Цифровая схемотехника (практикум). Учебное пособие предназначено для выполнения практикума по дис циплинам "Схемотехника электронных средств, "Схемотехника эвм, "Основы микроэлектроники для
 Скачать 0.86 Mb.
|
|
6.2.3 Контрольные вопросы 1 Чем обусловлен "дребезг"? 2 Раскройте понятие "электрическая помеха". Как влияет помеха на досто- верность ввода информации? 3 Поясните работу RS- триггера и составьте таблицу истинности триггера? 4 Объясните работу антидребезговых схем: с RS- триггером, с RC-цепочкой, с пороговым устройством. 5 Дайте понятие “длинной линии” и определение волнового сопротивления линии, коэффициента передачи. 6 Назовите причины искажений сигналов в длинной линии. 7 Какие существуют способы согласования линий передачи данных? 8 Объясните работу схем передачи данных рисунков 6.5, 6.6, 6.7. 85 7 Практикум "Аналого-цифровые преобразователи и цифро- аналоговые преобразователи" Практикум предназначен для изучения основных схемотехнических ре- шений АЦП и ЦАП в микроэлектронном варианте исполнения и получения практических навыков работы с этими устройствами. В настоящее время АЦП и ЦАП широко используются в системах обработки данных и автоматизиро- ванных системах управления для преобразования аналоговых сигналов в циф- ровую форму и наоборот из цифровой формы в аналоговую. В разделе приведены методики выполнения практикумов: - "Цифро-аналоговые преобразователи"; - "Аналого-цифровые преобразователи". 7.1 Практикум "Цифро-аналоговые преобразователи" 7.1.1 Структура и алгоритм работы ЦАП Целью практикума является: - изучение состава и алгоритмов работы нескольких разновидностей ЦАП; - детальное изучение и работа с ЦАП типа 572 ПА1; - сборка электрической схемы; - получение временных диаграмм, поясняющих алгоритм работы ЦАП; - получение передаточной характеристики ЦАП в координатах двоичный цифровой код- аналог. ЦАП представляет собой устройство, преобразующее информацию, вы- водимую с цифровых систем из цифрового вида в аналоговые уровни или дру- гие параметры аналоговых сигналов. ЦАП сопрягает цифровую систему с дат- чиками, измерительными приборами, управляющими или исполнительными устройствами сложных многопараметровых объектов управления или систем сбора и обработки информации. К настоящему времени разработаны и широко применяются несколько разновидностей ЦАП, но в основе работы каждого из них заложен принцип суммирования токов с разрядных генераторов тока с весовыми коэффициента- ми, пропорциональными цифровому коду, поступающему на вход ЦАП. Рас- смотрим один из базовых вариантов структурной схемы ЦАП, приведенный на рисунке 7.1 и поясняющй принцип суммирования токов. Для построения схемы предусмотрены источник опорного напряжения (ИОН), электронные ключи Кл1-Kлn, управляемые по сигналам цифрового кода А1-Аn, цепочка резисторов с двоично - взвешенными номиналами (R, 2R, 4R,..,2 N-1 R) и суммирующий усилитель на основе операционного усили- теля (ОУ). Допустим, что пришел цифровой двоичный код, в котором в стар- шем разряде "1", а в остальных разрядах "0", т.е. код 100....000. Тогда ключ Клn будет в замкнутом состоянии и на вход усилителя будет поступать ток: I N =(U оп /R) , 86 где: U оп - опорное напряжение ИОНа. На выходе суммирующего усилителя появится напряжение: U N = I N (R/2) = (U оп /R) (R/2) = U оп / 2 Представим теперь, что появился код, в котором все разряды кода равны "0", кроме сигнала А1. В этом случае коду 000...001 будет соответствовать ток и напряжение: I 1 = U оп /2 N-1 R , U 1 = I 1 (R/2) = (U оп /2 N-1 R) (R/2) = U оп / 2 N , т.е. напряжение на выходе усилителя будет равно весу младшего значащего разряда (МЗР) ЦАП. Рисунок 7.1 – Схема, поясняющая принцип работы ЦАП с цепочкой ре- зисторов с двоично - взвешанными номиналами Следовательно, в зависимости от кодовой комбинации на входе ЦАП за- мыкаются соответствующие ключи и на вход суммирующего усилителя посту- пают соответствующие разрядные токи, вызывающие формирование на выходе усилителя (выходе ЦАП) напряжения, пропорционального входному коду. Существенным недостатком ЦАП с двоично - взвешенными номиналами резисторов является необходимость получения широкого диапазона тщательно согласованных номиналов резисторов от R до 2 N-1 R , что усложняет технологию производства таких ЦАП в микроэлектронном исполнении. Значительное распространение получили ЦАП, построенные с последо- вательно-параллельной цепочкой резисторов R-2R (рисунок 7.2). 