Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Адаптивные электронные и микропроцессорные системы. Практикум
.pdf
Выходной сигнал этого фильтра регистрируется осциллографом
A( ) 0,925.
f
ВЫХ
A( )
f
XSC1. Диаграмма сигнала приведена на рис. 3.9.
Рис. 3.9. Диаграмма выходного сигнала фильтра
Из рассмотрения диаграммы видно, что амплитуда выходного
сигнала равна 1,85 В. Следовательно, на относительной частоте сигнала, равной 0,05, в соответствии с (3.16) коэффициент передачи
фильтра равен
U
fU= = =
ВЫХ
ВХ
1,85В
2В
(3.18)
При изменении частоты входного сигнала, формируемого генератором XFG1, может быть заполнена табл. 3.1.
Таблица 3.1
Значения амплитудно-частотной характеристики
исследуемого фильтра
f, кГц 0,5 1 2 4 5 6
0,025 0,05 0,1 0,2 0,25 0,3
U
, В 1,95 1,85 1,52 0,475 ≈0 ≈0,31
0,99 0,925 0,76 0,236 0 0,155
41
Чтобы сравнить полученные значения с теоретическими, представ-
)
=
n
..
:=
〈
〉
〈
〉
0.4
ленными на рис. 3.3, составляется программа в редакторе Mathcad:
n rows data(
:=
data
n 6
:=
0.025
0.05
0.25
0.1
0.2
0.3
0.99
0.925
0.76
0.236
0.155
i 0
0
X data
:=
0
Y data
:=
cos 3 π⋅ fd⋅( ) cos π fd⋅( )+
fd 0 0.025,
..:=
A fd( )
:=
2
График амплитудно-частотной характеристики исследуемого
фильтра изображен на рис. 3.10.
1
1
0.9
1
0.8
0.7
0.6
Y
i
0.5
A fd( )
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4
0.40 Xifd,
Рис. 3.10. Амплитудно-частотная характеристика исследуемого фильтра:
ο –
экспериментально снятые значения характеристики,
сплошная линия – график теоретической характеристики
Как видно из рассмотрения рисунка, погрешность определения
экспериментальных значений характеристики достаточно мала, и
имеет порядок 2…4 %.
42
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Определить выражение для передаточной функции одного из вариантов четырехточечного цифрового фильтра. Варианты 2…7 для
фильтра приведены в табл. 3.2.
Таблица 3.2
Варианты цифрового фильтра
1
y n x n x n x n x n
2
a n x n x n x n x n
0
3
a n x n x n x n x n
1
1 3 1 1 3
= − + − + + + +
[ ]
4 2 2 2 2
1 3 1 1 3
= − − + − + + − +
[ ]
16 2 2 2 2
1 3 1 1 3
= − − − + + − +
[ ]
8 2 2 2 2
9 9
11 11
4
y n x n x n x n x n
1 3 1 1 3
= − − + − − + + +
[ ]
24 2 2 2 2
27 27
5
a n x n x n x n x n
0
1 3 1 1 3
= − − − − + + + +
[ ]
4 2 2 2 2
6
a n x n x n x n x n
1
1 3 1 1 3
= − − − − + + +
[ ]
2 2 2 2 2
7
a n x n x n x n x n
1
1 3 1 1 3
= − − − − + + +
[ ]
2 2 2 2 2
Четырехточечный
сглаживающий
фильтр
Четырехточечный
параболический
сплайн-фильтр.
Коэффициент а0
Четырехточечный
параболический
сплайн-фильтр.
Коэффициент а1
Четырехточечный
дифференцирующий
параболический
сплайн-фильтр
Четырехточечный
дифференцирующий
параболический
сплайн-фильтр. Коэффициент а0
Четырехточечный
дифференцирующий
параболический
сплайн-фильтр. Коэффициент а1
Четырехточечный
дифференцирующий
параболический
сплайн-фильтр. Коэффициент а1
Определить выражения видов (3.14) и (3.15) для частотных ха-
рактеристик выбранного фильтра.
Построить график теоретической амплитудно-частотной характе-
ристики фильтра, аналогичного изображенному на рис. 3.3.
43
Собрать схему аналогового регистра сдвига (см. рис. 3.4).
Зафиксировать осциллограммы сигналов в схеме регистра
(см. рис. 3.7).
Определить сопротивления резисторов R2…R5 с использованием
выражения (3.17) в соответствии со значениями коэффициентов выбранного цифрового фильтра.
