Преобразователь временного интервала в двоичный код (кодирующее устройство последовательного счета)
Исследуемый преобразователь представляет собой устройство счетно-импульсного типа, осуществляющее циклическое преобразование напряжения в код с промежуточным преобразованием напряжения во временной интервал.
Структурная схема кодирующего устройства приведена на рисунке 1.4:
Рисунок 1.4 – Структурная схема кодирующего устройства последовательного счета
Функциональная схема преобразователя временного интервала в код приведена на рисунке 1.5:
Рисунок 1.5 – Функциональная схема преобразователя временного интервала в код
Лабораторный макет представляет кодирующее устройство, на выходе которого формируется пятиразрядный (n=5) двоичный код в последовательной и параллельной форме. Функциональная схема преобразователя временного интервала в код приведена на рис. 2.9; временные диаграммы работы на рис. 2.10. Генератор тактовых импульсов G1 определяет цикл работы преобразователя. Источником (имитатором) кодируемого сигнала служит генератор импульсов G2 (ждущий мультивибратор). Длительность импульсов на выходе G2 изменяется переменным резистором. Измеряемый временной интервал квантуется, то есть заполняется импульсами от генератора G1. Таким образом, число импульсов N на выходе схемы И1 оказывается пропорциональным длительности кодируемого временного интервала X . Эти импульсы воздействуют на двоичный счетчик СТ так, что каждая ячейка окажется в определенном состоянии, соответствующем числу импульсов на входе, и в триггерном счетчике окажется записанным число N в двоичном коде. По окончанию записи код может быть считан на выход в последовательной и параллельной форме. Параллельный код снимается при одновременном чтении всех разрядов счетчика: результат преобразования представлен в виде некоторой комбинации напряжений, действующих одновременно в нескольких электрических цепях. Импульс с выхода схемы НЕ подается одновременно на все схемы И2 – И6.
При наличии импульса в определенном разряде кодовой группы (состояние «1» на определенном триггере счетчика) на соответствующем выходе схем И2-И6 появится импульс. Наличие «1» в соответствующем разряде фиксируется индикатором на светодиодах.
Для получения последовательного кода (результат преобразования представлен в виде сигнала, действующего в одной цепи и состоящего из некоторой последовательности символов, формируемых поочередно, разряд за разрядом) используется сдвигающий регистр RG. Запись кода в регистр осуществляется в параллельном виде сигналом считывания, подаваемым на схемы И2-И6. В результате сдвига этого кода на выход регистра поступит в последовательном виде двоичное число, соответствующее величине X. Импульсы сдвига, кроме того, устанавливают счетчик СТ в нулевое состояние, подготавливая схему к новому циклу преобразования.
Работа преобразователя иллюстрируется временными диаграммами на рис. 1.6:
Рисунок 1.6 – Временные диаграммы сигналов в преобразователе временного интервала в код
Практическая часть
Для заданной преподавателем величины кодируемого напряжения Х=7.3 рассчитаем и построим кодовую комбинацию.
Из формул следует:
.
Кодовая комбинация представлена на рисунке 3.1:
Рисунок 2.1 – Кодовая комбинация для величины кодируемого напряжения Х=7.3
Проведем исследование работы преобразователя, для этого просмотрим осциллограммы в характерных точках лабораторного макета, проследили за изменением формы напряжений при изменении величины Х.
