Мет. лаб.практ.ИВС - ред_верстка 4134 kB
реклама
В.П. ЗОЛОТОВ В.С. СЕМЁНОВ А.В. ЧУВАКОВ ИНТЕРФЕЙС ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ Лабораторный практикум Самара Самарский государственный технический университет 2013 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Кафедра «Вычислительная техника» В.П. ЗОЛОТОВ В.С. СЕМЁНОВ А.В. ЧУВАКОВ ИНТЕРФЕЙС ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ Лабораторный практикум Самара Самарский государственный технический университет 2013 1 Печатается по решению редакционно-издательского совета СамГТУ УДК 681.325 С 30 Золотов В.П. С 30 Интерфейс вычислительных систем: лабораторный практикум / В.П. Золотов, В.С. Семёнов, А.В. Чуваков. – Самара: Самар. гос. техн. ун–т, 2013. – 67 с.: ил. Рассмотрены вопросы построения основных аналоговых устройств периферийной техники – цифроаналоговых преобразователей, аналоговых мультиплексоров, аналого-цифровых преобразователей. Изложена методика выполнения лабораторных работ, приведены контрольные вопросы для оценки качества усвоения материала студентами. В последней работе повышенной трудности перед студентами ставится задача самостоятельной разработки принципиальной схемы двухтактного интегрирующего АЦП, проведения её настройки и исследования. Практикум предназначен для студентов, обучающихся по специальности 230100 «Информатика и вычислительная техника». Р е ц е н з е н т д-р техн. наук, проф. В . Н . М и т р о ш и н УДК 681.325 С 30 В.П. Золотов, В.С. Семёнов, А.В. Чуваков, 2010 Самарский государственный технический университет, 2010 2 ВВЕДЕНИЕ Современные темпы компьютеризации всех сторон человеческой деятельности привели к тому, что компьютеры стали сегодня непременной компонентой самых разных технических комплексов. Это касается и систем автоматического и автоматизированного управления, систем сбора данных, современных информационно-измерительных систем и так далее, то есть любых комплексов, задачей которых является получение, передача и обработка информации. В этих компьютерных системах, как правило, наблюдаются два потока сигналов: сигналы, идущие от периферии в центр (информационные сигналы), и сигналы, идущие из центра к периферийным устройствам (управляющие сигналы). Значительная часть информации представляется в непрерывной форме, и её обработка может выполняться цифровыми или аналоговыми методами. Преимущества цифровых методов – принципиальная возможность исключения инструментальной погрешности при вычислениях и оперативного изменения алгоритмов обработки информации. Кроме того, стоимость цифровых узлов ниже стоимости аналоговых, а при интегральном исполнении степень интеграции цифровых узлов выше, чем аналоговых. Возможность обработки непрерывных сигналов цифровыми методами обеспечивается уровнем техники аналого-цифрового (АЦ) и цифроаналогового (ЦА) преобразования. Поэтому в развитии систем с представлением входной и выходной информации в непрерывной форме сохраняется тенденция к использованию структур с линейным АЦ-преобразованием мгновенных значений входных сигналов и обработкой полученных данных в цифровой форме. Выходные непрерывные сигналы в комплексах формируются в результате линейного ЦА-преобразования вычисленных значений выходных переменных. По существу АЦ– и ЦА-преобразователи являются периферийными устройствами компьютерных систем. Их разработка и производство представляют собой бурно развивающееся направление цифровой микроэлектроники. 3 Лабораторная работа № 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИФРОАНАЛОГОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ Целями работы являются: ознакомление студентов с теорией работы цифроаналоговых преобразователей ЦАП, изучение схем их построения, исследование метрологических характеристик преобразователя. КРАТКАЯ ТЕОРИЯ Информация, которая поступает из реального мира, должна быть преобразована в форму, допускающую её обработку в ЭВМ. При использовании средств вычислительной техники для управления технологическим процессом исходные неэлектрические величины контролируемых параметров техпроцесса с помощью датчиков преобразуются в аналоговые электрические сигналы, параметры которых нормализуются соответствующими формирователями. Далее реализуются преобразования электрических