Установить рассчитанные значения сопротивлений резисторов в
схеме фильтра (см. рис. 3.8), по диаграммам выходного сигнала
фильтра определить коэффициенты его передачи для ряда частот
входного сигнала.
Заполнить таблицу, аналогичную табл. 3.1.
С помощью программы Mathcad построить графики экспериментальной и теоретической амплитудно-частотных характеристик исследуемого фильтра.
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
1. Вывод выражения передаточной функции цифрового фильтра
вида (3.6).
2. Вывод выражения амплитудно-частотных характеристик циф-
рового фильтра видов (3.14) и (3.15).
3. График теоретической амплитудно-частотной характеристики
цифрового фильтра (аналогично рис. 3.3).
4. Схема модели цифрового фильтра (аналогично рис. 3.8).
5. Графики экспериментальной и теоретической амплитудно-
частотных характеристик цифрового фильтра (аналогично рис. 3.10).
6. Анализ полученных результатов, сравнительная оценка и выводы.
7. Заключение и подведение итогов.
Контрольные вопросы
1. Что такое передаточная функция цифрового фильтра?
2. Что такое частотная характеристика цифрового фильтра?
3. Какова частотная характеристика цифрового фильтра скользящего
усреднения?
44
Практическая работа АЭМ-4
2
4
8
ИЗУЧЕНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ АЦП
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ПРИБЛИЖЕНИЯ
Цель работы – изучение принципа работы основных узлов АЦП
последовательного приближения, а также всей схемы АЦП в целом.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
В адаптивных микропроцессорных измерительных системах одним
из основных элементов является аналого-цифровой преобразователь
(АЦП). Известен ряд типов АЦП: время-импульсного преобразования,
параллельного преобразования, частотно-импульсного преобразования,
интегрирующего преобразования, последовательного приближения и
ряд других.
АЦП последовательного приближения (поразрядного уравновешивания) являются одним из самых распространенных. В основе работы
такого АЦП лежит принцип последовательного сравнения измеряемой
1
1
величины с
,
1
,
, . . . долями ее максимального значения (верхне-
го предела диапазона сигнала).
Это позволяет определить k разрядов выходного кода за k тактов
сравнения. Процесс такого преобразования сходен с классическим
процессом взвешивания груза на весах с коромыслом с использованием гиревых разновесов.
Структурная схема такого АЦП представлена на рис. 4.1.
При поступлении импульса запуска start (или convst) устройство
выборки/хранения УВХ запоминает мгновенное значение входного
сигнала UХi на время его преобразования и формирует на своем выходе напряжение UХЗ = UХi.
При преобразовании этого сигнала генератор тактовых импульсов ГТИ формирует импульсы UT с частотой fT, поступающие на регистр последовательного приближения РПП. Первый же тактовый
импульс заставляет РПП формировать «1» в старшем разряде и таким
45
образом на выходах АЦП формируется двоичный код, соответству-
2
4
4
start convst
ющий половине его диапазона, для четырехразрядного преобразователя этот код равен 1000.
UX
UT
UОП
,
ГТИ
Цепь управления
и синхронизации
UXЗ
УВХ
Рис. 4.1. Структурная схема АЦП последовательного приближения
компаратор
UОС
U
К
Регистр последовательного
приближения (РПП
Цифро-аналоговый преоб
разователь (ЦАП
DRDY, BUSY
)
-
)
NY
Сформированный код поступает на цифро-аналоговый преобразователь ЦАП, на который подается опорное напряжение UОП.
Напряжение UОП выбирается равным диапазону преобразуемого сигнала UХ. При входном коде, равном 1000, ЦАП формирует на своем
выходе напряжение обратной связи UОС, равное половине диапазона
U
преобразования, т. е.
ОП
. Это напряжение поступает на компара-
тор, сравнивающий его с входным сигналом UX.
Если при этом выполняется соотношение
UОС>UХ,
то в соответствии с уровнем выходного сигнала компаратора в старшем разряде регистра сбрасывается «1» (в этот разряд записывается
«0»). При противоположном соотношении
UОС<UХ
в старшем разряде регистра остается «1», а РПП формирует «1» в
ближайшем младшем разряде, и процесс повторяется. При этом РПП
формирует либо код 1100, либо 0100, а ЦАП на своем выходе формирует напряжение обратной связи, равное U
46
ОС
1
=
UОП, либо
3
UОП.
