Методика выполнения работы

1. Целью настоящей лабораторной работы является разработка прин­ципиальной схемы двухтактного интегрирующего АЦП (рис. 4.3), монтаж её на рабочем столе программной оболочки NI Multisim, наладка и проведение испытаний полученного устройства. Такая постановка задачи требует от студента использования знаний по дисциплине «Теория автоматов», навыков проектирования автомата по имеющемуся алгоритму в соответствии с выполненным ранее курсовым проектом.

Основной задачей при этом будет разработка схемы управления ра­бо­той АЦП, которая будет состоять из управляющего автомата UА и операционного автомата ОА. Первый автомат, спроектированный как автомат Мура, должен обеспечить выработку управляющих сигналов в соответствии со схемой алгоритма. Задачей второго является выполнение необходимых действий по переключению режимов работы устройств преобразователя АЦП под воздействием этих управляющих сиг­налов.

Алгоритм работы двухтактного интегрирующего АЦП приведён на рис. 4.5. В нём присутствуют условия: Х0 – «Пуск», Х1 – момент переполнения счётчика, Х2 – момент полного разряда конденсатора С интегратора. На основе алгоритма строятся прямая и обратная структурные таблицы (табл. 4.1, 4.2) и выводятся логические уравнения для формирования кодирующих и уп­равляющих сигналов. На основе последних строится функциональная схе­ма управляющего автомата.

По обратной таблице переходов автомата составляются функции выходов автомата и функции управления памятью состояний:

;

;

;

;

;

;

Рис. 4.5. Алгоритм работы управляющего автомата двухтактного интегрирующего АЦП

;

;

.

Таблица 4.1

Прямая таблица переходов

№
1
2
3
4
5			1
6
7
8			1

Таблица 4.2

Обратная таблица переходов

№
1		000		000			-
2		100			1
3		000		001
4		001
5		001		010
6		010		011	1
7		011
8		011		100

Принципиальная схема управляющего автомата строится на логических элементах И, ИЛИ, НЕ. В качестве кодирующих элементов целесообразно использование триггеров 7474N, а дешифратор предпочтительно строить на базе микросхемы 74145N. Эти устройства находятся в библиотеке программной оболочки. Инверсность выходного сигнала дешифратора 74145N по таблице истинности заставляет включать инверторы на каждой его выходной клемме. Для этого сначала строится схема «TriggerDC», как показано на рис. 4.6, а, и после компоновки ее в субхему (рис. 4.6, б), где выходы D0, D1, D2 подключаются к индикаторам для проверки состояния триггеров, составляется полная схема UА.

Рис. 4.6. Схема (а) и субсхема «TriggerDC» (б)

как элемент, входящий в управляющий автомат

Разработанная принципиальная схема UA управляющего автомата представлена на рис. 4.7, а. Входными параметрами для неё в соответствии с алгоритмом будут логические условия Х2, Х1, Х0, тактирующий импульс CLK и сигнал сброса CLR, а выходными параметрами будут управляющие воздействия у₁, у₂,…у₆. Для дальнейшего её применения необходимо провести проверку функционирования UA, что выполняется по рис. 4.8. Здесь замыкание ключей 2, 1, 0 моделирует выполнение логических условий Х2, Х1, Х0; ключ С определяет момент подачи синхроимпульса, ключ R возвращает систему в исходное состояние. Индикаторные лампочки должны загораться в соответствии с алгоритмом, представленным на рис. 4.5.

Следующим этапом является построение операционного автомата ОА, который должен обеспечить выполнение всех необходимых действий при появлении управляющих сигналов с UA. Состав устройств ОА определяется схемой алгоритма и принципиальной схемой реализуемого преобразователя, то есть схемой двухтактного интегрирующего АЦП в нашем случае. Здесь определяющим фактором является требуемая точность выполнения преобразования. Последняя целиком и полностью зависит от числа разрядов внутреннего счётчика.

Рис. 4.7. Схема (а) и субсхема (б) управляющего автомата «UA»

По соображениям упрощения структуры построения АЦП для лабораторного занятия ёмкость счётчика ограничивается двумя десятичными разрядами, то есть максимальное записываемое число на первом этапе – этапе интегрирования – равно 100. Тогда в состав принципиальной схемы ОА будут входить два 4-битных реверсивных счётчика (например, микросхема 74192N), два 4-битных регистра сдвига (например, микросхема 74194N), одна микросхема 74107N JK-триггер и три микросхемы «ANALOG_SWITCH_VIRTUAL» (из семейства «Mixed_virtual» группы «Mixed»). При необходимости используются логические элементы И, ИЛИ, НЕ.

