Лаба_ЦАП-АЦП - Московский государственный технический

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
Н.Э.Баумана
УНИВЕРСИТЕТ им.
С.Б. Спиридонов, А.В. Шигин
Лабораторная работа № 3
по курсу "Микропроцессоры в управляющих системах"
Моделирование работы ЦАП и АЦП.
Москва. 2010 г.
Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи
Аналого-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) при меняются в информационно-измерительных системах, в технике связи, в цифровом телевидении, в бытовой технике и т.п.
1. ЦАП с весовыми резисторами
Цифро-аналоговые преобразователи используются для преобразования цифрового
кода в аналоговый сигнал, например, для управления в автоматических системах исполнительными органами (электродвигателями, электромагнитами и т.п.).
Наиболее простой ЦАП с весовыми резисторами (рис. 1) состоит из двух уз лов:
резистивной схемы (матрицы) на резисторах R1...R4 и суммирующего усилителя (ОУ OU
с резистором обратной связи Ro) Опорное напряжение Uon (3 В) подключается к резисторам матрицы переключателями D, С, В и А, управляемыми одноименными клавишами
клавиатуры и имитирующими преобразуемый код. Выходное напряжение Uo измеряется
мультиметром. Такой ЦАП относится к устройствам прямого преобразования.
Рис.1. ЦАП с весовыми резисторами
Если все переключатели замкнуты на "землю", как показано на рис. 1 то напряжение на входе и выходе ОУ равно 0 В. Предположим теперь, что переключатель А установлен в положение, соответствующее логической 1. Тогда на вход 01 через резистор R1 подается напряжение 3 В. Рассчитаем для этого случая коэффициент усиления напряжения
по формуле: К = Ro/R1 = 10000/150000 = 0,066. Отсюда получаем, что выходное напряжение Uo = 0,066·3 = 0,2 В соответствует двоичной комбинации 0001 на входе ЦАП.
Подадим теперь на входы ЦАП двоичную комбинацию 0010: для этого установим
переключатель В в положение, соответствующее логической единице, тем caмым подадим
на ОУ через резистор R2 напряжение 3 В. Для коэффициента усиления в данном случае
получаем К = Ro/R2 = 10000/75000 = 0,133. Умножив этот коэффициент усиления на величину входного напряжения, найдем, что выходное напряжение равно 0,4 В.
Таким образом, при переходе к каждому очередному двоичному числу, имитируемому ключами, выходное напряжение ЦАП увеличивается на 0,2 В. Это обеспечивается за
счет увеличения Коэффициента усиления напряжения ОУ при подключении различных по
сопротивлению резисторов. Если бы в схеме на рис. 11.1 мы подключили только один резистор R4 (с помощью переключателя D), то тем самым установили бы коэффициент усиления К = 10000/18700 = 0,535: при этом выходное напряжение ОУ составит около 1,6 В.
Если все переключатели в схеме на рис. 1 установлены в положения, соответствующие
логическим единицам, выходное напряжение ОУ равно Uon = 3 В, поскольку коэффициент передачи в этом случае становится равным 1.
Схема ЦАП на рис. 1 имеет два недостатка: во-первых, в ней сопротивления резисторов изменяются в широких пределах, во-вторых, точность преобразования невысока
из-за влияния конечного сопротивления транзисторных ключей в открытом и закрытом
состояниях.
2
Контрольные вопросы и задания
1.
2.
3.
4.
По какому закону выбираются сопротивления в ЦАП с весовыми резисторами?
Рассчитайте коэффициент усиления напряжения ОУ и выходное напряжение ЦАП в
схеме на рис. 1 для случая, когда в положение, соответствующее логической единице,
установлен только переключатель С. Результаты расчета проверьте на модели.
Получите выражение для расчета выходного напряжения ЦАП в общем виде и проверьте его на модели.
Замените переключатели А, В, С, D программными переключателями (реле времени),
имитирующими последовательное во времени с интервалом 5 с появление кодовых
комбинаций 0001, 0011, 0111 и 1111.
