- •СОДЕРЖАНИЕ
- •1.1 Цель работы
- •1.2 Подготовка к работе (домашнее задание)
- •1.3 Рабочее задание
- •1.4 Требования к отчету
- •1.5 Контрольные вопросы
- •1.6 Методические указания
- •2.1 Цель работы
- •2.2 Подготовка к работе (домашнее задание)
- •2.3 Рабочее задание
- •2.4 Требования к отчету
- •2.5 Контрольные вопросы
- •2.6 Методические указания
- •3.1 Цель работы
- •3.2 Подготовка к работе
- •3.3 Рабочее задание
- •3.4 Требования к отчету
- •3.5 Контрольные вопросы
- •3.6 Методические указания
- •4.1 Цель работы
- •4.2 Подготовка к работе
- •4.3 Рабочее задание
- •4.4 Требования к отчету
- •4.5 Контрольные вопросы
- •4.6 Методические указания
- •5.1 Цель работы
- •5.2 Подготовка к работе
- •5.3 Рабочее задание
- •5.4 Требования к отчету
- •5.5 Контрольные вопросы
- •5.6 Методические указания
- •6.1 Цель работы
- •6.2 Подготовка к работе
- •6.3 Рабочее задание
- •6.4 Требования к отчету
- •6.5 Контрольные вопросы
- •6.6 Методические указания
- •7.1 Цель работы
- •7.2 Подготовка к работе
- •7.3 Рабочее задание
- •7.4 Требования к отчету
- •7.5 Контрольные вопросы
- •7.6 Методические указания
- •8.1 Цель работы
- •8.2 Подготовка к работе
- •8.3 Рабочее задание
- •8.4 Требования к отчету
- •8.5 Контрольные вопросы
- •8.6 Краткие теоретические сведения
- •9.1 Цель работы
- •9.2 Подготовка к работе
- •9.3 Рабочее задание
- •9.4 Требования к отчету
- •9.5 Контрольные вопросы
- •9.6 Краткие теоретические сведения
- •10.1 Цель работы
- •10.2 Подготовка к работе
- •10.3 Рабочее задание
- •10.4 Требования к отчету
- •10.5 Контрольные вопросы
- •10.6 Краткие теоретические сведения
- •11.1 Цель работы
- •11.2 Подготовка к работе
- •11.3 Рабочее задание
- •11.4 Требования к отчету
- •11.5 Контрольные вопросы и задания
- •11.6 Краткие теоретические сведения
- •12.1 Цель работы
- •12.2 Подготовка к работе
- •12.3 Рабочее задание
- •12.4 Требования к отчету
- •12.5 Контрольные вопросы и задания
- •12.6 Краткие теоретические сведения
- •13.1 Цель работы
- •13.2 Подготовка к работе
- •13.3 Рабочее задание
- •13.4 Требования к отчету
- •13.5 Контрольные вопросы
- •13.6 Методические указания
- •14.1 Цель работы
- •14.2 Подготовка к работе
- •14.3 Рабочее задание
- •14.4 Требования к отчету
- •14.5 Контрольные вопросы
- •14.6 Методические указания
- •ЛИТЕРАТУРА
- •ПРИЛОЖЕНИЕ А
- •ПРИЛОЖЕНИЕ Б
- •ПРИЛОЖЕНИЕ В
68 |
ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ «Анализ и синтез цифровых и смешанных аналого-цифровых устройств» |
30.Сделать выводы по результатам проделанных экспериментов.
31.Результаты экспериментов и выводы из них представить в виде отчета.
10.4Требования к отчету
1.Название группы и номер варианта задания студента следует выводить на поле всех схемных файлов и всех временных диаграмм моделирования, и демонстрировать соответствующие скриншоты в отчете (см. образец ПРИЛОЖЕНИЕ В).
2.Отчет должен содержать:
•Схемы, по которым проводилось моделирование;
•Диаграммы моделирования
•Выводы из результатов моделирования
10.5Контрольные вопросы
1.В чем заключается цифроаналоговое преобразование?
2.Как для пунктов 5, 6, 7 вычислить высоту и ширину ступеньки напряжения на выходе ЦАП, если приращение на 1 кода с генератора происходит за
100NS.
3.Выведите формулу для расчета высоты и ширины ступеньки напряжения на выходе ЦАП при подаче на его входы инкрементируемого двоичного
кода разрядностью n (время приращения кода на единицу T0). Для преобразования используются n старших входных разрядов ЦАП c опорным напряжением Vref.
4.Выведите формулу для расчета высоты и ширины ступеньки напряжения
на выходе ЦАП при подаче на его входы и нкрементируемого двоичного кода разрядностью n (время приращения кода на единицу T0). Для преобразования используются n младших входных разрядов ЦАП c опорным напряжением Vref. Полное количество двоичных разрядов ЦАП — N (N>n). (N-n) старших разрядов подсоединяются к общему выводу.
5.Поясните принцип восстановления исходного непрерывного сигнала, по его ступенчатой аппроксимации, снимаемой с выхода ЦАП.
6.Как вы думаете, от чего будет зависеть точность формирования заданной формы напряжения (например синусоидального) с помощью ЦАП?
