Устройства связи с объектом аналого цифровые и цифро аналоговые преобразователи реферат
Обновлено: 17.06.2024
Если бы плотность вероятности амплитуды входного сигнала имела равномерное распределение, то отношение сигнал/шум (применительно к шуму квантования) было бы максимально возможным. По этой причине обычно перед квантованием по амплитуде сигнал пропускают через безинерционный преобразователь, передаточная функция которого повторяет функцию распределения самого сигнала.
Содержание
1. Аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи сигналов……………………………………………………………………………3
Аналогово-цифровой преобразователь сигналов 3
Цифро-аналоговый преобразователь сигналов 10
2. Синтез комбинационных логических схем. Базовые логические элементы………………………………………………………………………….14
Прикрепленные файлы: 1 файл
АЦП и ЦАП.docx
Учреждение образования Республики Беларусь
Витебский государственный технологический университет
Контрольная работа №1
по дисциплине:
Электроника и микропроцессорная техника
студента заочного факультета
группа: ЗТм
шифр зачетки:
Витебск, 2012г.
Содержание
Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи сигналов.
Аналого-цифровой преобразователь сигналов
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП, ADC) — устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Обратное преобразование осуществляется при помощи ЦАП (DAC) (цифро-аналогового преобразователя).
Как правило, АЦП — электронное устройство, преобразующее напряжение в двоичный цифровой код. Тем не менее, некоторые неэлектронные устройства, такие как преобразователь угол-кода, следует также относить к АЦП.
Разрешение
Разрешение (разрядность) АЦП характеризует количество дискретных значений, которые преобразователь может выдать на выходе. Измеряется в битах. Например, АЦП, способный выдать 256 дискретных значений (0..255), имеет разрядность 8 бит, поскольку 28 = 256.
Разрешение может быть также определено в терминах входного сигнала и выражено, например, в вольтах. Разрешение по напряжению равно разности напряжений, соответствующих максимальному и минимальному выходному коду, делённой на количество выходных дискретных значений.
Типы преобразования
• Линейные АЦП
Большинство АЦП считаются линейными, хотя аналого-цифровое преобразование, по сути, является нелинейным процессом (поскольку операция отображения непрерывного пространства в дискретное — операция нелинейная). Термин линейный применительно к АЦП означает, что диапазон входных значений, отображаемый на выходное цифровое значение, связан по линейному закону с этим выходным значением, то есть выходное значение k достигается при диапазоне входных значений от
m(k + b)
m(k + 1 + b),
где m и b — некоторые константы. Константа b, как правило, имеет значение 0 или −0.5. Если b = 0, АЦП называют квантователь с ненулевой ступенью (mid-rise), если же b = −0.5, то АЦП называют квантователь с нулём в центре шага квантования (mid-tread).
• Нелинейные АЦП
Если бы плотность вероятности амплитуды входного сигнала имела равномерное распределение, то отношение сигнал/шум (применительно к шуму квантования) было бы максимально возможным. По этой причине обычно перед квантованием по амплитуде сигнал пропускают через безинерционный преобразователь, передаточная функция которого повторяет функцию распределения самого сигнала. Это улучшает достоверность передачи сигнала, так как наиболее важные области амплитуды сигнала квантуются с лучшим разрешением. Соответственно, при цифро-аналоговом преобразовании потребуется обработать сигнал функцией, обратной функции распределения исходного сигнала.
Это тот же принцип, что и используемый в компандерах, применяемых в магнитофонах и различных коммуникационных системах, он направлен на максимизацию энтропии. (Не путать компандер с компрессором!)
Например, голосовой сигнал имеет лапласово распределение амплитуды. Это означает, что окрестность нуля по амплитуде несёт больше информации, чем области с большей амплитудой. По этой причине логарифмические АЦП часто применяются в системах передачи голоса для увеличения динамического диапазона передаваемых значений без изменения качества передачи сигнала в области малых амплитуд.
Точность
Имеется несколько источников погрешности АЦП. Ошибки квантования и (считая, что АЦП должен быть линейным) нелинейности присущи любому аналого-цифровому преобразованию. Кроме того, существуют так называемые апертурные ошибки которые являются следствием джиттера (англ. jitter) тактового генератора, они проявляются при преобразовании сигнала в целом (а не одного отсчёта).
Эти ошибки измеряются в единицах, называемых МЗР — младший значащий разряд.
