Аналого-цифровые преобразователи. АЦП прямого преобразования, страница 2

Т.к. опорное напряжение положительно, то и входной сигнал также не должен иметь отрицательных значений. Это обеспечивается за счет использования источника постоянного напряжения 7,5 В, подключенного к источнику переменного напряжения.

Цифровые индикаторы отображают шестнадцатеричный код, полученный из двоичного на выходе АЦП.

Рис. 9 Преобразование аналогово сигнала в цифровой код (ADC)

и обратное преобразование (DAC)

Рис 10 Временная диаграмма работы АЦП, ЦАП

Для преобразования знакопеременного сигнала необходимо подключать к АЦП два опорных напряжения, с разной полярностью, превышающих по величине максимально возможные значения U_ВХ (рис.11, L8_07.ewb). При этом, минимальному коду 00₁₆ соответствует U_ВЫХ= -16 В, максимальному коду FF₁₆ соответствует: U_ВЫХ= (16 - DU) В, где DU – вес младшего разряда.

Рис. 11 Схема с АЦП для знакопеременного входного напряжения, 8 разрядов, L8_07.ewb

Для удобства оценки работы АЦП, в схеме использован ЦАП с возможностью получения на выходе напряжения положительной и отрицательной полярности (рис. 12). Его работа рассмотрена в лабораторной работе 8.2. Для возможности наблюдения обоих сигналов для них выбраны различные масштабы отображения, иначе сигналы совпадут.

Рис 12 Временная диаграмма работы АЦП, ЦАП

АЦП поразрядного уравновешивания

В данном устройстве осуществляется сравнение входного аналогового сигнала Ubx с аналоговым эквивалентом цифрового кода Ubux. Если они равны, то и код соответствует преобразуемой величине (рис. 13). Пример преобразования 9₁₀→01001₂ на рис. 14.

Вначале устанавливается равным логической единице старший разряд (Q4, файл L8_AD_08.ewb). Компаратор сравнивает результат цифроаналогового преобразования Ubux  и Ubx.

Если Ubx > Ubux, то значение разряда остается, иначе сбрасывается в 0. Затем аналогичные процедуры осуществляются со следующим  младшим разрядом (Q3) и далее по мере уменьшения веса разряда. Результат сравнения отражается индикатором U, зажигание которого свидетельствует о необходимости сброса соответствующего разряда.

Рис. 13 Схема АЦП поразрядного уравновешивания, файл L8_AD_08.ewb

Практическая часть

Задание 1.  Изучить работу моделей L8_01.ewb - L8_08.ewb.

Задание 2.  Преобразователь амплитуда-частота. Подсчитать количество импульсов N₁₀ в преобразователеL8_02.ewb при измерении интервала времени для указанных в таблице 1 значений входных напряжений. Проверить соответствие результата двоично-десятичному коду N₂-₁₀. Определить значение шага квантования по уровню DU_ВХ, т.е. входное напряжение, соответствующее одному импульсу (младшему разряду счетчика). Эта величина определяет значение возможной погрешности преобразования.                                                              

                   Рис. 14 Пример преобразования

 Таблица 1

UВХ, В	2	3	4	5
N10
N2-10
DUВХ, В

Из таблицы 1.1 определить погрешность округления результата D.                                    Таблица 1.1

UВХ, В	3,45	3,46	3,55	3,56	D
N

Выводы:

- значения U_ВХ и цифровой результат преобразования связаны линейной зависимостью;

- дискретизация по времени зависит от значения преобразуемого напряжения;

- двоично-десятичный код короче, чем двоичный и, следовательно, требует меньше линий для передачи в параллельном коде;

- относительная погрешность АЦП уменьшается, с увеличением частоты преобразования;

- АЦП имеет низкое быстродействие, поэтому на время преобразования значение входной  величины фиксируют с помощью микросхемы выборки – хранения;

- шаг квантования и погрешность округления это эквивалентные по своей природе понятия  для выражения погрешности преобразования АЦП.

Задание 3.  Преобразователь амплитуда-период. Подсчитать количество импульсов N₁₀ в преобразователеL8_03.ewb при измерении интервала времени для указанных в таблице 2 значений входных напряжений и далее, аналогично Заданию 2.                                                            

 Таблица 2

UВХ, В	2	3	4	5
N10
N2-10
DUВХ, В

UВХ, В	3,44	3,45	3,54	3,55
N10
DUВХ, В

Выводы аналогичны предыдущей схеме, однако имеются отличия:

- дискретизация по времени зависит от значения преобразуемого напряжения;

- реализация схемы проще, чем при преобразовании амплитуды напряжения в частоту, т.к. не нужен частотомер;

- относительная погрешность АЦП уменьшается, (точность возрастает) с увеличением интервала преобразования и частоты генератора.

Задание 4. Параллельное АЦП. Сколько компараторов необходимо для преобразования U_ВХ в трехразрядный двоичный код (L8_05.ewb)? (Ответ указать в таблице 3).                             

 Таблица 3

Количество компараторов

Задание 5. Указать максимально возможную амплитуду входного сигнала, при которой возможно преобразование (L8_06.ewb). (Ответ указать в таблице 3).                                                      

Таблица 4

UВХ MAX, В

Задание 6. Письменно ответить, чем отличаются входное U_BX и выходное U_BYX аналоговые напряженияпреобразователей в модели L8_07.ewb.

Задание 7. Записать в таблицу результаты преобразования – пятиразрядный двоичный код согласно заданным значениям U_ВХ,  модель L8_08.ewb.                                                          

Таблица 5

UВХ, В	3	7	9	16
N2

Значения U_ВХ задавать с помощью источника постоянного напряжения.

Исследуемая модель отражает принцип работы АЦП. На практике подбор значений кода осуществляется автоматически согласно алгоритму, который в модели выполняется вручную.

Максимально возможное значение кода в модели 10100, что соответствует напряжению 20 В (предельное значение напряжения на выходе операционного усилителя в используемой модели).