Лабораторна робота № 8

Тема роботи: аналого-цифровий перетворювач.

Мета роботи: ознайомлення з принципом роботи і випробування інтегрального 8-розрядного аналого-цифрового перетворювача.

Теоретичні відомості

1. Структурна схема ацп послідовної дії

Аналого-цифровий перетворювач (АЦП) – пристрій, призначений для перетворення аналогових величин в їх цифровий еквівалент в різних системах числення. Вхідним сигналом АЦП протягом деякого проміжку часу Δt являється постійна напруга, рівна відліку u_вх(kΔt) вхідної аналогової функції u_вх. За цей час на виході АЦП формується цифровий (зазвичай двійковий) код

_{відповідаючий дискретному відліку напруги uвх(kΔt). Кількісний зв’язок для будь-якого моменту часу визначається відношенням}

_{де Δu – крок квантування вхідної аналогової напруги uвх; δі – похибка перетворення напруги uвх(kΔt)на даному кроці.}

_{Фізичний процес аналого-цифрового перетворення складається із дискретизації по часу аналогового сигналу, квантування по рівню і кодування [8]. Процес дискретизації аналогового сигналу тривалістю tвх виконується у відповідності з теоремою Котельникова, визначаючій необхідний крок дискретизаціїΔt≤ 1(2fm), де fm – максимальна частота спектра вхідного сигналу, і число кроків M = tвх/Δt.}

_{Процес квантування по рівню дискретизованої функції uвх(kΔt)полягає в відображенні нескінченної множини її значень на деяку множину кінцевих значень uд(k), рівне числу рівнів квантування N = uвх.max/Δu. Процес квантування по рівню (округлення кожного значення uвх(kΔt) до найближчого рівня uд(k)приводить до виникнення помилки (шуму) квантування, максимальне значення якої ±1/2Δuвизначається розрядністю використовуваного вихідного коду. При збільшенні розрядності вихідного коду помилка квантування вихідного коду може бути зменшена до будь-якої потрібної малої величини, але не може бути зведена до нуля вибором параметрів пристрою, так як вона притаманна даному алгоритму.}

_{Процес кодування полягає в заміні відшуканих квантованих N + 1 значень вхідного сигналу uд(k) деякими цифровими кодами.}

_{На рис. 16.1, а приведена характеристика ідеального АЦП в нормованих одиницях вхідної напруги uвх.н = uвх/uвх.max. Крім помилки квантування, при оцінці точності АЦП враховуються додаткові похибки: інструментальну (похибку зсуву нуля, викликаючу зсув пунктирної прямої Lвліво або вправо від початку координат, див. рис. 16.1, а) і апертурну,, виникаючу із-за невідповідності значень вхідного сигналу uд(k)перетвореному цифровому коду Аі. Невідповідність виникає, якщо вхідний сигнал протягом інтервалу дискретизації Δt змінюється більше ніж на значення кроку квантування Δu.}

2. Основні параметри ацп

_{До основних параметрів АЦП відносять:}

• _{Число розрядів вихідного коду n = 8, …, 16, відображаючого вихідну аналогову величину, яка може формуватися на виході АЦП. При використанні двійкового коду n = log2(N + 1), де N + 1 –максимальне число кодових комбінацій (рівнів квантування) на виході АЦП;}

• _{Діапазон зміни вхідної напруги uвх.max. Відмітимо, що АЦП може обробляти вхідну інформацію в виді однополярної аналогової напруги з межами 0… uвх.max і двуполярної ±uвх.max/2;}

• _{Абсолютна роздільна здатність 3МР = Δu (значення молодшого розряду) – середнє значення мінімальної зміни вхідного сигналу uвх, Обумовлюючого збільшення або зменшення вихідного коду на одиницю. Значення ЗМР визначається розрядністю вихідного кодуз діапазоном вхідної напруги;}

• _{Абсолютна похибка δі перетворення в кінцевій точці шкали є відхилення реального максимального значення вхідного сигналу uвх.maxвід максимального значення ідеальної характеристики LАЦП (див. рис. 16.1, а). Зазвичайδі вимірюється в ЗМР;}

• _{Максимальна частота перетворення (десятки і сотні кілогерц);}

• _{Час перетворення вхідного сигналу: tпр.max ≤ (1/2)Δt.}

_{Вміст АЦП на відміну від АЦП може змінюватися в значній степені в залежності від вибраного методу перетворення і способу його реалізації. Найбільше розповсюдження отримали три основних методи: послідовного рахунку, порозрядного кодування і зчитування.}

_{Метод послідовного рахунку оснований на врівноваженні вхідної величини сумою однакових по величині еталонів (сумою кроків квантування). Момент врівноваження визначається за допомогою одного компаратора, а кількість еталонів, врівноважуючих вхідну величину, підраховується за допомогою лічильника.}

_{Метод порозрядного кодування (врівноваження) передбачає наявність декількох еталонів (часто реалізованих в виді врівноважуючого зсуваючого регістру), зазвичай пропорційних по величині степеням числа 2, і порівняння цих еталонів з аналоговою величиною. Порівняння починається з еталону старшого розряду. В залежності від результату порівняння формується значення старшого розряду вихідного коду. Якщо еталон більше вхідної величини, то в старшому розряді ставиться 0 і далі проводиться врівноваження вхідної величини наступним по значенню еталоном. Це еталон рівний або менший за вхідну величину, то в старшому розряді вихідного коду ставиться 1 і в подальшому проводиться врівноваження різниці між вхідною величиною і першим еталоном.}

_{Найбільшою швидкодією володітиме перетворювачі, побудовані по методу зчитування. Метод зчитування має на увазі наявність 2n – 1 компараторів.}

_{По структурі побудови ІМС АЦП розділяють на АЦП з застосуванням ЦАП і без них.}

_{Основні напрямки розвитку АЦП – підвищення швидкодії основних вузлів, зокрема, компараторів до 5…10 нс, підвищення їх точності до 0,05…0,005%, збільшення розрядності перетворювачів до 24, використання мікропроцесорів в перетворювачах.}