Частота дискретизации
Аналоговый сигнал является непрерывной функцией времени, в АЦП он преобразуется в последовательность цифровых значений. Следовательно, необходимо определить частоту выборки цифровых значений из аналогового сигнала. Частота, с которой производятся цифровые значения, получила название частота дискретизации АЦП.
Непрерывно меняющийся сигнал подвергается оцифровке (то есть значения сигнала измеряются через интервал времени T — период дискретизации) и исходный сигнал может быть точно восстановлен из дискретных во времени значений путём интерполяции. Точность восстановления ограничена ошибкой квантования. Однако в соответствии с теоремой Котельникова-Шеннона точное восстановление возможно только если частота дискретизации выше, чем удвоенная максимальная частота в спектре сигнала.
Поскольку реальные АЦП не могут произвести аналого-цифровое преобразование мгновенно, входное аналоговое значение должно удерживаться постоянным по крайней мере от начала до конца процесса преобразования (этот интервал времени называют время преобразования). Эта задача решается путём использования специальной схемы на входе АЦП — устройства выборки-хранения — УВХ. УВХ, как правило, хранит входное напряжение в конденсаторе, который соединён со входом через аналоговый ключ: при замыкании ключа происходит выборка входного сигнала (конденсатор заряжается до входного напряжения), при размыкании — хранение. Многие АЦП, выполненные в виде интегральных микросхем содержат встроенное УВХ.
Наложение спектров (алиасинг)
Все АЦП работают путём выборки входных значений через фиксированные интервалы времени. Следовательно, выходные значения являются неполной картиной того, что подаётся на вход. Глядя на выходные значения, нет никакой возможности установить, как себя вёл входной сигнал между выборками. Если известно, что входной сигнал меняется достаточно медленно относительно частоты дискретизации, то можно предположить, что промежуточные значения между выборками находятся где-то между значениями этих выборок. Если же входной сигнал меняется быстро, то никаких предположений о промежуточных значениях входного сигнала сделать нельзя, а следовательно, невозможно однозначно восстановить форму исходного сигнала.
Если последовательность цифровых значений, выдаваемая АЦП, где-либо преобразуется обратно в аналоговую форму цифро-аналоговым преобразователем, желательно, чтобы полученный аналоговый сигнал был максимально точной копией исходного сигнала. Если входной сигнал меняется быстрее, чем делаются его отсчёты, то точное восстановление сигнала невозможно, и на выходе ЦАП будет присутствовать ложный сигнал. Ложные частотные компоненты сигнала (отсутствующие в спектре исходного сигнала) получили название alias (ложная частота, побочная низкочастотная составляющая). Частота ложных компонент зависит от разницы между частотой сигнала и частотой дискретизации. Например, синусоидальный сигнал с частотой 2 кГц, дискретизованный с частотой 1.5 кГц был бы воспроизведён как синусоида с частотой 500 Гц. Эта проблема получила название наложение частот (aliasing).
Для предотвращения наложения спектров сигнал, подаваемый на вход АЦП, должен быть пропущен через фильтр низких частот для подавления спектральных компонентов, частота которых превышает половину частоты дискретизации. Этот фильтр получил название anti-aliasing (антиалиасинговый) фильтр, его применение чрезвычайно важно при построении реальных АЦП.
Типы АЦП
Ниже перечислены основные способы построения электронных АЦП:
• АЦП прямого преобразования или параллельный АЦП
Параллельные АЦП очень быстры, но обычно имеют разрешение не более 8 бит (256 компараторов), так как имеют большую и дорогую схему. 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.
• АЦП последовательного приближения или АЦП с поразрядным уравновешиванием
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)
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)
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.
• Конвейерные АЦП. АЦП этого типа быстры, имеют высокое разрешение и небольшой размер корпуса.
• 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.
На рис.1. показаны возможности основных архитектур АЦП в зависимости от разрешения и частоты дискретизации.
* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.
Линейные аналоговые и цифровые преобразователи.
Последние десятилетия обусловлены широким внедрением в отрасли народного хозяйства средств микроэлектроники и вычислительной техники, обмен информацией с которыми обеспечивается линейными аналоговыми и цифровыми преобразователями (АЦП и ЦАП).
Современный этап характеризуется больших и сверхбольших интегральных схем ЦАП и АЦП обладающими высокими эксплуатационными параметрами: быстродействием, малыми погрешностями, многоразрядностью. Включение БИС ЦАП и АЦП единым, функционально законченным блоком сильно упростило внедрение их в приборы и установки, используемые как в научных исследованиях, так и в промышленности и дало возможность быстрого обмена информацией между аналоговыми и цифровыми устройствами.