2. ЦАП лестничного типа
Схема ЦАП такого типа (рис. 2) состоит из резистивной матрицы R-2R, напоминающей лестницу, и суммирующего усилителя. Преимущество использования матрицы состоит в том, что в ней используются резисторы только двух номиналов. Сопротивление каждого из резисторов R1...R5 равно 20 кОм, а резисторов R6...R8, Ro — 10
кОм. Отметим, что сопротивления горизонтально расположенных резисторов "лестницы"
ровно в 2 раза больше сопротивлений вертикальных.
Рис.2. ЦАП с лестничного типа
ЦАП лестничного типа аналогичен ЦАП с весовыми резисторами. В рассматриваемом примере схемы используется опорное напряжение 3,75 В. Переход к каждой
следующей двоичной последовательности на Входах приводит к увеличению аналогового
выходного сигнала на 0,25 В. Опорное напряжение выбрано равным 3,75 В из соображения удобства сопряжения с ИМС семейства ТТЛ при замене ключей A...D такими ИМС.
Выходное напряжение ЦАП на рис. 2 определяется по формуле [32]:
Uo = UonRo[S12n-1 + S22n-2+ ... + Si2n-i+ Sn]/R2n,
(1)
где Si — значение цифрового сигнала (0 или 1) на i-м входе, n — число разрядов
преобразования (для схемы на рис. 2 n = 4), R -— сопротивление резистора матрицы R-2R
(R = 10 кОм для схемы на рис. 2).
Вариант ЦАП с использованием в качестве коммутирующего устройства двоичнодесятичного счетчика 74160 (К155ИЕ9) показан на рис. 3, а.
Из сравнения ЦАП на рис. 2 и 3 видно, что во втором отсутствует источник
опорного напряжения: его роль выполняет сам счетчик-коммутатор. Эквивалентное значение Uon можно получить на основании формулы (1) и результатов осциллографических измерений, показанных на рис. 3, б. В частности, максимальное выходное напряжение ЦАП VB2 = -2,8125 В, минимальное — VB1 = -0,3125 В, их разность — VB2 - VB1 =
-2,45 В.
3
а)
А
В
б)
Рис.3. Четырехразрядный ЦАП лестничного типа на базе счетчика 74160 (а) и осциллограммы
сигналов (б) на его счетном входе (A) и выходе ЦАП (B)
4
Контрольные вопросы и задания
1. Чем отличается ЦАП лестничного типа от ЦАП с весовыми резисторами? К какому типу ЦАП он относится?
2. С помощью формулы (1) рассчитайте выходное напряжение ЦАП на рис. 1 для всех 16
комбинаций переключателей А, В, С, D и сравните полученные результаты с результатами моделирования.
3. Замените переключатели А, В, С, D в схеме на рис. 2 программными переключателями,
имитирующими последовательное во времени с интервалом 5 с проявление кодовых
комбинаций 0001, 0010, 0100 и 1000.
4. Используя формулу (1) и результаты моделирования, рассчитайте эквивалентное
напряжение Uon для схемы на рис. 3, а
3. АЦП прямого преобразования
АЦП прямого преобразования являются наиболее простыми и часто встраиваются
непосредственно в датчики. Основным функциональным элементом таких АЦП является
преобразователь электрической величины (тока, напряжения, сопротивления, емкости и
др.) во временной интервал или частоту. Примерами таких преобразователей может служить рассматриваемый ниже преобразователь постоянного положительного напряжения в
частоту (рис. 4, б). Для преобразования временного интервала или частоты в цифровой
код, что по существу является конечной задачей любого АЦП, выполняется ЭВМ в случае
АСУ или дополнительным устройством в случае автономного АЦП. Пример такого
устройства, осуществляющего преобразование временного интервала в код, показан на
рис. 4, а. В этом устройстве временной интервал задается программным ключом Т, имитирующим, например, ШИМ и определяющим количество импульсов, поступающих на
четырехразрядный счетчик с генератора опорной частоты Us. Рассматриваемое устройство посуществу является частотомером. Если преобразуемая величина прямо пропорциональна периоду, то соответственно дополнительное устройство должно обеспеспечить
преобразование периода в код.
