Учебное пособие 1392

значащих разрядах. Чтобы эффективно устранить неточность преобразования из-за шумов граничных кодов, надо провести необходимое число замеров и усреднить результаты. Например, если среднестатистическое значение составляет 2/3 МЗР, это приравнивается приблизительно к 4 МЗР от пика до пика. Чтобы свести неточность преобразования к 1 МЗР, необходимо выбрать в квадрат раз больше замеров, чем величина шума. В данном случае 42 составляет 16 замеров.

Одним из наиболее потенциальных источников ошибок в АЦП является источник опорного напряжения (ИОН). ИОН может быть встроен в чип или быть отдельным прибором, но всегда необходимо обращать внимание на 3 параметра: температурный дрейф, шум напряжения и нестабильность выходного напряжения (или тока) от нагрузки.

Шум напряжения часто определяется как среднеквадратическая величина или как величина полного размаха. Если опорное напряжение 2,5 В имеет полный размах шума величиной 500 мкВ, то это представляет ошибку 0,02 %, что соответствует только 12-разрядному преобразованию. Поэтому ошибка преобразования от шума опорного напряжения рассматривается прежде, чем любая другая. Если, при встроенном ИОН, Вы не получаете требуемую точность, то попробуйте использовать внешний прецизионный источник и сделайте соответствующие выводы.

Часто источник опорного напряжения используется для других устройств и/или микросхем. Ток, который при этом от-

бирается, приводит к нестабильности опорного напряжения.

Чем больший ток потребляют внешние схемы, тем ниже падает опорное напряжение. Если дополнительные устройства включаются периодически, то опорное напряжение будет также раскачиваться вверх-вниз. Если стабильность по току для опорного напряжения 2,5 В составляет 0,5 мкВ/мкА и на другие устройства отбирается 800 мкА, то изменение опорного

71

напряжения может достигать 400 мкВ, или 0,016 % (400 мкВ/2,5 В).

Схемные решения АЦП

Современные АЦП последовательного приближения выполняются в виде интегральной схемы. Основное различие между АЦП по схемотехническому исполнению состоит в том, какие блоки из указанных на рис. 4.4 интегрированы в одном корпусе. Первые АЦП включали только ЦАП тока (см. рис. 3.7) и БФК (то есть регистры) и не содержали в себе ни ИОН, ни ОУ, ни КН. Современные АЦП представляют законченные устройства, параметры их узлов сбалансированы так, чтобы обеспечить паспортные значения точности, входных и выходных сигналов.

Влабораторной работе используется АЦП, собранный на микросхеме КР572ПВ1, которая содержит 12-разрядный ЦАПН и БФК, реализующий алгоритм последовательного приближения. Исполнение ИОН, ОУ и КН в виде отдельных узлов позволяет изучить их работу и влияние на результат преобразования.

Всостав БИС входят устройства для организации побайтового обмена информацией с 8-разрядной шиной данных МП. В режиме АЦП существует возможность организации синхронной и циклической работы, произвольного уменьшения числа разрядов и вывода данных в последовательном коде. Изменение режимов работы производится коммутацией небольшого числа внешних выводов.

Условное графическое обозначение (УГО) и распиновка этой микросхемы приведены на рис. 4.8. Назначение выводов: 1 – последовательный вход; 2 – вход управления СР;

3 – напряжение питания Uп1;

4–15 – цифровые выходы (от СР к MP); 16 – вход управления MP;

72

ров, подключенных к выводам так, как показано на рис. 4.9. По схемотехническому решению и топологии матрица ЦАП

73

Рис. 4.9

подобна ИС К572ПА1, но отличается увеличенным числом КМОП ключей и звеньев R-2R резистивной матрицы (12 звеньев вместо 10). Две группы прецизионных резисторов (R- 2R и R/4-R/2) предназначены для образования совместно с внешним ОУ и/или КН завершенных схем АЦП и ЦАП с различным коэффициентом преобразования. Цифровая часть БИС включает необходимые для построения АЦП последовательного приближения логические узлы, а также дополнительные устройства для работы в режиме ЦАП.

Микросхема может использоваться как в составе АЦП, так и в качестве ЦАПТ в соответствии с таблицей.