сигналов (чаще всего напряжения постоянного тока) в цифровую форму с помощью аналого-цифровых преобразователей АЦП и обработка информации в ЭВМ. Целью обработки является нахождение для текущих значений входных параметров техпроцесса по её математической модели той совокупности величин управляющих воздействий, которые следует ввести в технологический процесс для обеспечения нужного его качества. Выходные управляющие сигналы с ЭВМ, представляемые в цифровом виде, зачастую должны быть переведены в аналоговую форму с помощью цифроаналоговых преобразователей ЦАП для воздействия на регулирующие элементы технологического процесса. Тем самым реализуется обратная связь, являющаяся необходимым элементом в управлении любым объектом. Преобразователи АЦП, ЦАП находят широкое применение во многих областях техники (радиолокация, телевидение, связь и т.д.) [1, 2, 3, 4, 5]. 4 На рис. 1.1 представлена типичная структурная схема n–разрядного ЦАП. Он содержит регистр из n триггеров, в котором находится n-разрядное двоичное число, подлежащее преобразованию в соответствующее аналоговое напряжение. Каждый триггер управляет работой транзисторного ключа, связанного с определённым резистором соответствующего разряда в резисторной матрице. Прецизионный источник опорного напряжения Uоп, подключённый к резисторной матрице, задаёт диапазон изменения выходного напряжения ЦАП. Выходной операционный усилитель ОУ выполняет функцию сумматора, обеспечивая сложение токов при реализации той или иной комбинации включения ключей. Для простых ЦАП общего назначения все эти компоненты объединяют в одной интегральной микросхеме. ЦАП с высокими техническими характеристиками, обладающие высоким разрешением и высоким быстродействием, изготавливаются по гибридной технологии. Uоп CS D0 Dn . . . n – триггеров и n транзисторных ключей . . . Резисторная матрица Uвых Рис. 1.1. Структурная схема ЦАП На рис. 1.2 показана базовая структурная схема 4-разрядного ЦАП (так называемая схема на взвешенных резисторах). Четыре бита, фиксируемые в регистре, управляют состоянием четырёх ключей и обеспечивают 16 различных комбинаций. ОУ включён по схеме сумматора. При замыкании одного из ключей выходное напряжение ЦАП определяется произведением опорного напряжения Uоп на отношение сопротивлений резистора обратной связи ОУ к резистору матрицы, находящемуся в цепи данного ключа. Если, например, замкнут ключ, соответ5 ствующий старшему значащему разряду СЗР регистра (при установке в триггере этого разряда логической 1), то выходное напряжение Uвых= – (R/2R)Uоп = –Uоп / 2. При установке уровня сигнала 1 в разряде 1 получим Uвых = –(R/8R) Uоп = –Uоп / 8. Замыкание каждого следующего ключа (в направлении увеличения веса разрядов) вызывает прирост выходного напряжения, вдвое превышающий результат замыкания предыдущего ключа. При замыкании нескольких ключей результирующее выходное напряжение определяется суммой вкладов от каждого замкнутого ключа. Например, при установке логической 1 в разрядах 3 и 1 получаем выходное напряжение Uвых= –(Uоп / 2 + Uоп / 8). Таким образом, можно получить 16 различных дискретных уровней выходного напряжения, соответствующих 16 различным двоичным комбинациям на входе ЦАП. Соотношения сопротивлений резисторов должны быть выдержаны с высокой точностью для обеспечения необходимой линейности преобразования входного кода в выходное напряжение. R 4х - разрядный регистр СЗР S3 2R Разряд 3 S2 4R Uвых Разряд 2 S1 8R Разряд 1 S0 МЗР 16R Разряд 0 Uоп Рис. 1.2. Базовая структурная схема ЦАП Конструирование такого ЦАП на одном кристалле вызывает определённые трудности. Это объясняется слишком большим диапазоном величин сопротивлений входящих в него резисторов. В рассматривае6 мом 4-разрядном ЦАП сопротивление резистора в цепи младшего значащего разряда МЗР должно быть в 16 раз больше сопротивления резистора обратной связи. В общем случае для n–разрядного преобразователя нужны n+1 резистор, а сопротивление резистора в цепи МЗР должно быть в 2n раз больше сопротивления резистора обратной связи. Реальное значение R, которое можно получить для резистора в рамках интегральной микросхемы, составляет 5-10 КОм. А в 8-разрядном ЦАП требуется 9 резисторов с сопротивлением от 5 КОм до 1.28 МОм (256 × 5 кОм), в то