Преобразователь на рис. 4, б выполнен на двух ОУ: усилитель OU1 используется в
интеграторе, a OU2 — в регенеративном компараторе с гистерезисом. Когда выходное
напряжение компаратора Uf имеет максимальное положительное значение U1, диод VD
смещен в обратном направлении и напряжение Us на выходе OU1(см. осциллограммы на
рис. 4, в) уменьшается по линейному закону со скоростью, определяемой амплитудой
входного положительного сигнала Ui, до тех пор, пока не достигнет значения U1R1/R2. В
этот момент компаратор переключается. В дpyгoe состояние, при котором напряжение на
его выходе равно максимальному отрицательному значению U2, при этом диод VD открывается и выходное напряжение интегратора быстро нарастает до значения U2R1/R2,
после чего компаратор возвращается в первоначальное состояние и цикл повторяется.
Так как время нарастания выходного напряжения интегратора значительно меньше
времени спада, которое обратно пропорционально амплитуде входного сигчастота циклов повторения F будет прямо пропорциональна входному напряжению. Пренебрегая собственным временем переключения компаратора, можно записать
следующее выражение для частоты выходных импульсов:
F = Ui·R3/[R1·CR4(U1 - U2)]  1000·Ui. (2)
5
На самом деле размах напряжения Us на выходе OU1 несколько больше величины
(Rl/R2)(U1 - U2) из-за отличного от нуля значения времени переключения компаратоpa, а
частота соответственно меньше значения, определяемого выраженинием 2), причем это
расхождение будет особенно значительным при больших амплитудах входного сигнала.
С указанными на рис. 4, б номиналами элементов схема должна обеспечивать линейность преобразования не хуже ±1% в диапазоне изменения входных на- напряжений
20 мВ...10 В, при этом частота выходных импульсов F должна изменяться от 20 Гц до 10
кГц [25].
б)
а)
А
В
в)
Рис.4. АЦП прямого преобразования (а) и осциллограммы (в) сигналов на выходе интегратора (В) и
компаратора (А) (б)
Контрольные вопросы и задания
1. Что из себя представляет АЦП прямого преобразования, в каких устройствах его целесообразно использовать?
2. Проверьте работоспособность схемы на рис. 4, б и исследуйте зависимость частоты
выходного сигнала от входного напряжения в диапазоне 20 мВ...10 В. Проверьте
справедливость формулы (2).
6
3. Какие дополнительные устройства необходимо подключить к схеме на рис. 4, б, чтобы
получить цифровой отсчет измеряемого напряжения?
4. Преобразователь на интегральном таймере
Интегральные таймеры являются наиболее яркими представителями устройств
смешанного типа, из них наиболее популярным является таймер NE555 (отечественный
аналог КР1006ВИ1). Учитывая его широкое распространение в различной аппаратуре
промышленного и бытового назначения, рассмотрим кратко характеристики и особенности применения NE555 [34].
Функциональная схема таймера и его графическое обозначение в программе EWB
показаны на рис. 5. Таймер содержит два компаратора на OU1 и OU2, RS-триггер, инвертирующий усилитель мощности UM, транзисторы VT1, VT2 для цепи разряда и принудительного сброса соответственно. Внутренний резистивный делитель задает пороговые
напряжения, равные 2Ucc/3 для OU1 и Ucc/3 для OU2.
