Реферат: работа Тема: Построение аналого-цифровых преобразователей

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Кафедра «Радиотехника»

Курсовая работа

Тема: Построение аналого-цифровых преобразователей

Выполнил: ______________________

Проверил: ______________________

Санкт- Петербург

2005

Введение

В настоящее время, быстрого развития компьютерной техники, сотовой телефонии, линий связи и передачи информации, существует острая связь в понимании и практическом применении способов кодирования и декодирования информации.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП ) осуществляет преобразование аналогового сигнала (непрерывный спектр), в сигнал с дискретной формой значений. Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП ) производит обратное преобразование цифрового (дискретного) сигнала в аналоговый.

Например, путём преобразования в цифровую форму с помощью АЦП, расположенного у источника информации, таких реально существующих переменных, как, температура, скорость и звук, и последующего восстановления тех же самых сигналов с помощью ЦАП, расположенном на оконечном устройстве.

Преимущества цифровых методов обработки информации могут быть реализованы лишь в том случае, когда АЦП и ЦАП не вносят в эту обработку ограничений по точности и быстродействию эти ограничения удаётся свести к минимуму при использовании интегральных АЦП и ЦАП. Интеграция схем преобразователей не только существенно улучшила экономические и надёжностные показатели АЦП и ЦАП, уменьшила их габариты с одновременным совершенствованием конструктивного исполнения, но и повысила быстродействие и метрологические характеристики за счёт уменьшения паразитных связей (внутренних емкостей), использования взаимной компенсации и идентичности отдельных элементов интегральных схем.

В зависимости от метода преобразования и способа его реализации разработано много АЦП различных типов (АЦП параллельного преобразования, АЦП двойного интегрирования и др.).

В данной работе рассматривается построение и принципы работы АЦП последовательного счёта.

1. Аналого-цифровые преобразователи

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) предназначены для преобразования аналоговых (непрерывных) сигналов в цифровую форму. Преобразование аналогового сигнала происходит в определенные моменты времени, которые называются точками отсчета. Количество отсчетов за единицу времени определяет частоту дискретизации (преобразования), которая, в свою очередь, определяется быстродействием и условиями использования АЦП. Интервал времени между отсчетами Т_отс и частота дискретизации f_пр связаны соотношением:

Т_отс = 1/f_пр .

В измерительной технике для преобразования медленно меняющихся процессов частота преобразования может быть установлена небольшой - единицы Герц и менее. В устройствах, где требуется преобразовывать сигналы в масштабе реального времени, частота преобразования выбирается из условия достижения максимальной точности восстановления цифрового сигнала в аналоговую форму. Например, преобразование речевого сигнала в дискретную форму. При этом частота дискретизации определяется как f_пр = 2F_мах , где F_мах - максимальная частота речевого сигнала.

Для обеспечения преобразования без искажений требуется выполнение условия:

t _пр < Т_отс ,

где t_пр - время преобразования АЦП одного отсчета.

Основные параметры АЦП

Точность преобразования и качество работы АЦП характеризуют следующие параметры: относительная разрешающая способность, абсолютная разрешающая способность, абсолютная погрешность преобразования, нелинейность преобразования, дифференциальная нелинейность, скорость преобразования (время одного преобразования) и максимальная частота преобразования.

По принципу дискретизации и структуре построения АЦП делятся на две группы: 1-группа АЦП с применением ЦАП и 2-группа АЦП без ЦАП.

К первой группе относятся:

- АЦП последовательного счета (развёртывающего типа);

- АЦП последовательного приближения (поразрядного уравновешивания);

- следящий АЦП.

К второй группе относятся:

- АЦП прямого преобразования;

- АЦП двойного интегрирования;

- АЦП с применением генератора, управляемого напряжением (ГУН).

Каждый тип АЦП имеет свои достоинства и недостатки. На практике встречаются все выше перечисленные типы АЦП.