СТРУКТУРНАЯ СХЕМА АЦП
Она содержит буферный усилитель (БУ), посредством которого осуществляется развязка высокой входной ёмкости АЦП микросхемы КР1107ПВ2 от источника сигнала. Источник опорного напряжения (ИОН) служит для питания делителя напряжения в АЦП, для подачи опорных квантованных напряжений на компараторы. Оцифровка входного аналогового сигнала осуществляется в АЦП (микросхема КР1107ПВ2), которая преобразует аналоговый сигнал амплитудой 02 В с частотой преобразования не более 20 МГц в восьмибитный выходной код, вид которого определяется программно, подачей двухбитного кода на входы 36, 41 микросхемы. Выходной код, через магистральный усилители (МУ1, МУ2) поступает на порт РВ контроллера ввода-вывода КР580ВВ55 запрограммированного на ввод, а затем в зависимости от программы либо в ОЗУ используемого в данной схеме программируемого универсального контроллера (КПУ) "Электроника МС2702", либо через порт РА, запрограммированного на выход, выводится на сопрягаемый контроллер для обработки данных.
Седьмой бит порта РС используется как стробирующий АЦП канал. В этот бит выставляется логическая еденица с частотой, определяемой программой контроллера.
Запуск АЦП на преобразование реализован программно. При помощи схемы запуска, содержащей компараторы, срабатывающей от отрицательного сигнала амплитудой –1мВ до –4В и RS-триггера, выходным сигналом которого поданным на бит С7 порта РС , запускается программа преобразования АЦП. Бит С5 порта РС используется как канал сигнала готовности к началу преобразования.
2. БУФЕРНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
Характерной особенностью микросхемы КР1107ПВ2 является большая входная ёмкость (более 100 пф). В связи с этим, при использовании этих микросхем в измерительных устройсвах возникает необходимость в буферном каскаде для развязки источника сигнала от емкостной нагрузки. При чем на этот каскад накладываются весьма жесткие требования по стабильности коэффициента усиления, термостабильности, полосе пропускания, так же требуется высокое входное сопротивление, чтобы не вносить погрешности в измеряемый сигнал или входное сопротивление, равное волновому сопротивлению кабеля, соединяющего источник сигнала и АЦП.
Схема может работать с ёмкостью нагрузки до 300 пФ с полосой пропускания до 20 МГц, нелинейность АЧХ - 0,2 и коэффициент передачи равный 1.
Основа буферного неинвертирующего усилителя - дифференциальный каскад, собранный на транзисторах VT1 и VT2. Нагрузкой его является схема – "токовое зеркало" на микросборке из двух подобранных по характеристикам транзисторах (DA1).
На выходе собран эмиттерный повторитель на транзисторе VT6, согласованный с дифференциальным каскадом и с токовым повторителем VT4. Резисторы R1-R3 образуют делитель напряжения для подстройки "0" на выходе усилителя без сигнала на входе. На транзисторах VT3-VT4 и диодах VD1-VD3 собраны два источника тока для питания дифференциального каскада и токового повторителя./2/
3. ИСТОЧНИК ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ
Параллельные АЦП, такие как используемая микросхема КР1107ПВ2 построены на принципе одновременного сравнивания (преобразования) сигнала путём квантования с помощью набора компараторов, на один вход которых подаётся исследуемый сигнал, а на другой квантованные по уровню опорного напряжения. Они создаются прецизионным делителем напряжения , который питается от внешнего источника опорного напряжения, к нему предъявляются высокие требования по стабильности выходного напряжения, так как оно в большей степени определяет погрешность АЦП.
Он выдаёт стабилизированное напряжение равное 2В, с точностью 0,01 в диапазоне теиператур от –20 до +40 С.
Выходное напряжениеформируется как разница между падением напряжения на светодиоде VD1 и эмиттерном переходе транзистора VT2. Оба эти напряжения имеют отрицательный температурный коэффициент 2мВ/град. , в следствии чего напряжение на резисторах R2 и R3 термостабильно. Транзисторы сборки VT1, резистор R1 и диод VD2 образуют стабилизатор тока светодиода VD1. В связи с тем, что температурный коэффициент напряжения светодиода несколько меньше такого же коэффициента эмиттерного перехода транзистора VT2, для компенсации разницы стабилизатор выполнен с отрицательным коэффициентом (за сче диода VD2). Для обеспечения равенства температур светодиод и транзистор VT2 должны иметь тепловой контакт.