а)
б)
Рис.5. Функциональная схема таймера NE555 (а) и его графическое изображение в программе EWB (б)
Напряжение питания таймера Ucc — 5... 16,5 В, ток нагрузки (вывод 7) — 200 мА,
что позволяет управлять непосредственно лампочками или электромагнитными реле. Выходное сопротивление около 10 Ом как для низкого, так и для высокого уровней выходного напряжения. Запуск таймера осуществляется подачей на вывод 2 напряжения менее
Ucc/З (эту цепь обычно называют триггерным входом). При высоком напряжении на выводе 2 состоянием выхода таймера можно управлять с помощью компаратора OU1 по выводу 6, называемому обычно пороговым входом. Входной ток, втекающий в OU1 (вывод
6) и вытекающий из OU2 (вывод 2), не превышает 0,5 мкА. Для сброса таймера, т. е. установки на его выходе низкого напряжения независимо от напряжения на выводах 2 и 6 используется вывод 4. Если напряжение на этом выводе меньше 0,4 В, напряжение на выходе равно 0,1...0,2 В, а при напряжении более 1 В цепь сброса выключена и не влияет на
работу таймера. Кроме низкоомного выхода (вывод 3) таймер имеет и вспомогательный
высокоомный выход (вывод 7, коллектор транзистора VT1), который обычно используется для организации обратной связи с выхода на входы (выводы 2 и 6) таймера. Допустимое изменение напряжения на выводах 2, 4, 6 и 7 находится в пределах 0...16,5 В. В таймере имеется доступ через вывод 5 к входам внутренних компараторов, на которые поданы пороговые напряжения. Этот вывод от резистивного делителя позволяет изменять пороговые напряжения компараторов при постоянном напряжении питания и тем самым
дополнительно управлять работой таймера. Чтобы избежать влияния внешних помех и
пульсации напряжения питания на точность работы таймера, рекомендуется шунтировать
вывод 5 конденсатором емкостью 0,01 мкФ.
7
В режиме прямой трансляции сигнала с входа на выход таймер работает в диапазоне частот до 10 МГц. Однако приводимое в справочных данных значение погрешности формирования временного интервала, равное 0,5%, измеряется обычно при
формировании импульсов длительностью более 10 мкс. Время нарастания выходного
напряжения таймера не превышает 100 нс.
Временные параметры таймера незначительно зависят от изменений Ucc и температуры и полностью определяются компараторами и технологией их изготовления. В
таймерах, изготовленных по КМОП-технологии, отличающейся худшим согласованием
параметров парных транзисторов, зависимость характеристик от Ucc и температуры значительно выше, чем у таймеров, изготовленных по биполярной технологии.
Чтобы параметры времязадающей RC-цепи не влияли на точность формирования
временных интервалов, необходимо ограничить диапазон изменения сопротивления R и
емкости С. Максимальное сопротивление R определяется входным током Ii компараторов.
Для формирования устойчивых временных интервалов достаточно выбрать максимальное
сопротивление R из условия Rmax < Ucc/Ii; при Ucc = 10 B и Ii = 0,5 мкА Rmax = 20 МОм.
При включении таймера по схеме мультивибратора, когда выводы 2 и 6 объединены, таймер сохраняет работоспособность при R > Rmax, при этом не рекомендуется использовать
времязадающие резисторы с сопротивлением R > 10 МОм.
Минимальное сопротивление R определяется максимально допустимым током,
протекающим через транзистор VT1 таймера при его насыщении. Хотя допустимый выходной ток устанавливают обычно на уровне 100 мА, не рекомендуется использовать малые сопротивления R в сочетании с большими емкостями С. Объясняется это тем, что при
разряде конденсатора большой емкости транзистор VT1 переходит в режим насыщения
через конечное время, в течение которого он находится в активном режиме при напряжении коллектор-эмиттер Uкэ = Ucc/2, и при Rmin он может выйти из строя из-за большой
рассеиваемой на нем мощности. Поэтому при формировании малых временных интервалов рекомендуется ограничиться значением Rmin = 1 кОм и выбрать исходя из этого емкость С. Если же таймер применяется в схеме, где С < 100 пФ, то сопротивление R может
быть уменьшено до 150 Ом.
