому тактах рівні:

Uвх=Uоп*Nx/2n

б) Аналого-цифрові перетворювачі з порозрядним кодуванням

У схемі АЦП з порозрядним кодуванням (урівноваженням) вхідна напруга Uвх порівнюється стрибкоподібно з вихідною напругою Uцап за певною програмою.



Сигнал "Пуск" включає генератор періодичних імпульсів G і одночасно записує одиницю в старший розряд здвигового регістра порозрядного наближення РгПП, а решту розрядів обнуляє. В першому такті за допомогою компаратора КОМП порівнюються вхідна напруга Uвх і напруга з виходу ЦАП, відповідна значенню старшого розряду РгПП. Алгоритм порівняння наступний: якщо Uцап > Uвx, то в наступному такті ця одиниця виключається, а замість неї в РгПП додається наступна з сусіднього розряду. Якщо ж Uцап < Uвх, то одиниця в старшому розряді зберігається і до неї додається одиниця з сусіднього розряду і т.д.



в) Аналого-цифровий перетворювач паралельної і паралельно-послідовної дії

Принцип роботи АЦП паралельної дії заснований на одночасному порівнянні вхідного сигналу з 2n-1 еталонами напруг, де n - розрядність вихідного коду. Порівняння здійснюється за допомогою компараторів, результат порівняння запам'ятовується в регістрі і надалі шифрується в n-розрядний двійковий вихідний код.

У АЦП опорні напруги формуються за допомогою резистивного дільника. Кожна опорна напруга Uопi подається разом з вхідною напругою Uвх на входи відповідних компараторів КОМП. Спрацьовують тільки ті компаратори, в яких Uвх ≥ Uопi. Результат порівняння через фіксуючі тригери Т подається на шифратор СD, який перетворює його у вихідний n-разрядный двійковий код. Аналого-цифрові перетворювачі паралельної дії є самими швидкодійними, оскільки перетворення здійснюється за одну операцію порівняння. До недоліків цього АЦП відноситься велике число джерел опорної напруги і відповідних їм компараторів.

Паралельно-послідовні АЦП мають підвищену розрядність, високу швидкодію і прийнятну складність. У таких комбінованих перетворювачах декілька малорозряд-них АЦП паралельної дії з'єднуються послідовно між собою. Вхідний аналоговий сигнал подається на перший АЦП (АЦП1), на виході якого формуються старші розряди вихід-ного коду. Ці розряди підключаються також на вхід ЦАП. Вихідний сигнал з ЦАП порівнюється в підсилювачі різниці (УР) з вхідним сигналом. Посилена різниця цих сигналів подається на вхід іншого АЦП (АЦП2), який перетворить її у вихідний код Nмл молодших розрядів.











База даних захищена авторським правом ©lecture.in.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка