Белополский Аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи 2010

Отсюда можно найти максимальную частоту f синусоиды, при котором АЦП успевает ее отслеживать с погрешностью меньше шага квантования:

При отслеживании синусоиды большими ступенями с погрешно-

стью 2к 1 МР максимальная скорость и частота синусоиды будут:

В случае непосредственного использования получаемого кода, например, путем его ввода в ЭВМ, не требуется его дополнительного преобразования. Для осуществления индикации кода в форме, удобной для оператора, например, в виде десятичных цифр, необходимо перевести двоичный код, записанный в РЦС, в десятичный. Один из возможных способов преобразования кода, используемый в данной работе, заключается в следующем.

Вводится принудительный цикл работы АЦП, задаваемый сигналами управления с частотой fупр . Цикл состоит из двух тактов:

стадии уравновешивания и стадии считывания. Длительность стадии уравновешивания Tур выбирается такой, чтобы АЦП смог от-

следить изменение входного сигнала от 0 до максимальной величины Ux.макс = ПШ−1 МР, т.е.

Tур ≥(2K +2n−K −2) f0 .

После того, как окончится стадия уравновешивания, сигнал управления с частотой fупр через схему индикатора знака отклю-

чает РЦС от измерительного тракта и начинается стадия считывания. На этой стадии счетные импульсы частотой f0 поступают в

71

младший разряд РЦС и начинают вычитаться из содержимого счетчика. Одновременно они начинают поступать на вход двоичнодесятичного цифрового счетчика (ДЦС) и подсчитываться им (см. рис. 4.3). При цифровой индикации время одного преобразования ограничивается временем восприятия оператором смены цифр, составляющим, как известно, около 0,25 с. Поэтому не требуется ускоренное считывание и длительность стадии считывания Tсч ока-

зывается больше стадии уравновешивания, поскольку считывание кода из РЦС осуществляется последовательно только через младший разряд счетчика, т.е. выбирается:

Tсч ≥(2n −1) f0 >Tур .

После того, как код РЦС полностью считается, во всех разрядах счетчика окажутся нули, что фиксируется схемой совпадения. Она выдает сигнал "0", поступающий на вход ДЦС и блокирующий его от дальнейшего поступления счетных импульсов опорной частоты f0 .

Таким образом, в ДЦС окажется записанным то же самое число, которое было в РЦС, но уже в двоично-десятичном коде. Далее этот код цифроотображающим устройством (ЦОУ) преобразуется в цифровые показания индикаторов.

Описание лабораторного макета

На рис. 4.5 приведена принципиальная схема исследуемого 8- разрядного АЦП, измеряющего напряжения положительной полярности до + 10 В (т.е. ПШ = 10 В). В схеме использованы операционные усилители типа 153УД6, в качестве сравнивающих устройств взяты компараторы типа 521 САЗ. В макете применены логические микросхемы, выполненные по КМОП технологии 164 и 176 серий. В качестве ЦАП использована микросхема К572ПА1. РЦС выполнен на двух микросхемах 564ИЕ11. Двоично-десятич- ные счетчики на три десятичных разряда выполнены на микросхемах 176ИЕ4, в которые входят и дешифраторы для семисегментных индикаторов.

Управляющие импульсы опорной частоты f0 снимаются с выхода мультивибратора, выполненного на микросхеме 176ЛЕ5. На

72

этой же микросхеме выполнен мультивибратор, управляющий режимом "Уравновешивание-считывание".

Операционный усилитель А1 (см. рис.4.5) используется в качестве дифференциального усилителя с K = 1. Схема выделения модуля разности [Ux (t) −Uк(t)] выполнена на микросхемах А3 и А4.

В качестве сравнивающих устройств использованы компараторы K1 и K2. Схема индикатора знака выполнена на сравнивающем устройстве А2 с порогом срабатывания Uп =0 . Источник эталон-

ного напряжения Uоп собран на микросхеме А5. Микросхема А6

используется для преобразования выходного тока ЦАП в компенсирующее напряжение Uк(t) .