время как в 12-разрядном – 13 резисторов с нереальным диапазоном сопротивлений вплоть до 20.48 МОм. Такие значения сопротивлений недостижимы в интегральной технологии. В то же время возможности интегральной технологии реализуются наилучшим образом при повторении на одном кристалле одной и той же структуры. На основании этого желательно построение преобразователя с малыми и одинаковыми сопротивлениями резисторов. R Uоп 2R a3 S3 Uвых I3' R I3 2R a2 R I2' I2 2R a1 R S2 S1 I1' I1 2R a0 S0 I0' 2R I0 Рис. 1.3. Схема ЦАП на основе R-2R резисторной матрицы На рис. 1.3 показана принципиальная схема ЦАП, по своим функциональным характеристикам эквивалентная схеме на рис. 1.2, но в ней используются резисторы только двух номиналов – R и 2R. Для доказательства возможности использования такой резисторной матрицы в схеме ЦАП рассмотрим величины токов в параллельных ветвях к суммирующей точке ОУ. 7 Потенциалы средней точки переключателей S0,…S3 вне зависимости от положения подвижного элемента (верхнее или нижнее) остаются одинаковыми и равными потенциалу земли, так как в нижнем положении они подключаются к клемме “земля”, а в верхнем положении они подключаются к суммирующей точке операционного усилителя ОУ, потенциал которой по условиям работы ОУ близок к потенциалу земли. Отсюда следует, что переключения Si не вызывают изменения картины токов в резисторной матрице R-2R. Рассмотрим картину токов в нижнем плече матрицы – точка a0. К ней подключены два резистора с одинаковым номиналом 2R, то есть токи I0 и I0’ равны. Общее же сопротивление этих двух параллельно включенных резисторов R0об = (2R*2R)/(2R+2R) = R. По закону Кирхгофа ток I1 = I0 + I0’ = 2I0’. Сопротивление вертикального участка цепи между точкой а1 и землёй равняется R1 = R + R0об = R + R = 2R, то есть равно сопротивлению горизонтального участка от этой же точки. Следовательно, протекающие по ним токи также равны: I1 = I1’. Так как I1 = 2I0’, и I1’ = 2I0’. Общее же сопротивление резисторов, подключенных к точке а1, по отношению к земле R1об = (R1*2R)/(R1+2R) = (2R*2R)/(2R+2R) = R. Рассуждая аналогично по отношению к точкам а2, а3, придём к соотношениям: I2’ = 2I1’ = 4I0’, I3’ = 2I2’ = 8I0’. Отсюда следует, что отношения величин токов в соседних параллельных ветвях матрицы кратны двум; их соотношения соответствуют коэффициентам 8-4-2-1, как это имеет место в схеме, показанной на рис. 1.2. Поэтому схема на рис. 1.3 реализует преобразование цифры в аналог по двоичной системе счисления. Матрица R-2R содержит почти в два раза больше резисторов, но сопротивления их относительно малы – обычно 5-10 КОм, они требуют сравнительно небольшого участка полезной площади кристалла и могут быть изготовлены с хорошо согласованными значениями сопротивлений. Поэтому все ЦАП строятся на резисторной матрице R-2R. ЦАП обеспечивает преобразование исходного двоичного кода в выходное напряжение в соответствии со следующим выражением: n 1 U в ых (U оп /( 2 n 1)) ai 2 i , i 0 8 (1.1) где аi – двоичная цифра i-разряда (0 или 1) в представлении двоичного кода исходного числа. Основными системными параметрами для ЦАП являются: – число двоичных разрядов, обычно 8 – 12; – диапазон выходных сигналов, чаще всего 0 – 1 В или 0 – 10 В; – время преобразования – быстродействие – в диапазоне 0.05 мкс – 100 мс; – точность преобразования, оцениваемая в несколько единиц младшего значащего разряда; – электрические, температурные и габаритные характеристики. Точность преобразования включает в себя погрешности номиналов сопротивлений резисторной матрицы и цепи обратной связи сумматора, временной и температурной нестабильности элементов схемы и т.п. Эти погрешности проявляются в виде смещения нуля передаточной характеристики, изменения коэффициента передачи. Обычно точность преобразования оценивается в одну единицу младшего значащего разряда (е.м.з.р.), и величина последней определяется выражением е. м. з. р. ( U max U min ) /( 2 n 1) , (1.2) где Umax, Umin – максимальное и минимальное (обычно 0) выходные напряжения ЦАП. При проектировании ЦАП перед разработчиком ставится задача синтеза – определение тех технических требований на элементы схемы, которые обеспечат заданные метрологические характеристики этого устройства. Общая погрешность ЦАП δоб по его основной δос и дополнительной δд погрешностям определяется формулой об ос2 д2 . (1.3) Основная погрешность ЦАП определяется числом разрядов и равна единице младшего значащего разряда. Дополнительная погрешность определяется рядом факторов, основные из которых и исследуются при проведении данной лабораторной работы: δт.