СКАЧАТЬ:  uca.zip [344,93 Kb] (cкачиваний: 74)

Задание 7: АЦП  поразрядного кодирования.

1.Цель работы:

Ознакомление  с  особенностями   построения АЦП, поразрядного кодирования,  принципом его действия и определение основных характеристик.

2.Краткие сведения из теории:

      Структурная схема АЦП поразрядного кодирования представлена на рис.7.1. Этот вид АЦП является АЦП среднего быстродействия. Работа его построена на основе метода последовательного приближения (поразрядного метода). По сравнению со схемой АЦП последовательного счета (рис.6.1.) в ней сделано одно существенное изменение- вместо счетчика введен регистр последовательного приближения (РПП). Это изменило алгоритм уравновешивания и сократило время преобразования. В основе работы АЦП с РПП лежит принцип дихотомии, то есть последовательного сравнения преобразуемого напряжения U_ВХ с 1/2,1/4,1/8 и т.д. возможного максимального его значения U_м. Это позволяет для n-разрядного АЦП выполнить весь процесс преобразования за n последовательных шагов приближения (итераций) вместо (2^n-1 ) при использовании последовательного счета и получить существенный выигрыш в быстродействии.

        График процесса преобразования АЦП с РПП показан на рис.7.2.

Рис.7.1. Структурная схема АЦП поразрядного кодирования.

Рис.7.2.Графики процесса преобразования.

В качестве примера на рис.7.3 показана диаграмма переходов для трехразрядного АЦП последовательного приближения. Поскольку на каждом шаге производится определение значения одного разряда, начиная со старшего, то такой АЦП часто называют поразрядного уравновешивания. При первом сравнении определяется- больше или меньше напряжение  U_ВХ чем  U_м/2. На следующем этапе определяется, в какой четверти диапазона находится U_ВХ. Каждый последующий шаг вдвое сужает область возможного результата. При каждом шаге сравнения компаратор формирует импульсы, соответствующие состоянию «больше-меньше» (1 или 0), управляющие регистром последовательных приближений.

Рис.7.3. диаграмма последовательности переходов для трехразрядного АЦП.

    Рассмотрим работу АЦП последовательных приближений  на 4 разряда на примере схемы, представленной на рис.7.4. АЦП включает в себя  ЦАП, компаратор напряжения (КН), генератор тактовых импульсов (ГТИ), регистр сдвига RG , регистр формирования кода, состоящий из RS - триггеров (Т₁-Т₄) и схемы управления (ЛЭ₁-ЛЭ₇).

     Прямые выходы RS – триггеров через шину данных подключены к входам соответствующих ЦАП (триггер Т₁- к входу старшего разряда, триггер Т₄- к входу младшего разряда ).

     Работа схемы начинается с установки регистра сдвига в состояние логической «1» на выходе Q₀ путем подачи сигнала «начало преобразования» на вход в момент времени t₀ после окончания первого тактового импульса. При этом на S вход триггера Т₁ подается уровень логической «1» и на входе Т₁ также устанавливается уровень логической «1». Уровень логической «1» через элементы ИЛИ  (ЛЭ₅-ЛЭ₇) подается на R входы остальных RS – триггеров, и они устанавливаются в состояние логического «0» на прямых выходах. Таким образом, только на вход старшего разряда ЦАП подается логическая «1» и на выходе ЦАП формируется напряжение, соответствующее «весу» старшего разряда U_ср=U_m/2. Это напряжение поступает на вход компаратора и сравнивается с аналоговым сигналом  U(t), который подается на другой вход компаратора. Временные диаграммы, характеризующие работу исследуемого АЦП представлены на рис.7.5.

        Результат сравнения β появляется  на выходе компаратора. В зависимости от соотношения между величиной аналогового сигнала U(t) и напряжением на выходе ЦАП U(n) β может принимать значение 0 или 1:

Рис.7.4.Схема АЦП последовательных приближений.

Рис.7.5. Временная диаграмма АЦП последовательных приближений.

Положим для определенности дальнейших рассуждений, что U(n) =U_ср< U(t), тогда β=0. Этот сигнал (лог.«0») поступает на входы всех схем И (ЛЭ₁-ЛЭ₄). После окончания второго тактового импульса от ГТИ уровень логической «1» в регистре сдвига перейдет на выход Q₁ , а на всех остальных выходах будет уровень лог. «0». Таким образом, на одном входе ЛЭ₁ будет дйствовать уровень лог. «1», а на втором – лог. «0». На выходе элемента будет лог. «0», и триггер Т₁ лстанется в состоянии лог. «1» на прямом выходе.