Минимальная емкость времязадающего конденсатора С должна быть значительно
больше изменений емкости выводов 2, 6 и 7, зависящей от напряжения на них. Поскольку
эти изменения при перезаряде С не превышают нескольких пикофарад, при формировании точных временных интервалов целесообразно выбирать С < 100 пФ. Можно применять конденсаторы С сколь угодно большой емкости, если их ток утечки пренебрежимо
мал. Фактически же, чем больше емкость конденсатора, тем больше его ток утечки; для
нормальной работы таймера необходимо, чтобы этот ток не превышал зарядный ток через
резистор R. Для формирования точных (<1%) временных интервалов ток утечки через С
должен быть более чем на два порядка меньше зарядного тока.
Выходной инвертирующий усилитель таймера UM работает в режиме АВ, вследствие чего на переходной характеристике возникает "полка" длительностью 10...20 нc при
напряжении 1,5 В. Если таймер нагружен на быстродействующие TTJI-схемы (например,
серий 130 или 533), то наличие такой "полки" недопустимо, так как она может вызвать
ложное срабатывание логического элемента. Для устранения этого недостатка необходимо выход таймера зашунтировать конденсатором емкостью около 100 пФ.
Преобразователи на интегральных таймерах отличаются весьма широким частотным диапазоном (в пределах 2...4 декад) [25]. Так, при включении таймера по схеме
самовозбуждающегося мультивибратора можно получить линейный преобразователь
напряжения в частоту, изменяющуюся от 10 Гц до 10 кГц, причем этот диапазон может
быть легко сдвинут в любую сторону заменой одного из элементов схемы [25]. К сожалению, модель таймера NE555 в программе EWB далека от совершенства и не позволяет это
реализовать. Предварительное исследование преобразователя, схема которого приведена
8
на рис. 6, показало, что преобразуемое напряжение должно быть больше напряжения питания Ucc. Кроме того, модель не работает при отсутствии дополнительного сопротивления в цепи разряда интегрирующего конденсатора (транзистор VT1), поэтому сопротивление его заряда составлено из сопротивлений двух резисторов — R и R’.
В схеме на рис. 6 использована пассивная интегрирующая RC-цепь, поскольку
преследовалась только цель проверки ее работоспособности. Для повышения линейности
преобразователя на входе практического аналога такой схемы используется преобразователь напряжение-ток (стабилизатор тока) [25].
Рис.6. Преобразователь напряжение-частота на таймере NE555 (б)
А
В
Рис.7. Осциллограммы на выходе таймера(А) и интегрирующем конденсаторе (В)
Осциллограммы сигналов на выходе OUT микросхемы и конденсаторе C показаны
на рис. 7.
Контрольные вопросы и задания
1. Что из себя представляют интегральные таймеры и почему они так называются?
2. Чем вызвана популярность интегрального таймера NE555?
3. Проверьте работоспособность схемы преобразователя на рис. 6 при Ui = 4...40 B с
оценкой линейности преобразования в этом диапазоне.
4. Проведите анализ и испытание преобразователя напряжение-частота и мультивибратора на NE555.
9
5. Библиотечные ЦАП и АЦП
В библиотеке программы EWB 4.1 преобразователи представлены 8-разрядными
ЦАП и АЦП.
Схема включения библиотечного ЦАП (рис. 8) содержит собственно ЦАП (DAC
V), два источника опорного напряжения +Uop и -Uop, генератор слова и осциллограф.
Рис.8. Схема включения библиотечного ЦАП с установками генератора слова для его испытания
Выходное напряжение ЦАП определяется выражением [67]:
Uo = D[(+Uop) + (-Uop)]/256,
где D — десятичный эквивалент входного двоичного кода (например, при входном коде
00000011 D = 3).
Задавая соответствующие кодовые комбинации на выходе генератора слова, можно
с помощью осциллографа измерить максимальное выходное напряжение ЦАП, а также
минимальное, соответствующее младшему разряду и определяющему разрешающую способность ЦАП. Нумерация разрядов показана на графическом значке ЦАП, осциллограмма выходного сигнала при указанных на рис. 8 кодовых комбинациях — на рис. 9.
