Logo GenDocs.ru


Поиск по сайту:  


Лабораторная работа №5 (на укр.яз) - файл Laba5.doc


Лабораторная работа №5 (на укр.яз)
скачать (27.9 kb.)

Доступные файлы (1):

Laba5.doc102kb.20.03.2008 10:36скачать

содержание

Laba5.doc

Реклама MarketGid:
Лабораторна робота №5


Аналого-цифрові та цифро-аналогові перетворювачі


1. Основні теоретичні відомості


1.1. Цифро-аналогові перетворювачі (ЦАП)


ЦАП служить для перетворення цифрової інформації в аналогову форму, тобто вихідний сигнал ЦАП в загальноприйнятих одиницях вимірювання струму або напруги (мВ, В, мА) відповідає чисельному значенню вхідної кодової комбінації.

Наприклад, якщо при подачі на вхід ЦАП кодової комбінації (у десятковому еквіваленті) рівної 150 на виході при цьому є напруга 1500 мВ, це значить, що зміна значення вхідної кодової комбінації (вхідного числа) на одиницю приводить до зміни вихідної напруги на 10 мВ. В цьому випадку ми маємо ЦАП з кроком перетворення цифрової інформації 10 мВ. Величина напруги, відповідна одній одиниці цифрової інформації, називається кроком квантування Uкв. При подачі на вхід ЦАП послідовної цифрової комбінації, змінної від 0 до N, на його виході з'явиться ступінчасто-наростаюча напруга (рис.1). Висота кожного ступеня відповідає одному кроку квантування Uкв.



Рис. 1 Рис. 2


Якщо число вхідної кодової комбінації   N, то вихідна напруга Uвих°ЦАП°=°NUкв. Таким чином можна обчислити значення вихідної напруги для будь-якої вхідної кодової комбінації.

Точність перетворення і якість роботи ЦАП характеризують наступні параметри: відносна роздільна здатність, абсолютна роздільна здатність, абсолютна погрішність перетворення, нелінійність перетворення, диференціальна нелінійність, швидкість перетворення (час одного перетворення) і максимальна частота перетворення.

1. Відносна роздільна здатність

dо =

тут n- кількість розрядів двійкового числа, що подається на вхід ЦАП. Відносна роздільна здатність - це зворотна величина від максимального числа рівнів квантування N.

2. Абсолютна роздільна здатність

dа = Uкв

де Uпш - напруга повної шкали, що відповідає опорній напрузі ЦАП (максимальній вихідній напрузі); 2n - 1 = Nmax - кількість рівнів квантування.

Чисельно абсолютна роздільна здатність рівна кроку квантування Uкв.

3. Абсолютна похибка перетворення Ппоказує максимальне відхилення вихідної напруги Uвих в точці перетину з ідеальною характеристикою (прямою) на рівні напруги повної шкали (рис.2). Абсолютна похибка перетворення оцінюється у відсотках або ж в одиницях молодшого значущого розряду (МЗР). При оцінці значення абсолютної похибки перетворення знак напруги не враховується.

4. Нелінійність перетворення ЦАП ЛН визначає максимальне відхилення реальної характеристики від ідеальної (рис.2) і оцінюється також у відсотках або в одиницях молодшого значущого розряду.

5. Диференціальна нелінійність перетворення ЦАП ДФ°ЛНчисельно рівна максимальній різниці двох сусідніх приростів (кроків квантування)

ДФ°ЛН = Uкв°1   Uкв°2.

Диференціальна нелінійність оцінюється в молодших значущих розрядах і звичайно не перевищує декількох одиниць МЗР.

6. Час встановлення вихідної напруги або струму tуст - інтервал часу від подачі вхідного двійкового вхідного коду до входження вихідного сигналу в задані межі.

7. Максимальна частота перетворення fпр - найбільша частота дискретизації, при якій параметри ЦАП відповідають заданим значенням. Максимальна частота і час встановлення визначають швидкодію ЦАП.


За способом побудови ЦАП умовно можна розділити на дві групи: з матрицями резисторів та безматричні ЦАП. У інтегральному виконанні застосовуються тільки ЦАП з прецизійними матрицями резисторів, що формують вихідні сигнали шляхом підсумовування струмів.

ЦАП містить елементи цифрової і аналогової схемотехніки. Як аналогові елементи використовуються операційні підсилювачі, аналогові ключі (комутатори), матриці резисторів і°т.д.

Аналогові елементи, що входять до складу ЦАП, практично повністю визначають його якісні і експлуатаційні параметри, основну роль при цьому виконують точність підбору номіналів резисторів матриці резистора і параметрів операційного підсилювача (ОП).

Операційний підсилювач є підсилювачем постійного струму, що має коефіцієнт посилення по напрузі більше тисячі. Він має диференціальний вхідний каскад, тобто має два входи: інвертуючий і неінвертуючий. Умовне позначення ОП показане на рис.3.



