WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 |
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ ФАКУЛЬТЕТ КОМПЬЮТЕРНЫХ НАУК АЦП И ЦАП В АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ Пособие по специальностям 51500 “Радиофизика и электроника” 071900 “Информационные системы и технологии” ВОРОНЕЖ 2003 2 Утверждено научно-методическим советом физического факультета Составители: Алгазинов Э.К., Бобрешов А.М., Дыбой А.В.

Программа подготовлена на кафедре электроники физического факультета Воронежского государственного университета.

Рекомендуется длямагистрантов 2-го года обученияпо специальностям 51500 “Радиофизика и электроника”, 071900 “Информационные системы и технологии”.

3 Введение................................................................................................................ 4 Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП)................................................. 5 Аналого-цифровые преобразователи (АЦП)................................................. 8 АЦП последовательного приближения.......................................................... 9 Двухтактный интегрирующий АЦП............................................................ 10 АЦП с преобразованием напряжения в частоту........................................ 11 АЦП параллельного, или мгновенного, преобразования.............................. 12 АЦП параллельного, или мгновенного, преобразования.............................. 12 Принципы функционирования интерфейса................................................ 13 Лабораторные макеты..................................................................................... 14 Порядок работы с платами L-154 и L-1208.............................................. 14 ПЛАТА L-154..................................................................................................... 15 Программное обеспечение............................................................................. Библиотека подпрограмм и язык Паскаль................................................ Пример.......................................................................................................... Используемые термины.............................................................................. Форматы данных......................................................................................... Частота ввода............................................................................................... Модели памяти............................................................................................ Функции общего назначения..................................................................... Работа с аналоговыми каналами................................................................ Цифро-аналоговые каналы......................................................................... Работа с прерываниями.............................................................................. Функции работы с таймерами................................................................... Плата L-1208...................................................................................................... Цифро - аналоговый преобразователь(ЦАП)........................................... Цифровые входы и выходы....................................................................... Пример.......................................................................................................... Форматы данных......................................................................................... Конфигурирование платы.......................................................................... Работа с каналом Прямого Доступа к Памяти (ПДП)............................. Цифровые ТТЛ Линии................................................................................ Работа с Прерываниями............................................................................. Список литературы.......................................................................................... ВВЕДЕНИЕ Данное учебное пособие предназначено для студентов, выполняющих лабораторные работы по курсу “Автоматизированные системы научных исследований” (АСНИ). В первой частикратко описываются общие принципы работы ЦАП и АЦП, которые являются неотъемлемой частью любой современной системы сбора данных и управления технологическим или другим процессом. Далее приводится техническаяинформацияо платах L154 и L1208 фирмы L-Card, а также описаниебиблиотек дляих программирования на языке Паскаль (Turbo Pascal фирмы Borland). Макеты длявыполнениялабораторных работ сделаны на основе IBM – совмести мого компьютера и одной из описанных плат, котораяустановлена в слот расширения ISA на системной плате компьютера. В состав макетов входят также приборы – осциллографы, генераторы сигналов, в зависимостиот выполняемой работы.

ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ (ЦАП) Неотъемлемой частью ЦАП является операционный усилитель (ОУ) с хорошими линейными свойствами. Параметры ОУ определяются разрядностью ЦАП, диапазоном выходных напряжений, быстродействием, нагрузочной способностью ит.д. Напомним основные свойства ОУ и рассмотрим одну из базовых схем его включения. Несмотря на большоеразнообразиетипов ОУ, дляупрощениярасчетов предполагается, что все они обладают следующими свойствами:

1. Коэффициент усиления при разомкнутой петле обратной связи равен бесконечности.

2. Входноесопротивление равно бесконечности.

ОУ 3. Выходноесопротивление равно нулю.

4. Ширина полосы пропускания равна бесконечности(бесконечно протяженнаяамплитудно-частотнаяхарактеристика).



5. При равенстве напряжений на прямом иинвертирующем входе выходноенапряжениеравно нулю (отсутствует напряжениесмещения ).

нуля На рис.1 изображена одна из базовых схем включенияОУ, которая работает как инвертирующий усилитель Эта схема широко.

используется в измерительной технике, в частностипри изготовлении ЦАП. Найдем выражения для коэффициента усиления при таком включении.

Поскольку неинвертирующий Рис.вход заземлен, его потенциал равен нулю. Согласно правилу 1, потенциал инвертирующего входа также равен нулю (это так называемаявиртуальнаяземля). В противном случае, так как коэффициент усиленияравен бесконечности, на выходе появляется бесконечно большой положительный сигнал, который поступает на инвертирующий вход. Поскольку согласно правилу 2 входной ток ОУ равен нулю, справедливо выражение:

= -ii (1) i f Поскольку правый вывод резистора Ri находится под потенциалом земли, а к левому выводу приложено входноенапряжение vi, то входной vi vток ii =. Аналогично получаем if =. Подстановка этих Ri Rf vi - v0 v0 - Rf выражений в (1) дает = или =.

