Й.Янсен Курс цифровой электроники. Том 3. Сложные ИС для устройств передачи данных (1987) (1092083), страница 35

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 35)

3.8,а, в виде схемы сравнения с гистерезисом. Гистерезис необходим, чтобы исключить влияние отклонений эталонного уровня. Эти отклонения возникают при наличии около схемы сравнения источников помех. данай, оз бвесетм иь с г))т а еадасижа/1й д Рис. З.З. Комбинация схемы сравнения (а) с элементам аитоэлеитраннай связи и измерительным мостом (б). Схема сравнения имеет дифференциальный вход, благодаря которому ее особенно удобно использовать в качестве считываюзцего элемента в мостовой схеме. На рис. 3.8, б показано сочетание измерительного моста с компаратором. На потенциометре устаналивается пороговое нли эталонное напряжение. В приведенном примере предполагается, что светодиод управляется непосредственно напряжением на резисторе в цепи передачи сигнала от светодиода к фототранзистору.

Как только транзистор мостовой схемы открывается, мост выходит нз состояния равновесия, а на выходе схемы сравнения, где поначалу был высокий уровень (Н), появляется низкий уровень (Е). В устройстве ЕМ339А содержатся четыре такие схемы сравнения. 21В Глава 8 Аналоговый компаратор является основной схемой прн преобразовании информации из аналоговой формы в цифровую, поэтому он был рассмотрев здесь более подробно.

3.5. Аналого-цифровое преобразование Принцип преобразования информации из аналоговой формы в цифровую (аналого-цифровое преобразование) очень просто можно сравнить со взвешиванием на весах. Представьте себе старые коромысловые весы, на одну чашу которых кладут определенный груз неизвестного веса, а на другую ставятся гири. Для определения веса необходимо выполнить следующее. Берется определенное число гирь по 1 г каждая н поочередно выставляется иа весы.

Гири ставятся до тех пор, пока весы не придут в состояние равновесия. Число гирь соответствует весу содержимого чаши в граммах. Можно применить другой способ, в котором на чаше весов устанавливают 20 нли 50 гирь по 1 г и наблюдают, как реагируют весы. Если перевешивает груз, то добавляют еще 10 таких гирь. Если перевешивают гири, то их снимают с чаши до тех пор, пока не установится равновесие. Безусловно, в данном случае удобнее вместо нескольких гирь по 1 г использовать гири по 50 или 100 г.

Этот принцип часто используется на рынке. Если, например, вы покупаете 1 кг яблок, то продавец прежде всего ставит на тарелку гирю в 1 кг, а затем добавляет яблоки в чашу до тех пор, пока не будет получен вес около 1кг. Затем он точно дозирует требуемый вес, добавляя нлн снимая одно-два яблока. При анализе такого способа определения веса можно сделать вывод, что продавец допускает ошибку в ущерб себе. Обычно весы не бывают точно уравновешены, а это значит, что они сильно отклоняются в другую сторону, когда в чаше лежит лишнее яблоко.

В описанном примере с неизвестным весом товара, при котором весы должны приводиться в равновесие добавлением 1-граммовых гирь, тоже возможна подобная ошибка. При взвешивании в граммах трудно обеспечить точность до 1 г. При цифровом определении аналоговой величины мы имеем дело с ошибкой подобного рода. Эта ошибка называется ошибкой квантования. Если бы в описанном примере мы производили взвешивание через каждые 10 г, то число добавлений гирь при взвешивании уменьшилось бы в 1О раз, но прн этом точность ухудшилась бы также в 10 раз.

Максимальная ошибка, которую мы можем допустить, соответствует половине числа с наименьшим значением: при 1 г — 0,5 г, а при 10 г — 5 г. При этом предполагается, что весы уже с самого начала имеют погрешность 0,5 или 5 г 219 Свявв устройств обработки с вяешнвй средой в положительную сторону, как видно из рис. 3.9. Штриховая линия соответствует идеальному определению веса прн бесконечном числе долей грамма.

Эта линия начинается в нулевой точке, н для достижения минимальной погрешности при единице измерения в 1 г весы перед взвешиванием устанавливаются на 0,5 г. Преобразование аналоговой величины в цифровую построено на принципе взвешивания. Механизм сравнения (определение равновесия) в аналого-цифровых преобразователях (АЦП) построен на аналоговой схеме сравнения, которая контролирует б г д Е б б' бвс,в Увтввввбав вв Дбе Рис. 3.9. Графии, иллюстрирующий пропесс иввещиваиия. равенство двух величин напряжений.

