Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Белополский Аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи 2010

.pdf
Скачиваний:
132
Добавлен:
16.08.2013
Размер:
2.21 Mб
Скачать

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ»

В.М. Белопольский, В.М. Немчинов

АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ И ЦИФРОАНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Лабораторный практикум

Издание 2-е, с изменениями и дополнениями

Москва 2010

1

УДК 621.3.087.92(076.5) ББК 32.973я7 Б 43

Белопольский В.М., Немчинов В.М. Аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи. Лабораторный практикум по курсу. Учеб-

но-методическое пособие. Изд. 2-е, с изм. и доп. М.: НИЯУ МИФИ, 2010. 76 с.

Содержит описания четырех лабораторных работ. Работа 1 посвящена преобразованию напряжения во временной интервал. В работах 2, 3, 4 изучаются различные виды аналого-цифровых преобразователей (АЦП) как с использованием цифроаналогового преобразователя (ЦАП) в цепи обратной связи, так и преобразователей без обратной связи. Рассмотрены вопросы построения и практического использования современных микросхем для АЦП и ЦАП. Для углубленного изучения материала в описании каждой лабораторной работы приведен список литературы, а для самопроверки знаний при подготовке к лабораторной работе – контрольные вопросы.

Практикум предназначен для студентов, обучающихся по специальности «Автоматика и электроника физических установок», по специальностям, связанным с электронной измерительной техникой, а также для студентов факультетов «Б», «Т» и «Ф» при изучении курсов «Общая электротехника и электроника» и «Электроника и схемотехника».

Рецензент д-р техн. наук, проф. В.Я. Стенин

Рекомендовано к изданию редсоветом НИЯУ МИФИ

ISBN 978-5-7262-1244-9

© Московский государственный инженерно-физический

 

институт (технический университет), 1998

 

© Национальный исследовательский

 

ядерный университет «МИФИ», 2010

2

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Предисловие.....................................................................................................

 

4

Лабораторная работа 1. Аналоговый преобразователь напряжения

 

 

во временной интервал..........................................

5

Лабораторная работа 2.

АЦП двойного интегрирования............................

29

Лабораторная работа 3.

АЦП поразрядного уравновешивания.................

48

Лабораторная работа 4.

АЦП следящего преобразования.........................

65

3

Предисловие

В настоящее время аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи находят все более широкое поле для своего применения. Помимо использования АЦП и ЦАП в различных областях техники (измерительные приборы и системы, АСУ ТП и др.) они неотвратимо внедряются и в нашу повседневную жизнь. Эти преобразователи являются главными элементами цифровых фотоаппаратов, современных устройств записи, хранения и воспроизведения звука и изображения. С помощью различных оптических систем практически все изображения, начиная с медицинских материалов на клеточном уровне, снимков поверхности тепловыделяющих элементов ядерных реакторов, и кончая картографическими данными, с помощью АЦП оцифровываются и поступают в компьютер для дальнейшей обработки и хранения. При необходимости с помощью ЦАП результаты могут быть выведены в аналоговой форме.

Практикум предназначен для закрепления знаний, полученных студентами в лекционном курсе по проектированию и применению АЦП и ЦАП с использованием интегральных схем, а также для приобретения навыков практической работы с БИС АЦП и ЦАП.

Практикум содержит описание четырех лабораторных работ, для которых приведены краткие теоретические сведения по элементной базе, принципам построения и основным параметрам и характеристикам наиболее распространенных типов АЦП и ЦАП.

Для углубленного изучения материала к каждой лабораторной работе дается список литературы, а для самопроверки знаний при подготовке к лабораторной работе – контрольные вопросы.

Большое участие в разработке и отладке лабораторных макетов принял ведущий инженер И.А. Тарасов, которому авторы выражают глубокую благодарность.

Описания лабораторных работ 1 и 3 подготовлены профессором Немчиновым В.М., 2 и 4 – профессором Белопольским В.М.

4

Лабораторная работа 1

АНАЛОГОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ ВО ВРЕМЕННОЙ ИНТЕРВАЛ

Цель: изучение элементов и узлов, применяемых в схемах АЦП, и исследование их статических и динамических параметров.

Введение

Одним из наиболее распространенных типов аналого-цифровых преобразователей (АЦП) является АПЦ временного преобразования. Эти АПЦ относятся к классу АЦП прямого преобразования (рис. 1.1), у которых отсутствует цепь общей отрицательной обратной связи. Все преобразования от входной измеряемой величины до выходной имеют одно направление – от входа к выходу. Уравнение преобразования имеет вид

m

y= xKi = xK,

i=1

где Ki – коэффициент преобразования i-го звена. Отдельные пре-

образователи могут быть охвачены собственной (местной) обратной связью.