7.Как вы думаете, от чего будет зависеть коэффициент гармоник спектра восстановленного фильтром нижних частот синусоидального сигнала
(п. 16)?
8.В чем заключается аналого-цифровое преобразование?
9.Объяснить результаты анализа, полученные в п. 20.
68
ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ «Анализ и синтез цифровых исмешанных аналого-цифровых устройств» |
69 |
10.Объяснить результаты анализа, полученные в п. 21.
11.Объяснить результаты анализа, полученные в п. 22.
12.Объяснить результаты анализа, полученные в п. 23.
13.Объяснить результаты анализа, полученные в п.26.
14.Пояснить с помощью расчетных соотношений, почему при выполнении п. 26 на выходе 4-х старших разрядов АЦП получается такая последовательность чисел.
15.Как зависит точность восстанавливаемого с помощью ЦАП аналогового сигнала от частоты дискретизации?
16.Как зависит точность восстанавливаемого с помощью ЦАП сигнала от разрядности квантователя (АЦП)?
17.Как изменится точность восстановления аналогового сигнала, если в схеме рис. 10.4, 10.5 использовать только 4 старших выходных разряда АЦП (4 младших разряда отсоединяются от входов ЦАП)?
18.Как изменится сигнал на выходе ЦАП, если при выполнении п. 20 от входов ЦАП отсоединить 4 младших разряда АЦП? Ответ пояснить.
19.Как изменится сигнал на выходе ЦАП, если при выполнении п. 20 от входов ЦАП отсоединить 4 старших разряда АЦП? Ответ пояснить.
20.Как изменится сигнал на выходе ЦАП, если при выполнении п. 20 от входов ЦАП отсоединить 1 старший разряд АЦП? Ответ пояснить.
10.6 Краткие теоретические сведения
При построении устройств, связывающих цифровое устройство с объектами, использующими информацию в непрерывной форме, требуется преобразование информации из аналоговой формы в цифровую и из цифровой в аналоговую. Устройство, осуществляющее автоматическое преобразование входных значений, представленных числовыми кодами, в эквивалентные им значения какой-нибудь физической величины (напряжения, тока и др.), называют цифроаналоговым преобразователем (ЦАП, DAC). Устройство, осуществляющее автоматическое преобразование непрерывно изменяющихся во времени аналоговых значений физической величины (напряжения, тока) в эквивалентные значения числовых кодов, называют аналого-цифровым преобразователем (АЦП, ADC).
Цифроаналоговый преобразователь преобразует входной двоичный код, например, Ai(а2а1а0) в аналоговый. Выходная аналоговая величина, обычно напряжение uвых, соответствует кодовой комбинации Ai, поступившей на вход, и воспроизводится для дискретных моментов времени. Сменяющиеся входные коды обуславливают сменяющееся ступенчатое напряжение на выходе.
69
70 ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ «Анализ и синтез цифровых и смешанных аналого-цифровых устройств»
Многоразрядные цифроаналоговые преобразователи в программе Mi- cro-CAP задаются моделью, имеющей УГО рис. 10.1. Названия выводов ЦАП, присваиваемые редактором компонентов:
Out |
аналоговый выход |
Ref |
опорное напряжение |
Gnd |
общий |
In0 |
Бит0 входного цифрового кода |
In1 |
Бит1 входного цифрового кода |
… |
|
In<N-1> |
Бит (N-1) входного цифрового кода |
ЦАП преобразует десятичный эквивалент двоичного входного кода в аналоговое выходное напряжение между узлами <out> и <gnd>. Аналоговое напряжение на выходе для n-битного входного кода bn-1,...b2, b0, будет определяться по следующей формуле:
VOUT = VREF (bn−1 2n−1 +bn−2 n 2n−2 +...+b1 2 +b0 ).
2
Неопределенное X состояние входа ЦАП приводит добавлению в выходное напряжение 0,5 веса соответствующего разряда, т.е. если на входеINi уровень «X», то вклад этого разряда в выходное аналоговое напряжение будет определяться следующей формулой:
VOUT (i) = VREF 0.5 2i .
2n
При изменении цифрового кода на входах ЦАП, напряжение на аналоговом выходе будет изменяться по линейному закону от предыдущего аналогового эквивалента к новому в течение времениTSW (рис. 10.6).
Рисунок 10.6 — Временные диаграммы работы модели ЦАП
Как отмечалось, АЦП преобразуют аналоговый сигнал в цифровой код. Преобразование обеспечивает соответствие дискретного отсчёта напряже-
70
ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ «Анализ и синтез цифровых исмешанных аналого-цифровых устройств» |
71 |
ния u(ti) значению выходного кода Ai(an-1, an-2,...a1, a0). Количественная связь для любого момента времени определяется соотношением
Ai = u∆(tui ) ±δi ,
где δi — погрешность преобразования на данном шаге, ∆u — шаг квантования.
Основные параметры АЦП (диапазон изменения входного напряжения, разрешающая способность, определяемая разрядностью и максимальным диапазоном входного (аналогового) напряжения, статическая погрешность δi, быстродействие и др.) имеют тот же смысл, что и соответствующие параметры ЦАП.