Рис. 3. Позначення ОП згідно ГОСТ (а) Рис. 4.

та для робочої документації (б)


Завдяки великому коефіцієнту посилення (сучасні ОП мають коефіцієнт посилення К=105...106) і малим вхідним струмам, підсилювачі, побудовані на базі ОП, володіють унікальними властивостями. Зокрема, параметри багатьох пристроїв визначаються тільки колами зворотного зв'язку, що сполучають вихід ОП з його входом.

Якщо на інвертуючий вхід підсилювача на ОП подати сигнал від декількох джерел (рис.4), то вихідний сигнал визначається як добуток суми вхідних струмів на величину опору резистора зворотного зв'язку

Uвих = RОС(Iвх1+Iвх2+. . . . +Iвх.n).

Вхідний струм від кожного джерела визначається як відношення

Iвх=Uвх/Ri,

де Ri - опір резистора в ланцюзі i-того входу.

Властивість ОП підсумовувати вхідні струми з подальшим перетворенням в напругу широко використовується при побудові ЦАП і АЦП.

Функціональна схема ЦАП з матрицею R 2R показана на рис.5. Символи "0" і "1" перед електронними ключами показують на стан ключа при подачі на цифрові входи ЦАП логічного "0" або "1", відповідно.




Рис.5. ЦАП на основі матриці R-2R


Напруга на виході ЦАП визначається як:



= .

Дробові члени суми виконують роль вагових коефіцієнтів, а крок квантування визначається відношенням UквUОП/2n.


1.2. Аналого-цифрові перетворювачі


Аналого-цифрові перетворювачі (АЦП) призначені для перетворення аналогових (безперервних) сигналів в цифрову форму. Перетворення аналогового сигналу відбувається в певні моменти часу, які називаються точками відліку. Кількість відліків за одиницю часу визначає частоту дискретизації (перетворення), яка, у свою чергу, визначається швидкодією і умовами використання АЦП. Інтервал часу між відліками ТВ і частота дискретизації fД зв'язані співвідношенням:

ТВ = 1/fД.

У вимірювальній техніці для перетворення повільно-змінних процесів частота перетворення може бути встановлена невеликою - одиниці Герц і менше. У пристроях, де вимагається перетворювати сигнали в масштабі реального часу, частота перетворення вибирається з умови досягнення максимальної точності відновлення цифрового сигналу в аналогову форму.

Для забезпечення перетворення без спотворень потрібне виконання умови:

tпр  ТВ,

де tпр - час перетворення АЦП одного відліку.

При подачі на вхід n-розрядного АЦП напруги UВХ вихідний код буде мати значення (заокруглено до цілого):

,

де UОП – опорна напруга. Заокруглення, як правило, здійснюється до найближчого меншого цілого. Якщо вхідна напруга перевищує опорну, на виході буде сформований максимально можливий код (одинички в усіх розрядах), що відповідає фактично опорній напрузі. Якщо вхідна напруга від’ємна, на виході буде сформований мінімально можливий код (нулі в усіх розрядах). Звичайно, слід уникати ситуацій, коли вхідна напруга виходить за межі діапазону (0... UОП).

Основні параметри АЦП визначаються так само, як і параметри ЦАП.

За способом побудови АЦП діляться на дві групи: 1) АЦП із застосуванням ЦАП, та 2) АЦП без ЦАП.

До першої групи відносяться:

- АЦП послідовного рахунку (розгортаючого типу);

- АЦП послідовного наближення (порозрядного урівноваження);

- слідкуючий АЦП.

До другої групи відносяться:

- АЦП прямого перетворення (паралельні АЦП);

- АЦП подвійної інтеграції;

- АЦП із застосуванням генератора, керованого напругою (ГУН).

Кожен тип АЦП має свої переваги і недоліки. На практиці зустрічаються всі вище перераховані типи АЦП.

Найбільшою швидкодією володіють ^ АЦП прямого перетворення. Час перетворення tпр досягає 10 -20 нсек. Вони використовуються для перетворення сигналів надшвидко протікаючих процесів і сигналів телевізійного зображення (цифрове телебачення). Вони відрізняються високою вартістю і великою споживаною потужністю. Функціональна схема АЦП прямого перетворення приведена на рис.6. Вона містить n компараторів, дільник опорної напруги і шифратор для перетворення позиційного коду в паралельний двійковий код. Час перетворення цих АЦП визначається виключно часом розповсюдження сигналу в компараторах tздкр і перетворювачі коду tздпр, тобто tпр = tздкр + tздпр.



