15

Министерство образования и науки, молодежи и спорта Украины

Донбасский Государственный Технический Университет

Кафедра АУТП

Лабораторная работа 3

Изучение аналого-цифровых преобразователей

по курсу: «Программирование систем реального времени»

Выполнил: ст. гр. АКТ-08-2

Ололоев Л.О.

Принял: доц.каф.

Денищик С.С.

Алчевск, 2012

ВВЕДЕНИЕ

Целью данной лабораторной работы является изучение принципов построения аналого-цифровых преобразователей (АЦП), схемотехнических решений и методов расчета.

1 Теоретические исследования

Преобразование аналоговой величины в цифровой код осуществляется путем выполнения сравнения измеряемой величины с набором дискретных эталонных величин. При этом происходит замена непрерывной величины на фиксированную образованную по определенному алгоритму.

Методы аналого-цифрового преобразования классифицируется по характеру такого преобразования во времени:

- метод последовательного счета (последовательные АЦП);

- метод поразрядного уравновешивания (АЦП поразрядного уравновешивания);

- метод одновременного считывания (параллельные АЦП, двухтактные АЦП);

- метод, основанный на стохастических алгоритмах (стохастические АЦП

- метод, основанный на интегрировании входного сигнала (интегрирующие АЦП).

1.1 Ацп, построенные на основании метода последовательного счета

Сущность метода последовательного счета заключается в последовательном во времени сравнении измеряемой величины u_i с известной однородной мерой u₀ (рисунок 1.1). Эту меру называют квантом. Для АЦП последовательного счета:

u_i=m · u₀,

где m-количество тактов в процессе сравнения

Рисунок 1.1 – Временная зависимость процесса сравнения АЦП последовательного счета

Для формирования u_i, отличного от u₀ необходимо несколько тактов. Как видно из рисунка 1.1 Точного совпадения u_i=m · u₀, не происходит, так как u₀ имеет конечное значение. Разность между u_i и mu₀ обозначается ζ и называется погрешностью квантования.

Погрешность квантования представляет собой разность между ближайшей большей фиксированной величиной на которую происходит замена непрерывной измеряемой величины u_i и этой измеряемой величиной. Погрешность квантования определяется соотношением:

0 ≤ ζ< u₀.

Тогда

u_i=m * u₀ +ζ .

Таким образом, максимальная погрешность квантования:

Ζ ≤ U₀

Время преобразования АЦП последовательного счета зависит от количества тактов и определяется выражением:

t_пр = t_т· m

где t_т – длительность такта преобразования.

Длительность такта преобразования зависит, в свою очередь, от периода генератора, тактовых импульсов (ГТИ). Если суммарное время срабатывания элементов АЦП намного меньше периода ГТИ – к чему и стремятся при разработке преобразователей, то время преобразования определяется соотношением:

t_пр =Т_ГТИ*m,

где Т_ГТИ - период генератора тактовых импульсов.

Максимальное время преобразования, которым и характеризуют АЦП и которое является одним из основных его параметров, зависит от количества разрядов преобразования. Максимальное количество тактов:

m_мах= 2ⁿ,

где n – количество разрядов АЦП.

Максимальное время преобразования:

t_{пр мах} = Т_ГТИ·2ⁿ,

Функциональная схема АЦП последовательного счета приведена на рисунке 1.2.

1-компаратор; 2-схема совпадения; 3-ГТИ; 4-двоичный счетчик; 5-ЦАП.

Рисунок 1.2 – Функциональная схема АЦП последовательного счета

Измеряемое напряжение u_i подается на один из входов компаратора. На другой вход подается напряжение, формируемое ЦАП, которое с каждым тактом ГТИ увеличивается на u₀ Пока m u₀ не превышает U_вх сигнал на выходе компаратора равен логической 1 и импульсы ГТИ проходят через схему совпадения и поступают на счетчик. Счетчик эти импульсы считает и формирует на своем выходе двоичный код, величина которого с каждым тактом возрастает. Этот двоичный код подается на вход ЦАП, который, в свою очередь, формирует соответствующие ему, увеличивающееся напряжение, подаваемое на второй вход компаратора. Так происходит, пока это напряжение не превысит U_вх. В этом случае на выходе компаратора формируется логический 0, схема совпадения блокируется и импульсы на вход счетчика не поступают. Код, установившийся на выходе счетчика будет соответствовать измеряемому входному напряжению. Стробирующий импульс предназначен для запуска АЦП и разрешения его работы.

Достоинством АЦП последовательного счета является простота схемной реализации и малая статическая погрешность. Недостаток таких АЦП – низкое быстродействие.

Аналого-цифровые преобразователи последовательного счета находят применение в основном в цифровых вольтметрах постоянного тока и цифровых измерительных системах, предназначенных для работы с постоянным и медленно меняющимся напряжением.