Начать разработку операционного автомата желательно со схемы счетчика. Для этого понадобятся две микросхемы 74192N. Для объединения двух 4-битных микросхем в 8-битный счетчик подадим сигнал с выхода C0 младшей микросхемы на вход UP старшей микросхемы. Разработанную принципиальную схему восьмиразрядного счетчика (рис. 4.9, поз. а) поместим в субсхему «8bit_schet» (рис. 4.9, б), чтобы затем использовать её при построении схемы операционного автомата для двухтактного интегрирующего АЦП.

Рис. 4.8. Схема испытаний субсхемы UA

Также следует помнить, что операционный автомат должен вырабатывать сигнал X1 (счетчик заполнен) при достижении значения 100. Схему восьмиразрядного регистра построим на двух 4-битных микросхемах 74194N. Подключим их входы и выходы в соответствии с документацией. Схема регистра в операционном автомате должна обеспечивать запоминание значения на выходе счетчика при поступлении сигнала Y6, а также хранение этого значения до поступления следующего сигнала Y6. Принципиальная схема регистра и его субсхема «8Bit_RG», входящая в состав операционного автомата, представлены на рис. 4.10.

Рис. 4.9. Схема (а) и субсхема (б) «8bit_Schet» 8-разрядного счетчика

Рис. 4.10. Схема (а) и субсхема (б) «8bit_RG» 8-разрядного регистра

Для того чтобы обеспечить своевременное замыкание или размыкание контактов конденсатора в интеграторе в соответствии с алгоритмом работы АЦП, а также переключение сигнала на входе АЦП с U_вх на U_оп, необходимо использовать микросхему аналоговых ключей, на вход которой мы будем подавать сигналы Y1, Y3, Y5. Для реализации переключения с входного напряжения на опорное нужно использовать JK-триггер. При этом на вход J будет подаваться управляющий сигнал Y3 для входного напряжения, а на вход K – управляющий сигнал Y5 для опорного напряжения. Выход Q триггера будет управлять тем каналом аналогового ключа, на который подается входное напряжение АЦП, а выход управляет каналом, на который подается опорное напряжение. Схема (а) и субсхема (б) «Anlg_key» представлены на рис. 4.11.

Рис. 4.11. Схема (а) и субсхема (б) «Anlg_key» аналогового ключа

Из разработанных ранее субсхем «8bit_Schet», «CS_X1», «8bit_RG» и «Anlg_key» соберем схему OA операционного автомата для АЦП. На ее вход будут поступать сигналы Y_i от управляющего автомата UA, входное и опорное напряжения АЦП и сигнал CLK генератора синхроимпульсов. На выходе получим сигналы Q_n с кодом результата преобразования, сигнал X1 (счетчик заполнен), две клеммы S2, подключаемые к контактам конденсатора в интеграторе, а также сигнал S1, являющийся входным для интегрирующего АЦП. Схема (а) и субсхема (б) ОА операционного автомата представлены на рис. 4.12. В схеме входными параметрами будут: управляющие сигналы у₁, у₂,…, у₆ субсхемы UA, входное напряжение +U_вх(U_in), опорное напряжение +U_оп(U_et), прямоугольные положительные сигналы с генератора тактовых импульсов ГТИ – синхроимпульсы CLK.

Рис. 4.12. Схема (а) и субсхема (б) «ОА» операционного автомата

Выходными параметрами субсхемы будут: четыре двоичных разряда на индикацию десятичной цифры числа десятков с помощью семисегментного индикатора DCD_HEX, сигнал логического условия Х1, четыре двоичных разряда на индикацию десятичной цифры числа единиц с помощью такого же индикатора, вывод на входное сопротивление интегратора и два вывода шунтирования конденсатора С интегратора. В схеме операционного автомата целесообразна установка в узловых точках индикаторных лампочек для визуализации процесса его работы. При работе ОА в составе всего АЦП двойной щелчок мыши на изображении субсхемы ОА позволяет раскрыть её и наблюдать прохождение импульсов по элементам субсхемы.

