- •1 Аналоговая схемотехника
- •1.1 Усилители и их параметры
- •1.1.1 Принцип работы усилительного каскада
- •1.2 Усилители на полупроводниковых компонентах
- •1.2.1 Усилительный каскад по схеме ои
- •1.2.2 Дифференциальный усилительный каскад
- •1.3 Операционные усилители, их параметры и базовые схемы
- •1.4 Усилители с обратной связью
- •1.5 Генераторы гармонических сигналов
- •1.6 Компаратор, триггер Шмита
- •1.7 Генераторы импульсных сигналов
- •2 Дискретная схемотехника
- •2.1 Логические элементы
- •2.2 Синтез комбинационных логических цепей
- •2.3 Последовательностные устройства
- •2.3.1 Триггеры
- •2.4 Шифраторы, дешифраторы и преобразователи кодов
- •2.5 Регистры
- •2.6 Мультиплексоры и селекторы
- •2.7 Счётчики импульсов
- •2.8 Сумматоры
- •3 Функциональные преобразователи. Микропроцессоры
- •3.1 Понятие аналого-цифрового преобразования
- •3.1.1 Классификация ацп
- •3.2 Понятие цифро-аналогового преобразования
- •3.3 Микропроцессоры
- •3.3.1 Микропроцессор 8080 (к580вм80)
- •3.3.2 Современные микропроцессоры
- •4 Понятие измерения
- •4.1 Измерения как способ получения количественной информации
- •4.1.1 Виды измерений
- •4.1.2 Погрешности измерений
- •4.1.3 Вероятностные оценки погрешности измерения
- •4.1.4 Средства измерений
- •Библиографический список
- •Содержание
- •1 Аналоговая схемотехника ……...................……………………………..……………. 3
- •1.1 Усилители и их параметры ...…...............................…………………..…...…. .3
3 Функциональные преобразователи. Микропроцессоры
3.1 Понятие аналого-цифрового преобразования
У аналого-цифровых преобразователей можно выделить пять генерализированных (наиболее общих) методов преобразования непрерывной величины Y в код [6]. Первый из них – это преобразование «физическая величина – временной интервал Dt – код». Преобразование Y Þ Dt является аналоговым (непрерывным), а преобразование D t Þ КОД – дискретным. Геометрическая интерпретация времяимпульсного метода и структура преобразователя Dt Þ КОД приведены на рисунке 3.1.
Рисунок 3.1 – Преобразователь «длительность импульса–код»
Число импульсов, подсчитанных счётчиком, определяется из выражения:
N = Dt/To = f0 × Dt . (3.1)
При втором, частотно-импульсном методе, при оценке длины отрезка X, если нет отрезков единичной длины, а есть большой отрезок известной длины Aq, – то отрезок X вкладывается в отрезок Aq. Число вложений подсчитывается (рисунок 3.2).
Рисунок 3.2 – Геометрическая интерпретация частотно-импульсного метода
Длина неизвестного отрезка определится следующим образом:
X = Aq/M . (3.2)
Метод характеризуется последовательным счётом повторяющейся измеряемой величины и используется, если оцениваемая величина преобразована в частоту следования импульсов: XÞYÞfÞКОД. Структура преобразования fÞКОД приведена на рисунке 3.3.
Число импульсов, подсчитанных счётчиком, определяется по формуле:
М = Dtо/Tx = fx × Dto . (3.3)
Рисунок 3.3 – Преобразователь «частота импульсов – код»
Для геометрической интерпретации третьего метода – кодоимпульсного метода – можно использовать набор отрезков, длины которых соответствуют весовым коэффициентам двоичного кода (20; 21; 22; 23) и равны q , 2q , 4q , 8q (рисунок 3.4).
Метод характеризуется наличием нескольких мер, кратных кванту и относящихся как весовые коэффициенты кода; количеством мер, равным числу разрядов кода; комбинации мер по логической программе сравниваются с измеряемой величиной, приближаясь к ней.
Рисунок 3.4 – Геометрическая интерпретация кодоимпульсного метода
Функциональная схема метода приведена на рисунке 3.5.
Рисунок 3.5 –Функциональная схема кодоимпульсного метода
Временные диаграммы, характеризующие работу кодоимпульсного преобразователя, приведены на рисунке 3.6 (для 4-разрядного двоичного кода). При четырёх разрядах кода потребовалось 5 тактовых импульсов (число тактов на единицу больше числа разрядов).
Рисунок 3.6 – Временные диаграммы кодоимпульсного преобразователя
Четвёртый метод – это метод пространственного кодирования (рисунок 3.7), который применяется при преобразовании величины X в угловое (a) или линейное (l) перемещение: X Þ a; X Þ l. Это аналоговое преобразование.
