АНАЛОГО-ЦИФРОВОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ

Цель работы – Исследовать в лабораторных условиях работу аналого-цифрового преобразователя, принцип действия АЦП К1113ПВ1, принципы построения АЦП, исследовать АЦП на дискретных элементах.

7.1. Основные теоретические сведения

Схема АЦП зависит от метода преобразования и способа его реализации. Можно выделить следующие методы построения АЦП:

· временного преобразования;

· последовательного счета;

· последовательного приближения;

· параллельного преобразования.

В схеме временного преобразования (рис. 7.1.) значению аналогового входного напряжения Uвх ставится в соответствие временной интервал, длительность которого пропорциональна Uвх.

Этот интервал заполняется импульсами стабильной частоты, количество которых и является цифровым эквивалентом преобразуемого напряжения. Работа схемы заключается в следующем. Выходной импульс узла запуска УЗ обнуляет счетчик, устанавливает RS-триггер в " 1" состояние и запускает генератор линейно изменяющегося напряжения ГЛИН. При наличии логической единицы на прямом выходе триггера выходные импульсы генератора тактовых импульсов ГТИ через схему совпадения «И» поступают на вход счетчика.

Когда напряжение на выходе ГЛИН станет равным Uвх, на выходе компаратора появляется логическая “1”, которая переключает триггер в “0” состояние и прерывает связь счетчика с ГТИ. Длительность положительного импульса tв на выходе триггера (рис. 7.1) пропорциональна Uвх, следовательно, при неизменной частоте ГТИ код, установившийся на выходе счетчика, является цифровым эквивалентом величины Uвх.

Рисунок 7.3

В АЦП последовательного счета к выходу счетчика подключается ЦАП, преобразующий код в аналоговый сигнал. Этот сигнал сравнивается с входным напряжением на компараторе, выходной сигнал которого через элемент «И» разрешает или запрещает прохождение на вход счетчика импульсов от генератора тактовых импульсов (рис. 7.2).

Выходной код счетчика при этом является цифровым эквивалентом напряжения на входе ЦАП, т.е. Uвх.

Более быстродействующими являются АЦП последовательного приближения, в которых формируемый выходной код последовательно приближается к своему полному выражению: в начале определяется цифра в старшем n-ом разряде, а затем в (n-1) и т.д., завершая младшим (первым) разрядом. На рис. 7.3 представлена упрошенная схема АЦП последовательного приближения.

После поступления импульса " ПУСК" на регистр последовательного приближения РПП на выходе его старшего n - го разряда появляется напряжение логической " 1", а на остальных выходах - " 0". На выходе ЦАП формируется напряжение

Uвых = 0, 5Uвх.мах.,

которое на входах компаратора сравнивается с Uвх. Если Uвх. < Uвых, то под действием импульса ГТИ появляется единица на выходе (n-1) разряда и сохраняется единица в старшем разряде. Если Uвх. > Uвых, то при появлении единицы в (n-1) разряде РПП содержание предыдущего старшего разряда обнуляется. Так перебираются все разряды до самого младшего. После выполнения последнего n-го сравнения цикл Формирования выходного кода заканчивается. Состояние РПП соответствует цифровому эквиваленту входного напряжения. Если, например, Uвx = Uвых.мах., то комбинация выходного кода равна 11…1 (все единицы). В рассмотренном АЦП время преобразования t постоянно и определяется числом разрядов n и тактовой частотой f гти.

Самым быстродействующим является АЦП параллельного действия (рис. 7.4.). Его основные элементы – 2^n-1 компараторов напряжения. На один из входов каждого компаратора (инвертирующий вход) задается индивидуальное опорное напряжение Uon., сформированное резистивным делителем напряжения. Разность между опорными напряжениями двух ближайших компараторов

U = Uоп/2.

Другие входы компараторов (не инвертирующие) - объединены, и на них подается входной сигнал. На тех компараторах, где Uвх больше, чем соответствующее напряжение с делителя, на выходе будет логическая единица, а на остальных - логический ноль. Тактовым импульсом информация с выходов компараторов передается шифратору CD, который преобразует выходные сигналы компараторов в двоичный код. При поступлении управляющего импульса УИ на вход шифратора, сформированный двоичный кол передается на выход преобразователя.

Исследуемый в лабораторной работе АЦП типа К1113ПВ1 предназначен для применения в электронной аппаратуре в составе блоков аналогового ввода. Микросхема выполняет функцию 10-ти разрядного аналого-цифрового преобразователя однополярного или биполярного входного сигнала с представлением результатов преобразования в параллельном двоичном коде. Она содержит все функциональные узлы АЦП последовательного приближения, включая компаратор напряжения (КН), цифро-аналоговый преобразователь, регистр последовательного приближения, источник опорного напряжения ИОН, генератор тактовых импульсов ГТИ, выходной буферный регистр с тремя состояниями, схемы управления (Рис. 7.5.а., Рис. 7.5.б.).

Для ее эксплуатации необходимо только два источника питания и регулировочные резисторы. Выходные каскады с тремя состояниями позволяют считывать результат преобразования непосредственно на шину данных микропроцессора и наоборот.

Рисунок 7.4

Рисунок 7.5.а

Рисунок 7.5.б

Нумерация и назначение выводов микросхемы:

1 – 9 – цифровые выходы СР (старшие разряды),

10 - напряжение источника питания Ucc1,

11 - гашение преобразования,

12 - напряжение источника питания Ucc2,

13 – аналоговый выход,

14 – общий (аналоговая земля),

15 – управление сдвигом нуля,

16 – общий (цифровая земля),

17 – готовность данных,

18 – цифровой вход МР (младший разряд).

7.2. Программа работы

7.2.1. Изучить принцип действия АЦП К1113ПВ1.

7.2.2. Соберите схему рис. 7.6. Питание +12В к ДУ подсоедините с помощью длинных проводов.

7.2.3. Установите ДУ таким образом, чтобы его выходной потенциал был равен нулю.

7.2.4. С помощью генератора одиночных импульсов ГОИ подайте управляющий импульс на АЦП и проверьте работоспособность схемы. (Тумблер S 9 включен). Проделайте тоже для нескольких ненулевых значений ДУ.

7.2.5. Вместо ГОИ на управляющий вход подайте импульсы “1с”. (Для этого нужно установить соответствующую перемычку и включить тумблер S 9, S 10). Плавно вращая ДУ и используя вольтметр для измерения входного сигнала и индикатор для фиксирования выходного кода, составьте таблицу соответствия: входной сигнал - выходной код. Запишите показания семисегментного индикатора при кодах соответствующих числам от 10 до 16 - они могут вам пригодится в следующих работах. Нарисуйте характеристику квантования АЦП для одного из выходных сигналов (по заданию преподавателя).

7.2.6. Включите в разрыв между D 8 и D 11 регистр D 13 с фильтром G 1. На вход одновибратора подайте импульсы готовности данных (выв. 16) с АЦП D 8. Проделайте опыты 7.2.4., 7.2.5. Нарисуйте временные диаграммы работы.

Содержание отчета

Отчет должен содержать:

1) Схему электрическую АЦП последовательного приближения;

2) Его принцип действия;

3) Таблицу соответствия: входной сигнал - выходной код;

4) Показания семисегментного индикатора при кодах соответствующих числам от 10 до 16;

5) Характеристику квантования АЦП для одного из выходных сигналов;

6) Ответы на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

1. АЦП преобразует _______________ входной сигнал в _____________ выходной сигнал.

2. Запишите таблицу истинности для АЦП, в которой должно быть отражено соответствие напряжения на входе двоичному состоянию на выходе АЦП.

3. Нарисуйте схему аналого-цифрового преобразователя и объясните ее работу.

4. При каком состоянии входов компаратора на выходе компаратора будет действовать (Высокий, низкий) уровень? Это приведет к (разрешению прохождения тактовых импульсов через логический элемент И, блокировке логического элемента И).

5. Устройство, схеме которого показана на рис. 7.2. – это АЦП ____________.

6. Что такое «шум квантования»?

7. Что называется единицей младшего разряда.