д. – технологический допуск на номинал используемых резисторов матрицы; 9 δt – допуск на изменение сопротивления резистора в зависимости от температуры; δu – допуск на нестабильность источника опорного напряжения. В этом случае дополнительная погрешность δд находится как корень квадратный из суммы квадратов всех этих составляющих: δд = т2.д. t2 u2 , (1.4) и задачей разработчика ЦАП является установление допусков на погрешности всех этих мешающих факторов. Для упрощения задачи можем принять все составляющие дополнительной погрешности δд одинаковыми, отсюда величина погрешности ЦАП от каждого фактора δi = δд / 3. (1.5) Влияние каждого из дополнительных факторов – технологического допуска номинала резистора, температурной зависимости сопротивления резисторов, нестабильности источника опорного напряжения – на результирующую величину погрешности ЦАП не одинаково. В ходе экспериментов лабораторной работы для задаваемой величины погрешности каждого мешающего фактора мы находим максимальную результирующую величину погрешности ЦАП (обычно для начальных точек) и определяем её корреляцию (соотношение) с погрешностью интересующего нас параметра элемента ( δi ЦАП /δ i элта), фиксируя эту корреляцию в выводах по каждому эксперименту. Последние будут использованы затем при синтезе ЦАП с нужными метрологическими характеристиками. Далее при проверке качества усвоения материала по контрольным вопросам студенту даётся задача на проектирование ЦАП с заданными метрологическими параметрами – определёнными величинами об, δос и δд. Задачей студента будет определение количества разрядов ЦАП исходя из величины заданной или принятой студентом основной погрешности ЦАП и нахождение δт.д., δt , δu элементов схемы по величине заданной дополнительной погрешности ЦАП и величинам коэффициентов корреляции по результатам проведённых ранее экспериментов. 10 МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 1. Запустите программное обеспечение Multisim. В настройках «Options» → «Global Preferences» → закладка «Parts» выберите европейский стандарт обозначения элементов электронных схем «DIN». Далее для выбора режима симуляции процесса в меню «Simulate» выберите «Digital Simulation Settings» и в открывшемся окне установите режим «Ideal». 2. Соберите схему 4-разрядного ЦАП, как показано на рис. 1.4, используя перечень элементов, приведенный в табл. 1.1. Номиналы резисторов в матрице R–2R установите (двойным нажатием левой клавиши мыши по элементу, закладка «Value», параметр «Resistance») соответственно равными 1 КОм и 2 КОм, номинал резистора в цепи обратной связи ОУ установите равным 1 КОм. Рис. 1.4. Рабочая схема ЦАП на основе матрицы R-2R В качестве источника опорного напряжения включите регулируемый по напряжению источник постоянного напряжения, установив в нём двойным щелчком левой клавиши мыши напряжение 10 В. Управление переключателями Si обеспечьте от клавиш с цифрами 0, 1, 2, 3 соответственно (курсор мыши установите на изображении переключателя и двойным щелчком левой клавиши вызовите окно 11 Switch, в закладке Value которого задайте нужный символ управления работой элемента). Для измерения выходного напряжения ЦАП используйте мультиметр на шкале постоянного тока. 3. Снимите выходную характеристику ЦАП, последовательно задавая от нуля до максимума все комбинации кодов ключами и контролируя выходное напряжение схемы. Результаты эксперимента поместите в табл. 1.2. Постройте график выходной характеристики. Таблица 1.1 Название Резистор Источник напряжения Заземление Операционный усилитель Ключ Мультиметр Путь расположения в базе Group: Basic Family: Resistor Component: 1k Group: Sources Family: Power _sources Component: DC _Power Group: Sources Family: Power _sources Component: Ground Group: Analog Family: Analog _virtual Component: Opamp_3T_Virtual Model manuf./ID: IIT/IDEAL_5 Group: Basic Family: Switch Component: SPDT Toolbar: Instruments Component: Multimeter 4. Оцените