Рисунок 3.7 – Пример кодовой маски
Преобразование перемещения в код - дискретное преобразование. Метод имеет заранее заготовленные комбинации мер, кратных кванту, т. е. кодовую маску. В столбцах маски чередуются участки, соответствующие различным физическим свойствам, например: проводник-изолятор, прозрачность-непрозрачность.
Метод характеризуется считыванием состояний всех разрядов одновременно. Применяется в пространственных АЦП угловых и линейных перемещений в код.
При исследовании электрических сигналов также используется пятый метод – метод считывания (или параллельный метод). В нём напряжение постоянного тока сравнивается с рядом постоянных опорных напряжений, количество которых равно количеству квантов (рисунок 3.8).
Рисунок 3.8 – Функциональная схема метода считывания
Данный метод обладает принципиально максимальным быстродействием, но и аппаратной избыточностью.
Наиболее сложным узлом всякого АЦП является его узел аналогового преобразования, в основном определяющий погрешность АЦП. Простейшим примером АЦП является времяимпульсный преобразователь с линейной развёрткой (однотактный). Он даёт приемлемую для практических случаев точность преобразования при простой схемной реализации с современной элементной базой.
Преобразование входного напряжения ux во временной интервал tx является аналоговым (ux и tx – непрерывные по значению величины). Преобразование интервала tx в число импульсов Nx – аналого-цифровое, т. к. Nx – дискретная величина. Соотношение Nx и tx определяется выражением Nx = f0tx , где f0 – частота опорного генератора (ОГ) (частота импульсного сигнала, проходящего через временной селектор – схему И – за интервал времени tx), рисунок 3.9.
Квант такого преобразователя равен единице младшего разряда, т. е. в единицах времени – периоду сигнала ОГ, равного 1/f0. Максимальное значение абсолютной погрешности дискретности равно ± 0,5f0.
Рисунок 3.9 – Времяимпульсный АЦП с линейной развёрткой
На рисунке 3.10 приведены временные диаграммы, иллюстрирующие работу АЦП (точки наблюдения 1–4). Здесь tФ, tПОД – длительность интервалов фиксации результата преобразования и подготовки к следующему; ТЦ ПР – длительность цикла преобразования.
Рисунок 3.10 – Временные диаграммы однотактного АЦП
Длительность интервала tx можно определить, зная крутизну (скорость) V линейно нарастающего участка сигнала ГПН UГПН: UГПН = Vt; ux = Vtx; tx = Ux/V. Уравнение преобразования однотактного АЦП соответствует Nx = (f0/V)ux. Уравнение преобразования указывает, что неточность установки и нестабильность значений f0 и uГНП приводят к появлению мультипликативных погрешностей. Из алгоритма работы аналогового преобразователя следует, что неточность сравнения значений ux и uГПН приводит к появлению аддитивной погрешности.
При использовании ГПН, построенного на основе интегратора на ОУ, величина uГПН вычисляется согласно выражению:
, (3.4)
а крутизна напряжения его сигнала определяется как V = duГПН / dt = -U0t0 . И уравнение преобразования имеет вид: Nx = -(f0t0 / U0)ux. Факторами, определяющими величину суммарной погрешности АЦП, являются:
– неточность установки и нестабильность значения частоты ОГ f0;
– неточность установки и нестабильность значений постоянной времени интегратора ГПН t0 и опорного напряжения U0;
– нелинейность напряжения сигнала ГПН uГПН;
– смещения нулевого уровня интегратора ГПН и компаратора;
– конечное значение чувствительности (определяемое шириной петли гистерезиса) компаратора.
Однотактный АЦП чувствителен к воздействию помехи нормального вида (напряжение сигнала помехи uПОМ и входное напряжение суммируются на входе АЦП).
Рассмотрим погрешность дискретности на примере преобразователя времяимпульсного типа. Погрешность дискретности возникает при преобразовании непрерывной величины tX в дискретную NXT0. Совокупность значений погрешности дискретности – функция случайной величины – значений величины ux. Значения ux в пределах каждого дискрета To равновероятны – т. е. закон распределения погрешности дискретности – это закон равномерной плотности. Плотность распределения абсолютной погрешности дискретности Dд показана на рисунке 3.11.Так как график симметричен относительно оси ординат, то матожидание (среднее значение) погрешности дискретности М(Dд) = 0.
Рисунок 3.11 – Плотность распределения абсолютной погрешности дискретности
Максимальное значение абсолютной погрешности дискретности может быть равно (импульс ОГ входит или не входит в интервал tX). Тогда
. (3.5)
Абсолютная погрешность дискретности – это разность между входным напряжением и выходным значением преобразователя:
Dд = + uo/2N1, (3.6)
это полкванта в размерности напряжения. Дисперсия погрешности соответствует
. (3.7)
Среднеквадратичное значение (СКЗ) погрешности дискретности:
, или . (3.8)
Аналогично дисперсия относительно кванта соответствует . (3.9)