Для ЦАП с опорными источниками тока +Iop, -Iop (DAC I — см. разд. 2.7) ток
прямого и инверсного выхода определяется соответственно формулами [67]:
Io - D[(+Iop) + (–Iop)]/256; Iо’ = 255[(+Iор) + (–Iор)]/256 – Iо.
Схема включения библиотечного АЦП (рис. 10) содержит собственно АЦП (ADC),
источники опорного напряжения, генератор слова для синхронизации и управления выходом АЦП, функциональный генератор в качестве источника входного сигнала Ui, логический анализатор, преобразователь двоичный код-код ASCII и осциллограф.
Назначение выводов АЦП: VIN — вход для источника преобразуемого сигнала;
VREF+, VREF — вход для источников опорного напряжения; SOC — вход синхронизации; OE — разрешение на выдачу двоичной комбинации на выходы D0...D7; EOC
— сигнал готовности данных (например, при выдаче данных на ЭВМ).
Для заданного значения входного напряжения Ui, зафиксированного, например, с
помощью устройства выборки и хранения (см. разд. 10), десятичный эквивалент двоичного кода на выходе АЦП определяется выражением [67]:
10
D = 256Ui/ [(+Uop) + (–Uop)].
Рис.9. Осциллограмма выходного напряжения ЦАП
Рис. 10. Схема включения библиотечного АЦП
11
Рис. 11. Осциллограммы выходного сигнала АЦП на экране логического анализатора
Устройство ASCII позволяет записать данные в текстовый файл. После двойного
щелчка по его изображению вызывается стандартное диалоговое окно, в котором указывается имя файла. По умолчанию в меню предлагается имя схемного файла с расширением .txt.
Полученные данные с АЦП можно анализировать с помощью логического анализатора и осциллографа. Данные на экране логического анализатора при преобразовании
синусоидального сигнала напряжением 1 B и частотой 1 кГц показаны на рис. 11.
Рис. 12. Осциллограммы выходного сигнала ЦАП (А) и входного АЦП (В)
Начальный участок данных на рис. 11 после их преобразования в аналоговый сигнал с помощью ЦАП показан в виде осциллограммы на рис. 12.
Контрольные вопросы и задания
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Используя данные на рис. 8 и 9, установите, каким кодовым комбинациям генератора
слова соответствуют уровни выходного напряжения ЦАП в точках установки визирных
линеек на осциллограмме рис. 9. Определите разрешающую способность ЦАП (цену
младшего разряда — MP).
Составьте схему для испытания ЦАП с опорными источниками тока.
Используется ли ЦАП в составе библиотечного АЦП?
Проведите качественный сравнительный анализ осциллограмм на рис. 11 и 12.
Проведите сопоставительный анализ данных на рис. 11 и данных, зарегистрированных
в текстовом файле.
Ознакомьтесь со схемой включения в АЦП библиотечного ЦАП DAC I, а также с применением библиотечных АЦП и ЦАП в импульсно-кодовом, используемом в цифровых
системах связи.
12
6. Преобразователь на управляемых источниках
Источники напряжения из программы EWB 5.0, управляемые напряжением
(ИНУН), которые могут быть использованы в преобразователях напряжение-частота, показаны на рис. 13.
Все три источника имеют практически одинаковый набор параметров. Например,
диалоговое окно источника с выходным сигналом прямоугольной формы содержит две
закладки со следующим набором редактируемых параметров: нижний L = 0 B и верхний
Н = 1 B уровни прямоугольного импульса, т. е. задается последовательность импульсов
положительной полярности с амплитудой 1 B; коэффициент заполнения D = 0,2; длительность переднего TR = 1е-09 с и заднего TF = 1е-09 с фронтов; параметр N = 3 определяет
количество точек, в которых заданному входному напряжению в строках параметров
С1...С5 (С1 = 0 B, С2 = 10 B, СЗ = 20 B, С4 = С5 = 0 В) будет соответствовать заданная частота в строках параметров F1...F5 (F1 = 1 Гц, F2 = 10 Гц, F3 = F4 = F5 = 1 Гц), т. е. задаются участки с различным коэффициентом преобразования (Гц/В).