4. СХЕМА ЗАПУСКА
Для согласования времени прихода сигнала на вход установки и началом цикла преобразования АЦП служит схема запуска.
Схема запуска содержит в себе компаратор, срабатывающий от отрицательного импульса, амплитудой от –1мВ до –4В и выдающий на выходе логический сигнал, либо логическую еденицу, амплитудой от 3 до 5В, либо логический ноль, амплитудой до 0.5В
Для регулировки уровня срабатывания компаратора – исключения срабатывания от шумов и наводок, служит делитель напряжения на резисторах R1 и R2, регулировка возможна в пределах от 0 до 4 В.
Сигнал с выхода компаратора подаётся на R-вход RS-триггера устанавливая уровень логической еденицы на выходе триггера и бите C7 порта РС. Этот бит опрашивается программой контроллера и при обнаружении на нём логической еденицы начинаетсятактирование АЦП и запись результата в память контроллера.
При установке в бите С5 порта РС логической еденицы сбрасывается запускающий сигнал с выхода триггера, схема запуска приводиться в готовность к новому циклу преобразования.
5. АЦП КР1107ПВ2
Интегральная полупроводниковая микросхема КР1107ПВ2 представляет собой быстродействующий восьмиразрядный аналогоцифровой преобразователь с частотой преобразования до 20 МГц. Микросхема предназначена для преобразования входных аналоговых сигналов в диапазоне отрицательных напряжений от –2В до 0В в один из кодов параллельного считывания: прямой двоичный, обратный двоичный, прямой дополнительный, обратный дополнительный.
Построение АЦП по полностью параллельной схеме позволяет получить максимальное быстродействие при минимальной динамической погрешности без использования внешней схемы выборки хранения во всем диапазоне частоты преобразования.
Выходные уровни и уровни управляющих сигналов АЦП соответствуют уровням ТТЛ.
Микросхема состоит из резистивного делителя опорных напряжений, 256 стробируемых компараторов, дешифратора кодов компараторов, логических схем управления выходным кодом и выходного регистра хранения.
6. КПУ "ЭЛЕКТРОНИКА 2702"
Универсальный программируемый контроллер "ЭЛЕКТРОНИКА 2702" построен на основе микропроцессора К580ВМ80, содержит в своем составе два контроллера ввода-вывода, два программируемых таймера, контроллер прямого доступа к памяти, контроллер прерываний, микросхемы постоянной и оперативной памяти, схемы логики управления. Управление контроллера осуществляется с клавиатуры, результаты отображаются на дисплее.
Контроллер оперирует восьмибитным параллельным кодом, имеет сорок восемь двунаправленных программируемых канало ввода-вывода. Контроллер может осуществлять следующие операции:
1. Опрос портов ввода-вывода и запись информации из них в ОЗУ.
2. Запись в порты ввода-вывода информации из ОЗУ.
3. Все операции с памятью характерные для процессора К580ВМ80 и определяемые набором его команд.
7. ПРОГРАММ РАБОТЫ КОНТРОЛЛЕРА
Программа, обеспечивающая работу контроллера и АЦП должна:
1. Предусматривать программное изменение выходного кода АЦП.
2. Стробировать АЦП и записывать результаты в ОЗУ с заданной программно частотой.
3. Предусматривать программное изменение памяти, отводимой для записи сигнала.
4. Опрашивать один из портов в ожидании сигнала начала преобразования.
5. Сбрасывать схему запуска в исходное состояние выставлением в одном из каналов порта сигнала готовности.
Понятие аналого-цифровых преобразователей (АЦП), их принципы и типы. АЦП по схеме с обратной связью. Дискретизация непрерывных сигналов. Характеристика цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП). Элементы, используемые в ЦАП и схема с суммированием токов.
| Рубрика | Математика |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 16.04.2010 |
| Размер файла | 298,2 K |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
РЕФЕРАТ
Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи информации
1. Принцип аналого-цифрового преобразования информации
Преобразование сигналов из аналоговой формы в цифровую выполняется в устройстве, называемом аналого-цифровым преобразователем (АЦП).
В преобразователе сигналов из аналоговой формы в цифровую можно выделить следующие процессы: дискретизацию, квантование, кодирование. Рассмотрим сущность этих процессов. При этом для определенности в последующем изложении будем считать, что преобразование в цифровую форму осуществляется над сигналом, представленным в форме меняющегося во времени напряжения.
