Сопряжение цифровых и аналоговых устройств



Скачать 148.03 Kb.
Дата01.02.2013
Размер148.03 Kb.
ТипДокументы
СОПРЯЖЕНИЕ ЦИФРОВЫХ И АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ

Использование аналоговых сигналов в цифровых системах

В электронной аппаратуре одинаково широко используются сигналы, представленные как в виде непрерывных переменных, так и в виде дискретных двоичных сигналов. Для взаимодействия электронных устройств, обрабатывающих непрерывные (аналоговые) сигналы с устройствами, оперирующими дискретными двоичными (цифровыми) сигналами, применяют цифро-аналоговые (ЦАП) и аналого-цифровые преобразователи (АЦП).

Рассмотрим цифровую систему с аналоговым входом и аналоговым выходом (рис. 16.1).


Рис. 16.1. Цифровая система
На входе системы действует аналоговый сигнал. Напряжение принимаем непрерывный ряд значений в интервале 0 – 3 В. АЦП преобразует аналоговую информацию в цифровую, которая затем обрабатывается в блоке цифровой обработки. ЦАП осуществляет обратное преобразование: цифровую информацию в аналоговый выходной сигнал с напряжением, непрерывно изменяющимся в интервале 0 – 3 В.

Систему, изображенную на рис. 16.1, можно назвать гибридной, поскольку в нее входят и цифровые и аналоговые устройства.

Цифро-аналоговые преобразователи

В ЦАП в качестве входного сигнала чаще используется двоичный код. Выходным сигналом является напряжение.

Цифро-аналоговое преобразование состоит в суммировании эталонных значений напряжений, соответствующих разрядам входного кода, причем в суммировании участвуют только те эталоны, для которых в соответствующих разрядах стоит единица.

Основной характеристикой ЦАП является разрешающая способность, определяемая отношением , где - опорное (эталонное) напряжение; N – число разрядов. При N разрядах число независимых квантов выходного напряжения ЦАП составляет .

На рис. 16.1 показана цифровая система, в которую входит ЦАП. Предположим, что необходимо преобразовать двоичный сигнал с выхода блока цифровой обработки в выходное напряжение, изменяющееся в интервале 0 – 3 В. В данном случае . При 4 разрядах число квантов будет . Разрешающая способность составляет .

Составим таблицу истинности для всех возможных комбинаций сигналов на входах ЦАП (табл. 16.1).

Таблица. 16.1. Таблица истинности

Из табл. 16.
1 видно, что увеличение входного цифрового сигнала на 1, влечет увеличение аналогового выходного на 0,2 В.

Рассмотрим структурную схему ЦАП (рис. 16.2).


ЦАП состоит из двух блоков: резистивной схемы и суммирующего усилителя, имеет четыре входа (A, B, C, D) и один аналоговый выход. Назначение резистивной схемы – учет весового коэффициента для цифровых сигналов на входах ЦАП. Например, вес 1 на входе B в 2 раза больше веса 1 на входе A.

Суммирующий усилитель усиливает сигнал, поступающий на его вход с выхода резистивной схемы до уровня, соответствующего значением выходного напряжения (табл. 16.1). В качестве суммирующего усилителя обычно используется операционный усилитель (ОУ).

ОУ характеризуется высоким входным сопротивлением, низким выходным сопротивлением и изменяющимся в широких пределах коэффициентом усиления по напряжению, величину которого можно установить внешними резисторами.

Условное графическое обозначение ОУ показано на рис. 16.3. ОУ имеет два входа: инвертирующий и неинвертирующий и один выход.


Рис. 16.3. Условное обозначение ОУ


Рис. 16.4. Схема включения ЦАП
Обычно ОУ используется с двумя резисторами (рис. 16.4). Эти резисторы позволяют устанавливать требуемое значение коэффициента усиления по напряжению. Зная сопротивление резистора обратной связи и сопротивление входного резистора коэффициент усиления по напряжению определяется по формуле .

В схеме на рис. 16.4 используется инвертирующий вход, поэтому если входное напряжение и , то .

Коэффициент усиления по напряжению можно рассчитать по формуле . Таким образом зная и сопротивления и из соотношения можно определить выходное напряжение .

Рассмотрим схему простого ЦАП, состоящую из резистивной схемы (резисторы ) и суммирующего усилителя (рис. 16.5). Суммирующий усилитель собран на ОУ и

.



