Сопряжение цифровых и аналоговых устройств

10. Сопряжение цифровых и аналоговых устройств.

10.1  Назначение, классификация и основные характеристики устройств сопряжения.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП)-устройство, предназначенное  для преобразования непрерывно изменяющейся во времени аналоговой физической величены в эквивалентные ей значения числовых кодов.

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП)-устройство предназначенное для преобразования входной величены, представленной последовательностью числовых кодов, в эквивалентные или значения заданной физической величины.

Все АЦП делятся на устройства:

- последовательного счета;

- поразрадного кодирования;

Рекомендуемые материалы

- метода считывания.

Аналого-цифровые преобразователи, работающие по методу по­следовательного счета, осуществляют уравновешивание входной аналоговой величины суммой одинаковых эталонов. Момент равен­ства этих величин фиксируется сравнивающий устройством. На выходе, таких АЦП формируется последовательный единичный код. Далее этот код может быть преобразован к любому требуемому виду.

Аналого-цифровые преобразователи, работающие по методу по­разрядного кодирования, используют несколько эталонов. Причем их число равно числу разрядов, а значения пропорциональны ве­совым коэффициентам выходного позиционного кода. Каждый эта­лон сравнивается с входной величиной устройством сравнения. Процесс сравнения начинается с эталона, имеющего максималь­ное значение. В зависимости от результата этого сравнения фор­мируется цифра старшего разряда выходного кода. Если эталон больше входной величины, то в старшем разряде, формируется ну­левое значение и производится сравнение входной величины с наибольшим из оставшихся эталонов. Если максимальный эталон оказался меньше входной величины, то в старшем разряде выход­ного кода формируется сигнал лог. 1 и дальнейшему сравнению подлежит сигнал разности входной величины и максимального эталона. Аналогичные действия выполняются для всех используе­мых эталонов.

Аналого-цифровые преобразователи, работающие по методу считывания, используют N эталонов (N — число уровней кванто­вания). При этом младший эталон равен h (шагу квантования), следующий 2h и т. д. Входная величина сравнивается с каждым эталоном своим устройством сравнения, в результате чего на выходе устройства формируется параллельный единичный код, в котором число единиц соответствует числу эталонов, выходной сигнал которых меньше входного.

Рассмотрим основные электрические характеристики ЦАП и АЦП. Они подразделяются на статические, которые задают конеч­ную точность преобразования, и динамические, характеризующие быстродействие данного класса устройств. Статические характе­ристики преобразователей определяются видом характеристики преобразования, которая устанавливает соответствие между зна­чениями аналоговой величины и цифрового кода. К ним относятся:

Число разрядов (b) — число разрядов кода, отображающего исходную аналоговую величину, которое может формироваться на выходе АЦП или подаваться на вход ЦАП. При использовании двоичного кода под b понимают двоичный логарифм от макси­мального числа кодовых комбинаций (уровней квантования) на выходе АЦП или входе ЦАП.

Абсолютная разрешающая способность — средние значения ми­нимального изменения сигнала на выходе ЦАП (α), или минималь­ного изменения входного сигнала АЦП (т), обусловленные увели­чением или уменьшением его кода на единицу.

Значение абсолютной разрешающей способности является ме­рой измерения всех основных статических характеристик данного класса устройств и часто обозначается как ЕМР (единица млад­шего разряда), или просто МР (младший разряд).

Абсолютная погрешность преобразования в конечной точке шкалы (δF_s)—отклонение реальных максимальных значений входного для АЦП (U_IRN) и выходного для ЦАП (U_ORN) анало­говых сигналов от значений, соответствующих конечной точке идеальной характеристики преобразования (U_IRNmax и U_ORNmax) (рис. 1). Применительно к АЦП наличие δF_s означает, что мак­симальный выходной код будет сформирован на выходе устрой­ства при входном сигнале Uвх = U_IRNmax -δF_s. По аналогии для ЦАП можно сказать, что при подаче на вход максимального кода его выходное напряжение будет отличаться от U_ORNmax на вели­чину δF_s. Обычно δF_s, измеряется в ЕМР. В технической литера­туре δF_s иногда называют мультипликативной погрешностью.