Сравнительные характеристики АЦП. Наибольшим быстродействием обладают АЦП прямого преобразования. Время преобразования t_пр достигает 10 -20 нсек. Они используются для преобразования сигналов сверхбыстро протекающих процессов и сигналов телевизионного изображения (цифровое телевидение). Они отличаются высокой стоимостью и большой потребляемой мощностью. Функциональная схема АЦП прямого преобразования приведена на рис.1. Она содержит 2ⁿ компараторов, делитель опорного напряжения и преобразователь позиционного кода в параллельный двоичный код. Промышленностью выпускаются 4, 6, 8 - разрядные АЦП прямого преобразования. Время преобразования этих АЦП определяется исключительно только временем распространения сигнала в компараторах t_здкр и преобразователе кодов t_здпр , т.е. t_пр = t_здкр + t_здпр .

Рис. 1 . Функциональная схема АЦП прямого (параллельного) преобразования.

По своему быстродействию на втором месте находятся АЦП последовательного приближения (рис. 2). Время преобразования n- разрядного АЦП определяется как t_пр = nТ + 3Т, где Т - период следования тактовых импульсов, соответствующий времени выборки одного кванта. Дополнительные 3 такта используются для старта( запуска) и формирования сигналов признака завершения процесса преобразования (сигнала “конец преобразования”).

Рис. 2 . Функциональная схема АЦП последовательного приближения.

Принцип работы АЦП последовательного приближения иллюстрируется на рис.3. После запуска, на выходе АЦП устатанавливается число, соответствующее половине напряжения полной шкалы U_пш / 2. Это напряжение сравнивается с входным напряжением U_вх и, в зависимости от результата сравнения, компаратор вырабатывает два сигнала: U₁ , когда U_{вых ЦАП} > U_вх и U₂ при U_{вых ЦАП} < U_вх . Если U_{вых ЦАП} меньше, чем U_вх ЛСУ вырабатывает

команду, при которой к содержимому регистра последовательного приближения РПП прибавляется число, соответствующее половине напряжения, установленного в предыдущем такте. Если же U_{вых ЦАП} > U_вх , то из содержимого РПП это число вычитается (см. рис. 3). Это происходит до тех пор, пока напряжение приращения не станет равным DU_кв , т.е.

U_n = DU_кв =U_пш /2^n. .

Рис.3 Выходное напряжение ЦАП, соответствующее десятичному значению двоичного кода АЦП.

Наибольшим времением преобразования (среди АЦП с использованием ЦАП) обладает АЦП последовательного счета t_пр = 2ⁿ Т. Они проще в изготовлении и имеют наименьшую стоимость. Погрешность преобразования таких АЦП определяется, в основном, погрешностью ЦАП и может быть доведена до значений прецизионных преобразователей. АЦП последовательного счета переводит аналоговый сигнал в цифровой последовательно, начиная с младшего значащего разряда до цифрового кода на выходе, соответствующего уровню входного аналогового напряжения АЦП. Структурная схема такого АЦП приведена на рис. 4, а.

Рис.4. Структурная схема и временная диаграмма АЦП последовательного счета.

С генератора тактовых импульсов через электронный ключ ЭК, который открывается в момент выборки входного аналогового сигнала схемой запуска (СЗ), последовательность импульсов поступает на n- разрядный двоичный счетчик (СЧ). Выход счетчика является выходом АЦП и одновременно управляет схемой ЦАП, вырабатывающей ступенчато нарастающее напряжение (см. рис. 5, б). В момент, когда выходное напряжение ЦАП станет равным входному, компаратор (СР) вырабатывает сигнал, опрокидывающий триггер (ТГ). При этом, сигнал с выхода триггера закроет электронный ключ и остановит счетчик. Содержание счетчика N_сч после его остановки будет соответствовать числу, определяемому входным аналоговым сигналом

N_сч = U_вх / DU_кв .

Наибольшее число в счетчике соответствует входному напряжению, равному U_пш . При этом N_сч = 2ⁿ .

АЦП двойного интегрирования (интегрирующий АЦП) .

Способ двойного интегрирования позволяет хорошо подавлять сетевые помехи. На рис. 5 приведена функциональная схема АЦП двойного интегрирования. Работа его заключается в следующем. Счетчик запускается от генератора тактовых импульсов в момент поступления на интегратор входного сигнала U_вх , из которого за время интегрирования делается выборка. За время выборки напряжение на выходе интегратора U_{вых и} увеличивается. В момент t_и прямое интегрирование заканчивается, входной сигнал от интегратора отключается и к его суммирующей точке подключается эталонный резистор. От времени t_и до моментов t₁ . . . t₃ продолжается разряд конденсатора интегратора с постоянной скоростью.

Рис. 5 . Функциональная схема и временные диаграммы АЦП двойного интегрирования: ЭК-электронный ключ; ПС – пороговая схема; ДЧ – делитель частоты; Г – генератор, СЛУ – счетно-логическое устройство; ИНТ – интегратор; КНУ – компаратор нулевого уровня.

Интервалы времени от t_и до нулевых отметок (t₁ . . . t₃ ) пропорциональны уровню входного сигнала. Существенным преимуществом преобразователя является простота компенсации наводок сети промышленного питания.

АЦП двойного интегрирования относится к наиболее медленно работающим преобразователям. Однако, высокая точность, низкий уровень шумов и низкая стоимость делают их незаменимыми для применения в щитовых приборах, мультиметрах, цифровых термометрах и т.п. Этому способствует также то, что результаты преобразования в интегрирующих АЦП часто представляются в десятичном коде или же в удобном виде для представления цифр десятичной системы счисления.

АЦП с применением ГУН, получивших название преобразователей напряжение - частота, обладают средним временем преобразования и используются, преимущественно, в измерительных системах, например, в системах измерения скорости и торможения автомобилей, измерения ухода частоты несущей в системах связи, высокоточных накопителях информации, помехоустойчивых системах передачи данных, фильтрах и др.

2. Генератор тактовых импульсов

В качестве ГТИ используем схему мультивибратора на логических элементах (ЛЭ) серии ТТЛ. Элементы «ИЛИ-НЕ» имеют стабильные входные и выходные токи, что позволит не применять дополнительных схемных решений для строгой фиксации временных интервалов.

Смена состояния мультивибратора происходит при сравнении напряжения на входе DD1.1 с уровнем U_nop . Пусть в момент времени tq DD1.1 включился, a DD1.2 выключился. Положительный перепад напряжения передаётся через конденсатор С1 на вход DD1.1. Так как при этом напряжение на выходе DD1.3 равно нулю, начинается зарядка ёмкости по цепи: выход DD1.2 - С1 - R1 - выход DD1.3.

По мере зарядки уменьшается ток через резистор и напряжение на нём. При достижении им уровня U_nop мультивибратор переключается в другое состояние, в котором происходит перезаряд ёмкости С1.

Расчёт тактового генератора для АЦП.

Дано:

Частота – 1МГц

Скважность – 4

Длительность фронтов – 10-2 мкс

Амплитуда – 6В

Решение

T=1 / F=

q=T / tи =

tп = Tи - tи =

где T- период

F - частота

tи – время импульса

tп – время паузы

По заданным данным:

Согласуемые элементы серии ТТЛ- КМДП

К155 - K176

Нагрузочная способность ПУ – 3

Частота переключения – 10 МГц

Температурный диапозон - -10 - +45

Выбираю Микросхему К155ЛИ1

рис. а рис. б

УГО (условно - графическое отображение) ИМС (К155ЛИ1),дано на рис. а

На рис б.приведена принципиальная схема двухвходового логического элемента “И”.

Параметры ИМС (К155ЛИ1)

(0) Uвых = 0,4

(1) Uвых = 2,4

(0) Iвх = -1,6

(1) Iвх = 0,04

Kраз (нагрузочная способность) = 10

Преобразователь уровней

Для того, чтобы использовать выше рассмотренный генератор тактовых импульсов необходимо согласовать его выходной сигнал по амплитуде и крутизне фронтов с входами микросхем АЦП, поскольку они выполнены в основном по технологии КМОП, для обеспечения более точного преобразования аналоговых сигналов.

Поэтому между генератором и АЦП необходимо включить преобразователь уровней типа ТТЛ - КМОП.

Для построения схемы ПУ используем универсальные транзисторы типа КТ3102Г: (Таблица 1 )

Таблица 1

Расчёт преобразователя уровней.

Значения резисторов RK и Rб определим из условий двухсторонних ограничений:

Из условия, что напряжение на выходе ПУ не должно быть меньше напряжения U1 кмоп, для наихудшего соотношения параметров определяем первое ограничение сверху на величину RK:

Е - минимальное напряжение питания при заданном допуске;

I1 кмоп и Iкбо, - максимальные значения входного тока КМОП-элемента и обратного тока коллектора транзистора VT1, которые достигаются при максимальной температуре Тмакс заданного температурного диапазона работы ПУ.

