Иванов - Аналоговые и Цифроаналоговые Преобразователи

Рассмотренный выше тип АЦП работает в циклическом режиме. В нем каждый очередной тактовый импульс устанавливает преобразователь в исходное состояние, после чего начинается процесс преобразования.

Быстродействие такого преобразователя ограничивается, главным образом, быстродействием счетчика (а именно, быстродействием триггеров его младших разрядов, в которых переключение происходит с высокой частотой).

На практике часто используется нециклический преобразователь, структурная схема которого представлена на рисунке 2.6, а.

Рисунок 2.6 – Схема АЦП следящего типа (а) и диаграмма его работы (б)

Эта схема отличается от схемы преобразователя предыдущего типа тем, что в ней используется реверсивный счетчик Сч, управляемый сигналами с выхода компаратора К. При Uвх > Uос счетчик устанавливается в режим прямого счета, поступающие на вход импульсы генератора ГИП последовательно увеличивают в нем число, растет напряжение Uос, до уровня напряжения Uвх. При Uвх < Uос счетчик переводится в режим обратного

счета, при котором убывает число в счетчике и, следовательно, убывает напряжение Uос, пока не будет достигнуто значение Uвх.

Таким образом, все происходящие во времени изменения напряжения Uвх отслеживаются напряжением Uос на выходе ЦАП.

В необходимые моменты времени с выхода счетчика могут сниматься числа, пропорциональные значениям Uвх.

2.2.4 Аналого-цифровой преобразователь параллельного типа

Диаграмма работы АЦП параллельного типа представлена на рисунке 2.7, схема АЦП представлена на рисунке 2.8.

Рисунок 2.7 – Диаграмма работы работы АЦП параллельного типа

Рисунок 2.8 – Схема АЦП параллельного типа

АЦП параллельного типа содержит делитель, состоящий из набора последовательно включенных резисторов с одинаковым сопротивлением R, компараторов К и кодирующей логики. На один из входов каждого компаратора подается опорное напряжение Uоп, снимаемое с делителя, причем эти напряжения отличаются друг от друга на величину ∆ U (см. рисунок 2.7). Вторые входы компараторов объединены и на них подано входное напряжение Uвх. Работу АЦП данного типа можно рассмотреть по диаграмме, изображенной на рисунке 2.7. При достижении входным напряжением значения опорного напряжения первого компаратора U1 (момент времени t1) последний срабатывает и подает сигнал активного уровня со своего выхода на первый вход устройства кодирующей логики, на выходе которого при этом появляется число "1" в двоичном коде. При дальнейшем возрастании входного напряжения в момент времени t2 сработает второй компаратор и на выходе АЦП появится "2" и т.д. В данном случае значение ∆ U представляет собой шаг квантования.

Для реализации вышеописанного в качестве устройства кодирующей логики нужно применить двоичный шифратор с приоритетом старшего входа.

Принципиальную схему АЦП следует составить согласно структурным схемам, приведенным на рисунках 2.5, а, 2.6, а или 2.8, в зависимости от заданного варианта. Принципиальная схема АЦП должна быть выполнена на формате А4 в виде отдельного приложения.

Для составления схем последовательного АЦП со ступенчатым пилообразным напряжением и АЦП следящего типа по справочной литературе [4, 5] необходимо выбрать микросхему двоичного счетчика (реверсивного или

нет – в зависимости от варианта) и применить такое их количество, чтобы обеспечить разрядность, рассчитанную в п. 2.2.1. Для обеспечения нормальной работоспособности схемы требуется подать на незадействованные входы микросхем сигналы "0" и "1" согласно таблице состояний счетчика. Микросхемы соединяются между собой согласно указаниям справочной литературы [4, 5]. Схемы ЦАП, применяемые в данных типах АЦП, на принципиальной схеме АЦП показываются также, как на структурной схеме (см. рисунки 2.5, а и 2.6, а), все остальные элементы – условными функциональными обозначениями.

Для составления принципиальной схемы АЦП параллельного типа требуется выбрать микросхему двоичного шифратора с приоритетом старшего входа и применить такое их количество, чтобы обеспечить разрядность, рассчитанную в п. 2.2.1. Для обеспечения нормальной работоспособности схемы требуется подать на незадействованные входы микросхем сигналы "0" и "1" согласно таблице состояний шифратора. Микросхемы соединяются между собой согласно указаниям справочной литературы [4, 5].