Наличие субсхем позволяет построить принципиальную схему двухтактного интегрирующего АЦП (рис. 4.13). Помимо UA, OA она содержит интегратор DA1, компаратор DA2, аналоговый инвертор DA3, функциональный генератор ГТИ, два семисегментных индикатора DEC_HEX, кнопки «Пуск» и «CLR» возвращения системы в исходное состояние.

Рис. 4.13. Принципиальная схема двухтактного интегрирующего АЦП

Отличие схемы, приведенной на рис. 4.13, от функциональной схемы АЦП (рис. 4.3) заключается в введении напряжения смещения U_см на неинвертирующем входе DA2, которое необходимо для реализации возможности процесса интегрирования в обоих квадрантах входного напряжения (положительного и отрицательного) на конденсаторе С интегратора. Входное 0-10 В и опорное, равное 10 В, напряжения – сигналы положительной полярности; необходимое для работы АЦП их противофазное соотношение реализуется введением аналогового инвертора на DА3. Индикаторные лампочки И1,…,И4 визуализируют различные этапы работы узлов АЦП в процессе преобразования. По вольтметру контролируется текущая величина напряжения на конденсаторе С интегратора. Считывание результатов преобразования (десятки и единицы импульсов) происходит по показаниям двух семисегментных индикаторов И5, И6. Генератор тактовых импульсов ГТИ синхронизирует работу схемы. Контроль хода процесса преобразования выполняется осциллографом.

2. Собранную схему АЦП необходимо настроить. Процедура настройки АЦП заключается в подборе такого значения положительного напряжения смещения U_см на инвертирующем входе компаратора, при котором для входного сигнала U_вх = 10 В подсчитанное внутренним счётчиком на втором этапе интегрирования число импульсов на выходе АЦП также равно 100, то есть равно всей полной ёмкости этого счётчика. Но при этом следует учесть, что инициализация содержимого счётчика происходит при поступлении сотого импульса.

Для этого в схеме (рис. 4.13) снять выходные показания преобразователя при различных величинах напряжения смещения на инвертирующем входе DА2. Входное напряжение АЦП установите равным 10 В, опорное напряжение установите той же величины (10 В). На генераторе тактовых импульсов выберите выходные импульсы прямоугольного вида с амплитудой 5 В и частотой 10 кГц. Скважность импульсов – 50%.

График изменения напряжения U_с на конденсаторе С интегратора приведён на рис. 4.14. Процесс, контролируемый с помощью осцил­лографа, начинается с момента включения общего тумблера программы в верхней части экрана. Осциллограф подсоедините к выходной точке конденсатора С интегратора и ко входному резистору интегратора в 100 Ом. Начальные установки на лицевой панели осциллографа: масштаб напряжений по обоим каналам – 5В/дел; масштаб по времени развёртки (time base) – 5 мс/дел; процесс контролировать в функции времени (Y/T); входной сигнал – напряжение постоянного тока (DC). В интервале времени 0 – t₀ происходит начальный заряд конденсатора С. Необходима выдержка времени t₀ до момента нажатия кнопки «Пуск», пока не прекратится дальнейшее нарастание напряжения на конденсаторе. По общему таймеру моделирующей программы при U_вх = 10 В это время составляет около 25 мс, начальное напряжение на конденсаторе U_с0 по вольтметру – около 4.44 В.

Рис. 4.14. График изменения напряжения на выходе интегратора

В течение первого такта работы АЦП – интервал t₀-t₁ – под действием входного напряжения U_вх происходит заряд С отрицательным потенциалом. Длительность его определяется временем реализации всей ёмкости внутреннего счётчика, то есть длительностью подсчёта 100 импульсов. О его завершении свидетельствует загорание индикаторной лампочки И3 (условие Х1). В момент t₁ ко входу интегратора подключается опорное напряжение противоположной полярности и начинается разряд С положительным потенциалом до момента t₂. Об окончании его свидетельствует загорание индикаторной лампочки И1 (условие Х2). Длительность этого процесса для текущих значений входного напряжения интегратора определяется величиной опорного напряжения. Если мы установили входное напряжение равным опорному, то и длительности этих этапов – первого и второго – должны быть одинаковы. Отсюда и число импульсов, подсчитанное счётчиком на втором такте, должно быть равно 100.