87 Рисунок 7.2 – Схема, поясняющая принцип работы ЦАП с цепочкой ре- зисторов R-2R Замечательным свойством цепочки R-2R является то, что в любом из уз- лов цепочки выходное сопротивление равно R. Например, в узле (1) выходное сопротивление определяется параллельным сопротивлением 2 х резисторов с номиналами 2R, т.е. равно R. В узле (2) выходное сопротивление также будет равно значению R, т.к. [ (2R ||2R) + R] ||2R = R Это свойство цепочки R-2R позволяет задавать разрядные токи на входе суммирующего усилителя в масштабе, пропорциональном значению R и значе- нию цифрового кода. Действительно, если использовать электронные ключи КлN на два положения, которые позволяют подключать резисторы 2R каждого узла (разряда) или к общей шине или к опорному напряжению U оп , то в случае кода 100...000, когда включен ключ КлN старшего разряда, а остальные ключи находятся в положении "общая шина", ток на входе будет равен: I N = U оп /2R, U N = (U оп /2R) R = U оп / 2. Для кода 010...000 будет работать только ключ Кл(N-1) и задавать ток: I N-1 = U оп / 4R, U N--1 = (U оп / 4R) R = U оп /4. Младший значащий разряд определяется кодом 000...001, который задает соответствующие ток и напряжение: 88 I 1 = U оп / 2 N-1 R, U 1 = U оп / 2 N Таким образом, для любой из 2 N кодовых комбинаций можно найти вход- ной ток суммирующего усилителя и выходное напряжение по формуле: I ВХ = А U оп /2 N R, U ВЫХ = А U оп /2 N , где: А - входной код ЦАП. Преимуществом применения в ЦАП цепочки R-2R можно отметить легко поддающуюся точную подгонку номиналов резисторов, т.к. номиналы отлича- ются только в 2 раза. Однако, в ЦАП, построенных с применением цепочки R- 2R, требуется в два раза больше резисторов и необходимы ключи на два поло- жения, что также усложняет технологию производства этих ЦАП. К основным параметрам ЦАП относятся: 1) разрешающая способность - число уровней квантования выходного сиг- нала (число двоичных разрядов входного кода). 2) интегральная нелинейность - отражает степень отклонения характеристи- ки преобразования от идеальной характеристики (в частности от прямой линии). 3) время установления - время, требуемое для установления выходного сиг- нала ЦАП в пределах ± 1/2 МЗР для заданного изменения входного кода, например, при его изменении от нуля до полного значения шкалы. В качестве примера рассмотрим структурную схему промышленного ЦАП типа К572ПА1, приведенного на рисунке 7.3. Десятиразрядный ЦАП К572ПА1 содержит внешний источник опорного напряжения ИОН, ряд R-2R резисторов, двунаправленные ключи на МОП- транзисторах n-типа VT1-VT2, усилители - инверторы УИ для приема кодовых сигналов и выработки управляющих напряжений на ключи Кл1-Кл10, внешний суммирующий операционный усилитель ОУ. Принцип действия описываемого ЦАП аналогичен принципу действия ЦАП, приведенного на рисунке 7.2. 89 Рисунок 7.3 – Функциональная электрическая схема ЦАП типа К572ПА1 (А-Г) Условное – графическое обозначение ЦАП в принципиальных электриче- ских схемах представлено на рисунке 7.4. Рисунок 7.4 – Условно – графическое обозначение ЦАП Назначение выводов в обозначении: - D0-D9 - входы для подачи цифрового кода; - U П - напряжение питания; - U ОП - опорное напряжение; - ОV - корпус (общая шина); - R ос - вход подключения сигнала обратной связи; - I ВЫХ - выходной ток ЦАП; - I ВЫХ - общая шина выходного тока. 90 Основные параметры ЦАП 572ПА1 следующие: - цена (вес) МЗР - 10,24 В/ 2 10 =10 мВ; - интегральная нелинейность характеристики - ±0,1% от полной шкалы; - время установления выходного тока - не более 5 мкс. 7.1.2 Порядок выполнения практикума 1) Оборудование: лабораторный стенд, осциллограф, цифровой вольт- метр. 2) Включите в сеть вилку лабораторного стенда в сеть, заземлите измерительные приборы и подключите их также к сети. 3) Установите тумблер "АЦП-ЦАП" в положение "ЦАП", тумблер "ПРЕ- ОБРАЗОВАНИЕ" в положение "РУЧНОЕ", тумблер ИОНа "ЦЕНА МЛАДШЕ- ГО РАЗРЯДА" в положение "10 мВ" или "5мВ". 