влияние технологического допуска номинала резисторов в резисторной матрице и в цепи обратной связи ОУ на метрологические характеристики ЦАП. Так как величина сопротивления от образца к образцу изменяется в пределах установленного допуска, например в 0.5% для прецизионного резистора по нормальному закону, для определённости установите отклонения от номиналов резисторов Ri и 2Ri по рис. 1.4 в соответствующих разрядах кода с противоположными знаками, как это показано в табл. 1.3. Номинал резистора в цепи обратной связи установите равным 1.005 кОм. 12 Таблица 1.2 Число 0 1 … 15 Код 0000 0001 … 1111 Uвых , В … Таблица 1.3 Разряд 3 2 1 0 R вертикальный, кОм R-0.5%=0.995 R+0.5%=1.005 R-0.5%=0.995 2R+0.5%=2.010 R горизонтальный, кОм 2R+0.5%=2.010 2R-0.5%=1.990 2R+0.5%=2.010 2R-0.5%=1.990 Снимите выходную характеристику ЦАП для этого случая, заполняя табл. 1.4. В строке 4 введена абсолютная погрешность = Uзам – Uист, а в строке 5 рассчитывается значение относительной погрешности в точке измерения как отношение (/Uист)100%. Здесь в качестве Uист необходимо брать значения выходного напряжения ЦАП по табл. 1.2 для каждой комбинации ключей, а в качестве Uзам следует использовать соответствующие значения выходного напряжения той же кодовой комбинации по табл. 1.4. Таблица 1.4 Число Код Uвых, В , В , % 0 0000 1 0001 … … 15 1111 Какой можно сделать вывод о влиянии технологического допуска номинала резистора на погрешность ЦАП из анализа данных таблицы 1.4? Как коррелируются эти погрешности? 5. Выясните, каково влияние температуры на метрологические характеристики ЦАП за счёт температурного изменения сопротивлений всех резисторов в резисторной матрице и в цепи обратной связи ОУ. В данном эксперименте будем считать, что все резисторы изготовлены по интегральной технологии в пределах одного кристалла, 13 что обеспечивает одинаковость изменения их номиналов в функции температуры. В соответствии с этим фактором в схеме ЦАП (рис. 1.4) увеличьте на 1% значения сопротивлений всех резисторов и определите выходную характеристику ЦАП для данного случая, заполняя графы в табл. 1.5, аналогичной табл. 1.4. Какой можно сделать вывод из анализа данных о влиянии температурной погрешности резисторов на погрешность ЦАП в случае одинакового изменения всех сопротивлений от температуры? Как они коррелируются? 6. Определите, каково влияние температуры на метрологические характеристики ЦАП в случае неодинаковости температурных режимов резисторной матрицы и резистора обратной связи ОУ, что может иметь место при гибридной технологии изготовления ИС. То есть резисторная матрица по интегральной технологии изготовлена на кристалле ИС, а резистор обратной связи ОУ как дискретный элемент электрической схемы подключён к ОУ на ИС. В этом случае без специальных технических приёмов одинаковость температурных режимов всех резисторов невозможна. Поэтому в схеме ЦАП (рис. 1.4) резисторы матрицы оставьте неизменными в соответствии с п. 5., т.е. увеличенными на 1% от номинала, а номинал резистора в цепи ОУ установите равным 1 кОм. Определите выходную характеристику ЦАП, заполняя графы в табл. 1.6, аналогичной табл. 1.4. Вычислите абсолютные и относительные погрешности преобразования, сделайте выводы из результатов эксперимента о влиянии температурной погрешности резисторов на погрешность ЦАП в случае неодинаковости температурных режимов сопротивлений. Как они коррелируются? 7. Оцените воздействие нестабильности источника опорного напряжения на метрологические характеристики ЦАП. Для этого в схеме (рис. 1.4) с номиналами резисторов по п. 2 измените напряжение источника опорного напряжения на 1%, установив его равным 10.1 В. Снимите выходную характеристику ЦАП, заполняя графы в табл. 1.7, аналогичной табл. 1.4. Рассчитайте величины абсолютной и относительной погрешностей преобразования, сделайте выводы из результатов эксперимента. Как коррелируется погрешность ЦАП от погрешности источника опорного напряжения? 