2. Дискретизация непрерывных сигналов
Процесс дискретизации заключается в том, что из непрерывного во времени сигнала выбираются отдельные его значения, соответствующие моментам времени, следующим через определенный временной интервал Т (на рис. 10.69 моменты). Интервал Т называется тактовым интервалом времени, а моменты времени в которые берутся отсчеты, -- тактовыми моментами времени.
Дискретные значения сигнала следует отсчитывать с таким малым тактовым интервалом Т, чтобы по ним можно было бы восстановить сигнал в аналоговой форме с требуемой точностью. 14.1.2. Квантование и кодирование. Сущность этих операций заключается в следующем. Создается сетка так называемых уровней квантования (рис. 10.70), сдвинутых друг относительно друга на *величину Д, называемую шагом квантования. Каждому уровню квантования можно приписать порядковый номер (0, 1, 2, 3 и т.д.). Далее, полученные в результате дискретизации значения исходного аналогового напряжения заменяются ближайшими к ним уровнями квантования. Так, на диаграмме рис. 10.70 значение напряжения в момент заменяется ближайшим к нему уровнем квантования с номером 3, в тактовый момент значение напряжения ближе к уровню 6 и заменяется этим уровнем и т. д.
Описанный процесс носит название операции квантования, смысл которого состоит в округлении значений аналогового напряжения, выбранных в тактовые моменты времени. Как и всякое округление, процесс квантования приводит к погрешности (к ошибкам квантования) в представлении дискретных значений напряжения, создавая так называемый шум квантования. При проектировании АЦП стремятся снизить шум квантования до такого уровня, при котором он еще обеспечивает требуемую точность представления сигнала. Подробнее шум квантования будет рассмотрен далее.
Следующая операция, выполняемая при аналого-цифровом преобразовании сигналов, - кодирование. Смысл ее состоит в следующем. Округление значения напряжения, осуществляемое при операции квантования, позволяет эти значения представлять числами - номерами соответствующих уровней квантования. Для диаграммы, представленной на рис. 10.70, образуется последовательность чисел: 3, 6, 7, 4, 1, 2 и т.д. Далее, получаемая таким образом последовательность чисел представляется двоичным кодом.
Вернемся к искажениям, связанным с процессом квантования, названным шумом квантования. При телефонной связи шум квантования воспринимается ухом человека действительно в виде шума, сопровождающего речь.
Так как в процессе квантования значение напряжения в каждый тактовый момент времени округляется до ближайшего уровня квантования, ошибка в представлении значений напряжения оказывается в пределах.
Следовательно, чем больше шаг квантования, тем больше ошибки квантования . Считая, что в указанных пределах любые значения равновероятны, можно получить выражение среднеквадратичного значения ошибки квантования .
рис 10.72
Уменьшение шума квантования достигается только уменьшением шага квантования . Так как - промежуток между соседними уровнями квантования, то с уменьшением , очевидно, должно возрасти число уровней квантования в заданном диапазоне значений напряжения. Пусть - ширина диапазона изменений напряжения. Тогда требуемое число уровней квантова.ния . Обычно и.
Отсюда видно, что уменьшение шума квантования путем уменьшения приводит к увеличению числа уровней квантования N. Это увеличивает число разрядов при представлении номеров уровней квантования двоичными кодами.
При организации телефонной связи номера уровней квантования обычно выражают семи-восьмиразрядными двоичными числами, а число уровней квантования оказывается равным .
Наряду с рассмотренными выше погрешностями - погрешностями квантования - при аналого-цифровом преобразовании возникают погрешности аппаратурные, связанные с неточностью работы отдельных узлов АЦП. Эти погрешности будут выявляться далее при рассмотрении различных схемных построений АЦП.
3. Цифро-аналоговые преобразователи
Ниже будут рассмотрены цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), построенные по принципу суммирования напряжений или токов, пропорциональных весовым коэффициентам двоичного кода.
Схема ЦАП с суммированием напряжений.
Одна из таких схем с суммированием напряжений на операционном усилителе приведена на рис. 10.71. Триггеры образуют регистр, в который помещаются двоичные числа, предназначенные для перевода в пропорциональные им значения напряжения на выходе. Будем считать, что напряжение на выходе каждого из триггеров может принимать одно из двух возможных значений: Е -- при состоянии 1 и 0 при состоянии 0.
