Изучение аналогово-цифровых преобразователей (АЦП)

Лабораторная работа №3

 

1. Цель работы:

Изучение АЦП и его работы.

 

Оборудование: ПЭВМ, программное обеспечение (пакет electronics workbench)

 

2. Теоретическая часть:

 

Цифро-аналоговыми преобразователями (ЦАП) называют устройства, формирующие выходную аналоговую величину, соответствующую цифровому коду, поступающему на вход преобразователя.
Существуют различные методы аналогово-цифрового преобразования, реализуемые разнообразными схемами. Рассмотрим три метода – отклонения, компенсационный и с преобразованием измеряемой величины в промежуточную величину (обычно временной интервал или частоту) с последующим ее цифровым измерением.

Способы реализации каждого метода приведены в таблице.

Таблица 1 – методы аналогово-цифрового преобразования

Метод	Способ реализации
Метод отклонения	АЦП работают на основе счета приращений или с использованием кодирующего диска или кодирующей линейки. Погрешность преобразования не превышает 0,1%.
Компенсационные метод	Напряжение (ток) компенсации является дискретным в виде квантов, формируемых при помощи коммутируемого делителя напряжения/тока (ЦАП). Блок управления последовательно через соответствующие ключи подключает выходы многоступенчатого делителя ко входу компаратора → на этом входе равными ступенями (квантами) напряжение компенсации возрастает от 0 (или уменьшается от max). Изменение происходит, пока разность не будет меньше кванта. Компаратор блокирует работу датчика импульсов, счетчик фиксирует число импульсов, выданных до момента уравновешивания.
Метод с преобразованием измеряемой величины в промежуточную (временной интервал или частоту), в частности преобразование постоянного положительного напряжения в частоту.	АЦП выполняется на двух ОУ, один из которых включен в режиме интегратора, а другой в режиме регенеративного компаратора с гистерезисом. Когда Uвых компаратора имеет max значение, диод смещен в обратном направлении и напряжение на выходе первого ОУ уменьшается по линейному закону со скоростью, определяемой амплитудой входного положительного сигнала, до тех пор, пока не достигнет значения U1R1/R2. Компаратор переключается в другое состояние, при котором Uвых равно максимальному отрицательному значению, диод открывается и Uвых интегратора быстро нарастает до значения U2R1/R2. При этом компаратор возвращается в первоначальное состояние и цикл повторяется. Частота циклов повторения прямо пропорциональна входному напряжению, так как время нарастания выходного напряжения интегратора значительно меньше времени спада.

 

Пренебрегая собственным временем переключения компаратора, частоту выходных импульсов можно определить следующим образом:

 

АЦП прямого преобразования или параллельный АЦП содержит по одному компаратору на каждый дискретный уровень входного сигнала. В любой момент времени только компараторы, соответствующие уровням ниже уровня входного сигнала, выдадут на своём выходе сигнал превышения. Сигналы со всех компараторов поступают на логический шифратор, генерирующий бинарный цифровой код в зависимости от количества логических единиц, присутствующих на его входе. Данные с шифратора фиксируются в параллельном регистре, и, в общем случае, частота дискретизации АЦП может зависеть лишь от аппаратных характеристик логических и аналоговых элементов, а также от частоты требуемой выборки значений. Параллельные АЦП очень быстры, но обычно имеют разрешение не более 8 бит (256 компараторов), так как влекут за собой большие аппаратные затраты. АЦП этого типа имеют очень большой размер кристалла микросхемы, высокую входную ёмкость, и могут выдавать кратковременные ошибки на выходе.

Часто используются для видео или других высокочастотных сигналов, а также широко применяются в промышленности для отслеживания быстро изменяющихся процессов в реальном времени.

 

Последовательно-параллельные АЦП сохраняя высокое быстродействие позволяет значительно уменьшить количество компараторов, требуещееся для преобразования аналогового сигнала в цифровой. Содержат в своем составе два — три параллельных АЦП. Второй АЦП служит для уменьшения ошибки квантования первого АЦП путем оцифровки этой ошибки. Для увеличения скорости выходного оцифрованного потока данных в последовательно-параллельных АЦП применяется конвейерная работа параллельных АЦП.