На один вход подается измеряемая величина, а на другой — ступенчато нарастающее напряжение, подаваемое под контролем цифрового датчика. Следовательно, этот процесс полностью соответствует принципу взвешивания, согласно которому при подсчете, если необходимо, на чаше весов устанавливается дополнительная гиря, а полученная информация регистрируется после уравновешивания весов. На рис. 3.10 представлена элементарная схема, в которой используется описанный принцип взвешивания при аналогоцифровом преобразовании.

В приведенном примере измеряемое напряжение имеет постоянную величину, а эталонное напряжение в переменную, вводимую в ступенчатой форме. Специальный сигнал запускает стартстопную триггерную схему, и формируется прямоугольный импульс для управления генератором ступенчато нарастающего напряжения и двоичным счетчиком.

Этот генератор вырабатывает ступенчатое напряжение, а счетчик начинает отсчет от нуля. Глава 8 лией И' Ю Рнс. ЗЛО. Аналого-цифровое преобразование но методу взвешивании, Когда ступенчатое напряжение сравняется с входным, что зафиксирует компаратор, стартстопный триггер возвратится в исходное состояние и поступление прямоугольных импульсов заблокируется с помощью элемента И (г)1). Понятно, что определение измеряемой величины длится достаточно долго, так как ступенчатое напряжение вводится последовательно.

Для сокращения времени обработки схема модифицируется.- генератор ступенчатого напряжения заменяется цифро-аналоговым преобразователем (ПАП), который управляется регистром последовательных приближений, а цифровой счетчик может быть исключен. Такой метод уже обсуждался. Для определения веса груза сначала устанавливают самую тяжелую гирю, например весом в 500 г, и следят за тем, как реагируют весы. Если перевешивает гиря, то ее заменяют более легкой, например весом в 250 г. Если перевешивает груз, то к гире 500 г добавляетси более легкая гиря — 250 г. Затем поступают следующим образом: если перевешивают гири, то гирю 250 г заменяют гирей в 125 г.

Если перевешивает груз, то на другую чашу добавляют еще одну гирю весом в 125 г. и т. д. Таким образом, методом последовательных приближений мы определяем правильныйвес. Схема, представленная на рис. 3.11, является электрическим эквивалентом такого метода последовательных приближений. Регистр последовательных приближений передает 1 из самого старшего разряда (ССР) в ЦАП, и входной ток течет к схеме сравнения, а от нее — через последовательный резистор к источнику напряжения на аналоговом входе. Тои, текущий через резистор, и входное напряжение на аналоговом источнике напряжения определяют знак напряжения на входе схемы срав,Фпепепдлв1 блад ббн бпгнпе насоса йпгррп-пнплпгп дпгп препбрсгс- бпнпл 1 1 1 1 Л Рис. 3.11. Аналого-цифровое преобразование по методу последовательныв приближений.

пения. Если напряжение отрицательно, то преобладает ток ЦАП и 1 в данном разряде ие будет участвовать в формировании выходного кода. Схема сравнения передает полученный результат в регистр последовательных приближений, который на основании этой информации передает 1 в ЦАП из разряда, следующего за старшим. Если от схемы сравнения не поступает никакой информации, то регистр передает в ЦАП содержимое старшего и следующего за ним разряда. Этот процесс продолжается до тех пор, пока ие будут обработаны все разряды, а в регистре не появится цифровое значение аналоговой величины. Метод аналого-цифрового преобразования, который наилуч; шим образом реализуется при размещении АЦП на отдельном кристалле, показан на рис. 3.12.

Схема состоит из интегратора, за которым расположена схема сравнения. Эта схема сравнения с помощью логическоговентиля И управляет счетчиком, причем, как только счетчик Селга устройств обработки с ввело!ей средой ! 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Глава 3 — — допуск г 3 Икпегрируюогоо консенооюор и'— ~ г- -ьйнкроинпупос с'бх быиолное нопргление онюирироюгиего устп~гюсоиооо Рис. ЗЛ2. Раехоламетричесиий аналого-цифровой преобразователь. а — схема; б — арамеааая яаагаамма.

устанавливает равенство входного напряжения нулю, поступление импульсов к нему прекращается. Кроме того, в схеме присутстнует управляющая логика, переключающая вход и отпирающая счетчик в момент, когда можно проводить вычисление. Для объяснения принципа действия рассмотрим временную диаграмму (рис.

3.12,б). Управлягощая логика отпирает вход на определенное время для прохождения аналогового входного сигнала. При этом интегрирующий конденсатор С заряжается по линейному закону. В зависимости от величины входного напряжения существуют три возможных варианта, что показано на рис. 3.12, б для трех значений входного напряжения.

Характеристики

Список файлов книги