Напряжение смещения нуля U₀ — для АЦП это напряжение (U_вх0), которое необходимо приложить к его входу для получения нулевого выходного кода. Для ЦАП — это напряжение, присут­ствующее на его выходе (U_вых0) при подаче на вход, нулевого кода. Величина U₀ обычно выражается в ЕМР.

Рис. 10.1. Идеальная (1) и вариант реальной (2) характеристики преобразования АЦП

Рис.10. 2. Идеальная (1) и вариант реальной (2) характеристики передачи ЦАП

Нелинейность (δL) — отклонение действительной характеристи­ки преобразования от оговоренной линейной, т. е. это разность реального напряжения, соответствующего выбранному значению кода и напряжения, которое должно соответствовать этому коду в случае идеальной характеристики преобразования устройства (рис. 1). Для ЦАП это напряжение измеряется относительно центров ступеней указанных характеристик (рис. 2). В качестве оговоренной линейной характеристики используют либо прямую, проведенную через точки 0 U_max, либо прямую, обеспечивающую минимазацию δL, например, среднеквадратнческое отклонение всех точек которой от реальной характеристики минимально. Вели­чину δL измеряют в ЕМР (δL = δ’L/h) или процентах (δL =  100 δ’L /U_max), где δ’L — абсолютное значение нелинейности. В справочной литературе обычно задается максимально возможная величина δL.

Дифференциальная нелинейность (δL_д). Это отклонение дей­ствительного шага квантования δ'L_д от его среднего значе­ния (h) (рис. 2). Величина δL_д измеряется либо в ЕМР [δL_д = (δ'L_д—h)/h], либо в процентах δL_д = (δ'L_д —h) *100/ U_max.

Величина дифференциальной нелинейности однозначно связана с понятием монотонности характеристик ЦАП и АЦП. Если | δL_д | > 1ЕМР, то приращение выходного сигнала в данной точке характеристики может быть как положительным, так и отрица­тельным (рис. 2). В последнем случае характеристика преобра­зования перестает быть монотонной.

ЦАП первого класса используют при работе единственный эталон, число повторений (суммированный, который определяется значением входного единичного кода). Этот код подается на вход ЦАП в последовательной форме.

ЦАП второго класса имеют число эталонов, равное разрядности входного кода. Причем значения этих эталонов пропорциональны величинам весовых коэффициентов используемого кода.

С позиции используемого метода преобразования все ЦАП делятся на :

Устройства,  реализующие метод последовательного счета,

устройства, реализующие метод поразрядного кодирования,

устройства, реализующие метод считывания.

Рис.10.3

10.2 Цифроаналоговые преобразователи с суммированием токов.

Рис.10.4

Если все переключатели ABCD замкнуты на общий привод (┴), то входное напряжение равно нулю (0) и выходные равны нулю (0).

Uвых=KuE; Ku=Roc/Rвх; , x – входной цифровой код (ABCD).

ЦАП с матрицей R-2R

Рис.10.5

Рис.10.6

                     10.3 Аналого-цифровой преобразователь последовательного счета.

Рис.10.7

10.4 Интегрирующий аналогово-цифровой преобразователь.

Рис.10.8

10.5 АЦП последовательного приближения.

Рис.10.9

Условные обозначения микросхем ЦАП и АЦП.

10.6 Практические микросхемы ЦАП и АЦП.

(ЦАП) КР 572 ПА1

Рис.10.10

(АУП) КР572 ПВ1

Работает в режиме последовательного приближения с параллельным двоичным кодом на выходе. Наличие схем входной и выходной логики обеспечивает побайтовый вывод цифровой информации для согласования с 8 разрядной шиной даных микропроцессора.

Рис.10.11

10.7 Лабораторная работа “ЦАП и АЦП”

           Автор: Красовский А.Б.

Описание лабораторной установки.

