Выполнение работы
В программе Electronics Workbench собрать схему четырехразрядного ЦАП, как показано на рис. 14.3. Произвести моделирование составленной схемы, переключив в положение «1» кнопку . Составить таблицу зависимости показания вольтметра от положения переключателей [0], [1], [2], [3], [4].
Рис. 14.3
В программе Electronics Workbench собрать схему восьмиразрядного ЦАП, как показано на рис. 14.4. Произвести моделирование составленной схемы, переключив в положение «1» кнопку . Исследовать показания осциллографа в зависимости от положения переключателей [0] - [7].
Рис. 14.4
Лабораторная работа №12 «Изучение режимов работы ацп»
Цель работы: Исследовать принцип работы аналого-цифрового преобразователя (АЦП)
Оборудование: ПЭВМ
Программное обеспечение: Electronics Workbench
Основные положения
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) предназначен для автоматического преобразования (измерения и кодирования) непрерывно изменяющихся во времени (т.е. аналоговых) величин в соответствующие значения числовых кодов. В данном случае под словом «цифра» понимается двоичный код. Когда говорят о цифровой звукозаписывающей и воспроизводящей аппаратуре или о цифровой телефонии, то подразумевают, что непрерывно изменяющийся звуковой сигнал записывается или передается оцифрованным, т.е. в виде двоичных (бинарных) кодов.
Аналого-цифровые преобразователи используются для преобразования звуковых аналоговых сигналов в цифровой телефонии, цифровой записи звукового сопровождения в компьютерных играх, записи речи и музыки в цифровом формате и последующего воспроизведения аудио- и видеоинформации не только на соответствующих цифровых проигрывателях, но и с помощью компьютеров.
В зависимости от способа преобразования АЦП подразделяют на последовательные, параллельные и последовательно-параллельные.
Наиболее быстродействующими являются АЦП параллельного типа. Преобразование аналогового сигнала в код в них осуществляется за один шаг, но такие АЦП требуют нескольких компараторов. Входное напряжение одновременно сравнивается во всех компараторах с несколькими опорными напряжениями. Параллельные АЦП имеют большее число элементов, чем последовательные.
Рассмотрим работу параллельного трехразрядного АЦП (рис. 15.1). Тремя двоичными разрядами можно представить восемь чисел – от 0 до 7. Поэтому используются семь компараторов для сравнения входного напряжения с опорными напряжениями, получаемыми с помощью резисторного делителя. От каждого компаратора поступает сигнал 0, если входное напряжение меньше опорного, и 1 – в противном случае.
Состояния компараторов и соответствующие им двоичные коды представлены в табл. 15.1. Преобразователь кода выдает двоичное трехразрядное число. Время преобразования параллельных АЦП может составлять несколько десятков наносекунд, что в сотни раз быстрее, чем у последовательных АЦП.
Рис. 15.1. Схема параллельного трехразрядного АЦП
Таблица 15.1
Зависимость цифрового кода от входного напряжения
Относительное значение входного напряжения U = Uвх/Uоп |
Состояние компараторов |
Двоичный код-число |
||||||||
7 |
6 |
5 |
4 |
3 |
2 |
1 |
4 |
2 |
1 |
|
U < 0,5 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0,5 U < 1,5 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1,5 U < 2,5 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
2,5 U < 3,5 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
3,5 U < 4,5 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
4,5 U < 5,5 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
5,5 U<6,5 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
6,5 U |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
На рис. 15.2 показана схема АЦП последовательного типа. По команде «Пуск» цифровой автомат ЦА вырабатывает последовательность двоичных чисел, которые поступают на вход цифро-аналогового преобразователя ЦАП, вырабатывающего напряжение Uцап, соответствующее каждому входному двоичному сигналу. Это напряжение (непрерывно растущее, пока работает ЦА) подается на один из входов компаратора K, на другой вход которого поступает входное напряжение Uвх. Компаратор сравнивает эти два напряжения и выдает сигнал при их равенстве. По этому сигналу ЦА останавливается, а на его выходе фиксируется двоичный код, соответствующий Uвх. Таким образом, преобразование в последовательном АЦП происходит в ступенчатом режиме. Выходное значение отдельными шагами (тактами), т.е. последовательно, приближается к измеряемому значению. Поэтому последовательные АЦП на каждое преобразование аналогового сигнала затрачивают много времени. Для повышения их быстродействия используется метод поразрядного уравновешивания. Иллюстрирующая этот метод схема показана на рис. 15.3.
Рис. 15.2. Схема аналого-цифрового преобразователя последовательного типа
Роль цифрового автомата выполняет регистр Рг с датчиком тактовых импульсов ДТИ. Считывание выходного кода происходит по сигналу схемы готовности данных СГД, который подается при поступлении сигнала от компаратора K о равенстве входного напряжения Uвх и напряжения UnAU. Работа компаратора синхронизирована импульсами ДТИ. Эти же импульсы последовательно переводят разряды регистра Рг в состояние 1. Перевод начинается со старшего разряда, а младшие остаются в состоянии 0. При этом ЦАП вырабатывает соответствующее напряжение, которое сравнивается в компараторе K с входным. Если Uцап > Uвх, то по команде компаратора старший разряд сбрасывается в состояние 0; если Uцап < Um, то в старшем разряде остается 1. Затем в состояние 1 переводится следующий по старшинству разряд Рг и снова производится сравнение напряжений 6цАП и Uвх. Цикл повторяется до тех пор, пока не будет зафиксировано равенство указанных напряжений при переводе в состояние 1 какого-то из младших разрядов. После этого СГД подает сигнал о выдаче выходного кода. Число циклов сравнения в таком АЦП будет равно числу разрядов выходного кода.
Рис. 15.3. Схема аналого-цифрового преобразователя с поразрядным уравновешиванием