КАТЕГОРИИ: Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748) |
Практичне заняття № 8
Завдання на практичне заняття Розробити схему цифрового автомата, який послідовно зчитує дані із комірок оперативної пам’яті в певному діапазоні. Контрольні запитання 1 Які пристрої називають пристроями пам’яті? 2 Наведіть класифікацію пристроїв пам’яті. 3 Чим відрізняються статичні пристрої пам’яті від динамічних? 4 Наведіть будову статичного пристрою пам’яті і поясніть принцип роботи. 5 Наведіть будову динамічного пристрою пам’яті і поясніть принцип роботи. 6 Поясніть будову і принцип роботи комірки пам’яті в динамічному пристрої пам’яті. 7 Перерахуйте оснівні параметри статичних і динамічних пристроїв пам’яті. Цифро-аналогові та аналого-цифрові перетворювачі МЕТА ЗАНЯТТЯ: практично засвоїти принцип побудови і роботи цифро-аналогових перетворювачів і аналого-цифрових перетворювачів. ТРИВАЛІСТЬ ЗАНЯТТЯ: 2 ауд. год. Основні теоретичні відомості Цифро-аналоговий перетворювач(ЦАП) - це функціональний вузол, призначений для перетворення інформації з цифрової форми у аналогову. Він має п входів і один вихід, а також виводи для подавання опорної напруг Uоп, напруги живлення Ucc та виводи нуля живлення ("земля"). У загальному випадку на входи ЦАП подається n -розрядний двійковий код а1...,ап. На виході формується аналоговий сигнал у вигляді рівня напруги Uвих, рівень якого відповідає цифровому коду. ЦАП характеризується системою статичних та динамічних параметрів. Головні статичні параметри є такими: розрядність вхідного коду n; роздільна здатність ΔU; напруга шкали перетворення Uшк; абсолютна помилка перетворення в кінцевій точці шкали δШ — відхилення вихідної напруги від теоретичного (розрахункового) значення в кінцевій точці характеристики перетворення; диференціальна нелінійністьδ л.д — відхилення дійсних рівнів квантування від їх середнього значення. Із динамічних параметрів основним є час установлення tycт, який визначається від моменту надходження на входи цифрового коду до моменту досягнення вихідною напругою відповідного рівня з точністю, визначеною допустимою похибкою. Час установлення визначає найбільшучастоту перетворення fпер, яка, у свою чергу, обмежує швидкість зміни цифрових кодів на входах ЦАП.
Схему ЦАП будують на основі резистивної матриці типу R-2R (рис. 8.1). Крім матриці резисторів, схема містить набір електронних ключів за кількістю розрядів вхідного коду а1, а2, а3,…, аn (на рис. 8.1 вони зображені у вигляді контактів вмикання-вимикання), ОП і прецизійне джерело опорної напруги Uоп. Резистори мають опори тільки двох номіналів: R і 2R. Напруга від джерела опорної напруги розподіляється по вузлах розрядів так, що потенціали сусідніх вузлів розрізняються рівно вдвічі, зменшуючись у напрямі молодшого розряду (МР). Отже, можна записати:
а) б) а — принципова схема ЦАП, б — умовне позначення ЦАП Рисунок 8.1 – Цифро-аналоговий перетворювач Струм у сигнальній шині (СШ) залежить від стану електронних ключів, що залежить від вхідної кодової комбінації: якщо аi =1 ключ Кі замкнуто на СШ, якщо аі = 0, - на шину з нульовим потенціалом (0Ш). Тоді залежно від стану ключа Кі; струм від і-го вузла спрямовується через резистор 2R або в СШ, або на корпус, причому . Сумарний струм у сигнальній шині , де ai дорівнює лог. 0 або лог. 1. Напруга, яка пропорційна сумарному струму, одержується за допомогою ОП і дорівнює: У розглянутій схемі ЦАП, як видно з виразу, існує пряма залежність вихідної напруги Uвих від опорної напруги Uоп Тому й існують жорсткі вимоги до стабільності напруги Uon. Відхилення Uon від номіналу змінює роздільну здатність і похибку перетворення. Стабільність напруги Uon легше забезпечити в схемі на рис. 8.1. У цьому разі струм навантаження джерела Uon не залежить від вхідного коду і завжди становитиме значення, виражене відношенням Uon/2R.
