Анализ поставленной задачи

 

 

Содержание

Введение	3-4
1.Анализ поставленной  задачи	5-19
2.Проектирование аппаратной конфигурации	20-24
3. Проектирование программной конфигурации	25-34
Листинг программного кода	35-36
Принципиальная схема	37
Заключение	38
Список литературы	39

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Преобразование между аналоговыми и цифровыми величинами – основная операция в вычислительных и управляющих системах, поскольку физические параметры, такие, как температура, перемещение, и напряженность магнитного поля, являются аналоговыми, а большинство практических методов обработки, вычисления и визуального представления информации – цифровыми. Путем преобразования в цифровую форму с помощью АЦП, расположенных в оконечном устройстве, реализуются высокоскоростные, малошумящие, устойчивые и дешевые системы передачи данных на большие расстояния.

Несмотря на широко распространенное применение преобразователей, стандартизации в этой области почти нет. Также отсутствуют производственные линии, в которых производство преобразователей доминирует настолько, чтобы обеспечить практическую основу для стандартизации. К тому же изготовители оговаривают определенные допустимые условия для своих приборов. При анализе табличных данных следует уделять большое внимание выявлению условий, при которых определяется каждый параметр. Разные фирмы – изготовители преобразователей определяют и проверяют одни и те же параметры различными способами. В этом случае разработчик систем должен быть сам убежден в том, что преобразователь будет согласован и совместим с системой.

Эти трудности дополнительно усугубляются многообразием в терминологии и неточностью определений. Изменение технологии производства, разработка новых полупроводниковых элементов и изменяющиеся требования, продиктованные условиями минимальной стандартизации, приводят к возрастающему разнообразию имеющихся преобразователей. К тому же, поскольку методы преобразования различны, одинаковые приборы могут проявлять едва заметные, но существенные для эксплуатации отличия. В результате выбор наилучшего преобразователя для конкретного применения требует высокой степени мастерства.

Так как АЦП и ЦАП по существу являются устройствами сопряжения, основную схему преобразования необходимо приспосабливать для удовлетворения требований различных применений. Для адаптации необходимы суммирующие регистры, буферы, цифровой узел синхронизации и источник опорного напряжения: их часто предусматривают внешними по отношению к преобразователю. Очевидно, что точное определение того, что содержится в модуле преобразователя, существенно влияет на цену и затрудняет сравнение конкурирующих моделей.

Еще несколько лет тому назад такое сравнение приходилось проводить буквально по множеству элементов, что было достаточно дорого и сложно. В настоящее время с появлением преобразователей с высокой разрешающей способностью на дешевых элементах модульной конструкции, которые работают на высоких скоростях, а стоят лишь часть того, что они стоили раньше, цифровая обработка сигналов стала доступна любому разработчику, который в ней нуждается. Это стало возможным благодаря успехам в толсто- и тонкопленочной и полупроводниковой технологиях, которые объединили множества элементов в единое целое в области одного кристалла. В итоге значительно уменьшились размеры, во многих случаях улучшились характеристики и, конечно, снизилась удельная стоимость преобразователей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Анализ поставленной задачи 

 

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) предназначен для преобразования числа, определенного, как правило, в виде двоичного кода, в напряжение или ток, пропорциональные значению цифрового кода. Схемотехника цифро-аналоговых преобразователей весьма разнообразна. На рисунке 3.1 представлена классификационная схема ЦАП по схемотехническим признакам. Кроме этого, ИМС цифро-аналоговых преобразователей классифицируются по следующим признакам:

а) по виду выходного сигнала: с токовым выходом и выходом в виде напряжения;

б) по типу цифрового интерфейса: с последовательным вводом и с параллельным вводом входного кода;

в) по числу ЦАП на кристалле: одноканальные и многоканальные;

г) по быстродействию: умеренного и высокого быстродействия.

 

Рисунок 3.1 – Классификация ЦАП

 

Последовательные ЦАП

ЦАП с широтно-импульсной модуляцией

Рассмотрим ЦАП с широтно-импульсной модуляцией.