Границы составленной схемы выполняются пунктирной линией. Все входы и выходы схемы изображаются в виде клемм и нумеруются по порядку (рисунок

2.9).

Рисунок 2.9 – Порядок изображения выводов принципиальной схемы АЦП (ЦАП)

2.3 Расчет блока управления

Блок управления формирует импульсы, управляющие работой аналогового порта ввода. Временные диаграммы работы БУ представлены на рисунке 2.10. Целью расчета БУ является определение частот одновибратора и ГТИ для выбора параметров их времязадающих элементов. Времязадающими элементами одновибратора и ГТИ являются резистор и конденсатор, подключаемые к соответствующим выводам микросхем, на которых они собраны. Параметры резистора и конденсатора подбираются по номинальным значениям из справочной литературы [4, 5] исходя из условия (для микросхем К155 АГ1 или К555 АГ1)

где Т – длительность импульса, мкс.

Рисунок 2.10 – Временные диаграммы работы блока управления

В формуле (2.8) для сопротивления и емкости принимаются размерности килоомы и нанофарады соответственно. Сопротивление резистора R может находиться в пределах 1,5–43 кОм. Выбор параметров элементов осуществляется исходя из того, чтобы сопротивление, выбранное из номинального ряда, находилось в вышеуказанных пределах, а произведение его и емкости, выбранной из номинального ряда емкостей для принятого типа конденсатора, было наиболее близко к рассчитанному по (2.8) значению. Допускается использование других микросхем, но при этом для расчета параметров R и С необходимо пользоваться рекомендациями соответствующей справочной литературы.

Для одновибратора длительность импульса, мкс,

где – время выборки УВХ, мкс.

Для ГТИ длительность импульса, мкс,

где tацп – максимальное время преобразования АЦП, мкс.

После расчета длительностей импульсов по формулам (2.9) и (2.10) для одновибратора и ГТИ производится подбор параметров их времязадающих элементов с использованием формулы (2.8) (или другой согласно справочной литературе для микросхем, кроме К155 АГ1, К555 АГ1). При выборе времязадающих элементов рекомендуется использовать резисторы марки МЛТ, ОМЛТ и других мощностью 0,125 Вт и конденсаторы любой марки с номинальным напряжением 10–15 В.

Принципиальную схему блока управления следует составить соответствующей структурной, приведенной на рисунке 1.3. Для этого можно использовать один из двух нижеследующих вариантов.

Вариант 1: применить микросхемы одновибраторов (ждущих мультивибраторов). Для составления схемы понадобится три одновибратора, на двух из которых собирается ГТИ, представляющий собой мультивибратор. При этом одновибраторы соединяются между собой в соответствии с рекомендациями, указанными в справочной литературе [4, 5] или другой, по которой выбирались микросхемы. Необходимо обратить внимание на то, что в одном корпусе микросхемы может находиться несколько устройств.

Вариант 2: применить микросхемы мультивибратора (автогенератора) и одновибратора (ждущего мультивибратора).

Для составления принципиальной схемы БУ применяются либо указанные выше микросхемы, либо иные, выбранные по справочной литературе. К соответствующим выводам микросхем подключаются резисторы и конденсаторы, указания по выбору которых приведены выше. Разработанная схема БУ приводится на общей принципиальной схеме устройства. Три или два (в зависимости от заданного типа АЦП) выхода получившейся схемы БУ с соответствующих выводов микросхем необходимо подключить к нужным элементам для обеспечения работоспособности устройства (в соответствии со структурной схемой, представленной на рисунке 1.3).

3 РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ ЦИФРО-АНАЛОГОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Для проектирования устройства предлагается использовать один из трех типов ЦАП (в зависимости от варианта): с суммированием напряжений; с суммированием напряжений на аттенюаторе сопротивлений; с суммированием токов.

Одна из таких схем с суммированием напряжений на операционном усилителе приведена на рисунке 3.1. В регистр входного числа помещаются двоичные числа, предназначенные для перевода в пропорциональные им значения напряжения на выходе. Будем считать, что напряжение на выходе каждого из триггеров регистра может принимать одно из двух возможных значений: Е при состоянии "1" и 0 при состоянии "0".

