новая папка 1 / 302149
.pdf
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 подключаются к выходу счетчика. Когда напряжение на выходе ГЛИН станет равным Uвх (на рис. 2.1, а Uвх = const), 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. 2.1, б) пропорциональна Uвх, следовательно, при неизменной частоте ГТИ код, установившийся на выходе счетчика, является цифровым эквивалентом величины Uвх.
В АЦП последовательного счета (рис. 2.2.) к выходу счетчика подключается ЦАП, преобразующий код в аналоговый сигнал. Этот аналоговый 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. Выходной код счетчика при этом является цифровым эквивалентом напряжения на входе ЦАП, т.е. Uвх.
Рис. 2.2. АЦП последовательного счета В описанных АЦП значение выходного кода в процессе преобразования
многократно изменяется. Эти АЦП имеют низкое быстродействие, так как, на-
11
пример, для получения 10 разрядов выходного кода требуется время 1024 тактовых интервалов (время преобразования t = 1024Тгти). В общем случае время преобразования непостоянно и зависит от 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-м разряде, а затем в (n-1) и т. д., завершая младшим (первым) разрядом. Работа такого преобразователя основана на свойствах натурального двоичного кода: веса единиц в соседних разрядах отличаются вдвое; единица в старшем n-ом разряде имеет вес, больший половины веса всего кода, единица в следующем (n-1) разряде имеет вес, больший четверти веса всего кода и т.д.
На рис. 2.3. представлена упрощенная схема АЦП последовательного приближения.
Рис. 2.3. АЦП последовательного приближения После поступления импульса "ПУСК" на регистр последовательного при-
ближения РПП на выходе его старшего n-го разряда появляется напряжение логической «1», а на остальных выходах - "0". На выходах ЦАП формируется напряжение Uвых = 0,5Uвх max, которое на входах компаратора сравнивается с Uвх. Если Uвх > Uвых, то под действием импульса ГТИ появляется единица на выходе (n-1) разряда РПП и сохраняется единица в старшем разряде. Если Uвх < Uвых,
то при появлении единицы в (n-1) разряде РПП содержание предыдущего
12
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, Uвх = Uвх max, то комбинация выходного кода равна 11...1 (все единицы). В рассмотренном АЦП время преобразования t постоянно и определяется числом разрядов n и тактовой частотой fгти = 1/Тгти (tn = n*Тгти). Рассмотренные АЦП широко используются, т. к. обладают достаточно высоким быстродействием при относительно простой структуре.
Самым быстродействующим является АЦП параллельного действия
(рис. 2.4.).
Рис. 2.4. АЦП параллельного действия
Его основные элементы − 2n-1 компараторов напряжения. На один из двух входов каждого компаратора (инвертирующий вход) подается индивидуальное опорное напряжение Uоп, сформированное резистивным делителем напряжения. Разность между опорными напряжениями двух ближайших компараторов U = Uоп/2. Другие входы компараторов (неинвертирующие) - объединены, и на них подается входной сигнал. На тех компараторах, где Uвх больше, чем со-
13
ответствующее напряжение с делителя, на выходе будет логическая "1", а на остальных - логический "0". 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 код передается на выход преобразователя. Преобразование производится за два такта, и время преобразования равно tпр = (10-100)нс. Недостатком такого преобразователя являются сложность (требуется большое число компараторов, которое быстро возрастает с ростом числа разрядов n АЦП), большое энергопотребление от источника питания.
К схемам АЦП без применения ЦАП относятся АЦП двойного интегрирования. Способ двойного интегрирования позволяет хорошо подавлять сетевые помехи; кроме того для построения схемы не требуется ЦАП с высокоточными резистивными матрицами. Функциональная схема АЦП двойного интегрирования напоминает схему АЦП последовательного счета, в которой вместо ЦАП применен интегратор.
АЦП в интегральном исполнении
В настоящее время выпускаются несколько типов АЦП в интегральном исполнении. Широко используются АЦП 572-й КМОП серии - КР572ПВ2, основная схема включения которого приведена на рис. 2.5.
14
Рис. 2.5. Схема включения АЦП 572-й КМОП серии - КР572ПВ2 При подключении трех внешних резисторов и пяти конденсаторов
КР572ПВ2 выполняет функцию АЦП, работающего по принципу двойного интегрирования с автоматической коррекцией нуля и автоматическим определением полярности входного сигнала. Для задания тактовой частоты fтакт номинал С5 можно определить по формуле
C5 = 0,45/fтакт*R3.
Для повышения стабильности тактовой частоты может быть использован кварцевый резонатор, подключенный между выводами 39 и 40, при этом С5 и R3 не используют.
Подготовка к работе
1.Изучить принципы построения и работы АЦП на дискретных элементах и в интегральном исполнении.
2.Изобразить временные диаграммы, поясняющие преобразование входного аналогового сигнала в выходной двоичный код в АЦП последовательного счета.
3.Нарисовать исследуемую схему АЦП.
4.Ознакомиться с порядком сборки и исследования схемы на стенде.
План работы
1.Собрать схему АЦП, представленную на рис. 2.6. прил. 2. Запитать ОУ двухполярным источником питания, а цифровые микросхемы - источником
+5В.
2.Исследовать его работу, задавая входное напряжение от источника ИПН2 и определить диапазон изменения преобразуемого напряжения, при котором не происходит переполнение АЦП. Входное напряжение замеряется с помощью вольтметра pV1 (или цифрового), а выходной сигнал АЦП снимается
синдикатора H12 в десятичном коде.
3.Изменяя Uвх АЦП в определенном диапазоне составить таблицу преобразования входного напряжения в код.
15
4. По результатам исследования определить параметры исследуемого
АЦП.
Контрольные вопросы
1.Пояснить принцип работы АЦП.
2.Каковы особенности работы АЦП последовательного счета.
3.Пояснить работу АЦП временного преобразования и особенности его
работы.
4.Пояснить работу АЦП последовательного приближения и особенности его работы.
5.Каковы особенности работы АЦП параллельного действия?
6.Назвать особенности применения АЦП в интегральном исполнении на примере АЦП КР572ПВ2.
7.Провести сравнительную оценку всех разновидностей АЦП.
8.Назвать и дать пояснения основным параметрам ЦАП.
16
Библиографический список
1.Быстров, Ю.А. Электронные цепи и микросхемотехника: учебник / Ю.А. Быстров. – Москва: Высш. шк., 2002. - 384 с.
2.Алексеенко, А.Г. Основы микросхемотехники – 3-е изд. доп. / А.Г. Алексеенко. – Москва, ЮНИ МедиаСтайл, 2002. - 448 с.
3.Степаненко, И. П. Основы микроэлектроники: учеб. пособие для вузов / И. П. Степаненко. – 2-е изд. доп. – Москва: Лаборатория базовых знаний,
2001. – 488 с.
4.Фрике, К. Вводный курс цифровой электроники / К. Фрике. – Москва: Тех-
носфера, 2004. - 432 с.
17
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
18
Рис. 1.4. Схема для исследования ЦАП
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
19
Рис. 2.6. Схема для исследования АЦП