17. Лабораторная работа n17 исследование аналого-цифровых преобразователей

Цель работы:

Изучение принципов построения АЦП; исследование этих преобразователей на дискретных элементах; приобретение навыков по их применению.

17.1. Теоретические сведения.

17.1.1. Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) на дискретных элементах.

Схема АЦП зависит от метода преобразования преобразования и способа его реализации. Можно выделить следующие методы построения АЦП:

- временного преобразования;

- последовательного счета;

- последовательного приближения;

- параллельного преобразования.

В схеме временного преобразования (рис. 17.1.) значению аналогового входного напряжения Uвх ставится в соответствие временной интервал, длительность которого пропорциональна Uвх. Этот интервал заполняется импульсами стабильной частоты, количество которых и является цифровым эквивалентом преобразуемого напряжения.

а. б.

Рис. 17.1.

Работа схемы заключается в следующем. Выходной импульс узла

запуска УЗ обнуляет счетчик, устанавливает RS-триггер в "1" состояние и запускает генератор линейно изменяющегося напряжения

ГЛИН. При наличии логической единицы на прямом выходе триггера

выходные импульсы генератора тактовых импульсов ГТИ через схему

совпадения И подключаются к выходу счетчика. Когда напряжение на выходе ГЛИН станет равным Uвх (на рис. 17.1.а. Uвх = const), на выходе компаратора появляется логическая "1", которая переключает триггер в "0" состояние и прерывает связь счетчика с ГТИ. Длительность положительного импульса tв на выходе триггера (рис. 17.1.б.) пропорциональна Uвх, следовательно, при неизменной частоте ГТИ код, установившийся на выходе счетчика, является цифровым эквивалентом величины Uвх.

В АЦП последовательного счета к выходу счетчика подключается ЦАП, преобразующий код в аналоговый сигнал. Этот аналоговый

сигнал сравнивается с входным напряжением на компараторе, выход-

н ой сигнал которого через элемент И разрешает или запрещает прохождение на вход счетчика импульсов от генератора тактовых импульсов. Выходной код счетчика при этом является цифровым эквивалентом напряжения на входе ЦАП, т.е. Uвх.

Рис. 17.2.

В описанных АЦП значение выходного кода в процессе преобразования многократно изменяется. Эти АЦП имеют низкое быстродействие, так как, например, для получения 10 разрядов выходного кода требуется время 1024 тактовых интервалов (время преобразования t = 1024Тгти). В общем случае время преобразования непостоянно и зависит от Uвх.

Более быстродействующими являются АЦП последовательного приближения, в которых формируемый выходной код последовательно

приближается к своему полному выражению: в начале определяется

цифра в старшем n-м разряде, а затем в (n-1) и т. д., завершая младшим (первым) разрядом. Работа такого преобразователя основана на свойствах натурального двоичного кода: веса единиц в соседних разрядах отличаются в двое; единица в старшем n-м разряде имеет вес, больший половины веса всего кода, единица в следующем

(n-1) разряде имеет вес, больший четверти веса всего кода и т.д.

На рис. 17.3. представлена упрощенная схема АЦП последовательного приближения.

Рис. 17.3.

После поступления импульса "ПУСК" на регистр последовательного приближения РПП на выходе его старшего n-го разряда появляется напряжение логической «1», а на остальных выходах ­ "0". На выходах ЦАП формируется напряжение Uвых = 0,5Uвх max, которое на входах компаратора сравнивается с Uвх. Если Uвх > Uвых, то под действием импульса ГТИ появляется единица на выходе (n-1) разряда РПП и сохраняется единица в старшем разряде. Если Uвх < Uвых, то при появлении единицы в (n-1) разряде РПП содержание предыдущего старшего разряда обнуляется. Так перебираются все разряды до самого младшего. После выполнения последнего n-го сравнения цикл формирования выходного кода заканчивается. Состояние РПП соответствует цифровому эквиваленту входного напряжения. Если, например, Uвх = Uвх max, то комбинация выходного кода равна 11...1 (все единицы). В рассмотренном АЦП время преобразования t постоянно и определяется числом разрядов n и тактовой частотой fгти = 1/Тгти (tn = n*Тгти). Рассмотренные АЦП широко используются, т. к. обладают достаточно высоким быстродействием при относительно простой структуре.