Напряжения с выходов триггеров передаются на выход ЦАП через операционный усилитель, работающий в режиме взвешенного суммирования напряжений (аналогового сумматора). Для каждого триггера предусматривается отдельный вход в сумматоре с определенным коэффициентом передачи

. (3.1)

Рисунок 3.1 – Схема ЦАП с суммированием напряжений

Таким образом, напряжение с выхода триггера n-го разряда передается на выход усилителя с коэффициентом передачи

для (n – 1)-го разряда

для (n – 2)-го разряда:

Следует обратить внимание на то, что коэффициенты передачи усилителя с отдельных его входов находятся в том же соотношении, что и весовые коэффициенты соответствующих разрядов двоичного числа. Taк, Кn в 2 раза больше Kn-1 и весовой коэффициент n-го разряда в 2 раза больше весового коэффициента (n – 1)-го разряда. Следовательно, напряжения, передаваемые на выход усилителя с выходов триггеров отдельных разрядов, находящихся в состоянии "1", пропорциональны весовым коэффициентам разрядов.

Если в состоянии "1" находятся одновременно триггеры нескольких разрядов, то напряжение на выходе усилителя равно сумме напряжений, передаваемых на этот выход от отдельных триггеров. Пусть цифры отдельных разрядов двоичного числа в регистре – аn, аn-1, ... , а1. Тогда напряжение на выходе усилителя

(3.5)

где N – десятичное значение двоичного числа, введенного в регистр.

Из выражения (3.5) видно, что напряжение на выходе ЦАП пропорционально значению числа в регистре.

Рассмотрим работу ЦАП в случае, когда в схеме, изображенной на рисунке 3.1, вместо регистра входного числа находится двоичный счетчик. Если подать на вход этого счетчика последовательность импульсов, то с приходом каждого очередного импульса число в счетчике будет увеличиваться на единицу и напряжение на выходе ЦАП будет возрастать на ступеньку, соответствующую единице младшего разряда счетчика. Величина такой

ступеньки . Таким образом, напряжение на выходе ЦАП будет иметь ступенчатую форму, как показано на рисунке 3.2. После поступления (2n – 1) импульсов все разряды счетчика будут содержать "1", на выходе ЦАП образуется максимальное напряжение

(3.6)

При большом числе разрядов и Далее очередным импульсом счетчик будет сброшен в нулевое состояние, нулевым будет и выходное напряжение ЦАП. После этого счетчик начинает счет импульсов сначала и на выходе ЦАП вновь формируется напряжение ступенчатой формы.

Рисунок 3.2 – Диаграмма работы ЦАП с суммированием напряжений

Суммарная абсолютная погрешность преобразователя ∆ Uвых должна быть меньше выходного напряжения, соответствующего единице младшего разряда входного двоичного числа:

(3.7)

Отсюда можно получить условие для относительной погрешности:

(3.8)

Это соотношение определяет связь между относительной погрешностью

преобразователя η и числом его разрядов n. Так, при n = 10 0,001 = 0,1%.

Недостатки рассмотренной схемы преобразователя:

а) используются высокоточные резисторы с различными сопротивлениями; б) трудно обеспечить высокую точность выходного напряжения триггеров

регистра.

Недостатки предыдущей схемы (см. рисунок 3.1) устранены в схеме ЦАП, приведенной на рисунке 3.3, где показана схема трехразрядного преобразователя.

Нетрудно построить схему с любым заданным числом разрядов. Особенности этой схемы состоят в том, что, во-первых, используются резисторы лишь с двумя значениями сопротивлений (R и 2R) и, во-вторых, выходные напряжения триггеров непосредственно не участвуют в формировании выходного напряжения ЦАП, а используются лишь для управления состоянием ключей, т.е. устранены отмеченные выше недостатки предыдущей схемы ЦАП (см. рисунок 3.1).

Рассмотрим подробнее работу такого преобразователя. В каждом разряде имеется два ключа, через один из них в аттенюатор сопротивлений подается напряжение Е, через другой – нулевое напряжение.

Рисунок 3.3 – Схема ЦАП с суммированием напряжений на аттенюаторе сопротивлений

Определим напряжения, возникающие на выходе ЦАП от единиц отдельных разрядов числа, помещаемого в регистр. Пусть в регистр введено