Рис. 1.1. Структурная схема АЦП прямого преобразования

Такая структура позволяет получить довольно высокое быстродействие при простоте построения. Однако суммарная погрешность преобразователя равна сумме погрешностей отдельных звеньев

m

 

δАЦП = δi +

0 x,

i=1

 

где δi – погрешность i-го звена; 0

– приведенная ко входу абсо-

лютная аддитивная погрешность всего преобразователя.

5

Для обеспечения высокой точности, т.е. малой погрешности преобразователя, необходимы прежде всего высокая стабильность коэффициента преобразования K во времени и его малая подверженность внешним воздействиям.

ВАЦП временного преобразования измеряемая величина (обычно напряжение) преобразуется в интервал времени, длительность которого определяется затем путем заполнения этого интервала импульсами опорной частоты и подсчетом числа импульсов цифровым счетчиком.

Внастоящей лабораторной работе исследуется схема преобразователя напряжения (постоянного и переменного) во временной интервал, включающая в себя следующие элементы и узлы: аналоговые ключи, компаратор, схему выборки-хранения, источник эталонного тока, тактовый генератор и схему выделения интервала времени.

Основные элементы и узлы преобразователя и их параметры

Аналоговые ключи. В качестве аналоговых ключей напряжения обычно используют полевые транзисторы с p-n переходом (ПТ), МДП- и КМОП-транзисторы, поскольку они позволяют обеспечить лучшие метрологические характеристики, чем ключи на биполярных транзисторах, особенно в отношении гальванической развязки между цепью управления ключа и коммутируемой цепью [1, 2]. Кроме того, ключи на МДП- и КМОП-транзисторах обладают более простой технологией изготовления, что позволяет создавать на одном кристалле несколько ключей, полностью изолированных друг от друга.

В данной работе аналоговые ключи используются для подключения измеряемого напряжения на вход схемы выборки-хранения и для подключения эталонного источника тока на вход интегратора.

Простейший аналоговый ключ напряжения на ПТ с p-n переходом показан на рис. 1.2. Основным недостатком такого ключа является зависимость сопротивления ключа во включенном состоянии rвкл от входного коммутируемого напряжения Uвх из-за измене-

ния под действием Uвх напряжения затвор-исток Uзи . Минимальное значение сопротивления rвкл =rк0 будет при Uзи =0, т.е. когда

6

Uвх =0. При возрастании Uвх оно будет существенно увеличиваться, так как

 

rвкл =rк0

U0

 

 

,

 

U0 Uзи Uси

где rк0 =1 Sм =U0

2Iм – минимальное сопротивление канала при

Uзи =Uси =0; U0

– напряжение отсечки; Sм и Iм – максимальные

значения крутизны и тока соответственно; Uси – напряжение стокисток.

Рис. 1.2. Простейший аналоговый

Рис. 1.3. Ключ на ПТ с диодно-

ключ напряжения на полевом

емкостной цепью управления

транзисторе с р-п переходом

 

Чтобы устранить эту зависимость и поддерживать минимальное сопротивление rвкл , используют различные варианты схем, обеспе-

чивающих напряжение Uзи =0 независимо от значения Uвх. Наи-

более распространена схема с диодно-емкостной цепью управления, показанная на рис. 1.3. Диод VD не препятствует подаче отрицательного (запирающего) напряжения, для которого он включен в прямом направлении. Положительный (отпирающий) уровень управляющего напряжения должен быть не меньше максимального значения входного напряжения Uвх.макс. Тогда ПТ всегда будет

иметь в открытом состоянии малое прямое напряжение смещения перехода затвор-исток, т.е. тогда Uзи 0. Однако ток через пере-

ход будет небольшим, так как он ограничивается величиной обратного тока закрытого диода VD, что обеспечивает гальваническую

7

развязку между цепью управления и коммутируемой цепью. Без диода входная цепь замкнулась бы через прямосмещенный переход затвор-исток и низкоомное сопротивление генератора управляющих сигналов Rг.упр на «землю».

Конденсатор С 50–100 пФ форсирует процесс перезаряда паразитных емкостей затвор-исток Сзи и затвор-сток Сзс . Включение

конденсатора позволяет получить времена переключения такие же, как при непосредственной подаче Uупр на затвор. В этом случае

tвкл = τвкл ln (1δ)= Rг.упрCвх ln (1δ),

где Cвх =Cзи +Cзс – входная емкость ПТ; Rг.упр – сопротивление

управляющего генератора; δ – относительная погрешность установления выходного напряжения (в случае, когда δ = 0,1 %, tвкл 7τвкл ). Однако емкость C нагружает источник управляющего

сигнала и усиливает влияние фронтов Uупр на коммутируемую

цепь за счет появления коротких выбросов напряжения.