   Следовательно, на выходе ЦАП останется уровень U(n) =U_ср= U_m/2. После подачи третьего тактового импульса (момент времени  t₁ ) уровень лог. «1» окажется на выходе Q₂ регистра сдвига и, так как он подключен к S  входу Т₂ , то на вход второго разряда ЦАП будет подан уровень лог. «1». В результате на выходе ЦАП будет действовать напряжение U(n) =(1/2+1/4) U_{m .} Эта величина сравнивается с аналоговым сигналом U(t) и на выходе компаратора появляется новое значение β.

     Допустим, что (1/2+1/4)U_m>U(t), тогда β=1. Этот уровень поступает на входы всех схем И, но поскольку на вторых входах этих схем действует уровень лог.«0», то на входах ЦАП сигналы не меняются. При поступлении четвертого тактового импульса уровень лог.«1» в регистре сдвига появляется на выходе Q₃ и на обоих входах элемента ЛЭ₂ будут действовать уровни лог. «1» и, следовательно и на выходе ЛЭ₂ . Этот сигнал лог.«1» поступает на R- вход триггера Т₂ и переводит его в состояние лог.«0»  на прямом выходе (в момент времени t₂). Таким образом, на вход второго разряда ЦАП подается уровень лог.«0» и на выходе ЦАП остается только «вес» старшего разряда.

    Пятый тактовый импульс (момент времени t₃) переводит уровень лог.«1» на выход Q₄  и соответственно на входе ЦАП возникает напряжение, равное сумме «весов» старшего и третьего разрядов U(n) =(1/2+1/8) U_{m .} Если

(1/2+1/8)U_m<U(t), то β=0, и после подачи следующего (шестого) тактового импульса триггер Т₃ останется в состоянии лог.«1» на прямом выходе, а следовательно, на выходе ЦАП сохранится «вес» третьего разряда.

    Седьмой тактовый импульс (момент времени t₄) переводит лог. «1» на выход Q₆ регистра и на выходе цап появляется «вес» четвертого ( в данном случае младшего) разряда U(n) =(1/2+1/8+1/16)U_m.

   При условии (1/2+1/8+1/16)U_m<U(t) на выходе компаратора β=0, и при поступлении восьмого тактового импульса, когда лог.«1» появляется на выходе  Q₇ сдвигового регистра, триггер Т₄ остается в состоянии лог. «1» на прямом выходе. После подачи восьмого тактового импульса (момент времени t₅) на всех выходах регистров сдвига будут лог.«0» . на этом цикл преобразования заканчивается.

     На выходах триггеров Т₁-Т₄ фиксируется код аналогового сигнала ( в рассмотренном случае 1011), действующего в данный момент времени на входе компаратора.

    Таким образом, преобразование аналогового сигнала в четырехразрядный код осуществляется за восемь тактовых импульсов. Каждый такт (время формирования одного разряда) по длительности равен двум периодам тактовых импульсов. Если АЦП имеет разрядность n, то правильный код формируется за время преобразования  t_c=2Tn , где Т- период следования тактовых импульсов. По истечении этого времени можно осуществлять считывание кода. В момент подачи следующего сигнала «начало преобразования» начинается новый цикл преобразования аналогового сигнала в цифровой код.

     Если входной аналоговый сигнал изменяется за время преобразования, то цифровой код может принимать значение, соответствующее любой величине аналогового сигнала в пределах его изменения. Следовательно, максимальное изменение аналогового сигнала за время преобразования не должно превышать вес младшего разряда. Если изменение сигнала превышает эту величину, то используют метод квантования с запоминанием. В этом случае аналоговым сигналом через систему ключей заряжают конденсатор, напряжение на котором сохраняется постоянным, и осуществляют преобразование путем сравнения с напряжением на нем. В результате получается двоичный код, соответствующий величине аналогового сигнала в момент зарядки конденсатора.

3. Выполнение задания 7:

1. Ознакомиться со структурной схемой   АЦП последовательных приближений (рис.7.1.). Ознакомиться с основными функциональными узлами исследуемого АЦП.

2. Собрать в программе EWB схему  АЦП последовательных приближений на 4 разряда  (рис.7.4.).

3. Подобрать величину измеряемого напряжения и проверить с помощью осциллографа работу исследуемого АЦП. Зарисовать временные диаграммы работы составленного Вами АЦП таким образом, как это представлено на рис.7.5.

4. Оформить отчет о проделанной работе.