Напряжения с выходов триггеров передаются на выход ЦАП через операционный усилитель, работающий в режиме взвешенного суммирования напряжений (аналогового сумматора). Для каждого триггера предусматривается отдельный вход в сумматоре с определенным коэффициентом передачи
Таким образом, напряжение с выхода триггера n-го разряда передается на выход усилителя с коэффициентом передачи:
этот коэффициент для (n-1)-го разряда:
для (n-2)-го разряда:
Обратим внимание на то, что коэффициенты передачи усилителя с отдельных его входов находятся в том же соотношении, что и весовые коэффициенты соответствующих разрядов двоичного числа. Так, в 2 раза [больше и весовой коэффициент n-го разряда в 2 раза больше весового коэффициента (n-1)-го разряда. Следовательно, напряжения, передаваемые на выход усилителя с выходов триггеров отдельных разрядов, находящихся в состоянии 1, пропорциональны весовым коэффициентам разрядов.
Если в состоянии 1 находятся одновременно триггеры нескольких разрядов, то напряжение на выходе усилителя равно сумме напряжений, передаваемых на этот выход от отдельных триггеров. Пусть цифры отдельных разрядов двоичного числа в регистре . Тогда напряжение на выходе усилителя
Здесь N -- десятичное значение двоичного числа, введенного в регистр.
Из последнего выражения видно, что напряжение на выходе ЦАП пропорционально значению числа в регистре.
Рассмотрим работу ЦАП в случае, когда на триггерах построен двоичный счетчик. Если подать на вход этого счетчика последовательность импульсов, то с приходом каждого очередного импульса число в счетчике будет увеличиваться на единицу и напряжение на выходе ЦАП будет возрастать на ступеньку, соответствующую единице младшего разряда счетчика. Величина такой ступеньки . Таким образом, напряжение на выходе ЦАП будет иметь ступенчатую форму, как показано на рис. 10.72. После поступления импульсов все разряды счетчика будут содержать 1, на выходе ЦАП образуется максимальное напряжение
При большом числе разрядов и . Далее очередным импульсом счетчик будет сброшен в нулевое состояние, нулевым будет и выходное напряжение ЦАП. После этого счетчик начинает счет импульсов сначала и на выходе ЦАП вновь формируется напряжение ступенчатой формы.
Суммарная абсолютная погрешность преобразователя должна быть меньше выходного напряжения, соответствующего единице младшего разряда входного двоичного числа:
рис 10.75
Отсюда можно получить условие для относительной погрешности:
Это соотношение определяет связь между относительной погрешностью преобразователя и числом его разрядов п. Так, при
Недостатки рассмотренной схемы преобразователя:
· используются высокоточные резисторы с различными сопротивлениями;
· трудно обеспечить высокую точность выходного напряжения триггеров.
Эти недостатки устранены в схеме ЦАП, приведенной на рис. 10.73, где показана схема трехразрядного преобразователя. Нетрудно построить схему с любым заданным числом разрядов. Особенности этой схемы, называемой схемой с суммированием напряжений на аттенюаторе сопротивлений, состоит в том, что, во-первых, используются резисторы лишь с двумя значениями сопротивлений (R и 2R) и, во-вторых, выходные напряжения триггеров непосредственно не участвуют в формировании выходного напряжения ЦАП, а используются лишь для управления состоянием ключей, т. е. устранены отмеченные выше недостатки предыдущей схемы ЦАП (см. рис. 10.71).
Рассмотрим подробнее работу такого преобразователя. В каждом разряде имеется два .ключа, через один из них в аттенюатор сопротивлений подается напряжение Е, через другой - нулевое напряжение.
Определим напряжения, возникающие на выходе ЦАП от единиц отдельных разрядов числа, помещаемого в регистр. Пусть в регистр введено число. Триггер в состоянии 1, и в третьем разряде открыт ключ , в остальных разрядах триггеры в состоянии 0, и открыты ключи и (рис. 10.74,а). Последовательными преобразованиями можно получить схему (рис. 10.74,
Современный этап в развитии телефонии, радиовещания, телевидения, записи и воспроизведения звука характеризуется тенденцией к переходу на цифровую форму представления информации. Большинство первичных сигналов (ток, напряжение, скорость, давление и т. д.) представляются в аналоговой форме, и для обработки их с помощью ЭВМ они преобразуются в цифровой n-разрядный код.
Для управления изменением аналоговых величин по результатам их обработки в ЭВМ необходимо осуществлять обратное преобразование цифровой информации, в аналоговую.