Физический процесс аналого-цифрового преобразования состоит из дискретизации по времени аналогового сигнала, квантования по уровню и кодирования. Процесс дискретизации сигнала выполняется в соответствии с теоремой Котельникова, определяющей необходимый шаг дискретизации ∆t≤1/(2fm) где fm — максимальная частота спектра входного сигнала. Процесс квантования по уровню аналогового сигнала приводит к возникновению ошибки квантования, максимальное значение которой составляет ±1/2 единицы младшего разряда. Дисперсия ошибки квантования в предположении равномерного закона её распределения D = (∆u)2/12, где ∆u — шаг квантования.
Многоразрядные аналогоцифровые преобразователи в программе Mi- cro-CAP задаются моделью, имеющей УГО рис. 10.4. Названия выводов АЦП, присваиваемые редактором компонентов:
In |
Аналоговый вход |
Convert |
Запуск преобразования |
Ref |
Опорное напряжения |
Gnd |
Общий |
Status |
Конец преобразования |
Over-range |
Переполнение |
Out0 |
Выходной бит 0 (самый младший) |
Out1 |
Выходной бит 1 |
… |
… |
OutN-1 |
Выходной бит (N-1) (самый старший) |
Если задан N-битовый АЦП, то выходных выводов будет N: Out0...OutN-1. АЦП преобразует аналоговое напряжение между узлами <аналоговый вход> и <общий> в цифровой эквивалент. Цифровой выходной код представляет следующую округленную до ближайшего целого величину:
71
72 |
ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ «Анализ и синтез цифровых и смешанных аналого-цифровых устройств» |
V (in, gnd ) 2N . V (ref , gnd )
Если аналоговое напряжение на входе V(in, gnd) отрицательно, тогда все выходные биты данных установятся в 0, а на выходе переполнения overrange установится 1. Если аналоговая величина на входе превышает опорное напряжение V(ref, gnd), тогда все биты данных установятся в 1, и выход переполнения over-range также установится в 1.
Преобразование входного аналогового напряжения начинается по переднему фронту сигнала CONVERT. После каждого переднего фронта сигнала CONVERT совершается только одно аналого-цифровое преобразование аналогового входного напряжения. Спустя TPCS секунд после начала действия фронта CONVERT, цифровые выходы переходят в неопределенные состояния и одновременно возникает единичное состояние на выходе STATUS. Спустя TPSD секунд после начала переднего фронта сигнала STATUS выходы данных начинают устанавливаться в соответствии с преобразуемым напряжением, а еще через интервал TPDS выход STATUS перейдет в состояние «0», сигнализируя о готовности новых данных на цифровых выходах. Описанную последовательность сигналов иллюстрирует рис. 10.7.
Рисунок 10.7 — Временные диаграммы работы АЦП
Параметры временных моделей ЦАП и АЦП приведены в табл. 10.1. Для иллюстрации работы моделей АЦП и ЦАП см. моделирование схем-
ного файла AD16.cir из каталога Book-MC (Book-MC9)\Components\Digital.
72
|
ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ «Анализ и синтез цифровых исмешанных аналого-цифровых устройств» |
73 |
|
|
|
|
Таблица 10.1 — Параметры моделей АЦП и ЦАП, с |
|
|
|
Параметр |
Описание |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Параметры АЦП |
|
|
|
|
|
|
|
|
TPCSMN |
Минимальная задержка сигнала STATUS относительно переднего фронта |
|
|
|
сигнала CONVERT |
|
|
|
|
TPCSTY |
Типовая задержка сигнала STATUS относительно переднего фронта |
|
|
|
сигнала CONVERT |
|
|
|
|
TPCSMX |
Максимальная задержка сигнала STATUS относительно переднего фронта |
|
|
|
сигнала CONVERT |
|
|
|
|
TPSDMN |
Минимальная задержка достоверных сигналов на выходах относительно |
|
|
|
переднего фронта сигнала STATUS |
|
|
|
|
TPSDTY |
Типовая задержка достоверных сигналов на выходах относительно |
|
|
|
переднего фронта сигнала STATUS |
|
|
|
|
TPSDMX |
Максимальная задержка достоверных сигналов на выходах относительно |
|
|
|
переднего фронта сигнала STATUS |
|
|
|
|
TPDSMN |
Минимальная задержка заднего фронта STATUS относительно момента |
|
|
|
появления достоверных данных |
|
|
|
|
TPDSTY |
Типовая задержка заднего фронта STATUS относительно момента |
|
|
|
появления достоверных данных |
|
|
|
|
TPDSMX |
Максимальная задержка заднего фронта STATUS относительно момента |
|
|
|
появления достоверных данных |
|
|
|
|
|
Параметры ЦАП |
|
|
|
|
|
|
|
|
TSWMN |
Минимальное время установления аналогового напряжение на выходе |
|
|
|
|
|
|
|
|
TSWTY |
Типовое время установления аналогового напряжение на выходе |
|
|
|
|
|
|
|
|
TSWMX |
Максимальное время установления аналогового напряжение на выходе |
|
|
|
|
|
|
|
73