Ri Rf vi Ri Таким образом, коэффициент усилениявышеприведенной схемы равен - RR.

f i На рис.2 представлена типичная структурная схема n-разрядного ЦАП.

Он содержит регистр из n фиксаторов, в которых находится двоичное число, подлежащее преобразованию. Каждый фиксатор управляет работой транзисторного ключа, связанноРис. го с определенным резистором в резисторной матрице (сетке). Прецизионный источник опорного напряжениязадает диапазон изменения выходного напряжения ЦАП. Выходной операционный усилитель (ОУ) выполняет функцию сумматора, обеспечиваясложение результатов при одновременной активации того или иного набора ключей.

При замыкании одного из ключей выходноенапряжение ЦАП определяется произведением опорного напряжения Eref на отношениесопротивлений резистора обратной связи и сопротивленияматрицы, находящегося в цепи данного ключа. Например, если замкнут ключ, соответствующий старшему значащему разряду (СЗР) регистра, то выходное напряR Eref жение eout = Eref =.

2R При установке логической единицы в разряде R Eref eout = Eref =. При за8R мыкании нескольких ключей результирующее выходноенапряжение определяется суммой вкладов от каждого замкнутого ключа. Таким образом, для приведенной схемы ЦАП можно получить 16 различных Рис. дискретных уровней выходного напряжения соответст, вующих 16 различным двоичным комбинациям на входе ЦАП.

Для n-разрядного ЦАП может быть получено до 2n уровней выходного напряжения Для простых ЦАП общего назначения все эти компоненты.

можно объединить в одной интегральной микросхеме. Однако для ЦАП большей разрядности изготовление их по приведенной выше схеме сопряжено со значительными трудностями. Это связано с необходимостью изготовленияна одном кристалле сопротивлений с оченьбольшой разницей в номиналах. Например, для 10-разрядного ЦАП сопротивлениерезистора в цепи младшего значащего разряда должно быть в 210 раз больше сопротивлениярезистора обратной связи. В силу этого при изготовлении интегральных ЦАП чаще используется схема, приведенная на рис.3. По своим характеристикам эта схема эквивалентна изображенной на рис.2, но в ней используются резисторы только двух номиналов – R и 2R. Структура резисторной матрицы такова, что ток, втекающий в нее через какую-либо ветвь, делится в каждом узле на два равных тока.

АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ (АЦП) Аналого-цифровые преобразователи представляют собой наиболее важную часть любой системы сбора данных. Работа любого АЦП строится на сравнении аналогового опорного сигнала с входным сигналом. Поэтому большинство схемных реализаций АЦП основано либо на использовании внутреннего ЦАП длягенерированияопорного сигнала, или на применении некоторого способа интегрированиядляосуществленияфункции преобразования Рассмотрим некоторые схемотехнические приемы, исполь.

зуемые при построении внутренних функциональных структур АЦП. Наиболее простым типом АЦП является АЦП с динамической компенсацией.

На рис. 4а показана структурнаясхема такого преобразователя. Здесь используется счетчик импульсов, который обеспечивает постепенноенарастаниевыходного сигнала связанного с ним ЦАП, пока этот сигнал непревысит уровень выходного сигнала. Выходной сигнал ЦАП при каждом единичном изменении состояния счетчика возрастает на величину младшего значащего разряда (МЗР). Компаратор останавливает счетчик, когда выходное напряжение ЦАП достигает уровня входного сигнала. СостояРис. ние счетчика в этот момент и является цифровым выходным сигналом АЦП. Главный недостаток этого простого способа аналогоцифрового преобразования – низкое быстродействие и зависимость временипреобразованияот уровнявходного сигнала (рис. 4б). Поэтому чаще применяют модифицированный вариант АЦП с динамической компенсацией - так называемый "следящий" АЦП. В этом случаеиспользуется реверсивный счетчик, считающий как в прямом, так иобратном направлении (рис.4в). Это позволяет отслеживать изменениесигнала в обоих направлениях при условии, что изменения сигнала невелики.