Рис. 16.5. Резистивная схема ЦАП
Резистивная схема состоит из четырех резисторов (), имеющих соответственно сопротивления 150 кОм, 75 кОм, 37,5 кОм и 18,7 кОм. Входное напряжение приложено к переключателям D, C, B и A.

Рассмотрим принцип работы схемы (рис. 16.5). Предположим, что переключатель А установлен в положение, соответствующее логической 1. Тогда к ОУ будет приложено входное напряжение равное 3 В. Рассчитаем выходное напряжение

.

Это выходное напряжение соответствует входное двоичной комбинации 0001, что видно из табл. 16.1.

Подадим входную двоичную комбинацию 0011. Это соответствует случаю, когда переключатели А и В находятся в положении логической 1. При этом входное сопротивление будет определяться по формуле: , поскольку резисторы и соединены параллельно.

.

Выходное напряжение определяется по формуле:

.

Полученный результат можно проверить по табл. 16.1.

Если все переключатели в схеме на рис. 16.5 установлены в положения, соответствующие логическим 1, ОУ вырабатывает на своем выходе полные 3 В, поскольку коэффициент усиления в этом случае равен 1.

Схема, изображенная на рис. 16.5, имеет два недостатка: во-первых, в ней приходится использовать резисторы с широким диапазоном номиналов и, во-вторых, обеспечиваемая точность преобразования невысока.

Рассмотрим схему ЦАП, в которой резисторная схема учитывает весовой множитель на двоичных входах (рис. 16.6). Такая резистивная схема называется R-2R схемой лестничного типа. В данной схеме используются резисторы только двух номиналов. Сопротивление каждого из резисторов равно 20 кОм, а каждого из резисторов и - 10 кОм. Таким образом номиналы горизонтальных резисторов «лестницы» в 2 раза больше номиналов вертикальных резисторов.



Рис. 16.6. Схема ЦАП лестничного типа
Принцип работы схемы на рис. 16.6 аналогичен работе простейшего ЦАП (рис. 16.5). В данном случае используется входное напряжение и переход к каждому следующему двоичному числу на входе приводит к увеличению аналогового выходного сигнала на 0,25 В.

ЦАП на рис. 16.6. может иметь большее число двоичных входов (для разрядов с весами 16, 32, 64 и т.д.). Однако добавляя двоичные разряды, нужно оставлять неизменной структуру соединений резисторов при сохранении их номиналов.

Аналого-цифровой преобразователь

На рис. 16.7 показана базовая структурная схема АЦП. На входе АЦП действует одно изменяющееся напряжение. В данном случае это напряжение меняется от 0 до 3 В. С выхода АЦП снимаются двоичные сигналы. АЦП преобразует аналоговый сигнал напряжения на входе в 4-разрядное двоичное число.


Таблица истинности АЦП соответствует таблице истинности ЦАП (табл. 16.1) с той лишь разницей, что входы и выходы меняются местами. Например, входному аналоговому сигналу 1,2 В соответствует выходное двоичное число 0110. Увеличения входного напряжения на 0,2 В приводит к увеличению двоичного числа на выходе на 1.

Рассмотрим структурную схему одного из возможных АЦП (рис. 16.8).


Рис. 16.8. Структурная схема АЦП
АЦП на рис. 16.8 содержит компаратор напряжений, логический элемент И, двоично-десятичный счетчик и ЦАП. Ко входу АЦП приложено аналоговое напряжение. Компаратор «проверяет» величину напряжения, получающегося от ЦАП. Если аналоговое входное напряжение на входе А компаратора больше напряжения на входе В, разрешается прохождение тактовых (счетных) импульсов на вход двоично-десятичного счетчика. Счетчик подсчитывает эти импульсы, в результате постепенно увеличивается цифровой сигнал (двоичное число) на его выходе. Счет продолжается до тех пор, пока напряжение обратной связи с выхода ЦАП не превысит аналоговое входное напряжение. В этой точке компаратор останавливает счетчик. Предположим, что входное аналоговое напряжение равно 2 В. В соответствии с табл. 16.1 счетчик сосчитает до 1010, затем остановится, сбросится в нулевое состояние (0000), и счет начнется снова.

