Аналогово-цифровой преобразователь двухтактного интегрирования

Аналого-цифровые прео                                                               Содержание

 

                                                                                Введение                                                                                   ст.

                                                                                1.Анализ литературных источников.......................................2

                                                                                     1.1Общие сведенье об АЦП..................................................2

                                                                                     1.2Последовательные АЦП..................................................4

                                                                                     1.3АЦП с двух тактным интегрированием..........................6

                                                                                     1.4АЦП средних значений напряжения...............................8

                                                                                  2.Выбор схемы......................................................................12

                                                                                     2.1.Выбор схемы АЦП и ее обоснования.............................12

                                                                                     2.2.Краткое описание работы схемы...................................13

3. Выбор ЧМС АЦП, ее основные параметры…………………15

                                                                                     3.1.Интегратор……………………………………………………..15

   3.2. Схема автоматического переключения полярности опорного напряжения……………………………………………………………....16

     3.3.Комператор……………………………………………………..17                                         3.4. Схема управления на микроконтроллере……………………………18

4.Параметры……………………………………………………………..19

     4.1.Динамические параметры……………………………………19

     4.2.Статические параметры……………………………………..20

Заключение

Список использываной литературы

 

 

 

 

 

 

                                                                                                                     Введение

  Техническую основу современных средств преобразования инфорции

составляют электронные устройства, выполняющие как линейные, так  и нелинейные операции. Переход на интегральные микросхемы и

микропроцессорную технику открывает  большие возможности для улучшения свойств устройств релейной защиты и автоматики, измерения и передачи аналоговых и интегральных параметров, в том числе по системам телемеханики, управления объектами электроэнергетики и регулирования режимов их работы. Рассмотренные вопросы применения, принципов работы и проектирования

аналого-цифровых (АЦП) и цифро-аналоговых (ЦАП) преобразователей помогут студентам в освоении теоретического материала, при курсовом и дипломном проектировании по дисциплинам "Средства диспетчерского и технологического управления", "Релейная защита и автоматика", "Измерительные комплексы" и "Основы микропроцессорной техники". Глубокое изучение указанных устройств обусловлено тем обстоятельством, что АЦП и ЦАП применяются для связи цифровой микропроцессорной и вычислительной техники с объектами контроля и управления, т.е. для преобразования в реальном масштабе времени аналоговых входных сигналов в цифровой код и для обратного преобразования цифровой информации в аналоговый выходной сигнал информационно-управляющих устройств.

Методическое пособие содержит приложение, в котором приведены

основные электрические параметры  и технические характеристики

                                                                                                             современных интегральных схем ЦАП и АЦП отечественного производства.

 

 

                                                                                              1.Анализ литературных источников

                                                                                                    1.1. Общие сведения об АЦП

                                                                             Преоброзователи (АЦП) представляют собой устройства, которые преобразуют входные аналоговые сигналы в соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для работы с ЭВМ и другими цифровыми устройствами, т. е. АЦП

выполняют операцию, обратную ЦАП. АЦП широко применяются в устройствах дискретной автоматики, цифровых системах управления для преобразования аналоговых сигналов от датчиков в цифровую форму, в системах отображения для цифровой индикации, в системах передачи данных и многих других областях техники.

Принципиально не исключена возможность непосредственного преобразования значении различных физических величин в цифровую форму, однако эту задачу удастся решать лишь в редких случаях из-за сложности таких преобразователей. Поэтому в настоящее время наиболее рациональным является способ преобразования различных По физической природе сигналов сначала в электрические, а затем уже С помощью преобразователей напряжение- код в цифровые.