Затем повторяется аналогичный процесс определения значения
В
16
1
2
3
4
U
КВ
следующего, более младшего разряда. Диаграмма сигналов при преобразовании входного напряжения UX изображена на рис. 4.2.
UT
t
n
8
6
4
UX
2
NY
Рис. 4.2. Диаграмма сигналов в АЦП при преобразовании
UОП/2
UОП/4
0 1 0 0
входного напряжения
t
t
Код после преобразования UX равен двоичному числу 0100, т. е.
десятичному числу 4. Действительно, значение Uвх близко к квантованному значению, равному
4
U =
ОП
4
(из их общего количества, равного 16), как видно из этой диаграммы.
На практике погрешность АЦП определяется разрядностью ЦАП, а
также погрешностями компаратора. Более точные компараторы имеют более низкое быстродействие, в связи с этим восьмиразрядные
АЦП такого типа тратят на преобразование 200...400 мкс, а шестна-
47
дцатиразрядные АЦП – на порядок больше. Что касается ЦАП, то они
сброс
вход
D
D
ТИ
сброс
вход
ТИ
Q
1
Q
2
t
t
t
t
t
строятся либо с использованием матрицы R-2R, либо на весовых конденсаторах [3, 4].
Регистр последовательного приближения строится на основе регистра последовательного сдвига, состоящего из нескольких триггеров. Для записи каждого разряда кода используется один триггер.
Схема последовательного регистра имеет один вход, на который синхронно с тактовыми импульсами последовательно подается записываемый код – поразрядно, начиная с младшего разряда. Схема последовательного двухразрядного регистра, а также диаграммы сигналов
представлены на рис. 4.3.
R
C
S
T
Q
R
T
1
C
S
Q
2
Рис. 4.3. Схема последовательного двухразрядного регистра
и диаграммы сигналов
В преобразователях поразрядного уравновешивания на основе регистра сдвига используется специальная схема регистра последовательного приближения РПП. Регистр сдвига также применяется в
АЦП в схемах вывода выходного кода в последовательном формате.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Исследование схемы регистра последовательного сдвига
Для изучения регистра сдвига собирается схема, изображенная на
рис. 4.4. В схеме используется последовательно-параллельный регистр 74195N, имеющий последовательные входы J, K', при объединении которых формируется вход D. Вход CLR используется для
48
очистки регистра, сигнал на входе SH/LD устанавливает режим регистра: высокий уровень определяет режим последовательного сдвига, а
низкий – режим параллельной загрузки четырехразрядного кода через
входы A, B, C, D. На вход CLK поступают тактовые импульсы частотой 50 Гц, формируемые генератором V1.
К параллельным выходам регистра подключены индикаторы.
Входные импульсы, записываемые в регистр, формируются переключателем J2 в ручном режиме и поступают на входы JK. Параллельные входы А, В, С, D регистра не задействованы. Тактовые импульсы поступают на вход CLK регистра.
При исследовании регистра выбирается такая частота генератора
V1, чтобы при моделировании в редакторе Multisim формирование
тактовых импульсов происходило с периодом порядка 1 с (это зависит от возможностей используемого компьютера).
Рис. 4.4. Регистр последовательного сдвига
При исследовании регистра синхронно с тактовыми импульсами с
помощью переключателя J2 последовательно формируются уровни,
соответствующие 4 разрядам записываемого кода. По окончании записи на выходах QA, QB, QC, QD формируется параллельный четырехразрядный код. Если на вход регистра поступает высокий уровень
только в течение первого тактового импульса (формируется «стартовый» импульс), то регистр работает в качестве распределителя им-
49
пульсов, при этом индикаторы Х6…Х9 зажигаются последовательно
и поочередно. В таком режиме этот регистр и используется в схеме
АЦП последовательного приближения.
При исследовании регистра (см. рис. 4.4) необходимо рассмотреть его работу в качестве распределителя импульсов и представить
временные диаграммы тактовых импульсов, стартового импульса,
сигналов на выходах регистра. Диаграммы сигналов в анализируемой
схеме можно рассмотреть с помощью четырехканального осциллоскопа XSC1 (рис. 4.5). Для удобства рассмотрения диаграмма сигнала
по каналу А смещена вверх, а диаграммы сигналов по каналам С, D –
пропорционально вниз (на панели осциллоскопа используется переключатель A, B, C, D и клавиша «Y position»).
Рис. 4.5. Диаграммы сигналов в схеме регистра –
распределителя импульсов
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]