Рассмотрим более подробно работу АЦП (рис. 16.8). Предположим, что на выходе компаратора в точке Х действует уровень логической 1. Пусть двоично-десятичный счетчик находится в состоянии 0000 и к аналоговому входу АЦП приложено напряжение 0,55 В. Логическая 1 в точке Х «открывает» логический элемент И, и первый импульс от тактового генератора появляется на синхронизирующем входе счетчика. Счетчик переходит в состояние 0001. Двоичная комбинация 0001 появляется на индикаторе и эта же двоичная комбинация подается на входы ЦАП.

Согласно табл. 16.1, двоичному числу 0001 на выходах ЦАП соответствует сигнал 0,2 В на выходе. Это напряжение подается на вход В компаратора. Компаратор сравнивает сигналы, поступившие на его входы (0,55 и 0,2 В). Напряжение на входе А больше, поэтому компаратор вырабатывает на выходе сигнал логической 1. Логическая 1 «удерживает» элемент И в открытом состоянии, и он пропускает следующий тактовый импульс к счетчику. Содержимое счетчика увеличивается на 1 и на его выходах появляется двоичная комбинация 0010, которая подается на входы ЦАП. На выходе ЦАП будет сигнал 0,4 В, поэтому на выходе компаратора остается сигнал логической 1. Логический элемент И по-прежнему открыт и с приходом очередного тактового импульса содержимое счетчика увеличивается до 0011. На выходе ЦАП появляется сигнал 0,6 В, который подается на вход В компаратора. Теперь напряжение на входе В компаратора больше напряжения на входе А и компаратор вырабатывает на выходе сигнал логического 0. Логический 0 «запирает» логический элемент И, и теперь тактовые импульсы не могут попасть на вход счетчика. Таким образом счетчик останавливается на двоичном числе 0011. Значит, аналоговому входному сигналу, равному 0,55В, соответствует двоичное число 0011.

Из приведенного примера видно, что для преобразования аналогового сигнала напряжения в двоичный цифровой сигнал требуется некоторое время. Однако в большинстве случаев частота следования тактовых импульсов достаточно высока, так что временная задержка не имеет существенного значения.

Рассмотренный АЦП называется АЦП с динамической компенсацией из-за того, что в схеме присутствует линейно нарастающее напряжение на входе ЦАП, которое подается на цепи обратной связи к компаратору.

Компараторы

Компаратор является устройством, которое сравнивает два напряжения и указывает, которое из них больше. Рассмотрим одну из возможных схем компаратора (рис. 16.9).


Рис. 16.9. Схема компаратора напряжений
Если напряжение на входе А больше, чем напряжение на входе В, компаратор вырабатывает на выходе логическую 1. Если же напряжение на входе В больше, чем напряжение на входе А, на выходе компаратора появляется логический 0. Основой компаратора является операционный усилитель (рис. 16.9). Стабилитрон VD1 на

рис. 16.9 используется для фиксации уровней выходного напряжения вблизи уровней логического 0 и логической 1 (например, ОВ и 3,5В). Без стабилитрона VD1 получили бы другие уровни выходного сигнала.

Принципы построения различных типов АЦП

Рассмотрим схему интегрирующего АЦП (рис. 16.10).


Рис. 16.10. Схема интегрирующего АЦП
В схеме интегрирующего АЦП (рис. 16.10) имеется узел: генератор линейно изменяющегося напряжения. Он вырабатывает пилообразное напряжение. Предположим, что к аналоговому входу АЦП приложено напряжение (рис. 16.11).


Рис. 16.11. Временные диаграммы интегрирующего АЦП
Линейно изменяющееся напряжение начинает возрастать, но в течении некоторого времени остается меньше, чем напряжение на входе А компаратора. В этот промежуток времени на входе компаратора действует уровень логической 1, благодаря чему логический элемент удерживается в «открытом» состоянии, и через него могут свободно проходить тактовые импульсы.

На рис. 16.11 показаны три тактовых импульса, которые прошли через логический элемент , прежде чем линейно изменяющееся напряжение превысило напряжение на аналоговом входе. В точке Y (рис. 16.11) на выходе компаратора устанавливается логический 0. Логический элемент «запирается». Счет останавливается на двоичном числе 0011. Это двоичное число означает, что напряжение на входе равно .

Недостаток интегрирующего АЦП – слишком большое время, затрачиваемое на счет при преобразовании больших напряжений. Например, при 8-разрядном двоичном входе счетчик в некоторых случаях должен будет сосчитать до 255.