Аналого-цифровий перетворювач(АЦП) - це функціональний вузол, призначений для перетворення електричних аналогових сигналів у цифровий код. Аналого-цифровий перетворювач має вхід для аналогового сигналу та п виходів для цифрових сигналів (рис. 8.2, б), а також виводи для підключення опорних напруг Uоп, напруги живлення Ucc та точки "земля" (Сп) з нульовим потенціалом. У процесі перетворення аналогового сигналу в цифровий код виконуються три операції: дискретизаціясигналу в часі, його квантуванняза рівнем та кодування. Після дискретизації кожний відлік сигналу відповідно до характеристики перетворення квантуєтьсяза відповідними рівнями. Процес квантування передбачає надання кожному значенню відліку деякого дискретного рівня. Цю операцію виконують способом порівняння значення відліку зі шкалою рівнів квантування, яка має кінцеву кількість інтервалів і визначає його лише тим інтервалом, у який він потрапляє. Шкала рівнів квантування узгоджується з діапазоном допустимих змін напруги на вході АЦП Uшк. Поділ шкали на певну кількість рівнів квантування визначають вимогами до допустимої похибки квантування ε, яка, у свою чергу, впливає на рівень шумів квантування. Чим менший одиничний інтервал (квант ΔU), тим точніше буде виконано квантування відліку сигналу. Кодування— це формування цифрового коду, який однозначно відповідає квантованому значенню відліку аналогового сигналу. Найпоширенішим є прямий двійковий код 8421: аm, аm-1,..., а1 у якому перший розряд а1 є МР, а останній аn— СР. Вага СР становить 1/2 Uшк, другого розряду - 1/4 Uшк і т. д. до МР, вага якого Uшк/ 2 n, що відповідає роздільній здатності перетворювача. Роздільну здатність визначають кількістю розрядів цифрового коду, що відповідає вазі МР: Δ U = Uшк /2 n Основні параметри АЦП є наступні: розрядність вихідного цифрового коду п; повна шкала перетворення Uшк; роздільна здатність перетворювача,що визначається як вага МР: ΔU=Uшк/2n; точність перетворення,що характеризується сумарною похибкою перетворення ε, і яка містить абсолютну похибку, нелінійність, диференціальну нелінійність; шум квантування; час перетворення tnep,що визначається як інтервал від моменту фіксації відліку аналогового сигналу на вході АЦП до появи на виходах сталого цифрового коду. Із цим параметром однозначно пов'язана частота перетворення: Fnep = l/tnep.
Існує значна кількість принципів побудови і схемотехнічних варіантів реалізації АЦП. Найбільшого поширення набули паралельні, АЦП послідовного наближення та АЦП з інтегруванням. Найвищу швидкодію мають паралельні АЦП, у яких час перетворення становить десятки наносекунд, а нижчу (десятки мілісекунд) - АЦП з інтегруванням. Це визначає сфери застосування АЦП різних типів. У системах цифрової обробки аналогових сигналів з дуже великою частотою використовують паралельні АЦП, а для обробки сигналів, які змінюються повільно, наприклад у цифрових вольтметрах, - АЦП з інтегруванням. Паралельнимназивають АЦП, у якому операцію квантування аналогового сигналу виконують способом порівняння його з набором паралельно ввімкнених еталонних напруг з різними рівнями. Структурна схема паралельного АЦП (рис. 8.2, а) містить набір аналогових компараторів К 1,..., K 2 n -1, джерело опорної напруги Uоп, подільник на прецизійних резисторах R і перетворювач кодів X/Y.
а) б) а — функціональна схема, б — умовне позначення Рисунок 8.2 – Функціональна схема АЦП паралельного типу Розглянемо принцип роботи паралельного АЦП. Вхідний аналоговий сигнал Uвх поступає на входи всіх компараторів одночасно. Результат порівняння його з рівнем напруги Uет на виході кожного компаратора може бути подано як напругою високого рівня (лог. 1), якщо Uвх > Uет i, так і напругою низького рівня (лог. 0), якщо Uвх <Uет i. Отже, на виході компараторів формується кодова комбінація, що має загальний вигляд 00...011...1. Ця кодова комбінація потребує перетворення в двійковий код, яке виконує перетворювач кодів X/Y. Таким чином на виході перетворювача кодів формується кодова комбінація у вигляді коду типу 8421. Виходи перетворювача кодів є виходами АЦП.