Самым быстродействующим является АЦП параллельного действия (рис. 17.4.).  

Его основные элементы - 2^n-1 компараторов напряжения. На один из двух входов каждого компаратора (инвертирующий вход) подается индивидуальное опорное напряжение Uоп, сформированное резистивным делителем напряжения. Разность между опорными напряжениями двух ближайших компараторов U = Uоп/2. Другие входы

Рис. 17.4.

компараторов (неинвертирующие) - объединены, и на них подается входной сигнал. На тех компараторах, где Uвх больше, чем соответствующее напряжение с делителя, на выходе будет логическая "1", а на остальных - логический "0". Тактовым импульсом информация с выходов компараторов передается шифратору CD, который преобразует выходные сигналы компараторов в двоичный код. При поступлении управляющего импульса УИ на вход шифратора сформированный двоичный код передается на выход преобразователя. Преобразование производится за два такта и время преобразования равно tпр = (10-100)нс. Недостатком такого преобразователя являются сложность (требуется большое число компараторов, которое быстро возрастает с ростом числа разрядов n АЦП), большое энергопотребление от источника питания.

К схемам АЦП без применения ЦАП относятся АЦП двойного интегрирования. Способ двойного интегрирования позволяет хорошо подавлять сетевые помехи; кроме того для построения схемы не требуется ЦАП с высокоточными резистивными матрицами. Функциональная схема АЦП двойного интегрирования напоминает схему АЦП последовательного счета, в которой вместо ЦАП применен интегратор.

17.1.2. АЦП в интегральном исполнении.

В настоящее время выпускаются несколько типов АЦП в интегральном исполнении. Среди широко используются АЦП 572-й КМОП серии - КР572ПВ2, основная схема включения которого приведена на рис. 17.5.

Рис. 17.5.

При подключении трех внешних резисторов и пяти конденсаторов КР572ПВ2 выполняет функцию АЦП, работающего по принципу двойного интегрирования с автоматической коррекцией нуля и автоматическим определением полярности входного сигнала. Для задания тактовой частоты fтакт, номинал С5 можно определить по формуле:

C5 = 0,45/fтакт*R3.

Для повышения стабильности тактовой частоты может быть использован кварцевый резонатор, подключенный между выводами 39 и 40, при этом С5 и R3 не используют.

17.2. Подготовка к работе.

17.2.1. Изучить принципы построения и работы АЦП на дискретных элементах и в интегральном исполнении.

17.2.2. Изобразить временные диаграммы, поясняющие преобразование входного аналогового сигнала в выходной двоичный код в

АЦП последовательного счета.

17.2.4. Нарисовать исследуемую схему АЦП.

17.2.5. Ознакомиться с порядком сборки и исследования схемы

на стенде.

17.3. План работы.

17.3.1. Собрать схему АЦП, представленную на рис. 17.6. Приложение 1. Запитать ОУ двухполярным источником питания, а цифровые микросхемы - источником +5В.

17.3.2. Исследовать его работу, задавая входное напряжение от источника ИПН2 и определить диапазон изменения преобразуемого напряжения при котором не происходит переполнение АЦП. Входное напряжение замеряется с помощью вольтметра pV1 (или цифрового), а выходной сигнал АЦП снимается с индикатора H12 в десятичном коде.

17.3.3. Изменяя Uвх АЦП в определенном диапазоне составить

таблицу преобразования входного напряжения в код.

17.3.4. По результатам исследования определить параметры исследуемого АЦП.

17.4. Контрольные вопросы.

17.4.1. Пояснить принцип работы АЦП.

17.4.2. Каковы особенности работы АЦП последовательного счета.

17.4.3. Пояснить работу АЦП временного преобразования и

особенности его работы.

17.4.4. Пояснить работу АЦП последовательного приближения и особенности его работы.

17.4.5. Каковы особенности работы АЦП параллельного действия?

17.4.6. Назовите особенности применения АЦП в интегральном

исполнении на примере АЦП КР572ПВ2.

17.4.7. Проведите сравнительную оценку всех разновидностей

АЦП.

17.4.8. Назовите и дайте пояснения основным параметрам ЦАП.