Рассмотрим структурную схему АЦП последовательного приближения (рис. 16.12).


Рис. 16.12. Схема АЦП последовательного приближения
Предположим, что на аналоговый вход подали . АЦП последовательного приближения сначала «формирует запрос» относительно возможной величины аналогового входного напряжения. Этот запрос реализуется путем засылки 1 в самый старший разряд двоичного числа на выходе АЦП, что осуществляется с помощью регистра последовательного приближения (рис. 16.12). Результат операции 1000 поступает через ЦАП на вход В компаратора. Компаратор «отвечает» на вопрос: число 1000 больше или меньше цифрового эквивалента входного напряжения? В данном случае ответ: больше. Тогда регистр последовательного приближения выполняет следующие операции: разряд восьмерок сбрасывается в 0, разряд четверок устанавливается в состояние 1. Результат 0100 через ЦАП пересылается на вход компаратора. Напряжение на входе В меньше, чем на входе А компаратора, поэтому регистр последовательного приближения устанавливает логическую 1 в разряде двоек. Результат 0110 пересылается к компаратору. Напряжение на входе В меньше, чем на входе А компаратора. Регистр последовательного приближения устанавливает логическую 1 в самый младший разряд. Двоичное число 0111 и есть эквивалент входного напряжения, равного .

На рис. 16.13 показана блок-схема алгоритма работы АЦП последовательного приближения. Операции, выполняемые регистром последовательного приближения, указаны в прямоугольниках. Операции, выполняемые компаратором, указаны в блоках сравнения (рис. 16.13).

Рис. 16.13. Блок-схема алгоритма работы АЦП последовательного приближения

Преимущество АЦП последовательного приближения в том, что для получения конечного результата нужно сделать относительно небольшое число запросов. В результате существенно убыстряется процесс аналогово-цифрового преобразования.




Похожие:

Сопряжение цифровых и аналоговых устройств iconПроектирование и моделирование микропрограммных цифровых устройств
Рассмотрены методы проектирования цифровых устройств, выполняющихоперации с плавающей точкой, а также проектирование и моделирование...
Сопряжение цифровых и аналоговых устройств iconПлан конспект урока черчения Тема: Сопряжение. Тдц: Образовательный аспект
Развить навыки работы с инструментами (отрезок, сопряжение, круг, многоугольник)
Сопряжение цифровых и аналоговых устройств iconVhdl англ. Very high speed integrated circuits H
Этот язык (также известный как Verilog hdl) позволяет осуществить проектирование, верификацию и реализацию (например, в виде сбис)...
Сопряжение цифровых и аналоговых устройств iconА. В. Пивак в статье рассмотрены отличия в нормировании метрологических характеристик и методах испытаний для аналоговых и цифровых осциллографов. Предложены процедуры, позволяющие поверять цифровые осциллографы
Автор / источник: Пивак А. В. к т н. Издавалась: Журнал «Вестник связи» №8 2004 г
Сопряжение цифровых и аналоговых устройств iconРек. Мсэ-r b
ГГц и устанавливает нормы по готовности для цифровых систем, которые выше тех, что установлены для аналоговых систем. Приложение...
Сопряжение цифровых и аналоговых устройств iconКонтрольная работа по курсу «Системы автоматизированного проектирования цифровых устройств»
Компания Xilinx является лидером на мировом рынке микросхем программируемой логики
Сопряжение цифровых и аналоговых устройств iconЛокомотивная радиостанция рв-1мц для работы в аналоговых и цифровых сетях технологической радиосвязи железнодорожного транспорта
Радиостанция обеспечивает функционирование в сетях поездной (прс), станционной (срс) и ремонтно-оперативной (рорс) радиосвязи, в...
Сопряжение цифровых и аналоговых устройств iconАнализ тестопригод
Предлагается метод анализа тестопригодности цифровых устройств, представленных на системном (алгоритмическом) уровне, уровне регистровых...
Сопряжение цифровых и аналоговых устройств iconРабочая программа учебной дисциплины схемотехника ЭВМ
Знание основ организации, принципов действия, основных структур и характеристик цифровых операционных устройств, а также принципов...
Сопряжение цифровых и аналоговых устройств iconСписок публикаций
Лобанов В. И. Инженерные методы разработки цифровых устройств. М: Ниирта, 1977(шифр Центр. Политехн. Библиотеки W145 4/231)(шифр...
Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org