Проектирование АЦП поразрядного кодирования

Введение

Цель педагогической науки - повышения качества воспитания, обучения, образования.

Педагогическая наука решает следующие основные задачи:

                      открытие и научное обоснование новых законов и закономерностей в области воспитания и образования;

                      научная разработка методологических основ;

                      совершенствование методов научно-педагогических исследований;

                      уточнение и совершенствование терминологического и категориального аппарата;

                      разработка содержания образования, обучения и воспитания;

                      разработка новых технологий воспитания и обучения;

                      изучение и совершенствование структуры и типологии учебно-вос­питательных заведений;

                      изучение и развитие системы управления образованием и воспитанием

В становлении личности человека большую роль играет са­мовоспитание под которым понимается осознанная и целеустрем­ленная работа человека над формированием у себя желаемых черт, качеств и форм поведения.

Ключевое понятие: целостный педагогический процесс, который предполагает единство всех элементов (обучения, воспитания, научной и педагогической работы) профессиональной подготовки специалистов.

Целостному педагогическому процессу присущи следующие характеристики:

• целенаправленность - ведущая цель состоит в подготовке учителя, формировании его личности, таких качеств, которые будут способствовать продуктивной педагогической деятельности;

• двусторонний характер - в педагогическом процессе всегда можно выделить деятельность двух сторон, двух основных субъектов - преподавателей и студентов;

• творческий характер - эта характеристика по своей глубинной сути  требует креативности как от преподавателя, так и от студентов, что проявляется в обновлении содержания, форм, методов воспитательно-образовательной деятельности педагога и познавательной деятельности студентов;

• динамизм - педагогический процесс есть явление развивающееся, ему присущи изменения содержания, действий субъектов этого процесса и самих

субъектов;

• целостность — будучи интегрирующей характеристикой педагогического

процесса, она предполагает, что все его компоненты находятся в согласованной связи и подчинены единой цели.

Структурные компоненты: воспитания, обучения, развитие и их производные выступают как самостоятельные педагогические подсистемы. Они имеют и свои отличительные признаки, свои особенности.

В педагогическом процессе вуза реализуются, переплетаясь и взаимодействуя, следующие функции: образовательная, воспитывающая, развивающая, методическая, аналитико-результативная, профессиональная.         

    В каждом компоненте педагогического процесса можно обнаружить проявление в специфической форме каждой функции.

Функции педагогического процесса:

• образовательная - преимущественное назначение - повышение уровня образованности студентов;

• воспитывающая - формирование убеждений, ценностей, установок, идеалов, качеств личности;

• развивающая - развитие различных сфер личности: эмоционально-волевой, сенсорной, интеллектуальной;

• методическая — отбор форм, методов, средств, которые определенным образом выстраивают педагогический процесс, деятельность преподавателя и

студентов;

• аналитика-результативная - анализ, определение уровня продуктивности педагогического процесса, подведение итогов, разработка новых задач;

• профессиональная - объединение всех компонентов педагогического процесса, забота об уровне профессиональной подготовки будущего учителя, специалиста.

Педагогическое взаимодействие, означает взаимную активность преподавателя и студентов и включает:

• педагогическое влияние;

• активное восприятие педагогического влияния;

• усвоение информации, ее персонификацию;

• собственную активность студента, которая выражается в его ответных действиях и влияниях на самого себя и на преподавателя.

В процессе педагогического взаимодействия между его субъектами устанавливаются разнообразные связи: информационные, коммуникативные, психологические, методические, организационно-деятельностные, управления и самоуправления.

Этапы педагогического процесса:

Первый этап — планирование.

Второй этап — подготовка.

Третий этап - организация.

Четвертый этап - корректировка.

Пятый этап - подведение итогов.

Все этапы педагогического процесса, будучи последовательно и органически связаны между собой, составляют законченный цикл, временные границы которого — учебный год. В связи с необходимостью, если этого требуют интересы дела, в масштабе страны, всей системы высшего образования или отдельной его отрасли (скажем, педагогического образования) осуществляются реформы. Осваиваются новые идеи и концепции, с учетом нового учебного оборудования апробируются другие методы и средства, обновляется содержание воспитания и обучения студентов, осваиваются новые технологии.

Педагогический процесс вуза динамичен и перманентен, его развитие идет циклично. И в то же время он консервативен: имеются некие механизмы внутреннего порядка, которые препятствуют его быстрой перестройке, ломке установившихся традиций. Это сопротивление педагогического процесса - положительное явление, так как в некоторых реформах могут присутствовать противоречивые идеи, ложные тенденции, необоснованные технологии, и их массовое внедрение целесообразно сдерживать.

Данный отчет по педагогической практике включает в себя лекционный материал на тему «Особенности построения, разработки и эксплуатации АСУ» и лабораторный материал на тему «Исследование дискретных линейных систем управления».

Лабораторный материал

Тема: «Проектирование АЦП поразрядного кодирования»

              Цель лабораторной работы: разработать и исследовать АЦП поразрядного кодирования.

1. Принцип действия

Рисунок 1 – Структурная схема АЦП поразрядного кодирования.

Работа этих преобразователей основана на последовательном (поразрядном) сравнении входной величины с образцовыми мерами, значения которых построены по двоичному (или двоично-десятичному) коду.

Структурная схема АЦП поразрядного кодирования показана на рисунке 1. По сигналу «Пуск» устройство управления (УУ) включает первый (по порядку) разряд цифро-аналогового преобразователя, представляющего собой преобразователь кода в напряжение (ПКН). Если ПКН построен по двоичной системе, то «вес» включенного первым разряда составляет примерно половину максимального значения входного сигнала. В сравнивающем устройстве (СУ) образуется разность

где    —   шаг квантования или единица младшего разряда;

— число двоичных разрядов в АЦП;

— кодовый коэффициент, равный 0 или 1.

В зависимости от знака разности  по сигналу от СУ устройство управления оставляет включенным в ПКН этот разряд или отключает его. Иначе, при  , при  .

На следующем шаге включается разряд с «весом», в два раза меньшим первого, и вновь образуется разность

В зависимости от знака вновь включенный разряд оставляется включенным () или отключается (). Так включаются (опрашиваются) все разряды вплоть до самого младшего. Весь цикл преобразования заканчивается за тактов (шагов). В соответствии с состоянием ключей (ячеек регистра) на выходе АЦП образуется код X, эквивалентный значению входного сигнала :

Статическая погрешность АЦП определяется в основном погрешностью используемого в нем ЦАП и может быть сделана достаточно малой, благодаря чему эти АЦП могут строиться на 12—14 разрядов.

Быстродействие преобразователя зависит от числа двоичных разрядов и инерционности используемых в нем элементов и может доходить до 105— 106 преобразований в секунду [4]. Таким образом, АЦП поразрядного кодирования являются компромиссными по быстродействию и точности. В связи с этим они получили широкое распространение в системах сбора информации среднего быстродействия и в цифровых измерительных приборах.

2. Определение основных параметров преобразователя

Исходные данные для расчета:

− диапазон изменения  от 0 до 15 В;

− класс точности ;

− выходной код двоичный;

− быстродействие 10 000 преобразований в секунду;

− входное сопротивление не менее 10 МОм;

− температура окружающей среды 20 ±10° С.

2.1. Определим, исходя из заданной погрешности квантования , шаг квантования .

Для преобразователей поразрядного кодирования предельная величина абсолютной погрешности квантования  составляет   [28]. Тогда

где — максимальное значение относительной погрешности квантования, приведенной к диапазону изменения входного сигнала. Отсюда

В

Для удобства рекомендуется выбирать единицу младшего разряда   равной (1, 2, 5) , где — положительное или отрицательное целое число (1, 2, 3 и т.д. или 0). Выбираем  В.

2.2. Определим необходимое (для обеспечения заданной точности) число двоичных разрядов . Вначале, имея диапазон изменения входной величины  (0—15 В), определим число уровней квантования :

Отсюда число двоичных разрядов

Выбираем ближайшее большее число: .

Максимальное значение кода, которое может быть получено на выходе двенадцатиразрядного преобразователя, равно . Этот код является эквивалентом максимального значения входной (преобразуемой) величины , равной

В

Следовательно, проектируемый преобразователь будет иметь несколько более широкий диапазон входных величин, чем заданный.

2.3. Определим, приближенно тактовую частоту генератора импульсов (ГТИ). По заданию время одного преобразования не должно быть больше одной десятитысячной секунды

с

Такое время необходимо, чтобы сбросить предыдущие показания в отсчетном устройстве, включить последовательно 12 разрядов, произвести считывание кода и т.д., т.е. не менее 15 шагов (тактов).

Тогда на каждый такт будет приходиться время, равное

с

Отсюда тактовая частота генератора ГТИ

Гц

2.4. По полученным данным выбираем схему ПКН. В наибольшей степени заданным требованиям по точности и быстродействию удовлетворяет ПКН, построенный на матрице резисторов с одинаковыми источниками тока и токовыми ключами К в разрядах (рисунок 2).

Зависимость выходного напряжения операционного усилителя от входного кода X будет выражаться следующим образом:

где    — шаг квантования, равный 0,005 В;

— значение токов в разрядах, А;

  — сопротивление в цепи обратной связи ОУ, Ом;

— кодовые коэффициенты, равные 0 или 1;

X    — входной код.

Рисунок 2 – Схема ПКН

Так как

то, задаваясь значением  можно получить величину , или наоборот.

Если ПКН строится на интегральной матрице резисторов R—2R, то часто в качестве включается один из резисторов схемы: R или 2R. Это удобно технологически, кроме того, обеспечивается идентичность характеристик всех резисторов в схеме, включая и . Следовательно, выбрав значение , одновременно выбирается величина матрицы.

Пусть

кОм

Тогда

А

Необходимые источники (генераторы) тока могут быть получены на биполярных или полевых транзисторах. Одновременно выбираются (рассчитываются) разрядные токовые ключи [16, 25]. Что касается резистивной матрицы для ПКН, то она должна удовлетворять требованиям: а) по числу двоичных разрядов; б) по допустимому значению рассеиваемой мощности; в) по погрешности коэффициента делания и ее стабильности; г) по времени установления переходного процесса.

Промышленность выпускает резистивные матрицы (серия 301) с различными номинальными значениями  (1, 5, 10, 20 кОм). Наибольшее число разрядов в матрицах — 11. Однако это не должно служить препятствием к их применению в случае, если требуемое число разрядов больше одиннадцати. Важнейшим преимуществом матриц является возможность их наращивания с обеих сторон.