АЦП последовательногоприближения Этот тип АЦП используется наиболее часто дляреализации функций аналого-цифрового преобразованияв системах со средним и высоким быстродействием. В структуру АЦП последовательного приближениятакже входит ЦАП, однако его сигнал нарастает до уровня входного сигнала точно за n тактов, где n – разрядность АЦП. (рис. 5а). Таким образом, процесс преобразования занимает меньше времени а время преобразования, независит от уровнявходного сигнала. В данном методе входной сигнал аппроксимируется двоичным кодом иосуществляется проверка для каждого разряда кода, пока не будет достигнуто наилучшее приближение к величиневходного сигнала. Проверка начинается со старшего значащего Рис. разряда регистра последовательного приближения (РПП), значениекоторого устанавливается в 1 и происходит проверка, превышает ли выходной сигнал ЦАП уровеньвходного сигнала. Контроллер сбрасывает старший значащий разряд, если эта первоначальнаяоценка превышает величину входного сигнала. В противном случаеостается установленноезначениестаршего значащего разряда. В следующем такте контроллер устанавливает в 1 значениеследующего (по старшинству) разряда, и снова, исходя из результата сравнениясигналов, компаратор “решает”, сбрасывать или оставить установку этого разряда (рис. 5б,в). Преобразователь работает аналогичным образом до тех пор, пока небудет проверен младший значащий разряд. После этого значениерегистра РПП является наилучшим двоичным приближением входного сигнала – это и есть выходной цифровой сигнал АЦП. Следует обратить внимание на то, что для правильной работы алгоритма предполагается постоянство входного сигнала на протяжение всего процесса преобразования, поэтому на входе АЦП, как правило, устанавливается устройство выборки – хранения, которое“захватывает” уровеньсигнала и поддерживает его на постоянном уровнев течение некоторого времени.





Двухтактный интегрирующий АЦП В данной реализации входноенапряжениеинтегрируется в течениенекоторого времени. Как правило, это время соответствует временной реализации всей счетной последовательностивнутреннего счетчика. В концеэтого интервала счетчик сбрасывается, а вход интегратора переключается на источник опорного сигнала. Выходное напряжение интегратора теперь уменьшается по линейному закону, пока недостигнуто его нулевоезначение. В этом случаесчетчик останавливается и интегратор устанавливается в нулевое положение Структурная схема такого АЦП представлена на.

рис.6а. Роль интегратора выполняет ОУ, в цепи обратной связи которого включена емкость C. К инвертирующему входу также подключен резистор. Легко рассчитать, что напряжениена выходе ОУ определяется выtражением: v -= dtv, то есть пропорционально интегралу входного iRC напряжения время разрядки напряжениена емкости C уменьшается по. Во линейному закону (рис. 6б), поэтому напряжение v0 определяется по времениразрядки t2. Фактически в момент отключениявхода ОУ от источника входного сигнала запускается счетчик. Остановка счета происходит, когда емкость C полностью разряжается. Показание счетчика в этот момент иопределяет значениевыходного (цифрового) сигнала АЦП. Метод двухтактного интегрирования обеспечивает ряд преимуществ, главноеиз которых - хорошие шумовые характеристики. Высокочастотные шумы, поступающиена выход интегратора, компенсируются за время интегрироРис. вания. Недостатком же таких АЦП является их относительно низкоебыстродействие.

АЦП с преобразованием напряжения в частоту Аналоговоевходноенапряжениев таком типе АЦП преобразуется с помощью прецизионного преобразователянапряжение– частота (ПНЧ) в Рис. последовательность импульсов, частота которых пропорциональна величинеэтого напряжения (рис. 7). Затем счетчик формирует выходноецифровоеслово путем подсчета этих импульсов в течение фиксированного интервала времени Этот метод обладает высоким.

быстродействием инеиспользует встроенный ЦАП, характеризуется высокой помехоустойчивостью. ТакиеАЦП имеют низкую стоимость. Однако, этот метод может быть непригоден дляАЦП большой разрядности, так как требуется значительноевремя для подсчета большого числа импульсов.

АЦП параллельногопреобразования Метод мгновенного, или параллельного преобразования, иллюстрируется на рис.8. Он используется в тех случаях, когда требуется оченьвысокая скорость преобразования Входной сигнал сравнивается одновре.

менно со всеми пороговыми уровнями с помощью компараторов, смещенных друг относительно друга на величину младшего значащего разряда.

При подаче аналогового сигнала на вход АЦП компараторы, смещенные выше уровнявходного сигнала, имеют на выходе логический ноль, а смещенные ниже этого уровня– логическую единицу. Процесс квантования занимает один шаг, благодаря чему достигается наивысшее быстродействиесреди всех рассмотренных типов АЦП. Однако для n-разрядного преобразователятребуется 2n -1компараторов (например, 255 компараторов для 8-разрядного АЦП).

Рис. ПРИНЦИПЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ИНТЕРФЕЙСА Существует несколько методов реализации интерфейса АЦПмикропроцессор.

Схема “самых последних данных”. В этом методе реализации интерфейса АЦП работает непрерывно. В концекаждого цикла преобразованияон обновляет данные в выходном буферном регистре и затем автоматически начинает новый цикл преобразования Микропроцессор просто.

считывает содержимое этого буфера, когда ему нужны самые последние данные.

Схема “запуска-ожидания”. Микропроцессор инициирует выполнениепреобразованиякаждый раз, когда ему нужны новые данные, а затем непрерывно тестирует линию EOC (End of Convert) преобразователя, чтобы узнать, закончилось ли преобразование. Зафиксировав конец преобразования, он считывает выходноеслово преобразователя метод не. Этот сколько проще в реализации, но при этом микропроцессор отвлекается от выполнения всех других программ на время преобразования.

Pages:     || 2 | 3 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.