Система основных электрических параметров ЦАП, отражающая Особенности их построения и функционирования, включает:

чисто разрядов Ь — количество разрядов кода, связанного с аналоговой величиной, которое может вырабатывать АЦП;

коефициент преобразования К_пр—отношение приращения выходного сигнала к приращению входного сигнала для линейной характеристики преобразования;

абсолютную погрешность преобразования в конечной точке шкалы Ь_пш — отклонение значений входного напряжения от номинального значения, соответствующего конечной точке характеристики преобразования;

напряжение смещения нуля на входе и_вхо — приведенное ко входу напряжение, характеризующее отклонение начала характеристики АЦП от заданного значения, измеряется в единицах младшего разряда;

время преобразования t_пр — интервал времени от момента заданного изменения сигнала на входе АЦП до появления на его выходе соответствующего устойчивого кода.

В основу классификации АЦП можно положить признак временного развертывания процесса преобразования аналоговой величины в цифровую. В соответствии с этим признаком выборочные значения Аналогового сигнала преобразуются в цифровые эквиваленты операциями квантования и кодирования с помощью либо последовательной, либо параллельной, либо последовательно-параллельной процедуры приближения цифрового эквивалента к преобразуемой величине, а методы построения АЦП соответственно делятся на последовательные, параллельные и последовательно-параллельные.

Классификация типов АЦП в соответствии с этими методами приведена на рис. 9.32. Рассмотрим в соответствии с этой классификацией основные принципы построения АЦП различных типов

 

 

 

  1.2.  Последовательные      АЦП

                                                                             Последовательну процедуру проеоброзования аналоговой величины в цифровой код можно реализовать с помощью как единичных, так и двоично-взвешенных приближений, т. е. входной сигнал уравновешивается либо суммой эталонов, т. е. минимальных для данного преобразователя и равных друг другу мер, либо набором из п эталонов выработанных внутри преобразователя (где n — число разрядов АЦП) и взвешенных по двоичному закону. В соответствии с этим последовательные АЦП можно разделить на последовательные АЦП счета и сравнения (поразрядного кодирования).

АЦП счета. К последовательным АЦП счета относятся преобразователи без промежуточного преобразования, с промежуточным преобразованием, с накоплением и интегрирующие.

В качестве типичного примера АЦП без промежуточного преобразования можно привести преобразователи напряжение-частота, рассмотренные в п. 9.5. Среди АЦП с промежуточным преобразованием чаще других используются преобразователи во временной интервал и частоту. В первом случае происходит последовательное преобразование входного сигнала во временной интервал, а затем временного интервала в цифровой код. Во втором случае входной сигнал преобразуется в последовательность импульсов соответствующей частоты, которые затем подсчитываются счетчиком за определенный интервал времени. Число зафиксированных импульсов пропорционально входному сигналу.

 

Пример схемы АЦП первого типа представлен на рис. 9.33, а, а временные диаграммы его работы — на рис. 9.33, б. Схема содержит:

два компаратора: CC1 и СС2,                                   Два комператора: СС1 и СС2, первый из которых имеет опорное напряжение Uon, а второй — U_вх. Процесс преобразования начинается с приходом запускающего импульса, который сбрасывает триггер T1 и счетчик CT в ноль. При этом ключ SA размыкается и на конденсаторе С начинает формироваться линейно нарастающее напряжение и_с от генератора тока I. При и_с=Uon срабатывает компаратор CC1, выходной импульс и_сc1 которого запускает генератор счетных импульсов G. Счетные импульсы U_G эталонной частоты начинают поступать на счетчик и накапливаться в нем. Этот процесс продолжается до тех пор, пока пилообразное напряжение не сравняется с входным (и_с= =U_вх). В этот момент срабатывает компаратор СС2, устанавливая триггер T1 в единицу. Ключ SA замыкается, конденсатор С быстро разряжается и напряжение на выходах обоих компараторов становится равным нулю. Генератор G прекращает свою работу и на выходе счетчика СТ фиксируется код, соответствующий разности сигналов U_вх и

Uon.

Структурная схема АЦП второго типа представлена на рис. 9.33, в. В отличие от предыдущего АЦП в этой схеме входной сигнал преобразуется преобразователем напряжения в частоту импульсов (ПНЧ), а формирователь калиброванных по длительности импульсов вырабатывает прямоугольные импульсы длительностью T_изм, которые модулируют высокочастотные выходные импульсы преобразователя. Эти импульсы затем подсчитываются в счетчике и их число представляет собой цифровой эквивалент входного сигнала.