Установка входа стробирования в лог.0 дает режим хранения информации в регистре.

Как следует из таблицы, для использования в составе АЦП с постоянно доступными для наблюдения цифровыми выходами следует установить режим Р = 0, МР = СР = 1, Строб = 1.

Преобразование осуществляется за 12 рабочих тактов, каждый из которых по длительности равен двум импульсам ГТИ. Вспомогательный такт используется для формирования сигнала Конец преобразования. По этому сигналу происходит считывание цифровой информации. В циклическом режиме работы за периодом считывания следует период возврата АЦП в исходное состояние (сброса) по сигналу с вывода Цикл.

Для использования совместно с 8- и 16-разрядными шинами данных микропроцессоров предусмотрено побайтное управление цифровыми выходами с переводом в Z-состояние. Однако следует учитывать, что нормальное функционирование БИС обеспечивается при тактовой частоте до 250 кГц, поэтому использование для ее тактирования сигналов с линии SYSCLK процессора возможно только через соответствующий делитель.

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА

Для исследования АЦП используется тот же стенд, что и в работе № 3. При этом также задействованы (см. рис. 3.6): источник опорного напряжения ИОН, генератор импульсов ГИ, цифроаналоговый преобразователь ЦАПН, служащий здесь источником аналогового сигнала. Кроме того, в схему входят (рис. 4.10) АЦП с операционным усилителем на выходе, компаратор в режиме нуль-органа, переключатели и клеммы.

Аналого-цифровой преобразователь DA3 выполнен на микросхеме КР572ПВ1. На инвертирующий вход операционного усилителя DA4 подается сумма токов:

а) с матрицы внутреннего ЦАП (очередной шаг приближения), б) входа, на который подается измеряемое напряжение,

75

в) выхода ОУ через резистор обратной связи R.

Рис. 4.10

Поскольку вход АЦП соединен со входом ОУ через резистор сопротивлением 2R, параллельно этому резистору подключен внешний резистор R18, сопротивление которого R18 ≈ 2R. Равенство номиналов резисторов на входе АЦП и резистора обратной связи обеспечивает коэффициент измерения входного напряжения, равный единице. В результате на выходе операционного усилителя DA4 формируется сигнал,

76

который отражает изменение состояния выходного сигнала ЦАПН в процессе преобразования. Собственно сравнение выполняется на компараторе DA5 К521СА3.

Тактирующий сигнал поступает на вход ТИ АЦП. Перезапуск АЦП осуществляется объединением выхода Q (завершение преобразования) с входом Зап (пуск преобразования). Для переключения режимов в схему введен переключатель SA4 (положение «1» – циклический, «2» – однократный). Для однократного запуска предусмотрена кнопка SA3. После перехода в циклический режим также следует однократно нажать эту кнопку.

Выходные сигналы разрядов АЦП (0-11) поступают на контрольный разъем XS1.

Контрольные вопросы по допуску к работе

1.Каковы рекомендации стандартов по параметрам устройств аналогового ввода?

2.Какие методы аналого-цифрового преобразования вам известны?

Порядок выполнения работы 1. Задание на выполнение работы

Изучить структуру микросхемы КР572ПВ1, изучить принципиальную схему АЦП на основе этой микросхемы, коммутацию резисторов, соединенных с выводами 29, 31, 32, 34, 35, 37 (см. рис. 4.9). Используя лабораторный стенд, определить в соответствии с порядком выполнения работы характеристики АЦП.

2.Порядок действий

2.1.Изучить методический материал и принципиальную схему исследуемого устройства.

2.2.После собеседования с преподавателем подготовить схему исследования ЦАПН:

77

Перевести все переключатели блока SA2 в положение “ON”, переключатель SA1.4 разомкнуть, переключатель SA4 перевести в положение 1.

Включить лабораторный стенд и установить заданное преподавателем значение опорного напряжения, контролируя его вольтметром.

Подключить цифровой вольтметр к выходу ЦАП.