14 8. В схеме ЦАП (рис. 1.4) нарушено условие равенства проводимости цепей, подключенных к инвертирующему и неинвертирующему входам ОУ. Это условие определяется общей теорией работы операционных усилителей. Для проверки влияния данного ограничения на работу ЦАП включите в цепь между неинвертирующим входом ОУ и землёй резистор с номиналом в 500 Ом (параллельное соединение резистора цепи обратной связи R5 = 1 кОм и общего сопротивления всей резисторной матрицы R = 1 кОм) и снимите выходную характеристику преобразователя. Предварительно задайте характеристики реального операционного усилителя, установив Component: LF353H. По результатам эксперимента заполните табл. 1.8, аналогичную табл. 1.4. Какие выводы можно сделать из опыта? Указания по оформлению отчёта Отчёт в письменном виде должен содержать: 1) рабочую схему четырёхразрядного ЦАП на основе матрицы R2R и его выходную характеристику (табл. 1.2) для всех кодовых комбинаций от 0000 до 1111; 2) выходную характеристику ЦАП (табл. 1.4) при установленной величине технологического разброса номиналов резисторов в 0,5% и рассчитанных величинах абсолютной и относительной погрешностей ЦАП в точках измерения по табл. 1.4. Найти величину коэффициента корреляции Кт.р. как отношение максимальной величины погрешности ЦАП к величине допуска на технологический разброс в 0,5%; 3) выходные характеристики ЦАП с рассчитанными величинами абсолютных и относительных погрешностей ЦАП для всех других мешающих факторов: – температурной погрешности ЦАП в 1% вследствие изменения номинала всех резисторов матрицы и резистора цепи обратной связи (табл. 1.5) и изменения резисторов только матрицы (табл. 1.6). Найти величины коэффициентов корреляции Кt1 и Кt2 как отношение максимальной величины погрешности ЦАП к погрешности величины резистора в 1% из-за температуры; – погрешности ЦАП от нестабильности опорного напряжения Uo в 1% (табл. 1.7). Найти величину коэффициента корреляции Ко как 15 отношение максимальной относительной погрешности ЦАП к величине погрешности Uo в 1%; 4) выходную характеристику ЦАП при равенстве проводимости цепей, подключенных к инвертирующему и неинвертирующему входам операционного усилителя (табл. 1.8); 5) выводы и оценку полученных результатов. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. В чём заключается основное свойство резисторной матрицы R–2R? 2. Какой результат можно ожидать при проведении эксперимента в соответствии с п. 5, если номиналы всех резисторов будут уменьшены на 1%? 3. Подсчитайте веса в процентах единицы младшего разряда для ЦАП с резисторной матрицей на 8 и 12 разрядов. 3. При проведении исследований по данной лабораторной работе максимальное выходное напряжение преобразователя равно 9.375 В. Здесь нарушается требование к диапазону стандартного выходного напряжения в 0 – 10 В. Что необходимо изменить в схеме на рис. 1.3, чтобы обеспечить требования стандарта? Экспериментально проверьте ваши соображения. 4. Для заданных преподавателем комбинаций погрешностей об, δос, δд ЦАП рассчитайте величины погрешностей на технологический допуск номинала резисторов, температурную погрешность сопротивлений и нестабильность источника опорного напряжения. Лабораторная работа № 2. ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛОГОВОГО МУЛЬТИПЛЕКСОРА Целями работы являются: изучение студентами элементной базы аналоговых ключей, исследование их характеристик, построение и проверка работы схемы аналогового мультиплексора. КРАТКАЯ ТЕОРИЯ Аналоговый мультиплексор представляет собой схему, которая осуществляет подключение в произвольном порядке не более чем одного из нескольких различных аналоговых входов к одному аналого16 вому выходу. Обращение к каждому индивидуальному входному каналу обычно осуществляется с помощью цифрового адресного кода, который подаётся на цифровые входы устройства. В основе построения аналогового мультиплексора лежит применение аналогового ключа – схемы, действующей как замкнутый или разомкнутый контакт, пропускающий или не пропускающий аналоговый сигнал между двумя точками электрической цепи [1, 2]. То или иное положение ключа обычно задаётся цифровым способом с использованием адресных буферов и схем дешифрации. В качестве переключаемых элементов в аналоговых ключах почти всегда используют полевые транзисторы, так как симметричность их конструктивного исполнения обеспечивает одинаково нормальную работу транзистора, если истоковый и стоковый выводы меняют местами. Поэтому полевые транзисторы одинаково работают при переключении положительных и отрицательных сигналов. А