Снимите показания счётчика АЦП для диапазона положительного напряжения смещения на инвертирующем входе компаратора от 2,6 В до 3,6 В с шагом в 0,1 В. Нажатие кнопки «Пуск» производите только при завершении процесса установки напряжения на конденсаторе С. После завершения процесса работы АЦП на экране осциллографа измерьте длительности интервалов времени t₁ и t₂, зафиксируйте показания счётчика по окончании второго такта. Результаты сведите в табл. 4.3.

Таблица 4.3

Параметры	Напряжения смещения Uсм, В
	2,6	2,7	…	3,6
Uco, В
t1, мс
t2, мс
n, им.

По итогам этого эксперимента определите то значение напряжения смещения по неинвертирующему входу компаратора, при котором подсчитанное число импульсов во втором такте равно 100. Здесь следует учесть, что отсутствие третьего разряда в изображении выходного кода преобразования несколько затрудняет съём показаний – представление кода 00 и кода 100 будет одинаковым. Следовательно, нужно учитывать, в какие моменты времени происходит считывание. Найденное в табл. 4.3 значение напряжения смещения установите в схеме АЦП и далее его не изменяйте.

3. Снимите выходную характеристику АЦП – зависимость цифрового кода по счётчику от величины входного напряжения, которое изменяйте в диапазоне от 2 В до 10 В с шагом в 2 В. Процесс снятия показаний аналогичен рассмотренному выше. При включении общего тумблера начала процесса моделирования в верхней части экрана выждать некоторое время до момента установления неизменным напряжения на конденсаторе С, затем нажмите кнопку «Пуск». По завершении процесса преобразования, что хорошо видно на экране осциллографа, или после кратковременного загорания лампочки И1 считайте показания счётчика и на экране осциллографа определите длительности интервалов t₁ и t₂. Результаты экс­перимента сведите в табл. 4.4, на основании которой постройте график выходной харак­те­ристики АЦП. Какой из этого можно сделать вывод?

Таблица 4.4

Параметры	Входное напряжение Uвх, В
	2	4	6	8	10
n, им.
t1, мс
t2, мс

4. Исследуйте влияние изменения ёмкости конденсатора С в цепи интегратора на работу АЦП. Последовательно снимите выходные показания преобразователя для входного напряжения 6 В, последовательно изменяя каждый раз величину ёмкости конденсатора соответственно на 1, 2, 3 и 4%. Найдите величину допустимого изменения ёмкости С, которое не влияет на работу АЦП. Результаты сведите в табл. 4.5. Здесь n_н – число импульсов при С = 100 мкф. Какой можно сделать вывод из анализа данных таблицы?

5. Оцените влияние изменения частоты генератора ГТИ от уровня 10 кГц в обе стороны, задавая те же проценты отклонения, что и в п. 4. Постройте табл. 4.6. Здесь n_н – число импульсов при F = 10 кГц. Какой можно сделать вывод из анализа данных таблицы?

Таблица 4.5

Пара– метры	Ёмкость конденсатора С, мкф
	96	97	98	99	100	101	102	103	104
Сн , %	-4	-3	-2	-1	0	+1	+2	+3	+4
n, имп.
n=n-nн
Δ=n/nн

Таблица 4.6

Пара- метры	Частота генератора F, кГц
	9,6	9,7	9,8	9,9	10,0	10,1	10,2	10,3	10,4
Сн , %	-4	-3	-2	-1	0	+1	+2	+3	+4
n, имп.
n=n-nн
Δ=n/nн

Указания по оформлению отчёта

Отчёт в письменном виде должен содержать:

1) краткое описание работы интегрирующих аналого-цифровых преобразователей, их функционирования по структурным схемам, временным диаграммам;

2) алгоритм функционирования управляющего автомата, прямую и обратную таблицы переходов, принципиальную схему управляющего автомата, результаты экспериментальной проверки его работы;

3) схему операционного автомата, его составных частей с их принципиальными схемами и субсхемами;

4) принципиальную схему двухтактного интегрирующего АЦП, результаты экспериментальной подборки величины смещения с указанием оптимального ее значения;

5) определение не влияющих на точность преобразования АЦП процентных отклонений от номинальных значений частоты задающего генератора и величины емкости конденсатора;

6) выводы по работе двухтактного интегрирующего АЦП.