АЦП последовательного приближения или АЦП с поразрядным уравновешиванием содержит компаратор, вспомогательный ЦАП и регистр последовательного приближения. АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровой за N шагов, где N — разрядность АЦП. На каждом шаге определяется по одному биту искомого цифрового значения, начиная от СЗР и заканчивая МЗР. Последовательность действий по определению очередного бита заключается в следующем. На вспомогательном ЦАП выставляется аналоговое значение, образованное из битов, уже определённых на предыдущих шагах; бит, который должен быть определён на этом шаге, выставляется в 1, более младшие биты установлены в 0. Полученное на вспомогательном ЦАП значение сравнивается с входным аналоговым значением. Если значение входного сигнала больше значения на вспомогательном ЦАП, то определяемый бит получает значение 1, в противном случае 0. Таким образом, определение итогового цифрового значения напоминает двоичный поиск. АЦП этого типа обладают одновременно высокой скоростью и хорошим разрешением. Однако при отсутствии устройства выборки хранения погрешность будет значительно больше (представьте, что после оцифровки самого большого разряда сигнал начал меняться).

 

АЦП дифференциального кодирования (англ. delta-encoded ADC) содержат реверсивный счётчик, код с которого поступает на вспомогательный ЦАП. Входной сигнал и сигнал со вспомогательного ЦАП сравниваются на компараторе. Благодаря отрицательной обратной связи с компаратора на счётчик код на счётчике постоянно меняется так, чтобы сигнал со вспомогательного ЦАП как можно меньше отличался от входного сигнала. По прошествии некоторого времени разница сигналов становится меньше, чем МЗР, при этом код счётчика считывается как выходной цифровой сигнал АЦП. АЦП этого типа имеют очень большой диапазон входного сигнала и высокое разрешение, но время преобразования зависит от входного сигнала, хотя и ограничено сверху. В худшем случае время преобразования равно T_max=(2^q)/f_с, где q — разрядность АЦП, f_с — частота тактового генератора счётчика. АЦП дифференциального кодирования обычно являются хорошим выбором для оцифровки сигналов реального мира, так как большинство сигналов в физических системах не склонны к скачкообразным изменениям. В некоторых АЦП применяется комбинированный подход: дифференциальное кодирование и последовательное приближение; это особенно хорошо работает в случаях, когда известно, что высокочастотные компоненты в сигнале относительно невелики.

 

АЦП сравнения с пилообразным сигналом (некоторые АЦП этого типа называют Интегрирующие АЦП, также к ним относятся АЦП последовательного счета) содержат генератор пилообразного напряжения (в АЦП последовательного счета генератор ступенчатого напряжения, состоящий из счетчика и ЦАП), компаратор и счётчик времени. Пилообразный сигнал линейно нарастает до некоторого уровня, затем быстро спадает до нуля. В момент начала нарастания запускается счётчик времени. Когда пилообразный сигнал достигает уровня входного сигнала, компаратор срабатывает и останавливает счётчик; значение считывается со счётчика и подаётся на выход АЦП. Данный тип АЦП является наиболее простым по структуре и содержит минимальное число элементов. Вместе с тем простейшие АЦП этого типа обладают довольно низкой точностью и чувствительны к температуре и другим внешним параметрам. Для увеличения точности генератор пилообразного сигнала может быть построен на основе счётчика и вспомогательного ЦАП, однако такая структура не имеет никаких преимуществ по сравнению с АЦП последовательного приближения и АЦП дифференциального кодирования.

АЦП с уравновешиванием заряда (к ним относятся АЦП с двухстадийным интегрированием, АЦП с многостадийным интегрированием и некоторые другие) содержат генератор стабильного тока, компаратор, интегратор тока, тактовый генератор и счётчик импульсов. Преобразование происходит в два этапа (двухстадийное интегрирование). На первом этапе значение входного напряжения преобразуется в ток (пропорциональный входному напряжению), который подаётся на интегратор тока, заряд которого изначально равен нулю. Этот процесс длится в течение времени TN, где T — период тактового генератора, N — константа (большое целое число, определяет время накопления заряда). По прошествии этого времени вход интегратора отключается от входа АЦП и подключается к генератору стабильного тока. Полярность генератора такова, что он уменьшает заряд, накопленный в интеграторе. Процесс разряда длится до тех пор, пока заряд в интеграторе не уменьшится до нуля. Время разряда измеряется путём счёта тактовых импульсов от момента начала разряда до достижения нулевого заряда на интеграторе. Посчитанное количество тактовых импульсов и будет выходным кодом АЦП. Можно показать, что количество импульсов n, посчитанное за время разряда, равно: n=U_вхN(RI₀)⁻¹, где U_вх — входное напряжение АЦП, N — число импульсов этапа накопления (определено выше), R — сопротивление резистора, преобразующего входное напряжение в ток, I₀ — значение тока от генератора стабильного тока, разряжающего интегратор на втором этапе. Таким образом, потенциально нестабильные параметры системы (прежде всего, ёмкость конденсатора интегратора) не входят в итоговое выражение. Это является следствием двухстадийности процесса: погрешности, введённые на первом и втором этапах, взаимно вычитаются. Не предъявляются жёсткие требования даже к долговременной стабильности тактового генератора и напряжению смещения компаратора: эти параметры должны быть стабильны лишь кратковременно, то есть в течение каждого преобразования (не более 2TN). Фактически, принцип двухстадийного интегрирования позволяет напрямую преобразовывать отношение двух аналоговых величин (входного и образцового тока) в отношение числовых кодов (n и N в терминах, определённых выше) практически без внесения дополнительных ошибок. Типичная разрядность АЦП этого типа составляет от 10 до 18 двоичных разрядов. Дополнительным достоинством является возможность построения преобразователей, нечувствительных к периодическим помехам (например, помеха от сетевого питания) благодаря точному интегрированию входного сигнала за фиксированный временной интервал. Недостатком данного типа АЦП является низкая скорость преобразования. АЦП с уравновешиванием заряда используются в измерительных приборах высокой точности.