Зарисуем осциллограммы для величины входного напряжения Х=7.3:
Рисунок 2.2 – Осциллограмма для точки А1 с напряжением 7,3
Рисунок 2.3 – Осциллограмма для точки А2 с напряжением 7,3
Рисунок 2.4 – Осциллограмма для точки А3 с напряжением 7,3
Рисунок 2.5 – Осциллограмма для точки А4 с напряжением 7,3
Рисунок 2.6 – Осциллограмма для точки А5 с напряжением 7,3
Рисунок 2.7 – Осциллограмма для точки А6 с напряжением 7,3
Рисунок 2.8 – Осциллограмма для точки А7 с напряжением 7,3
Рисунок 2.9 – Осциллограмма для точки А8 с напряжением 7,3
Рисунок 2.10 – Осциллограмма для точки Б1 с напряжением 7,3
Рисунок 2.11 – Осциллограмма для точки Б2 с напряжением 7,3
Рисунок 2.12 – Осциллограмма для точки Б3 с напряжением 7,3
Рисунок 2.13 – Осциллограмма для точки Б4 с напряжением 7,3
Рисунок 2.14 – Осциллограмма для точки Б5 с напряжением 7,3
Рисунок 2.15 – Осциллограмма для точки Б6 с напряжением 7,3
Рисунок 2.16 – Осциллограмма для точки Б7 с напряжением 7,3
Снимем
характеристику преобразования –
зависимость выходного кода от величины
входного напряжения и по полученным
данным построим график зависимости
,
где М – десятичное число, соответствующее
двоичной комбинации на выходе
преобразователя:
Рисунок 2.17 – График зависимости выходного кода от величины входного напряжения
Проанализировав рисунок 2.17, можно сделать вывод о том, что зависимость входного напряжения от выходного кода прямолинейна, что подтверждает линейность преобразователя взвешивающего типа.
Вычислим разрешающую способность, которая равна шагу квантования, следовательно получим:
Оценим быстродействие преобразователя по рисунку 2.18.
Рисунок 2.18 – Осциллограмма кодовой комбинации на выходе для 8 В
Из рисунка 2.18 следует, что при развертке 200 мкс (20 мкс/дел на 10 клеток) получаем число преобразований равное 3.
Произведем оценку при 1 мс, следовательно за 1 мс получим 15 преобразований.
Рассчитаем величину среднеквадратичной ошибки квантования:
Рассчитаем
необходимое число разрядов двоичного
кода для обеспечения заданной
преподавателем допустимой величины
ошибки
:
Следовательно, необходимо 6 разрядов двоичного кода.
Для
заданной преподавателем величины
временного интервала
посмотрим осциллограммы в характерных
точках:
Рисунок 2.19 – Контрольная точка А1
Рисунок 2.20 – Контрольная точка А2
Рисунок 2.21 – Контрольная точка А3
Рисунок 2.22 – Контрольная точка А4
Рисунок 2.23 – Котнрольная точка А5
Рисунок 2.24 – Контрольная точка А6
Рисунок 2.25 – Контрольная точка А7
Рисунок 2.26 – Контрольная точка А8
Рисунок 2.27 – Контрольная точка В1
Рисунок 2.28 – Контрольная точка В2
Рисунок 2.29 – Контрольная точка В3
Рисунок 2.30 – Контрольная точка В4
Рисунок 2.31 – Контрольная точка В5
Рисунок 2.32 – Контрольная точка В6
Проведем
исследование преобразователя в
характерных точках лабораторного
макета, проследить за изменением формы
напряжений при изменении величины
.
Рисунок 2.33 – Контрольная точка А7, при N=00001
Рисунок 2.34 – Контрольная точка А7, при N=00011
Рисунок 2.35 – Контрольная точка А7, при N=00111
Рисунок 2.36 – Контрольная точка А7, при N=01111
Рисунок 2.37 – Контрольная точка А7, при N=11111
Из рисунков 2.33 – 2.37 видно, что напряжение будет увеличиваеться с увеличением величины временного интервала.
Снимем характеристику
преобразования – зависимость выходного
кода от величины кодируемого временного
интервала и построим график зависимости
:
Рисунок 2.38 –
Зависимость выходного кода от величины
кодируемого временного интервала
Вычислим
точность преобразователя
и
:
Максимальная ошибка при измерении временного интервала равна:
где М – число уровней квантования
Среднеквадратичная ошибка равна :
Оценим быстродействие, в интервале 273.55 мкс у нас осуществляется одно преобразование, тогда быстродействие равно:
Быстродействие преобразователя взвешивающего типа равно 15 раз/мс. Быстродействие преобразователя последовательного счета, при данной разрядности будет равно 3,744 раз/мс.
Как видим преобразователь взвешивающего типа имеет куда большее быстродействие нежели преобразователь последовательного счета, но преобразователь последовательного счета проще в устройстве.