Подготовкак работе

1.Ответить на контрольные вопросы.

2.Определить величину наименьшего значащего разряда

Z=1 МР, считая ПШ = + 10 В.

3.Рассчитать компенсирующее напряжение Uк(t) на выходе

ЦАП для каждого разряда.

4. Найти число шагов, необходимое для уравновешивания входного напряжения Uк(t) =ПШ – 1 МР. Определить выигрыш в бы-

стродействии при K = 4.

5.Нарисовать временную диаграмму Uк при уравновешива-

нии напряжения Uх = 1,5 В.

6.Определить минимально допустимые длительности стадий уравновешивания и считывания.

7.Рассчитать максимально допустимые скорости изменения

входного напряжения Uх(t)макс , при которых отслеживание Uх(t)

идет малыми и большими ступенями; определить частоту синусоидального сигнала Uх =Um sin 2π ft , соответствующего этим скоро-

стям (при пересечении синусоидой нулевого уровня), считая Um = 10 В, число разрядов – 8, f0 =200 кГц.

73

Рабочее задание

1.Измерить Uп1 , Uп2 .

2.Замыкая соответствующие входы ЦАП на источник + 5 В, измерить Uк для каждого разряда и сравнить с расчетными; опреде-

лить погрешность каждого разряда, погрешности смещения нуля и масштаба.

3.Откалибровать ЦАП в конце шкалы, меняя Uоп ; снять зависимость Uк = f (N ) ; определить погрешность нелинейности.

4.Измерить частоты f0 , fупр и длительность стадий уравнове-

шивания и считывания.

5. Подать на вход постоянное положительное напряжение Uх < 10 В. Зарисовать и объяснить полученные осциллограммы.

6. Откалибровать АЦП в конце шкалы и снять зависимость Uвых = f (Ux ) . Точные значения Uх измерять цифровым вольт-

метром. Построить график и определить погрешности нуля, масштаба и нелинейности.

7. Подать на вход синусоидальный сигнал с частотой fx << f0 и амплитудой Uмакс < 10 В, зарисовать и объяснить осциллограммы

на выходе ЦАП.

8. Меняя частоту синусоиды и ее амплитуду, определить максимально допустимую частоту, при которой погрешность преобразования не превышает Z = 1 МР или 16Z. Найти соответствующую данной частоте и амплитуде синусоидального сигнала максимальную скорость изменения входного напряжения и сравнить ее с расчетными значениями.

ВНИМАНИЕ! При подаче на вход переменного напряжения переключатель "Режим" должен стоять в положении "Уравновешивание", т.е. быть заземленным.

Контрольные вопросы

1.Чем отличаются АЦП прямого и компенсационного преобразования?

2.Какие АЦП компенсационного преобразования Вы знаете?

74

3.В чем отличие между следящим и развертывающим преобразованием?

4.Из каких основных частей состоит АЦП следящего преобразования, исследуемый в данной работе?

5.Почему в АЦП следящего преобразования необходим реверсивный счетчик?

6.Как меняется компенсирующая величина в данной работе?

7.Почему в исследуемом АЦП два сравнивающих устройства?

8.Каковы преимущества и недостатки равномерно-ступенчатого

инеравномерно-ступенчатого способа изменения компенсирующей величины?

9.Какой величины должен быть установлен порог срабатывания сравнивающего устройства в АЦП, чтобы не возникали автоколебания?

10.Какая из стадий уравновешивания или считывания продолжительнее по времени и почему?

11.Отчего зависит максимальная скорость преобразования?

12.Чем ограничивается скорость преобразования при визуальном наблюдении за результатом?

Список литературы

1.Никамин В.А. Аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи. Справочник. СПб.: КРОНА; М.: Альтекс-А, 2003.

2.Ратхор Т.С. Цифровые измерения. АЦП/ЦАП. М.: Техносфе-

ра, 2006.

3.Гельман. М.М. Системные аналого-цифровые преобразователи и процессоры сигналов. М.: Мир, 1999.

75