а)
б)
в)
Рис. 13. ИНУН с выходным напряжением прямоугольной (а), треугольной (б) и
синусоидальной формы (в)
а)
13
б)
Рис. 14. Схема включения ИНУН с выходным напряжением прямоугольной формы (а) и
осциллограммы его входного (А) и выходного (В) сигналов (б)
Схема включения ИНУН с выходным напряжением прямоугольной формы показана на рис. 14, а. Кроме собственно ИНУН VF схема содержит источник линейно изменяющегося (пилообразного) напряжения на интеграторе (элементы ОУ1, R1 и С1)) постоянного напряжения U.
Осциллограммы сигналов на входе и выходе ИНУН, параметры которого установлены в соответствии с приведенными выше данными, показаны на рис. 14,б, откуда
видно, что при входном напряжении около 10 В (результаты измерений в строках VA1 и
VA2 индикаторных окон) длительность двух периодов импульсной последовательности
составляет около 200 мс (результаты измерений в строке Т2-Т1 индикаторного окна), т. е.
частота импульсов соответствует установленным значениям параметров С2 и F2 в диалоговом окне. Следовательно, коэффициент преобразования составляет 1 Гц/В.
Контрольные вопросы и задания
1. Рассчитайте коэффициент нелинейности преобразования схемы на рис. 14 при малых
входных напряжениях, если в качестве коэффициента преобразования принять значение 1 Гц/B?
2. Проведите испытания схемы преобразователя на рис. 14, а при значениях параметров
F1, F2, и F3, увеличенных в 10 и 100 раз по сравнению с рассмотренным случаем.
Определите минимальное входное напряжение, при котором нелинейность преобразования не превышает 10%.
14
7. АЦП уравновешивающего типа
Задолго до появления современных АЦП в измерительной технике уже использовались аналогичные устройства (так называемые потенциометры), позволявшие
получать цифровой отсчет измеряемой величины с достаточно высокой точностью по положению ручек управления, с помощью которых производилось ручное уравновешивание
схемы. В четырехразрядном «потенциометре» на рис. 15 измеряемое напряжение Ux
сравнивается с падением напряжения на резисторах R...8R, включаемых в цепь калиброванного источника тока Is с помощью сдвоенных переключателей 1...3; вторая половина
этих переключателей используется в схеме индикации получаемого кода в двоичной и десятичной форме. Индикатором равенства измеряемого и компенсирующего напряжения
служит гальванометр G: при равенстве указанных напряжений гальванометр будет иметь
нулевые показания.
Как следует из рис. 15, самая первая (старшая) ступень равна 8 мВ, вторая — 4 мВ,
третья — 2 мВ и последняя (самая младшая) — 1 мВ. Перед уравновешиванием все переключатели находятся в замкнутом положении, и нуль-орган (гальванометр G) показывает,
что измеряемое напряжение Ux превышает компенсирующее, равное в исходном состоянии нулю. Первой включается первая ступень, включающая компенсирующее напряжение величиной 8 мВ. Поскольку Ux < 8 мВ, то нуль-орган зафиксирует перекомпенсацию,
поэтому эта ступень выключается. На втором шаге включается вторая ступень (4 мВ), при
этом нуль-орган зафиксирует недокомпенсацию, поэтому эта ступень остается включенной и к ней переключателем 1 добавляется третья ступень величиной 2 мВ. Однако и в
этом случае нуль-орган зафиксирует недокомпенсацию. Поэтому на третьем шаге ключом
0 добавляется четвертая ступень величиной 1 мВ, после чего нуль-органом фиксируется
нулевой результат, что соответствует равенству измеряемого и компенсирующего напряжений. При этом на выходе "преобразователя" получаем двоичный код 0111 и его десятичный эквивалент 7. Рассмотренный алгоритм преобразования носит название поразрядного уравновешивания.