Швидкодія паралельного АЦП характеризується часом перетворення tпер, який визначається затримкою перемикання компаратора і часом перетворення коду. У сучасних мікросхемах паралельних АЦП час перетворення становить 20– 100 нc. Особливість паралельних АЦП полягає в тому, що для збільшення розрядності вихідного коду на одиницю потрібно збільшити кількість компараторів удвічі. Так, 10-розрядний АЦП повинен мати 1 023 компаратори, а 12-розрядний - 4 095. Із виготовленням мікроелектронних багаторозрядних АЦП паралельної дії пов'язані чималі труднощі, зумовлені не лише тим, що треба розмістити на кристалі велику кількість компараторів, а й тим, що важко виготовити прецизійні резистивні подільники опорної напруги для отримання еталонних рівнів квантування. Отже, прагнення підвищити роздільну здатність АЦП і прямо пов'язану з нею розрядність вихідного коду наштовхується на значні труднощі реалізації таких АЦП, особливо за умови їх мікро-електронного виконання. Подолати ці труднощі можна застосуванням інших типів АЦП. Для АЦП послідовного наближення характерне порівняння вхідної напруги з напругою, що виконує роль еталонної, яка змінює своє значення з кожним кроком порівняння (тактом), наближаючись до рівня вхідної напруги. Процес перетворення завершується тактом, у якому обидві напруги зрівнюються в межах заданої похибки. Структурна схема такого АЦП (рис. 8.3, а) складається з компаратора К, ЦАП #/Λ, регістра послідовного наближення RG, пристрою керування (який входить до складу мікросхеми регістра) та джерела опорної напруги. Вхідний сигнал надходить на вхід компаратора, а вихідний код знімається з відповідного n-розрядного регістра. Цифро-аналоговий перетворювач отримує від регістра послідовного наближення з кожним тактом новий цифровий код і формує послідовний приріст еталонної напруги. Робота регістра визначається його пристроєм керування, який за сигналом з виходу компаратора задає режим на наступний такт. Якщо на виході компаратора буде лог. 0, то в черговий розряд регістра записується лог. 1; якщо на виході компаратора буде лог. 1, то в черговий розряд записується лог. 0, але у попередньому розряді лог. 1 переходить у лог. 0. Це відбувається до остаточного заповнення регістра, для чого потрібно n-тактів разом із сигналом «Пуск». Як приклад на рис. 8.3, б показано спрощену діаграму еталонної напруги шестирозрядного АЦП без урахування часу спрацьовування елементів схеми. Крім еталонної напруги, на діаграмі показано стани регістра (кодові комбінації) після кожного тактового імпульсу.
а) б) а — функціональна схема, б — часова діаграма Рисунок 8.3 – АЦП послідовного наближення Починається цикл перетворення з того, що за сигналом «Пуск» перший імпульс спричиняє запис лог. 1 у СР лічильника, і ЦАП з напругою шкали 10 В виробляє відповідну СР напругу 5 В (рис. 8.3, б). Оскільки рівень Uвх не досягнуто і від компаратора, як і раніше, надходить лог. 0, то після другого тактового імпульса (ТІ) записується лог. 1 у другий розряд. Приріст еталонної напруги ще на 2,5 В виявляється недостатнім і UЦАП < Uвх, тому третій ТІ записує лог. 1 у третій розряд. Тепер стає очевидним, що UЦАП > Uвx, тому четвертий ТІ переводить третій розряд у лог. 0, а в четвертий записує лог. 1 і т. д. Напруга UЦАП створює коливання навколо значення Uвх з амплітудою, що зменшується. Після п тактів (у цьому разі після шести) на виході АЦП установлюється цифровий код, що з урахуванням роздільної здатності АЦП відповідає вхідній напрузі. Більшість АЦП такого типу виконують перетворення аналогового сигналу в цифровий код за час, який визначається кількістю тактів Т (за кількістю розрядів регістра) і не залежить від моменту зрівноваження. Сучасні мікросхеми АЦП з порозрядним зрівноваженням мають розрядність 8...12, час перетворення 1...30 мкс. Аналого-цифровий перетворювач з інтегруванням побудовано за принципом перетворення вхідної напруги на часовий інтервал з подальшим відображенням її у вигляді двійкового вихідного коду. Основні його елементи - інтегратор і лічильник. Серед варіантів побудови АЦП з інтегруванням найбільшого застосування набув АЦП з подвійним інтегруванням. Функціональну схему такого АЦП показано на рис. 8.4, а. Крім інтегратора на основі ОП і n-розрядного двійкового лічильника, до неї входять: компаратор К, електронний ключ ЕК, джерело еталонної напруги Uет та дві нескладні логічні схеми (пристрої комутації) - ПК1 та ПК2, які керують роботою лічильника і ключа. Розглянемо принцип роботи АЦП. У момент початку перетворення за сигналом «Пуск» напруга на виході інтегратора U1 дорівнює 0, лічильник обнулено, ЕК з'єднує вхід АЦП зі входом інтегратора. В АЦП відбуваються одночасно два процеси: інтегрування вхідної напруги і зміна станів лічильника ТІ, що надходять на його вхід через ПК2.