4) Подключите цифровой вольтметр к гнезду "U ВЫХ ЦАП". 5) Включите сетевые тумблеры измерительных приборов и стенда в по- ложение "Вкл". На стенде должен загореться индикатор "СЕТЬ". 6) Нажмите кнопку стенда "СБРОС" и запишите показания цифрового вольтметра, измеряющего выходное напряжение на выходе ЦАП. Последова- тельно записывайте кодовые комбинации в регистр последовательных прибли- жений РПП в соответствии с табл.1 посредством кнопок "РУЧНОЕ" и "1/0". Для записи "1" достаточно нажать на кнопку "РУЧНОЕ "при отжатой кнопке "1/0", для записи "0" необходимо сначала нажать на кнопку "1/0" и, не отпуская ее, нажать на кнопку "РУЧНОЕ". Запись продолжайте до момента загорания светодиода "КОНЕЦ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ- ЗАПИСИ". Для каждой кодовой комбинации считывайте показания цифрового вольтметра согласно таблице 1. Таблица 7.1 – Передаточная характеристика ЦАП Обозначения ко- довой комбинации Кодовые комбинации, А ВХ Показания цифрового вольт- метра, U ВЫХ, В А1= А MIN 0000000000 U ВЫХ1 = U ВЫХ MIN А2 0000000001 U ВЫХ2 А3 0000000010 U ВЫХ3 А4 0000000100 U ВЫХ4 А5 0000001000 U ВЫХ5 А6 0000010000 U ВЫХ6 А7 0000100000 U ВЫХ7 А8 0001000000 U ВЫХ8 А9 0010000000 U ВЫХ9 А10 0100000000 U ВЫХ10 А11 1000000000 U ВЫХ11 А12=A MAX 1111111111 U ВЫХ 12 = U ВЫХ MAX 91 7) Постройте передаточную характеристику ЦАП в двойном логарифми- ческом масштабе в виде графика функции: lg (U ВЫХ /U ВЫХ MIN ) = f (lg A ВХ /= А MIN ) Рисунок 7.5 – Зависимость выходного напряжения ЦАП от входного кода в двойном логарифмическом масштабе 8) Определите для ЦАП цену младшего значащего разряда (МЗР) по формуле: МЗР = (U ВЫХ MAX - U ВЫХ MIN )/ (2 10 - 2 0 ). 9) Определите интегральную нелинейность ЦАП по формуле: L i = |∆U MAX | / U ВЫХ MAX , где: |∆U MAX | - максимальное отклонение реальной передаточной характе- ристики от идеальной. 7.1.3 Контрольные вопросы к практикуму 1 На каком принципе основано построение ЦАП? 2 Поясните принцип действия ЦАП рисунке 7.1. 3 Каким отличительным свойством обладает цепочка резисторов R - 2R? 4 Почему в ЦАП используются высокостабильные источники питания? 5 Поясните принцип действия ЦАП на рисунке 7.2. 6 Перечислите основные параметры ЦАП и дайте их определение. Какие параметры имеет промышленный ЦАП типа 572 ПА1? 92 7.2 Практикум "Аналого-цифровые преобразователи" Целью практикума является: -изучение состава и алгоритмов работы нескольких разновидностей АЦП; - детальное изучение и работа с АЦП поразрядного уравновешивания; - получение временных диаграмм, поясняющих алгоритм работы АЦП; - получение статистических распределений (спектров) случайных и де- терминированных сигналов; - вычисление статистических параметров спектров амплитуд случайных сигналов. 7.2.1 Структурные схемы и принципы действия АЦП 7.2.1.1 АЦП представляют собой устройства, преобразующие амплитуду (уровни) или другие параметры аналоговых сигналов различной природы в цифровой вид. "Аналого-цифровые преобразователи" позволяют вводить ин- формацию, содержащуюся в массиве аналоговых сигналов, поступающих от датчиков, измерительных приборов и других устройств, в цифровые вычисли- тельные или управляющие устройства, блоки и системы, в которых произво- дится обработка цифровой информации. К настоящему времени разработаны и широко применяются несколько основных разновидностей АЦП: - АЦП двойного интегрирования; - АЦП последовательного счета; - АЦП поразрядного уравновешивания (последовательного приближе- ния); -АЦП параллельного действия. Основными параметрами преобразователей являются: динамический диапазон входных сигналов, передаточная характеристика преобразования, число уровней квантования, цена младшего значащего разряда (МЗР) преобра- зования (ширина канала), быстродействие, погрешности преобразования (диф- ференциальная и интегральная нелинейности преобразования). 