Рис.6. Паралельний АЦП Рис. 7. АЦП порозрядного зрівноваження


По своїй швидкодії на другому місці знаходяться АЦП порозрядного зрівноваження (рис.7). Час перетворення n-розрядного АЦП визначається як tпр = nТ+ 3Т, де Т - період проходження тактових імпульсів, що формуються тактовим генератором ТГ. Додаткові 3 такти використовуються для старту( запуску) і формування сигналів ознаки завершення процесу перетворення (сигналу "кінець перетворення"). Принцип роботи АЦП послідовного наближення ілюструється на рис.8.



Рис. 8. Часова діаграма роботи АЦП порозрядного зрівноваження


Після запуску на виході АЦП встановлюється число, відповідне половині напруги повної шкали Uпш/2. Ця напруга порівнюється з вхідною напругою Uвх і, залежно від результату порівняння, компаратор К виробляє два сигнали: U1, коли Uвих°ЦАП°°Uвх і U2 при Uвих ЦАП  Uвх . Якщо Uвих ЦАП менше, ніж Uвх , логічна схема управління ЛСУ виробляє команду, при якій до вмісту регістра послідовного наближення РПН додається число, відповідне половині напруги, встановленої в попередньому такті. Якщо ж Uвих ЦАП  Uвх , то від вмісту РПП це число віднімається. Це відбувається до тих пір, поки напруга приросту не стане рівною Uкв.

^

2. Порядок виконання роботи



1. На вхід АЦП заданої розрядності подати гармонійний сигнал заданої амплітуди і частоти. Елемент "джерело гармонійного сигналу" знаходиться на панелі інструментів. У вікні властивостей вибрати модель 1MHz або 60Hz та встановити параметри F(частота) та A(амплітуда) згідно завдання, параметр постійне зміщення встановити рівним А. До другого виводу джерела приєднати елемент "земля".

2. На вхід опорної напруги Ref АЦП подати постійну напругу заданого значення за допомогою елементу "джерело постійного сигналу". До другого виводу джерела приєднати елемент "земля".

3. На вхід запуску перетворення Convert АЦП подати імпульсну послідовність з частотою, рівною заданій частоті дискретизації.

4. До виходів АЦП під’єднати входи ЦАП аналогічної розрядності. Вхід опорної напруги Ref ЦАП об’єднати з Ref АЦП.

5. Вивести графіки: вхідного сигналу, сигналу тактування запуску перетворення, сигналів на молодших 4 вихідних розрядах АЦП, вихідного сигналу ЦАП. Всі цифрові сигнали вивести на графіку 1, аналогові – на графіку 2. Час для аналізу задавати не менше одного періоду вхідного сигналу. Визначити крок квантування АЦП і ЦАП.

6. Порівняти вхідний сигнал з вихідним. Встановити, які є способи підвищення точності відтворення сигналу в даній схемі (параметри, що можна змінювати – опорна напруга АЦП, опорна напруга ЦАП та частота дискретизації). Реалізувати такий спосіб та визначити межі його застосування. Повторити п.5.

7. Змінити опорну напругу ЦАП на вказану в завданні (додати ще одне джерело постійного сигналу). Вивести часові діаграми. Чому дорівнює співвідношення амплітуд вхідного і вихідного сигналів?


3. Звіт повинен містити:

1. Завдання

2. Принципові схеми.

3. Часові діаграми для заданих значень параметрів.

4. Часові діаграми для змінених (п.6) значень параметрів та текстовий коментар до даного пункту.

5. Часові діаграми та текстовий коментар до п.7.


4. Контрольні питання

  1. Призначення, умовні позначення та характеристики ЦАП і АЦП.

  2. Яке співвідношення між вхідним кодом та вихідною напругою ЦАП?

  3. Яке співвідношення між вхідною напругою і вихідним кодом АЦП?

  4. Визначити вихідні сигнали ЦАП або АЦП при заданих вхідних сигналах.

  5. Які параметри впливають на точність аналого-цифрового перетворення?

  6. Способи побудови ЦАП і АЦП.

  7. Будова та принцип роботи ЦАП на основі матриці R 2R.

  8. Будова та принцип роботи паралельного АЦП.

  9. Будова та принцип роботи АЦП порозрядного зрівноваження.

Завдання до роботи



Варіант

Розрядність АЦП

Частота вхідного сигналу, кГц

Амплітуда вхідного сигналу, В

Опорна напруга АЦП

Частота дискретизації, кГц

Опорна напруга ЦАП



4

10

1

2

200

3



8

20

1,5

15

1000

5



12

30

3

5

2000

10



16

40

4

9

250

3



4

50

5

10

200

20



8

60

7

10

2000

1



12

70

5

12

800

3



16

80

4

8

1000

4



4

90

3

7

1250

10



8

100

2

5

800

10



12

200

1

12

80000

5



16

300

2

4

5000

5



8

400

3

6

500

3



12

500

4

10

10000

2



16

600

5

3

500000

4

Реклама:





Скачать файл (27.9 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации
Рейтинг@Mail.ru