Работа преобразователя описывается соотношением

 

где а = F/и_вх — величина, обратная                       где а = F/и_вх — величина, обратная    крутизне преобразования напряжения в частоту; F — выходная частота преобразования напряжения в частоту.

1.3.Интегрирующие АЦП можно разделить на АЦП с двухтактным интегрированием и дискретной обратной связью.

Первые включают АЦП  с интегрированием входного сигнала  за постоянный интервал времени и АЦП с интегрированием входного сигнала до заданной величины. Принцип их действия состоит в том, что в первом такте интегрируется входной сигнал, а во втором — противоположный ему по знаку опорный  сигнал.

 

Окончание первого такта  интегрирования является началом второго. В течение выбранного такта интегрирования ведется счет импульсов, который прекращается в момент равенства нулю сигнала на выходе интегратора. Число зафиксированных счетчиков импульсов пропорционально входному сигналу АЦП.

Пример схемы АЦП  с интегрированием за фиксированный  интервал времени приведен на рис. 9.34, а. Полный цикл ее работы состоит из двух тактов. В первом с помощью аналогового интегратора происходит интегрирование входного напряжения за фиксированный интервал времени. В результате этой операции на выходе интегратора формируется напряжение u_вых. Во втором такте происходит разряд конденсатора от источника опорного напряжения u_оп До нуля (рис. 9.34, б).

Схема работает следующим  образом. При переключении ключа SA в верхнее положение на выходе повторителя DA1 положительное напряжение.

u_вх, которое интегрируется интегратором DA2 и подается на вход нуль-органа DA3. Этот процесс продолжается в течение фиксированного интервала времени Т = N_max/f_cч, где N_max — емкость счетчика СТ, на вход которого подаются импульсы калиброванной частоты f_cч. Начало интервала Т совпадает с моментом включения ключа SA, а конец — с моментом переполнения счетчика. Импульсом переполнения с выхода счетчика ключ SA переключается вниз (схема управления ключом и закрывания счетчика СА не показана). При этом на вход интегратора подается напряжение u_оп стабильной величины и противоположной по отношению к u_вх полярности. Направление интегрирования интегратора изменяется на противоположное и в момент, когда напряжение на его выходе станет равным нулю, срабатывает нуль-орган DA3, опять запуская схему формирования интервала Т и переключая ключ SA вверх.

Так как заряд, приобретаемый  конденсатором в течение первого  такта, зависит от величины U_вх.

T₁=Uвх.ср T/RC

где Uвх.ср — среднее значение входного напряжения за время Т,  а удаление заряда из конденсатора происходит под действием постоянного напряжении u_{оп         q2=} u_{оп t1/RC}

то восстановление исходного  состояния происходит за разные отрезки времени: Т и t_lf

Время t1 является переменным и его последующее измерение с помощью счетных импульсов с периодом следования   t_Cч = l/f_Cч позволяет получить цифровой эквивалент Uвх.сер. Действительно, поскольку условием правильной работы АЦП является q_t = q₂, то

(Uвх.ср/RC)*T=(Uоп/RC)*t1   

откуда

t1=(Uвх.ср/Uоп)*T

или в пересчете на   количество   счетных   импульсов

 N =(Uвх.ср./Uоп)*Nmax

АЦП двойного интегрирования отличаются повышенной помехозащищенностью, малыми динамическими и статическими погрешностями, но имеют низкое быстродействие, что ограничивает их применение в быстродействующих системах обработки сигналов.

1.4.АЦП средних значений напряжения (интегрирующий АЦП) можно разделить на следующие основные виды: с время-имлульсным преобразованием, с частотно-импульсным преобразованием и со статистическим усреднением. Наибольшее распространение получили первые две группы АЦП.