Лабораторная установка  выполнена в виде унифицированного стенда в который вставляется сменная кассета с расположенной в ней платой ЦАП и АЦП. На рис.10.12 изображена ее электрическая схема. Аналогичная схема изображена на лицевой панели кассеты. Кроме того, на лицевой панели кассеты расположены: переключатель рода работы 'ЦАП-АЦП', контрольные гнезда КТ1,КТ2, кнопка сброса 'Сброс', ручка регулировки постоянного стабилизированного напряжения, светодиоды для визуальной индификации работы ЦАП и АЦП.

ЦАП выполнен четырехразрядным на базе микросхемы 572ПА1 и операционного усилителя. В состав АЦП, кроме того, входят двоичный счетчик СТ, генератор прямоугольных импульсов G, компаратор напряжения К, логический элемент И на три входа. При переводе переключателя 'ЦАП-АЦП' в положение 'ЦАП' входы ЦАП отключаются от выходов счетчика и подключаются к блоку цифроаналогового преобразователя входного кода БВК ЦАП.

При переводе переключателя 'ЦАП-АЦП' в положение 'АЦП' входы ЦАП подключаются к выходам двоичного счетчика при нулевой информации на выходе БВК ЦАП.

Рис.10.12

                                  Правила по технике безопасности.

 

        1.работы следует выполнять строго в соответствии с заданием и указанным порядком его выполнения.

        2.перед включением стенда необходимо изучить функциональное назначение всех элементов коммутации (выключателей, кнопок, переключателей и т.п.) и убедиться, что все исследуемые в рабо­те устройства отключены от источника электропитания.

3. Перед экспериментальными исследованиями необходимо изучить правила использования применяемого в работе цифрового вольтметра.

4. При выполнении работы запрещается:

- включать схему без разрешения преподавателя;

- использовать измерительные приборы, которые не указаны в методических указаниях по выполнению данной работы;

- пользоваться неисправными приборами и устройствами.

               ЗАДАНИЕ И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Прежде чем приступить к выполнению экспериментальной части работы, необходимо ознакомиться с правилами по технике безопас­ности и получить разрешение у преподавателя на проведение экспе­риментов.

I. Исследование статических характеристик ЦАП.

Снять передаточную характеристику ЦАП. Для этого необхо­димо :

1. Подключить лабораторный стенд к сети.

2. Перевести переключатель "ЦАП - АЦП" в положение "ЦАП".

3. Подключить цифровой вольтметр к выходу ЦАП.

4. Задать переключателями БВК ЦАП цифровой код на вход ЦАП, измеряя при этом его выходное напряжение цифровым вольтмет­ром. Данные свести в табл.1;

    Таблица I

5. Построить по  результатам изменений передаточную характе­ристику ЦАП в масштабе, сделать вывод о характере изменения выходного напряжения ЦАП в зависимости от его входного кода и определить:

- абсолютную погрешность преобразования в конечной точке шкалы d_пш ;

- разрешающую способность цифроаналогового преобразова­теля r,

- нелинейность d_л;            

- дифференциальную нелинейность d_лд     

6. Сделать вывод о качестве исследуемого ЦАП.

 Исследование статических характеристик АЦД

Снять передаточную характеристику АЦП. Для этого необхо­димо.

1. Подключить лабораторный стенд к сети.

2. Перевести переключатель "ЦАП - АЦП" в положение "АЦП".

3.     Установить на выходе БВК ЦАП нулевую информацию.

4.     Подключить цифровой вольтметр к входу АЦП.

5.     Установить входное напряжение АЦП равным нулю (все светодиоды на выходе счетчика должны быть погашены).

6. Обнулить кнопкой "Сброс" счетчик.

7. Фиксировать, плавно увеличивая входное напряжение АЦП и измеряя его цифровым вольтметром, по состоянию светодиодов на выходе счетчика выходной код АЦП. Перед каждым измерением счет­чик необходимо обнулять нажатием кнопки "Сброс". Данные свести в табл.2:

Таблица 2

8. Построить по результатам измерений передаточную харак­теристику АЦП в масштабе, по которой определить:

- абсолютную погрешность преобразования в конечной точке шкалы  d_пш ;

- нелинейность d_л ;                      

- дифференциальную нелинейность  d_лд .    