Возможен и другой способ уравновешивания, при котором этот процесс начинается с четвертой ступени (1 мВ). Если при этом фиксируется недокомпенсация, то переключатель 0 выключается и переключателем 1 включается третья ступень (2 мВ). При
недокомпенсацнн переключателем 0 дополнительно подключается четвертая ступень, что
в сумме дает 3 мВ. При недокомпенсации четвертая и третья ступени выключаются и переключателем 2 включается третья ступень (4 мВ). Далее поочередно подключаются четвертая и третья ступень, что обеспечивает увеличение компенсирующего напряжения на
каждом шаге уравновешивания на величину одного кванта, равного в нашем случае 1 мВ.
Уравновешивание заканчивается, когда при очередном добавлении одного кванта к компенсирующему напряжению последнее становится больше измеряемого. Рассмотренный
метод преобразования получил название метода последовательного счета или развертывающего преобразования.
15
Рис. 15. Упрощенная схема четырехразрядного АЦП
а)
б)
в)
Рис. 16. Схема АЦП с ГПН (а) и осциллограммы его сигналов (б, в)
АЦП развертывающего типа может быть реализован также с использованием в качестве источника компенсирующего напряжения прецизионного ГПН. Схема шестиразрядного АЦП в таком исполнении содержит (см. рис. 16, а) шестиразрядный счетчик на
триггерах D0...D5, двухвходовой элемент И U, генератор опорной частоты Us, компаратор на ОУ1 и ГПН на ОУ2 с элементами R, С и U. Для согласования выходного сигнала
компаратора с логическим элементом И положительное напряжение насыщения ОУ1 выбрано равным +5 В, отрицательное — 0 В. Переключатель X используется для оперативного контроля сигналов на выходе компаратора и элемента И (осциллограммы А на рис.
16, б, в). Скорость изменения выходного напряжения ГПН (осциллограммы В на рис. 16,
б, в) равна v = U/RC = 1/106∙10-6 = 1 В/с. В момент пуска АЦП (начало моделирования)
16
под действием преобразуемого напряжения Ux на выходе компаратора формируется сигнал логической единицы (см. осциллограмму А на рис. 16, б), в результате чего на вход
счетчика через схему И начинают поступать импульсы с источника однополярных импульсов Us (см. осциллограмму А на рис. 16, в). Одновременно запускается и ГПН, выходное напряжение которого Ug = v-t, начиная с момента t1 = 0, непрерывно сравнивается
с Ux. Когда в момент, времени t = t2∙Ug достигает значения Ux, срабатывает компаратор,
в результате чего на его выходе формируется сигнал логического нуля, схема И блокируется и поступление импульсов на счетчик прекращается. Промежуток времени, в течение
которого импульсы от источника Us поступали на вход счетчика с частотой следования F
= 10 Гц, равно ∆t = t2 – t1 = Ux/v. Зарегистрированное счетчиком за это время число импульсов N = FЧUx/v = 10∙2,5/1 = 25 совпадает с показаниями индикаторов 20 + 23 + 24 =
25.
Контрольные вопросы и задания
1. Охарактеризуйте два способа уравновешивающего преобразования и проведите их
сравнительный анализ по длительности процесса уравновешивания.
2. Руководствуясь данными Приложения 5, определите основные характеристики АЦП на
рис. 16, а.
3. В АЦП на рис. 16, а обнуление (сброс) счетчика осуществляется программой автоматически в момент пуска. Каким образом это может быть реализовано в практической конструкции АЦП аналогичного типа? Разработайте схему обнуления счетчика перед каждым циклом преобразования и проведите ее испытания.
17