Время выключения ключа (tвыкл ) всегда больше времени вклю-

чения, потому что разряд паразитных емкостей происходит через сопротивление нагрузки, которое обычно больше Rг.упр , т.е.

tвыкл RнCвх ln (1δ).

В данной лабораторной работе входной переключатель (рис. 1.4) построен на двух ПТ с каналами п-и р-типов. Под воздействие управляющих сигналов он подключает вход схемы выборкихранения (в/х) поочередно либо к измеряемому напряжению через VT1 (n-канальный ПТ типа КП301Г, имеющий Cзи =Cзс =10 пФ), либо к земле через VT2 (р-канальный ПТ типа КП103Е, имеющий Cзи =20 пФ, Cзс =8 пФ). Применение ПТ с каналами разного типа

позволяет использовать для их переключения одну схему управления, так как, когда VT1 открыт, то VT2 закрыт, и наоборот. Кроме того, уменьшается амплитуда и длительность выбросов, проникающих через паразитные емкости транзистора в выходную цепь от управляющих импульсов.

8

Рис. 1.4. Входной переключатель на двух ПТ

Минимальные значения сопротивления открытого ключа на ПТ превышают аналогичный параметр у ключа на биполярных транзисторах, что приводит к дополнительному ослаблению коммутируемого сигнала. Хотя это ослабление частично может быть скомпенсировано калибровкой, тем не менее, изменение rвкл с изменением

температуры приводит к возникновению погрешности в преобразователе. Чтобы ее уменьшить, в макете предусмотрена возможность введения местной отрицательной об-

ратной связи (см. рис. 1.4) с помощью опе-

 

рационных

усилителей

А1

и А2 (типа

 

14ОУД12), включенных в режиме повтори-

 

теля. Такая схема сводит систематические

 

погрешности переключателя до погрешно-

 

сти смещения нуля первого усилителя А1.

 

В схеме ключа, предназначенного для

 

подключения источника

эталонного тока,

Рис. 1.5. Диодный

использован

токовый

ключ

на диодах

переключатель тока

(рис. 1.5).

Источник эталонного тока. Эталонный источник является элементом АЦП, определяющим в конечном счете предельно достижимую точность преобразователя.

Наибольшее распространение получили источники эталонного напряжения и тока, построенные на кремниевых стабилитронах и использующие для согласования с нагрузкой буферный каскад, выполненный обычно на ОУ.

9

 

Источник эталонного тока (рис. 1.6)

 

построен по схеме со следящей обрат-

 

ной связью с использованием полевого

 

транзистора в качестве регулирующего

 

элемента. Полевой транзистор, в отли-

 

чие от биполярного, не вносит дополни-

 

тельной погрешности из-за собственно-

 

го входного тока и имеет большее вы-

 

ходное сопротивление сток-исток rси .

 

Выходной ток в этой схеме

Рис. 1.6. Источник

Iэт =(UCC2 U0 ) R2 ,

эталонного тока

а выходное сопротивление

 

 

Rвых S K R2 rси ,

где S – крутизна ПТ; K – коэффициент усиления ОУ.

В лабораторном макете в качестве опорного источника используется стабилитрон типа КС156А (U0 =5,6 В; ТКН = ± 0,07 %/°С),

в качестве регулирующего транзистора взят полевой транзистор с п каналом типа КПЗОЗГ, а усилитель выполнен на ОУ типа 140УД8А (K = 50 103). Резистор R2 состоит из двух сопротивле-

ний: постоянного (43 кОм) и переменного, подстроечного

(4,7 кОм).

Сравнивающие устройства (СУ) – компараторы представляют собой устройства, предназначенные для сравнения двух напряжений или токов и определения знака разности между ними. Это важнейший узел любого аналого-цифрового преобразователя, определяющий во многом качественные показатели преобразователя в целом.

Идеальное СУ имеет передаточную характеристику, показанную на рис. 1.7, а. Передаточная характеристика реального СУ, вопервых, будет смещаться в пределах некоторой зоны неопределенности U (рис. 1.7, б) при изменениях температуры и при других внешних воздействиях из-за неидеальности и нестабильности его параметров. Во-вторых, характеристика реального СУ не имеет в общем случае бесконечно большой крутизны в области перехода от одного состояния к другому. Ширина переходной области, являю-

10

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]