9. Сделать вывод о качестве исследуемого АЦП,

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

Отчет должен включать:

1. Титульный лист с названием работы, указанием индекса группы, фамилии и инициалов студента и даты выполнения.

2. Краткое описание принципа работы и назначения исследуе­мых устройств.

3. Принципиальную электрическую схему исследуемого устрой­ства, вычерченную с помощью чертежных инструментов с соблюдени­ем условных графических обозначений элементов по ГОСТ.

3. Таблицы, графики, расчеты в соответствии с заданием.

10.8  Семинар 7      Программируемые постоянные запоминающие устройства (ППЗУ).

Задача 7.1.

Сравнить технические характеристики записи программ работы автомата, управляющего технологическим процессом, в ППЗУ и на бумажную перфоленту.

Сравниваем БИС ППЗУ КР556РТ16, имеющую организацию 8кх8 бит, ТТЛШ, с пережигаемыми перемычками, 3 выходных состояния, время выборки 85 нс.

Изобразить логическую структуру БИС. Рассчитать время считывания всей информации, полагая время установки адреса равным времени считывания. Рассчитать объём записи текстовой информации, учитывая, что в странице книжного текста 48 строк по 60 знаков.

Рис.10.13

Объём максимальной информации в ППЗУ 8кх8=64 кбит=65436 бит

Объём информации текста 48 строк на 60 знаков 48х60х8=23040 бит

1знак – 8разрядов.

Время выборки текстовой информации из ППЗУ t=23040х85*10^-9=0,002с.

Информация на перфоленте. Запись восьмидорожечная, скорость считывания 200 строк/с.

Расстояние между строками 2,5 мм. Рассчитать длину перфоленты, необходимую для записи аналогичной информации. Рассчитать время считывания всей информации.

Рис.10.14

Длина перфоленты 48х60х2,5мм=72000мм=72м

Время считывания t=2880/200=14c.

Задача 7.2

Выполнить схему, обеспечивающую выдачу по текстовым импульсам последовательность сигналов: 000, 001, 011, 010, 110, 111, 101, 100, используемых для управления отдельными рабочими органами автомата. Схему строить на основе двоичного счетчика с естественным порядком счета и ППЗУ, используемого в качестве кодопреобразователя.

Изобразить схему. Указать необходимую организацию ППЗУ. Записать таблицу истинности. На логической структуре указать сохраняемые перемычки. Записать логические уравнения запрограммированного ППЗУ. Какими логическими уравнениями описывалось выбранное ППЗУ до программирования? Как изменяются уравнения в результате управления?

ЗУ>8х3=24бит

Матрица 8*3

                                          Рис.10.15

Задача7.3

Записать в ПЗУ программу, обеспечивающую получение чисел У=Х², в пределах Х от 0 до 64. Допустимая дискретность выходного сигнала отвечает дискретности входного 1/64.

К решению задачи:

1. Получение 64 значений входного сигнала требует 6 входов блока ППЗУ, т.к. 64=2⁶

2.Максимальное значение выходного сигнала 63²=3969₁₀=r 81₁₆=111110000001₂ . Размещение такого сигнала требует 12разрядов.

3. Выполняем блок памяти на трех ППЗУ с организацией каждого 64х4 бита. Изобразить схему включения ППЗУ.

4. X₁₀ Y₁₀=10²=100

X₁₆ Y₁₆=16²=256

 Рис.10.16

 Рис. 10.17        Рис.10.18      

64²=2¹²

Число тактов =2⁶=64

Дискретность 102¹²

Частота тактов (1064)^-1

Задача 7.4

В автомат управления технологическим процессом вводится цифровой сигнал давления в регулируемой системе. Датчик, преобразующий значения давления в аналоговое напряжение, обладает нелинейностью. Его тарировочная характеристика линия-1. Для линеаризации системы преобразования сигнала введено ППЗУ с организацией 16х4 бит.

Запрограммировать его коэффициентом коррекции тарировочной характеристики до линии-2. Указать на графике отрезки значений давления, соответствующие цифровым сигналам на выходе АЦП и на выходе ПЗУ.

                       Рис.10.19

                                                                                                           Рис.10.20