Для нахождения I1 кмоп и Iкбо используем упрощенное выражение, описывающее зависимость обратного тока р-n перехода Iо от температуры окружающей среды Т:

Т* - приращение температуры, при которой обратный ток Iо (То) удваивается

(Т*~ (6 или 7)°С для кремния);

Iо (То) - ток Iо при некоторой исходной температуре Т₀ , который приводится в справочнике.

I вх КМОП (Т макс) ~ 1,5мкА * 2 (45 C– 20 C / 6 C) =

I кбо (Т макс) ~ 0,05мкА * 2 (45 C– 20 C / 6 C) =

Rk < (6,05 – 6) / ((2*(48,3мкА)+(16,1мкА)) =

Второе ограничение сверху на величину RK определяется

требованиями обеспечения заданного быстродействия ПУ:

Rк < 1 / (2,3 * f * Cн)

где Сн = nCвх +См

n - нагрузочная способность ПУ;

С_вх - входная ёмкость КМОП - элемента;

С_м - ёмкость монтажа;

f - частота переключения ПУ.

Rк <

Из условия ограничения тока коллектора насыщенного транзистора VT1 максимально допустимым током I_K макс для наихудшего соотношения параметров определим ограничение снизу на величину R_K :

где Е - максимальное напряжение питания при заданном допуске.

Uкэн ~ Iк макс * Rкэн = 0 В

Rк >

С точки зрения уменьшения мощности, потребляемой ПУ, необходимо выбрать величину R_K наибольшей, удовлетворяющей двустороннему ограничению и в соответствии со стандартным рядом номиналов резистора.

Принимаем R_K =

Мощность рассеиваемая на резисторе R_K при насыщении транзистора VT:

P Rк > (E - Uкэн)’ / Rк =

Мощность резистора принимаем минимальной величиной - 0,125 Вт

Из условия, что ток базы Iб транзистора VT не должен превышать

ток I1 вых КМОП, получаем первое ограничение снизу на величину R6:

Rб >

е об- напряжение на р - п переходе Б - Э насыщенного транзистора (для кремниевых транзисторов еоб ~ 0,6В)

Rб <

Из условия, что ток Iб не должен превышать максимально

допустимый ток базы Iб макс выбранного транзистора VT, получим

второе ограничение снизу на величину Rб.

Rб >

Для определения ограничения сверху на величину R₆ потребуем, чтобы обеспечивалась для выбранного транзистора VT степень насыщения S. Тогда

Rб <

Величину Rб выбираем наибольшей, удовлетворяющей двустороннему ограничению, и в соответствии со стандартным рядом номиналов резистора.

Принимаем R б = кОм.

Расчёт мощности, потребляемой ПУ от источника питания.

Если Uвх = Uo ттл, то транзистор VT находится в режиме отсечки и через резистор Rк протекает ток 2I1 кмоп + Iкбо, который будет максимальным при наибольшей температуре. Поэтому мощность, которую ПУ потребляет от источника питания Е в состоянии лог.1 на выходе, равна:

P = E* (n* Iвх кмоп + Iкбо) =

Если Uвх = U1 ттл, то VT насыщен и мощность, потребляемая ПУ в состоянии лог. О на выходе равна:

P = E*Iкн = E*((E – Uкэн) / Rк) + n*Iвх кмоп) =

Интегральный аналог ПУ

рис.6

Микросхема К176ПУ3 содержит шесть независимых преобразователей уровня без инверсии сигнала.

На вывод 1 подаётся напряжение +5В, а на вывод 16 - +9В. Условное обозначение и цоколёвка ИС приведены на рис.6. ИС предназначена для преобразования сигналов от КМДП ИС в сигналы ТТЛ ИС.

Литература:

1. М.И.Богданович, И.Н.Грель, В.А. Прохоренко. Цифровые интегральные микросхемы. Справочник. - Минск. “Белорусь” 1991г.

2. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы. - М.: "Радио и связь", 1987.

3. В помощь радио – любителю. Выпуск 109, 111.- г.1991