2.3.Способом, изложенным ниже, проконтролировать временную диаграмму состояния разрядов на выходе АЦП для

напряжений, примерно равных 0 В, 0,4 Uоп , 0,8 Uоп и максимально возможному значению. Напряжения формировать с помощью ЦАП, подбирая коды разрядами переключателя SA2

иконтролируя вольтметром. Двоичные коды на выходе АЦП наблюдать с помощью осциллографа на соответствующих контактах разъема XS1, синхронизируя осциллограф от самого старшего разряда. Каждый раз наблюдать также выходной сигнал компаратора и операционного усилителя DА4. Зарисовать эти диаграммы и объяснить их вид. Обратить внимание на неустойчивое состояние младших разрядов, оценить количество таких разрядов (кодовое мерцание в младших значащих разрядах).

В случае отсутствия импульсов запустить АЦП нажатием кнопки SA3.

2.4.Подготовить две таблицы для вычисления интегральной и дифференциальной нелинейности характеристики: первую – для значений кода 1,2,4,8,...,512, а вторую – для интервала от 128 до 135 через ЕМР. В таблице предусмотреть столбцы для: десятичной записи кода ЦАП, его двоичного эквивалента, значения напряжения на выходе ЦАПН (см. таблицу из работы № 9), двоичного кода на выходе АЦП, соответствующего значения напряжения и вычисления необходимых разностей (см. «Порядок обработки материалов»).

2.5.Провести измерения и заполнить обе таблицы. Двоичные коды на выходе АЦП измерять с помощью осциллографа

78

на соответствующих контактах разъема XS1, переведя АЦП в режим однократного измерения (переключатель SA4 перевести в положение 2) и запуская его кнопкой SA3. Оценить точность измерений, учитывая результаты наблюдений по п.3; выделить в таблице достоверную часть результатов. Вычисление соответствующего напряжения проводить на ПК по формуле (4.1) с помощью табличного процессора Excel.

2.6. Определить вес разряда 512 – подобрать набор сигналов на входе ЦАПН в окрестности 512 так, чтобы на выходе АЦП присутствовала только одна единица в старшем разряде, измерить выходное напряжение ЦАПН. Составить аналогичным образом таблицу весов остальных разрядов АЦП. Перевести выходные коды АЦП, полученные в п.п. 4-5, в значения напряжений, составить соответствующие таблицы.

3.Порядок обработки материалов

3.1.По данным, полученным в п. 5 задания, определите смещение нуля АЦП.

3.2.Определите интегральную нелинейность, т.е. максимальное отклонение характеристики «вход-выход» от прямой линии. Для этого в программе Excel организуйте таблицу и пе-

ренесите туда результаты из первой таблицы, заполненной для значений кода 2к. В соответствии с рис. 3.4,а вычислите идеальные значения выходного сигнала для всех точек измерения, затем отклонения реальных значений от вычисленных и найдите его максимум.

3.3.Определите дифференциальную нелинейность, обработав в программе Excel вторую таблицу результатов, т.е. вычислив в каждой точке различие между фактической высотой шага и идеальным значением 1МЗР.

3.4.Определите время преобразования АЦП.

3.5.Оформите отчет и предоставьте преподавателю для получения зачета. Подготовьте ответы на контрольные вопросы.

79

В отчет включаются название лабораторной работы, фамилии исполнителя и преподавателя, цель работы, порядок выполнения и полученные результаты, результаты обработки экспериментальных данных.

Итоговые вопросы

1.Изложите принцип работы исследуемого АЦП.

2.Приведите структурную схему исследуемого АЦП, объясните назначение и порядок работы блоков.

3.Объясните принцип работы используемого в схеме

ЦАП.

4.Опишите процесс, приведенный на рис. 4.3, покажите, как должен при этом выглядеть сигнал на выходе компаратора.

5.Составьте принципиальную схему связи между ОУ DA4, компаратором DA5 и резисторами, показанными на рис. 4.9, в соответствии с принципиальной схемой стенда (рис.

4.10).

6.Перечислите основные статические характеристики

АЦП.

7.Перечислите основные динамические характеристики

АЦП.

8.Перечислите источники и составляющие погрешности АЦП. Какие из них исследованы в данной работе и какими способами?

9.Как проявляется кодовое мерцание и в чем его причи-

на?

80