 

Конвейерные АЦП используют два или более шага-поддиапазона. На первом шаге производится грубое преобразование (с низким разрешением). Далее определяется разница между входным сигналом и аналоговым сигналом, соответствующим результату грубого преобразования (со вспомогательного ЦАП, на который подаётся грубый код). На втором шаге найденная разница подвергается преобразованию, и полученный код объединяется с грубым кодом для получения полного выгодного цифрового значения. АЦП этого типа быстры, имеют высокое разрешение и небольшой размер корпуса.

 

АЦП с промежуточным преобразованием в частоту следования импульсов.Сигнал с датчика проходит через преобразователь уровня, а затем через преобразователь напряжение-частота. Таким образом на вход непосредственно логической схемы поступает сигнал, характеристикой которого является лишь частота импульсов. Логический счётчик принимает эти импульсы на вход в течение времени выборки, таким образом, выдавая к её окончанию кодовую комбинацию, численно равную количеству импульсов, пришедших на преобразователь за время выборки. Такие АЦП довольно медленны и не очень точны, но тем не менее очень просты в исполнении и поэтому имеют низкую стоимость.

 

Сигма-дельта-АЦП (называемые также дельта-сигма АЦП) производит аналого-цифровое преобразование с частотой дискретизации, во много раз превышающей требуемую и путём фильтрации оставляет в сигнале только нужную спектральную полосу.

 

3. Практическая часть:

Задания:

1. Соберите схему, представленную на рисунке и промоделируйте ее, снимите характеристики. Результаты занесите в таблицу, графики зарисуйте.

2. Проверьте правильность и работоспособность схемы и исследуйте зависимость частоты выходного сигнала от входного напряжения в диапазоне 20мВ…10мВ.

3. Проверьте справедливость формулы.

4. По результатам измерений и полученным графикам сделайте выводы и зафиксируйте их в отчете.

1. Зависимость частоты выходного сигнала от входного напряжения 0,02 В:

 

2. Зависимость частоты выходного сигнала от входного напряжения 0,05 В:

 

 

3. Зависимость частоты выходного сигнала от входного напряжения 0,1 В:

4. Зависимость частоты выходного сигнала от входного напряжения 0,2 В:

5. Зависимость частоты выходного сигнала от входного напряжения 0,5 В:

 

6. Зависимость частоты выходного сигнала от входного напряжения 1 В:

 

7. Зависимость частоты выходного сигнала от входного напряжения 2 В:

 

8. Зависимость частоты выходного сигнала от входного напряжения 5 В:

 

9. Зависимость частоты выходного сигнала от входного напряжения 10 В:

 

Вычислим частоты выходного сигнала по формуле и занесем в табл.2

 

Таблица 2 – Зависимость частоты выходного сигнала от входного напряжения

Uвх, В	0,02	0,05	0,1	0,2	0,5
f,Гц

 

 

4. Методика выполнения задания:

Изучите теоретическую часть данной методички. Запустите программу electronics workbench. На рабочем виртуальном поле соберите схемы рис.4. Изменяя значения сопротивлений, измерьте виртуальным осциллографом и вольтметром значения на выходе схем. Измеренные значения занесите в таблицу. На основе анализа результатов измерений сделайте выводы по работе схем. Оформите отчет по работе, соблюдая требования СТО УГАТУ 016-2007.

 

 

5. Требования к содержанию и оформлению отчета:

Отчет должен содержать название, цель работы, ход и результаты выполнения работы, выводы.

 

6. Контрольные вопросы:

 

1. Каким образом частота дискретизации по амплитуде и по времени влияет на точность преобразования?

2. Для каких целей применяется аналогово-цифровое преобразование?