биполярный транзистор пропускает сигнал только одной полярности. Второе принципиальное преимущество полевых транзисторов – отсутствие напряжения сдвига по постоянному току. Ключ на полевом транзисторе имеет только последовательное сопротивление между входом и выходом и не имеет каких-либо связанных с переходами потенциалов, вносящих сдвиг по постоянному току. Когда полевой транзистор включен, последовательное сопротивление мало (около 10-100 Ом); выключенный полевой транзистор имеет сопротивление порядка 1010 – 1011 Ом. При построении ключевых схем из двух типов полевых транзисторов предпочтение отдаётся МОП-транзистору (или МДПтранзистору) по сравнению с полевым транзистором с управляемым p-n–переходом. Расшифровка равнозначных аббревиатур: структура МОП – металл затвора, окисел плёнки SiO2 , полупроводник Si кристалла; структура МДП – металл затвора, диэлектрик из плёнки окиси SiO2, полупроводник Si кристалла. На рис. 2.1 показана структура n – канального МОП-транзистора. В толще пластины монокристалла кремния Si с проводимостью p созданы области истока И и стока С с проводимостью n, границы которых совпадают с проекциями затвора З на кристалл кремния. 17 Рис. 2.1. Структура n-канального МОП-транзистора Поверхность пластины покрыта изолирующим слоем окиси кремния SiO2, в котором выполнены сквозные отверстия под выводы соответствующих областей. В углублении в изолирующем слое SiO2 находится металлическая пластина затвора З. При отсутствии потенциала на затворе электрическая цепь исток-сток разомкнута, поскольку в пластине кремния между этими областями отсутствуют электроны, выполняющие функции носителя электрического тока для цепи И-С. Сопротивление цепи И-С в пластине кремния велико. Для замыкания электрической цепи в кристалле между истоком и стоком необходимо подать на затвор З положительное напряжение относительно подложки. Тогда под действием положительного электрического поля «затвор-подложка» электроны из области р под действием силы Кулона будут притягиваться в приповерхностный слой пластины под затвор между областями «исток-сток», в результате чего здесь будет сформирован канал проводимости n, соединяющий области И-С с той же проводимостью. Во внешней цепи И-С потечёт электрический ток. Отрицательный потенциал на затворе усиливает эффект запирания цепи «исток-сток», привлекая в приповерхностную зону дырки. Наличие изолирующего слоя под затвором предотвращает проникновение в цепь «исток-сток» сигнала управляющего напряжения, используемого для изменения состояния прибора. Для МОПтранзисторов могут быть получены большие напряжения обратного пробоя, чем у полевых транзисторов с p-n переходом. Далее для ключевых применений целесообразнее использовать МОП-транзисторы с обогащением, то есть повышенным содержанием атомов примеси в монокристалле кремния, поскольку приборы с обогащением при отсутствии управляющего напряжения разомкнуты. 18 Отдельный n–канальный или p–канальный МОП-транзистор с обогащением может работать как аналоговый ключ. На рис. 2.2 приведены схемы для снятия выходных характеристик МОПтранзисторов c обогащением. Для n–канального транзистора (рис. 2.2, а) положительное напряжение от источника регулируемого напряжения подаётся на затвор прибора, а подложка соединяется со стоком, то есть с выводом отрицательного потенциала. Для p–канального транзистора (рис. 2.2, б) на затвор подаётся отрицательное напряжение, а подложка соединяется с истоком, то есть с выводом положительного потенциала. Выходные характеристики (рис. 2.3) показывают, что каждый прибор для пропускания тока между выводами исток и сток требует задания напряжения на затворе Uзс больше порогового и составляющего приблизительно 2 В (n-канальный прибор имеет положительное пороговое напряжение «затвор-сток», тогда как для pканального прибора необходимо отрицательное напряжение). Отдельный МОП-прибор лучше всего работает в качестве аналогового ключа при прохождении сигнала одной полярности. V3 20 V V2 20 V XMM1 XMM4 Q1 V1 5V Q2 V4 5V IRF3710 а IRF5210 б Рис. 2.2. Схемы для снятия выходных характеристик МОП-транзисторов: а – n-канального; б – p-канального 19 а б Рис. 2.3. Выходные характеристики МОП-транзисторов: а – n-канального; б – p-канального Переключение биполярных аналоговых сигналов выполняется наилучшим образом при использовании комплементарной ключевой схемы, изображённой на рис. 2.4. Аналоговый вход n Управление ключом p 1 Аналоговый выход Рис. 2.4. Схема ключа на МОП-транзисторах с дополнительной симметрией (комплементарная ключевая схема) Эта схема может пропускать сигнал любой полярности благодаря параллельной структуре. Ключ замыкается при подаче на затвор n–канального прибора положительного управляющего напряжения, превышающего пороговое, и на затвор p–канального прибора – отрицательного напряжения, которое больше порогового. 