Очень часто ЦАП входит в состав микропроцессорных систем. В этом случае, если не требуется высокое быстродействие, цифро-аналоговое преобразование может быть очень просто осуществлено с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Наиболее просто организуется цифро-аналоговое преобразование в том случае, если микроконтроллер имеет встроенную функцию широтно-импульсного преобразования.

В зависимости от заданной разрядности преобразования контроллер с помощью своего таймера / счетчика формирует последовательность импульсов.

Рассмотренный ЦАП обеспечивает почти идеальную линейность преобразования, не содержит прецизионных элементов (за исключением источника опорного напряжения). Основной ее недостаток – низкое быстродействие.

Последовательный ЦАП на переключаемых конденсаторах

Рассмотренный выше ЦАП с ШИМ вначале преобразует цифровой код во временной интервал, который формируется с помощью двоичного счетчика квант за квантом, поэтому для получения N-разрядного преобразования необходимы 2N временных квантов (тактов). Последовательный ЦАП на переключаемых конденсаторах позволяет выполнить цифро-аналоговое преобразование за значительно меньшее число тактов.

ЦАП на переключаемых конденсаторах имеет ряд недостатков: это и процесс разряда и заряда конденсаторов, который занимает большое время преобразования. А если еще и нужно сохранять результат преобразования, то к этому ЦАПу следует подключить устройство выборки-хранения (УВХ). После окончания цикла преобразования следует провести цикл выборки, перевести УВХ в режим хранения и вновь начать преобразование.

Данный преобразователь используется в электронной технике довольно редко, как и ЦАП с ШИМ, ввиду того, что на перезаряд конденсаторов требуется большое время.

 

Параллельные ЦАП

ЦАП на базе двоично-взвешенных резисторов

ЦАП на основе двоично-взвешенных резисторов состоит из матрицы двоично-взвешенных резисторов, N переключателей на каждый разряд, управляемых цифровыми сигналами, источника опорного напряжения и суммирующего элемента.

Функцию суммирующего элемента выполняет операционный усилитель (ОУ) в инвертирующем включении, для которого вся матрица резисторов может быть представлена одним входным резистором. Операционный усилитель обеспечивает нулевой потенциал на выходе матрицы резисторов (инвертирующем входе ОУ) независимо от состояния переключателей S1-S4.

Большинство схем параллельных ЦАП основано на суммировании токов, сила каждого из которых пропорциональна весу цифрового двоичного разряда, причем должны суммироваться только токи разрядов, значения которых равны 1.

 

Рисунок 3.2 – Простейшая схема ЦАП с суммирование весовых токов

 

Здесь весовые токи формируются с помощью резисторов в полном соответствии с законом Ома. Сопротивления резисторов выбирают так, чтобы при замкнутых ключах через них протекал ток, соответствующий весу разряда. Ключ должен быть замкнут тогда, когда соответствующий ему бит входного слова равен единице. Выходной ток определяется соотношением

 

,      (3.1)

 

где k – разрядность входного кода;

 – принимает значение 0 или 1 в зависимости от состояния i – разряда входного кода;

D – входной код (точнее суммарный вес входного кода).

При высокой разрядности ЦАП токозадающие резисторы должны быть согласованы с высокой точностью. Наиболее жесткие требования по точности предъявляются к резисторам старших разрядов, поскольку разброс токов в них не должен превышать тока младшего разряда.

Поэтому разброс сопротивления в k-м разряде должен быть меньше, чем

 

        (3.2)

 

Из этого условия следует, что относительная погрешность сопротивления весовых резисторов должна снижаться по мере роста разрядности ЦАП. Например, в четвертом разряде 4 – разрядного ЦАП она не должна превышать 6%, а в десятом разряде 10 – разрядного – 0,1%. Это требование делает фактически нереализуемым по указанному принципу ЦАП с разрядностью выше 12, особенно для высокоскоростных схем. Поэтому в ЦАП высокой разрядности обычно применяют сегментацию цепей задания весовых токов старших разрядов.

Рассмотренная схема ЦАП с суммированием весовых токов при всей её простоте обладает рядом недостатков:

а) при различных входных кодах ток, потребляемый от источника опорного напряжения (ИОН), будет различным, а это может повлиять на величину входного напряжения ИОН;

б) значения сопротивлений весовых резисторов могут различаться в тысячи раз, что делает весьма затруднительной реализацию этих резисторов в полупроводниковых ИМС. Кроме того, сопротивления резисторов в старших разрядах в многоразрядных ЦАП может быть соизмеримым с сопротивлением замкнутых ключей, а это ведет к дополнительным погрешностям преобразования;

в) в этой схеме к разомкнутым ключам прикладывается значительное напряжение, что усложняет их построение.

