Лекции / СТКУ_какие_то_лекции

Как видно из таблицы 21.5, каждый раз увеличение входного уровня на 0,2 В приводит к увеличению на 1 на двоичном выходе. Как видно, таблица 21.5 является зеркальным отображением табл. 21.2 (ЦАП).

Лекция 22

Тема: сопряжение цифровых и аналоговых устройств Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) (продолжение лекции 21)

21.5.2. Структурная схема АЦП с динамической компенсацией

представлена на рис.21.9:

рис. 21.9

К входу АЦП приложено аналоговое напряжение. Компаратор «проверяет» величину напряжения, поступающего от ЦАП. Если напряжение на входе A больше напряжения на входе B, разрешается прохождение тактовых импульсов на вход счетчика. Счетчик с каждым новым импульсом «добавляет» уровень на двоичном выходе. Счет продолжается до тех пор, пока напряжение обратной связи на входе B не превысит аналоговое напряжение по входу A. В этой точке компаратор останавливает счетчик. Вспомним работу компаратора (рис.21.10).

рис. 21.10

Основа компаратора – операционный усилитель. Суть его работы: если A B , то на выходе имеется логическая 1; если A B , то на выходе – логический 0, причем уровни 1 и 0 устанавливают равными уровням ТТЛ-логики.

На вход B компаратора с выхода ЦАП по цепи обратной связи подается линейно-возрастающее напряжение (пилообразной формы), так как в процессе счета перед началом нового цикла счета уровень напряжения с выхода ЦАП начинается с нуля.

21.5.3. Интегрирующий АЦП

Структурная схема интегрирующего АЦП приведена на рис.21.11.

рис. 21.11

Работа АЦП может быть пояснена рис.21.12:

рис. 21.12

Предположим, что аналоговое напряжение на входе АЦП равно 3В (а). Линейно-изменяющееся напряжение нарастает с 0В, и пока оно не достигнет точки Y, оно меньше входного, и с выхода компаратора действует логическая 1, каждая «разрешает» работу схемы И, через которую про-

ходят тактовые импульсы (по нашему рисунку – прошло 3 тактовых импульса).

В точке Y напряжение на выходе компаратора устанавливается равным логическому 0 – счетчик останавливается, так как схема И «закрылась». Счет останавливается на числе 0011 (3В).

Если на входе установлено UВХ 6В (б), то линейновозрастающее напряжение сравняется с входным в точке Z

– здесь компаратор «закроет» схему И, счет прекратится при выходном двоичном напряжении 0110 (6В). Недостаток данной схемы – слишком велико время при преобразовании больших напряжений.

21.5.4. АЦП последовательного приближения

Структурная схема представлена на рис.21.13.

рис. 21.13

Здесь имеется новый блок – регистр последовательного приближения.

Работа данной схемы поясняется рис. 21.14. Предположим, что на вход подадим UВХ 7В.

рис. 21.14

Как видно из рисунка 21.14, если на втором шаге ответ компаратора «больше», то этот разряд «очищается» (устанавливается 0 в этом разряде) и процесс «опроса» идет к следующему шагу. Если ответ «меньше», то разряде устанавливается 1, и регистр последовательного приближения засылает запрос (1) в ниже следующий разряд и т.д. до конца (0111) или (710 ).

Т.о., регистр последовательного приближения выполняет операции (в прямоугольниках); на поставленные вопросы отвечает компаратор.

Преимущество данной схемы АЦП – небольшое количество опросов – процесс достаточно быстрый. Данный вид АЦП имеет широкое применение.

Имеется много других схем АЦП.

21.6. Характеристики АЦП и ЦАП

а) процесс работы АЦП предполагает в общем случае ряд операций:

-дискретизация сигнала по времени (определение наперед заданных дискретных моментов времени и определение в эти моменты времени значений непрерывной функции).

-квантование (округление до некоторых известных величин) полученных в дискретные моменты времени значений исходной аналоговой величины по уровню;

-кодирование – замена найденных значений (квантованных) некоторыми числовыми кодами.

Данная последовательность операций изображена на ри-

сунке 21.15.

рис. 21.15

Пусть задана аналоговая зависимость U(t). Для получения

еедискретного эквивалента необходимо провести выборку

еезначений в дискретные моменты

моменты времени n ТД , где n=0, 1, 2, 3… - целое число:

U(n TД ) U(0);U(TД );U(2TД );... . Постоянная величина

TД

- называется периодом дискретизации, а сам процесс замены исходной аналоговой функции U(t) некоторой дис-

кретной функцией U(n ТД ) называется дискретизацией сигнала по времени. Необходимо отметить, что дискретная

D Umax Umin ,

и величина h D носит название шага квантования (см.

N

рис. 21.15).

Каждому дискретному значению U*(n TД ), присваивается

значение в двоичной форме (например, по рис.35.9: 000; 001; 011; 100; 100; 101; 100; 100; 011; 010; 010).

Процесс квантования по уровню всегда связан с внесением некоторой погрешности i , которая называется шумом квантования, величина которой (погрешности) определяется числом допустимых значений функций UН* , т.е. разрядностью числового кода.

При увеличении разрядности шум квантования можно сделать сколь угодно малым (но принципиально не может быть равна нулю).

В соответствии с теоремой Котельникова, если пе-

риод дискретизации TД отвечает условию TД 1 fmax , где

2

fmax - частота максимальной гармоники исходного сигнала

(а исходный сигнал по рис. 21.15 может быть представлен конечной суммой гармонических сигналов, т.е. ее спектр

K

ограничен: U(t) Ui sin( it i ) ), то дискретные зна-

i 1

чения полностью определяют исходную зависимость и погрешность преобразования по времени на этапе дискретизации отсутствует.

б) процесс работы ЦАП предполагает выполнение следующих операций:

-формирование в заданном диапазоне изменения выходного сигнала M, его дискретных значений UM* , отличающихся на некоторые значения ;

-постановка каждому сформированному уровню соответствующего двоичного кода;

-последовательное, с заданными временными интервалами T1 , присвоение выходному сигналу значений выделенных уровней в соответствии с входной кодовой последовательностью.

Если предположить, что h и T1 TД , то резуль-

татом ЦАП полученной двоичной последовательности будет ступенчатая функция по рис. 21.15 (последователь-

ность 000; 001; 011; 100; 100; 101; 100; 100; 011; 010; 010 с

интервалом TД и шагом квантования h в диапазоне 0 5h

). Эта функция хоть и непрерывна по времени, дискретна по уровням, что является результатом погрешности, обусловленной шумом квантования. Сам процесс ЦАП не вносит погрешности, лишь материализует погрешности предыдущего АЦП. Т.е., погрешности возникают только при АЦП и их можно уменьшить за счет уменьшения шага квантования h и периода дискретизации TД .

Основные характеристики АЦП и ЦАП:

-статические, определяющие точность преобразова-

ния и

-динамические, характеризующие быстродействие данного класса устройств.

К статическим характеристикам относят:

-число разрядов (в), отображающих исходную аналоговую величину (на выходе АЦП или входе ЦАП)

-абсолютная разрешающая способность – средние значения минимального изменения сигнала, обусловленное изменением разряда кода на единицу (как правило, младшего разряда).

-напряжение смещения нуля U0 - это напряжение (UВХ 0 ),

которое нужно приложить к входу АЦП, чтобы получить на выходе нулевой выходной код; для ЦАП – это напряже-