7.2.1.2 Из всех видов АЦП наиболее простыми по принципу действия, но и наиболее сложными по конструктивной и технологической выполнимости являются АЦП параллельного действия. На рисунке 7.6 представлена структурная схема АЦП параллельного действия, который содержит: источник опорного напряжения (Uоп), делитель опорного напряжения (R1-Rn), n компараторов (K1-Kn) равное числу уровней квантования, шифратор унитарного кода в двоичный код (D1). Каждый компа- ратор имеет входной дифференциальный каскад с двумя входами: инверти- рующим и неинвертирующим. АЦП параллельного действия работает следую- щим образом. Делитель напряжений задает ряд опорных напряжений на всех, например, инвертирующих входах компараторов. Опорное напряжение на лю- бом из компараторов определяется из выражения: 93 U n = (U оп / N ) ⋅ n , где: N - число уровней квантования АЦП; n - номер компаратора (номер канала квантования); U оп / N - ширина канала (цена младшего разряда АЦП). Rn – резисторы прецизионного делителя; Kn – компараторы уровня сигналов; D1 – шифратор унитарного кода в двоичный Рисунок 7.6 – Структурная схема АЦП параллельного действия Входное преобразуемое напряжение Uвх поступает на все неинверти- рующие входы компараторы. По сигналу "Строб", поступающего с устройства управления, входное напряжение сравнивается каждым компаратором с опор- ным напряжением. Компараторы выдают на выходе результат сравнения в виде "0" или "1" в зависимости от знака разности между опорным и входным напря- жениями на их двух входах. После окончания сравнения кодовая комбинация с компараторов в виде унитарного кода поступает на шифратор, который на вы- ходе выдает двоичный код уровня входного сигнала. Если для преобразователя известна цена младшего разряда (ЦМР), то величина уровня входного сигнала определяется произведением ЦМР и десятичного выходного кода преобразова- теля. АЦП параллельного действия обладают самым высоким быстродействи- ем из всех видов преобразователей. Время преобразования у современных уст- ройств такого вида составляет величину 5-10 нс. Эти АЦП отличаются сравни- тельно небольшим числом уровней квантования (6-8 и редко 9-10 двоичных разрядов) и средней величиной погрешности преобразования (интегральная не- линейность не менее (1-i) МЗР). Следует отметить также технологическую 94 сложность производства АЦП этого вида из-за большого числа элементов каж- дого вида, примерно равному числу уровней квантования. 7.2.1.3 Принцип действия АЦП с двукратным интегрированием (АЦП ДИ) основан на последовательном интегрировании сначала входного преобра- зуемого напряжения, затем опорного напряжения интегратором. В АЦП ДИ входят следующие устройства: двухпозиционный электронный ключ Кл (рису- нок 7.7), интегратор И, схема управления СУ, генератор тактовых импульсов ГИ, компаратор К и счетчик СТ. Рисунок 7.7 – Структурная схема АЦП (ДИ) При интегрировании входного сигнала в течении некоторого фиксиро- ванного времени Т напряжение на выходе интегратора изменится на величину: , / к т RC TU dU dU ВХ C ВЫХ = = , 1 1 1 1 dt U RC dt R U C dt i С dt dQc С dU ВХ ВХ С C ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ = ⋅ = где: RC - постоянная времени интегрирования интегратора. Если затем интегрировать опорное напряжение U ОП противоположного знака, то напряжение на выходе интегратора примет исходное значение за не- которое время t, пропорциональное изменениям dU C , т. е. величине U ВХ. . В этом случае можно записать: dU С =tU ОП /RC Из выражений (1) и (2) находим: (1) (2) 95 t = (U ВХ. / U ОП ) Т Таким образом, задача преобразования сводится к измерению фиксиро- ванного времени Т и переменного времени t, зависящего от U ВХ. Время Т можно измерить, если заполнить полностью счетчик с фиксированной емкостью 2 N импульсами с тактовой частотой f . Тогда: Т= 2 N / f Следующим шагом (после заполнения счетчика) будет продолжение сче- та тем же счетчиком в течение времени t. При этом счетчиком за время t будет подсчитано число импульсов: n= f ⋅ t, откуда находим: t = n / f Подставляя в (3) выражения (4) и (5) получим: n= 2 N (U ВХ / U ОП ) Следовательно, в счетчике запишется цифровой двоичный код, пропор- циональный U ВХ. Алгоритм работы схемы, приведенный на рисунке 7.7, будет следую- щим: - схема управления СУ выдает команду на двухпозиционный ключ Кл и подключает U ВХ к интегратору, одновременно сбрасывается счетчик СТ в "0" состояние