Рассмотрим схему ЦАП, которая в настоящее время является по существу промышленным стандартом (по ней выполнены многие серийные модели ЦАП). Указанная схема представлена на рисунке 3.3. В качестве ключей здесь используются МОП-транзисторы.

 

Рисунок 3.3 – Схема ЦАП с переключателями и матрицей постоянного импеданса

 

В этой схеме задание весовых коэффициентов ступеней преобразователя осуществляют посредством последовательного деления опорного напряжения с помощью резистивной матрицы постоянного импеданса (так называемая матрица R-2R).

Предполагается, что благодаря малому или близкому к нулю входному импедансу приемников выходных токов при любом положении ключей нижние выводы резисторов находятся под потенциалом общей шины схемы. Поэтому источник опорного напряжения всегда нагружен на постоянное сопротивление R. Это гарантирует неизменность опорного напряжения при любом входном коде ЦАП.

Согласно рисунку 3.3, выходные токи схемы определяются соотношениями

 

,     (3.3)

     (3.4)

     (3.5)

 

Поскольку нижние выводы резисторов 2R матрицы при любом состоянии переключателей Sk соединены с общей шиной схемы через низкое сопротивление замкнутых ключей, напряжения на ключах всегда небольшие, в пределах нескольких милливольт. Это упрощает построение ключей и схем управления ими и позволяет использовать опорное напряжение из широкого диапазона, в том числе и различной полярности. Поскольку выходной ток ЦАП зависит от Uоп линейно (3.3), преобразователи такого типа можно использовать для умножения аналогового сигнала (подавая его на вход опорного напряжения) на цифровой код. Такие ЦАП называют перемножающими.

Точность этой схемы снижает то обстоятельство, что для ЦАП, имеющих высокую разрядность, необходимо согласовывать сопротивления ключей в открытом состоянии с разрядными токами. Особенно это важно для ключей старших разрядов.

ЦАП на источниках тока обладают более высокой точностью. В отличие от предыдущего варианта, в котором весовые токи формируются резисторами сравнительно небольшого сопротивления и, как следствие, зависят от сопротивления ключей и нагрузки, в данном случае весовые токи обеспечиваются транзисторными источниками тока, имеющими высокое динамическое сопротивление. В качестве переключателей тока часто используются биполярные дифференциальные каскады, в которых транзисторы работают в активном режиме. Это позволяет сократить время установления до единиц наносекунд. Поскольку выходные сигналы таких ЦАП захватывают радиочастотный диапазон, они имеют выходное сопротивление 50 или 75 Ом, которое должно быть согласовано с волновым сопротивлением кабеля, подключаемого к выходу преобразователя.

Формирование выходного сигнала в виде напряжения

Существует несколько способов формирования выходного напряжения для ЦАП с суммированием весовых токов. Для исключения влияния сопротивления нагрузки оптимальным вариантом является схема с повторителем напряжения на ОУ (рис. 3.4).

 

Рисунок 3.4 – ЦАП на резистивной матрице типа R-2R с выходом по напряжению

 

Информация с ЦАП на матрице типа R-2R может получена также и в виде тока, как показано на рисунке 3.5. В этой схеме двоичное деление токов ключей S1, S2, S3 осуществляется с помощью последовательного деления тока между шунтирующими резисторами с сопротивлениями 2R и последовательно с ними включенными ветвями цепочки резисторов с сопротивлением R. При этом токи в ветвях такой цепочки резисторов удовлетворяют двоичному соотношению и вклад каждого разряда в выходной сигнал пропорционален его двоичному весу. Отличие этой схемы в том, что цепочка резисторов R-2R нагружена на согласующий резистор 2R, который является входным для инвертирующего ОУ. Для получения на выходе ОУ напряжения, равного Uоп/2 при включении старшего разряда, на ОУ установлен коэффициент передачи K = -3/2.