Преобразование осуществляется с помощью преобразователей цифро-аналоговых (ЦАП) и аналого-цифровых (АЦП). Существуют различные методы цифроаналогового и аналого-цифрового преобразования, реализующие различные алгоритмы функционирования и соответствующие структуры технической реализации.
Практическая реализация схем ЦАП и АЦП может быть выполнена на основе одной или нескольких микросхем в зависимости от используемой серии микросхемы и характеристик преобразователя (разрядности, быстродействия и т. д.).
1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Основными характеристиками преобразователей являются:
1. Динамический диапазон это диапазон изменения входных и выходных величин, который определяется отношением максимального значения входной- X или выходной -Y величин, к минимальным
2. Временные характеристики: период квантования - t; частота квантования fк =1/ t -выбирается в зависимости от спектра сигнала.
- Время преобразования - Тпр - интервал времени от начала преобразования до появления выходного сигнала с заданной точностью. Чем выше точность, тем больше время преобразования. Время преобразования характеризует быстродействие.
3. Точность преобразования, которая зависит от погрешностей: квантования, инструментальной и погрешности аппаратуры (чувствительности датчика, шага квантования, разрядности преобразователя, точности обработки ЭВМ и т. д.).
4. Надежность, достоверность, помехозащищенность, сбои и отказы.
2. ЦИФРОАНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Цифро-аналоговый преобразователь (код-аналог) предназначен для преобразования входного сигнала, заданного в цифровом коде в аналоговый выходной сигнал.
Существует ряд методов цифро-аналогового преобразования. Наиболее распространенным является метод суммирования на одну нагрузку токов или напряжений с весами 2 n с помощью ключей, управляемых входным цифровым кодом (рис. 1).
Рис. 1. Схема ЦАП
Широко используются ЦАП, выполненные на основе резистивной матрицы, схема которого приведена на рис. 2.
Рис.2. Схема ЦАП на основе резистивной матрицы
Наиболее общие типы электронных ЦАП:
1. широтно-импульсный модулятор -- простейший тип ЦАП. Стабильный источник тока или напряжения периодически включается на время, пропорциональное преобразуемому цифровому коду, далее полученная импульсная последовательность фильтруется аналоговым фильтром низких частот. Такой способ часто используется для управления скоростью электромоторов, а также становится популярным в Hi-Fi (класс аппаратуры) аудиотехнике;
2. ЦАП передискретизации, такие как дельта-сигма ЦАП, основаны на изменяемой плотности импульсов. Передискретизация позволяет использовать ЦАП с меньшей разрядностью для достижения большей разрядности итогового преобразования; часто дельта-сигма ЦАП строится на основе простейшего однобитного ЦАП, который является практически линейным. На ЦАП малой разрядности поступает импульсный сигнал с модулированной плотностью импульсов (c постоянной длительностью импульса, но с изменяемой скважностью), создаваемый с использованием отрицательной обратной связи. Отрицательная обратная связь выступает в роли фильтра высоких частот для шума квантования. Большинство ЦАП большой разрядности (более 16 бит) построены на этом принципе вследствие его высокой линейности и низкой стоимости. Быстродействие дельта-сигма ЦАП достигает сотни тысяч отсчетов в секунду, разрядность -- до 24 бит. Для генерации сигнала с модулированной плотностью импульсов может быть использован простой дельта-сигма модулятор первого порядка или более высокого порядка как MASH (англ. Multi stage noise SHaping). С увеличением частоты передискретизации смягчаются требования, предъявляемые к выходному фильтру низких частот и улучшается подавление шума квантования;
3. взвешивающий ЦАП, в котором каждому биту преобразуемого двоичного кода соответствует резистор или источник тока, подключенный на общую точку суммирования. Сила тока источника (проводимость резистора) пропорциональна весу бита, которому он соответствует. Таким образом, все ненулевые биты кода суммируются с весом. Взвешивающий метод один из самых быстрых, но ему свойственна низкая точность из-за необходимости наличия набора множества различных прецизионных источников или резисторов. По этой причине взвешивающие ЦАП имеют разрядность не более восьми бит;
4. цепная R-2R схема является вариацией взвешивающего ЦАП. В R-2R ЦАП взвешенные значения создаются в специальной схеме, состоящей из резисторов с сопротивлениями R и 2R. Это позволяет существенно улучшить точность по сравнению с обычным взвешивающим ЦАП, т.к. сравнительно просто изготовить набор прецизионных элементов с одинаковыми параметрами. Недостатком метода является более низкая скорость вследствие паразитной емкости;
5. сегментный ЦАП содержит по одному источнку тока или резистору на каждое возможное значение выходного сигнала. Так, например, восьмибитный ЦАП этого типа содержит 255 сегментов, а 16-битный -- 65535. Теоретически, сегментные ЦАП имеют самое высокое быстродействие, т.к. для преобразования достаточно замкнуть один ключ, соответствующий входному коду;
6. гибридные ЦАП используют комбинацию перечисленных выше способов. Большинство микросхем ЦАП относится к этому типу; выбор конкретного набора способов является компромиссом между быстродействием, точностью и стоимостью ЦАП.
3. АНАЛОГОЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Аналого-цифровой преобразователь (аналог - код) предназначен для преобразования аналоговой величины в цифровой код. Схема АЦП зависит от метода преобразования и способа его реализации. Ряд схем АЦП содержит в своем составе ЦАП.
Существует ряд методов аналого-цифрового преобразования: последовательного счета; поразрядного уравновешивания; двойного интегрирования; с преобразованием напряжения в частоту; параллельного преобразования.
Наиболее часто используется метод поразрядного уравновешивания (последовательного преобразования), при этом последовательно формируются коды, начиная с цифры старшего разряда 2 n-1 и завершая младшим (первым). Эти коды поступают на ЦАП, выход которого, сравнивается со входным сигналом.
Рис. 3. Схема ЦАП
В схеме приняты следующие условные обозначения: РПП - регистр последовательных преобразований; ГТИ - генератор тактовых импульсов.
При нажатии кнопки пуск ГТИ заносит в старший разряд РПП единицу, при этом код преобразуется в аналоговый сигнал и сравнивается с входным сигналом - Uвх. В зависимости от выхода компаратора ГТИ записывает “1” в следующий разряд, а предыдущий разряд, либо оставляется без изменения, либо обнуляется.
В Фибоначчевых АЦП для поразрядного уравновешивания используются 1-числа Фибоначчи (1, 1, 2, 3, 5, 8, . . .).
Достоинство Фибоначчевых АЦП: избыточность кода Фибоначчи позволяет обнаруживать и исправлять ошибки при наличии помех.
Пример 1. В результате квантования по уровню значение сигнала выдается в двоичном коде с ценой младшего разряда равного шагу квантования. Определить необходимое число двоичных разрядов и количество уровней квантования при условии, что приведенная среднеквадратическая ошибка квантования не превышает 0,3%.
Решение: При заданном способе квантования погрешность квантования отрицательная и может принимать значения от 0 до x. Где x шаг квантования.
Среднеквадратическая ошибка квантования равна:
Приведенная среднеквадратическая ошибка квантования равна:
Если N - количество интервалов разбиения динамического диапазона изменения входного сигнала, то количество уровней квантования- m равно
Количество двоичных разрядов двоичного кода
Принимаем n = 7, т. е. для кодирования квантованного сигнала в двоичном коде, с ценой младшего разряда равного шагу квантования и точностью не ниже 0,3% , необходим семиразрядный двоичный код.
Пример 2. Случайный процесс с корреляционной функцией R( ) квантуется с шагом t. Найти погрешность представления такого процесса рядом Котельникова в зависимости от параметров и t если
Решение: Спектральная плотность этого процесса равна
Определим погрешность, связанную с усечением спектра сигнала по формуле:
Найдем значения спектральных плотностей
При этом выражение для погрешности усечения случайного сигнала имеет вид
Подставив значение F = 1/2 t, определяемое в соответствии с теоремой Котельникова, найдем
Если задана величина погрешности, можно определить шаг квантования.
Список Литературы
1. Быстродействующие интегральные микросхемы ЦАП и АЦП и измерение их параметров. Под редакцией Марцинкявючеса. М.: Радио и связь. 1988 -224с.
2. Валах В.В., Григорьев В.Ф., Быстродействующие АЦП для измерения формы случайных сигналов М.: Приборы и техника эксперемента. 1987. №4 с.86-90
4. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника.: Учебное пособие для вузов:-2-е издание, переработанное и дополненное-СПб: БХВ - петербург, 2005. - 800с.
5. Федерков Б.Г., Телец В.А., Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. М.: Энергоиздат, 1990. -320с.
6. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. В 3-х томах: Т. 2. Пер. с англ. -- 4-е изд., перераб. и доп.-- М.: Мир, 1993. -- 371 с.
Читайте также: