Исследование структур аналогово-цифровых преобразователей

Министерство   образования   и   науки   Украины

Харьковский   национальный   университет   радиоэлектроники

Кафедра ЭВМ

Отчет

по лабораторной работе №1

по теме: “ Исследование структур аналогово-цифровых преобразователей ”

Дисциплина: “Периферийные устройства ”.

Выполнил:                                                                                                                Проверил:

Харьков 2008

Цель: Исследование классических алгоритмов преобразования аналоговой величины в код, а также исследование структуры преобразователей напряжение-код, работающих в соответствии с этими алгоритмами.

Задние: Изучить и исследовать классические алгоритмы преобразования аналоговой величины в код, а также исследовать структуры преобразователей напряжение-код, работающих в соответствии с этими алгоритмами. На практике осуществить преобразования в цифровой эквивалент различных аналоговых величин.

Теоретические сведения: Преобразование аналоговой информации в цифровую является неотъемлемой частью любой сколько-нибудь сложной информационно-измерительной либо управляющей системы, в которую входит  ЭВМ. Устройства, решающие задачу представления аналоговой величины ее цифровым эквивалентом, называются аналого-цифровыми преобразователями (АЦП). На практике существует необходимость преобразования в цифровой эквивалент различных аналоговых величин. Это мо­гут быть линейные, угловые перемещения, температура, вес, скорость, время, частота, фаза, ток, направление и т.д. В то же время существует принципиальная возможность преобразования буквально всех видов аналоговых величин с помощью соответствующих датчиков в электрические величины (например, напряжение). В связи с этим наибольшее распространение получили преобразователи электрических величин в код и, в частности, преобразователи постоянного напряжения в код (ПНК).

Преобразование любой аналоговой величины в код рассматривают как измерительный процесс сопоставления входной аналоговой величины с набором ее эталонных значений, представляющих собой  набор уровней квантования, и определения номера того уровня, который ближе всех совпадает со значением входной аналоговой величины. В технике аналого-цифрового преобразования порядок сопоставления аналоговой величины с набором эталонных уровней для нахождения ее цифрового эквивалента определяют как алгоритм преобразования аналог-код.

Алгоритм последовательного счета.

Алгоритм последовательного счета основан на уравновешивании входной аналоговой величины сумой минимальных по весу эталонов (квантов). Число квантов, использованных при управлении, подсчитывается счетчиком, а момент равенства суммы эталонов и входной величины фиксируется схемой сравнения. При классической реализации этого алгоритма необходим всего один эталон, равный кванту. Причем этот эталон используется многократно при уравновешивании входной аналоговой величины. В чистом виде этот алгоритм воплощается в ПНК последовательного счета, структурная схема которого приведена на рисунке 1.

Схема включает в себя:

1.       Генератор импульсов, следующих с частотой f – ГИ.

2.       Счетчик, подсчитывающий число импульсов – СЧ.

3.       Преобразователь “код – напряжение”, который преобразует код, хранящийся в счетчике, в пропорциональное ему напряжение – ПКН.

4.       Сравнивающее устройство, которое фиксирует момент равенства, компенсирующего напряжения ПКН и напряжения Ux – СУ.

5.       Триггеры – Т1, Т2, Т3.

6.       Полупроводниковый ключ напряжения – К.

7.       Формирователь импульсов – Ф.       

Рисунок 1 – Структурная схема ПКН последовательного отсчета.

Алгоритм слежения.

Алгоритм слежения, так же как и алгоритм последовательного счета, основан на уравновешивании входной аналоговой величины сумой минимальных и одинаковых по весу эталонов.

Основное отличие данного алгоритма от алгоритма последовательного счета в том, что при уравновешивании входной аналоговой величины возможно как суммирование минимальных и одинаковых по весу эталонов, так и вычитание их. При этом на каждом такте суммирования либо вычитания эталонных величин оказывается возможным уравновешивать входные аналоговые величины, которые за время одного такта изменяются не более, чем на величину веса одного эталона. Для таких немонотонно изменяющихся входных аналоговых величин алгоритм слежения позволяет за один такт сложения либо вычитания эталонов установить цифровой эквивалент. В этом алгоритм слежения имеет сходство с алгоритмом считывания. Блок-схема следящего ПНК приведена на рисунке 2.

Схема включает в себя:

1.       Генератор импульсов, следующих с частотой f – ГИ.

2.       Счетчик, подсчитывающий число импульсов – СЧ.

3.       Преобразователь “код – напряжение”, который преобразует код, хранящийся в счетчике, в пропорциональное ему напряжение – ПКН.

4.       Сравнивающее устройство, которое фиксирует момент равенства, компенсирующего напряжения ПКН и напряжения Ux – СУ.

5.       Триггеры – Т1, Т2, Т3.

6.       Формирователь импульсов – Ф.       

Рисунок 2 – Структурная схема ПНК следящего типа.
 

Алгоритм поразрядного кодирования.

Алгоритм поразрядного кодирования основан на уравновешивании входной аналоговой величины суммой эталонов, число которых равно числу разрядов цифрового эквивалента, а их веса выбраны в соответствии с весами разрядов цифрового эквивалента в принятой системе счисления.

Наибольшее распространение получило кодирование входной аналоговой величины в двоичной системе счисления. В этом случае веса эталонов пропорциональны степени двойки. Блок–схема  ПКН поразрядного кодирования в двоичной системе счисления приведена на рисунке 3.

Схема включает в себя:

1.       Генератор импульсов, следующих с частотой f – ГИ.

2.       Сдвигающий (тактовый) регистр – Сдв. Рг.

3.       Регистр числа N – Рг. N.

4.       Схемы подключены к нулевым входам триггеров регистра – Схемы “И”.

5.       Преобразователь “код – напряжение”, который преобразует код, хранящийся в счетчике, в пропорциональное ему напряжение – ПКН.

6.       Сравнивающее устройство, которое фиксирует момент равенства, компенсирующего напряжения ПКН и напряжения Ux – СУ.

7.       Триггеры – Т1 – Т5 .

8.       Формирователь импульсов – Ф. 

9.       Полупроводниковый ключ напряжения – К.     

Рисунок 3 – Структурная схема ПКН поразрядного кодирования.

Ход работы:

1.       Собираем и исследуем на испытательном стенде работу ПНК последовательного типа.

2.        

2. Собираем и исследуем на испытательном стенде работу ПНК следящего типа.

3.       Собираем и  исследуем на испытательном стенде работу ПНК поразрядного кодирования.

=0,36 мс
Вывод: в ходе лабораторной работы мы выяснили следующее:

- схема последовательного сложения обладает простейшей технической реализацией, но требует длительного цикла измерения напряжения, который будет увеличиваться с увеличением входного напряжения.

- преобразователь следящего типа обладает более совершенной реализацией, т. к. позволяет снимать и контролировать изменение входного напряжения на каждом такте, но наличие двух стадий его работы делает его малопригодным для работы при больших изменениях входного сигнала, его рекомендуется использовать при быстром изменении величины входного сигнала.

- оптимальным по быстродействию является преобразователь поразрядного кодирования, но обладает сложностью технической реализации, но при современном техническом прогрессе, этот тип получил наибольшее распространение, даже в интегральной реализации.