и начинается процесс интегрирования поданного напряжения. Вы- ходное напряжение интегратора изменяется и при достижении порога срабаты- вания компаратора вызывает появление на его выходе изменение логического уровня; - логический сигнал с выхода компаратора поступает на схему управле- ния СУ, которая сигналом "Счет" открывает через элемент "И" счет импульсов в счетчике от тактового генератора; - после заполнения счетчика и его самообнуления импульсом с номером счетчик с его старшего разряда поступает сигнал "Повтор" на СУ, по которому СУ переключает ключ Кл в положение U ОП и процесс интегрирования повторя- ется для U ОП . Одновременно продолжается счет импульсов с генератора в счет- чике; - в некоторый момент времени t компаратор возвращается в исходное со- стояние, счет в счетчике останавливается с числом подсчитанных импульсов n= 2 N (U ВХ. /U ОП ), преобразование входного напряжения в цифровой код закан- чивается; - цифровой код со счетчика переписывается в регистр хранения по ко- манде "Запись" с СУ. Следующий цикл преобразования происходит после пе- реноса информации в регистр хранения с поступлением очередного импульса "Запуск". (3) (4) (5) (6) 96 К недостаткам АЦП (ДИ) можно отнести невысокое быстродействие. Од- нако, у них практически отсутствует зависимость погрешности преобразования от изменения параметров элементов схемы. Эти преобразователи обладают вы- сокой точностью преобразования. Дифференциальная нелинейность может быть в пределах 0,01 – 0,1 цены МЗР, интегральная нелинейность – (0,001-0,01) МЗР. 7.2.1.4 АЦП с поразрядным уравновешивание АЦП (ПУ) нашли самое широкое распространение. АЦП (ПУ) характерны такие свойства, как большое число уровней квантования (до 12 -14 двоичных разрядов), среднее быстродей- ствие (10 5 - 10 6 преобразований в с). Существенным недостатком АЦП (ПУ) яв- ляются большие значения дифференциальной и интегральной нелинейностей (1/ 2 - 1 цены МЗР). На рисунке 7.8 приведена структурная схема АЦП (ПУ), которая включа- ет: регистр последовательных приближений (РПП), цифро - аналоговый преоб- разователь (ЦАП), компаратор (К), генератор тактовых импульсов (ГИ), ре- гистр хранения (RG), схему управления (СУ), источник опорного напряжения (ИОН). В момент поступления сигнала "Пуск" со схемы управления СУ на ре- гистр последовательных приближений начинается цикл преобразований в АЦП в следующей последовательности: - сигналом "Пуск" в старший разряд РПП заносится лог. "1", а в осталь- ные разряды лог. "0"; Рисунок 7.8 – Структурная схема АЦП (ПУ) и временная диаграмма, по- ясняющая принцип преобразования - на выходе ЦАП появляется напряжение, равное половине опорного на- пряжения с ИОНа. Если U ВХ > 1/2 U ОП , то на выходе компаратора появляется лог. "1" , поступающая на РПП и в старшем разряде РПП сохраняется "1", запи- 97 санная при пуске преобразователя. В противном случае компаратор выдает “0” и в старшем разряде РПП стирается "1" и записывается "0"; - с поступлением второго импульса с ГИ на РПП происходит запись "1" в следующий старший разряд и на выходе ЦАП формируется напряжение, соот- ветствующее коду двух старших разрядов РПП, которое также может быть меньше или больше входного напряжения и во второй разряд РПП запишется "0" или "1" в зависимости от выходного состояния компаратора; - далее происходит последовательное опробирование каждого следую- щего разряда РПП и последовательное сравнение входного напряжения и на- пряжения с ЦАП. После опроса младшего (последнего) разряда с РПП появля- ется сигнал "Конец преобразования" (КП), а в РПП будет записан код, соответ- ствующий входному напряжению с погрешностью, равной + - 1/2 цены млад- шего значащего разряда; - по сигналу "КП" схема управления вырабатывает сигнал "Запись" на регистр хранения и данные переносятся в RG. После этого цикл измерений по- вторяется по сигналу "Пуск" со схемы управления. Российская электронная промышленность выпускает сейчас несколько типов АЦП (ПУ), например: 1113 ПВ1, 1108 ПВ2. АЦП ПУ 1113 ПВ 1 имеют выходные шинные формирователи с тремя состояниями и могут подключаться непосредственно к микропроцессорной системе и управляться от нее. |