а) б) а — функціональна схема, б — часова діаграма Рисунок 8.4 – АЦП з інтегруванням Під час інтегрування вхідної напруги зростає напруга на виході інтегратора (рис. 8.4, б). Цей процес продовжується доти, доки лічильник не переповниться. Час інтегрування Т1постійний; він залежить від періоду тактових імпульсів ТТ і розрядності лічильника п: За час інтегрування напруга на виході інтегратора зросте до значення Оскільки T 1 /RC = const, напруга U 1буде пропорційна вхідній напрузі Uвх. У момент переповнення лічильника логічна схема ПК1 видає сигнал, яким ЕК перемикає вхід інтегратора на джерело еталонної напруги Uет. Полярність напруги Uет протилежна полярності вхідної напруги, тому в інтеграторі з цього моменту починається зворотний процес, у ході якого конденсатор розряджається, унаслідок чого зменшується напруга на виході U 1(рис. 8.4, б). Лічильник, у якому після переповнення знову встановився початковий нульовий стан, продовжує працювати, як в інтервалі Т 1здійснюючи підрахунок ТІ. Після закінчення інтервалу Т 2напруга на виході інтегратора зменшується до нуля, що призводить до спрацьовування компаратора та зупинки лічильника пристроєм ПК2. Тривалість інтервалу T 2, тобто час роботи лічильника в період другого інтегрування, залежить від постійної інтегрування RC, еталонної напруги Uет і пропорційна напрузі U 1 або з урахуванням тобто вона пропорційна середньому значенню Uвх за інтервал Т 1. Значення інтервалу Т 2вимірюється лічильником у періодах тактових імпульсів TТ, результат може бути зчитаний з нього в кінці циклу. Сигнал «Кінець» може бути застосовано у пристрої, який обслуговується цим АЦП, для організації потрібного режиму роботи перетворювача. В окремому випадку цей сигнал з деякою затримкою може подаватися на вхід «Пуск». Отже, вхідний аналоговий сигнал спочатку перетворюється у часовий інтервал, а потім у цифровий код, який з'являється на виході лічильника. Отже, як і в АЦП послідовної лічби, забезпечення високої роздільної здатності через збільшення розрядності вихідного коду п пов'язано із суттєвим зниженням швидкодії. Тому й АЦП з інтегруванням мають найнижчу швидкодію. Частіше їх застосовують у прецизійних пристроях з дуже низькою частотою вхідних сигналів, наприклад у цифрових вольтметрах. Мікроелектронні АЦП з подвійним інтегруванням мають розрядність вихідного коду до 12 і час перетворення - десяті частки секунди. Завдання для самостійної підготовки Засвоїти теоретичний матеріал згідно з такими питаннями. 1 Цифро-аналогові перетворювачі. Основні параметри, принцип побудови і роботи. Застосування у вимірювальній техніці. 2 Аналого-цифрові перетворювачі. Класифікація. Основні параметри. Застосування у вимірювальній техніці. 3 Принцип побудови і роботи аналого-цифрових перетворювачів паралельного типу. 4 Принцип побудови і роботи аналого-цифрових перетворювачів послідовного наближення. 5 Принцип побудови і роботи аналого-цифрових перетворювачів інтегрування.
Дата добавления: 2015-05-09; Просмотров: 549; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы! Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет |