2. Организация ввода-вывода сигналов и данных (1245060), страница 4

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

Текст из файла (страница 4)

За это время входной сигнал успел измениться на величину U. Возникает неопределенность: какому уровню значениявходного сигнала в диапазоне U0…(U0+U) соответствует данный выходной код. Точность преобразования будет на уровне единицы МЗР, если за время преобразования TПР изменение значения сигнала ( U ) на входе АЦПбудет не более величины единицы МЗР. Апертурная погрешность относительно невелика на низких частотах,однако на больших частотах она может существенно возрасти.АЦП с использованием ШИМЭто альтернативный традиционному способ АЦ-преобразования.

Например: амплитуда сигнала кодируется не уровнями напряжения, а длительностью импульсов в импульсной последовательности, т.е. в основе широтно-импульсная модуляция (ШИМ).Измерение длительности импульсов может осуществляться микроконтроллером (МК). Несомненнымидостоинствами такого подхода являются:- простота и дешевизна реализации, особенно когда используется МК без встроенного АЦП;- возможность передачи ШИМ-сигнала (имеющего только 2 уровня) на значительное расстояние;- наличие в составе, практически любых, МК средств измерения интервалов времени – таймеров.- сигналы в таком формате могут подаваться на выход без использования ЦАП.Для формирования ШИМ-сигналов в МК могут использоваться выводы общего назначения или специализированные ШИМ-таймеры (имеются во многих МК).Принцип такого преобразования показан на рис.

9.Тf(t)U(t)tUГ(t)tkTt(t) tUШ(t)ДЧГНU(t)UГ(t)UШ(t)КомпараторМКРис. 9. ПринципыформированиявходныхШИМ-импульсовдля МКtTTTГН - генератор пилообразных/треугольных импульсов, задающих период ШИМ-сигналов, подаваемых наМК. Если длительность активной (“1”) фазы ШИМ-импульса в каждом периоде T ШИМ обозначить как  (t ) , то9можно записать следующие зависимости:  (t )  KШU (t ) – связь длительности импульса и уровня сигнала с датчика; K Ш TU Г max– коэффициент широтно-импульсной модуляции; тогда (t ) TU Г maxU (t ).Итак, при выборе АЦП необходимо учитывать: скорость работы/частоту дискретизации и разрядность, а также допустимый диапазон входного сигнала, величины погрешностей, уровни напряжений, методывыдачи выходного кода (параллельный или последовательный), др.

параметры. Обычно АЦП с высокой разрядностью имеют невысокое быстродействие, а наиболее быстродействующие - имеют небольшое число разрядов.2.1.2. Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП)ЦАП преобразует цифровой сигнал D(d n 1d n2 ...d1d0 ) в эквивалентное значение аналогового сигнала.Каждый разряд кода diимеет определенный вес. Число, задаваемое кодом D, можно представить в видеn 1D  d n 1 2 n 1  d n  2 2 n 2  ...  d1 21  d 0 20   d i 2i ,i 0n 1При di=1, i  0, n  1 , D  Dmax   2i  2 n  1 .i0ЦАП различаются количеством разрядов (от 8 до 24), величиной задержки преобразования (от единицнаносекунд до единиц микросекунд), допустимой величиной Uоп (обычно — единицы вольт), величинами погрешностей преобразования и другими параметрами. Поэтому при выборе ЦАП для конкретного применениянеобходимо это учитывать.ЦАП с весовыми двоично-взвешенными сопротивлениями (рис.10,а)S0…Sn-1 – ключи, управляемые разрядами двоичного кода D; ИОН - источник опорного напряжения Uоп; ОУ –суммирующий операционный усилитель; R - сопротивление резистора старшего значащего разряда (СЗР) dn-1,сопротивление следующего резистора 2R и т.

д. до младшего значащего разряда (МЗР).Суть преобразования - суммирование нескольких токов (по числу единичных разрядов входного кода).Ток I на входе ОУ:то получим I Id n 1 U оп d n 2 U опd Ud U ...  1n  2 оп  0n 1 оп . Если вынести за скобки 1 n1 ,2R2 R2 R 2 R1  d n1 2n 1U оп d n 2 2n 2U опd1 21U оп d0 20U оп...2n1 RRRR откуда видно, что токи в ветвяхпропорциональны соответствующим весам разрядов, а напряжение равноdn 1U оп Roc dn 2U оп RocdU RU Roc n1 i ...

 0 nоп1 oc   оп di 2R2R2 R2n 1 R i 0RОУ инвертирует входной сигнал. Если обозначить n 1oc  k ( коэффициент пропорциональности ) ,2 RU вых   IRoc  n 1то можно записатьU вых  kU оп D  kU оп  d n 1 2n 1  d n 2 2n  2  ...  d1 21  d0 20    kU оп  di 2i .i 0Схема проста, но сложна в реализации - с увеличением разрядности величины R имеют очень большойразброс (при n=16 это диапазон от R до 215R = 32768R). А так как разрешающая способность ЦАП должнабыть не хуже 0,5МЗР, то точность резисторов должна быть не хуже 1/65536. Реализация в интегральном исполнении практически невозможна. Эта схема может использоваться только для реализации ЦАП невысокой разрядности.10РегистрDвх Весаd020d1...21dn-22n-2S0МЗРDвхRoc2RS02RS1МЗРRocd02n-2RS1IОУRUвыхRSn-2K оу20RSn-12n-1ИОНОУd1...21Rdn-12RРегистр2n-1RR ocRi2RS22RS3Uвыхd2Rd3СЗРСЗРIоаUопбИОНUопРис.

10. Схемы ЦАП: а) с весовыми двоично-взвешенными резисторами; б) на основе структуры R–2RЦАП с двумя номиналами сопротивлений (матрица R – 2R) (рис.10,б)При любом положении ключей входное сопротивление матрицы R – 2R со стороны ИОН всегда равноR, т. е. общий ток, втекающий в нее, равен I U опR. Распределение потенциалов в узлах матрицы не меняет-ся при изменении положения ключей. Т.к. входное сопротивление ОУ, охваченного отрицательной ОС, приблизительно равно 0, значит потенциал его входа равен потенциалу «земли». Это приводит к последовательномууменьшению вдвое напряжения в узлах схемы по мере их удаления от ИОН и такому же уменьшению токов, протекающих через ключи Si. Пусть n=4.

Ключом S3 коммутируется ток величиной Uоп/2R, ключом S2 - Uоп/4R,ключом S1 - Uоп/8R, ключом S0 - Uоп/16R. Т.е. токи, коммутируемые соседними ключами, различаются вдвое,как и веса разрядов кода. Токи, коммутируемые всеми ключами, суммируются и преобразуются в выходноенапряжение с помощью ОУ с сопротивлением RОС в цепи отрицательной ОС.В общем случае:U вых  U оп  RОС n1  di  2i .n2  R i 0Параметры и характеристики ЦАПЦАП находится в начале аналогового тракта системы, поэтому именно он во многом определяет некоторые параметры всей системы управления.

Выделяют статические и динамические параметры ЦАП.Статические параметры: число разрядов; диапазон изменения входного кода; диапазон изменения выходного сигнала; разрешающая способность; погрешности преобразования. Эти параметры могут быть определены по статической характеристике (СХ), под которой понимают зависимость значений выходной аналоговойвеличины U(t) от значений входного кода D. Эту зависимость можно представить в виде графика, формулы илитаблицы.

На рис.11 приведена СХ однополярного 3-разрядного ЦАП.Начальная точка СХ определяется как точка, соответствующая первому (нулевому) входному кодуD(000). Конечная точка СХ определяется как точка, соответствующая последнему входному коду D(111).Разрядность n – число разрядов/бит; определяет максимальное количество различных уровней N выходного сигнала N=2n, которые ЦАП может воспроизвести, n  log 2 N .Разрешающая способность – величина, обратная максимальному числу N на входе ЦАП, она представляет собой приращение Uвых при преобразовании смежных значений цифрового кода Dj, т.е.

при изменении кода DjU пшU U maxn min , гдеn2 12 1Uпш - напряжение полной шкалы (номинальное максимальное выходное напряжение ЦАП), Umax – максимальное,а Umin – минимальное значение Uвых. Чем больше разрядность преобразователя, тем выше его разрешающая способность. Значение h может служить единицей измерения выходной аналоговой величины.на один МЗР. Это приращение h называют также шагом квантования по уровню h 11iU выхUмакс11см6/725/744/7533/72/71/7Dвх0Рис. 11.

Статические характеристики ЦАП (n=3):1 – ступенчатая; 2 – линеаризованная;3,4,5 – реальные (с учетом смещения - 3,изменения усиления - 4, нелинейности - 5).Uмакс - максимальное напряжение(опорное напряжение)001 010 011 100 101 110 111Разрешающая способность выражается в процентах, разрядах или децибелах и характеризует потенциальные возможности АЦП с точки зрения достижимой точности. Например, 12-разрядный ЦАП имеет разрешающую способность 1/4095, или 0,0245% от полной шкалы, или -72,2 дБ.Динамические характеристики. Идеальный ЦАП должен мгновенно выдавать аналоговый сигнал при подаче на вход цифрового кода.

Характеристики

Список файлов лекций