20 Большие положительные аналоговые сигналы будут проходить через n–канальный прибор, а отрицательные сигналы – через p– канальный прибор. Сопротивление «исток-сток» каждого прибора является функцией полярности и амплитуды входного сигнала. Однако, поскольку схема является комплементарной, при снижении сопротивления одного канала сопротивление другого канала прибора увеличивается. В результате эффективное сопротивление в параллельном соединении остаётся относительно неизменным для биполярных входных сигналов с любой амплитудой. На рис. 2.5 представлена функциональная схема 4-канального аналогового мультиплексора на КМОП-транзисторах. Любой канал может быть опрошен простым заданием его цифрового адреса в виде двухразрядного двоичного кода. Дополнительный цифровой вход, называемый разрешающим входом, позволяет управлять включением или отключением всех 4 каналов, что требуется в системах, имеющих более одного мультиплексора. Все три цифровых входа совместимы с логическими уровнями транзисторно-транзисторной логики ТТЛ. Но сигналы ТТЛ в блоке 1 с помощью внутренних буфера и схемы смещения уровня переводятся в уровни напряжений КМОП-транзисторов. Если при использовании положительной логики подавать все логические нули на цепи А1, А0 и логическую единицу на разрешающий вход (Разр.), то будет открыта только первая схема И-НЕ блока дешифратора 2. На выходе этой схемы возникает логический 0, который будет приложен к МОП-транзисторному ключу с каналом р-типа в блоке ключей мультиплексора 3. Кроме того, выходной сигнал И-НЕ инвертируется и в виде логической 1 поступает на МОП-транзисторный ключ с каналом n–типа. Оба МОП-транзистора открываются и подключают вход 1 к общему выходу. 21 Вход 1 А1 1 Цифровой адрес & p n 1 Выход & А0 1 & Разр. Вход 4 1 & 1 2 p n 3 Рис. 2.5. Четырехканальный аналоговый мультиплексор Полная принципиальная схема входного буфера, схемы смещения уровня и адресного дешифратора аналогового мультиплексора показаны на рис. 2.6 и рис. 2.7 соответственно. Схема на рис. 2.6 построена на базе КМОП-транзисторов. Сигнал адресного входа ТТЛ-уровня подаётся на первый каскад схемы и параллельно на четвёртый каскад. Выходной сигнал первого каскада, амплитуда которого регулируется величиной Vоп, подаётся на третий каскад преобразования. Выходной сигнал с разделённой нагрузки третьего каскада вторым, пятым и шестым каскадами преобразуется в сочетание двух противофазных сигналов, управляющих работой седьмого и восьмого каскадов КМОПтранзисторов. Выходные противофазные сигналы с последних каскадов V+ и V– соответственно для логической 1 и логического 0 через инверторы, собранные на 9 и 10 каскадах, подаются далее на дешифратор. Схема адресного дешифратора (рис. 2.7) состоит из элементов И-НЕ и инверторов. Если на входы всех последовательно соединённых n–канальных МОП-транзисторов подан потенциал V+, соответствующий логической 1, то все эти полевые транзисторы открыва– ются, устанавливая через выходной сигнал инвертора аналоговый ключ (рис. 2.4) данного канала в состояние «включено». 22 10 каскад V+ Адресный вход Смещённый уровень адреса; на дешифратор 8 каскад 6 каскад 4 каскад 2 каскад Vоп V- Рис. 2.6. Входной буфер и схема смещения уровня аналогового мультиплексора p p p p p n n n К транзистору с p-каналами V+ К транзистору с n-каналами A0 или A0 n A1 или A1 n Разрешение V- Рис. 2.7. Дешифратор адреса аналогового мультиплексора Однако если на один или несколько цифровых входов подан потенциал V-, соответствующий логическому 0, по крайней мере, один полевой n–канальный МОП-транзистор будет закрыт. В этом случае откроется, по меньшей мере, один из параллельно включенных p– канальных МОП-транзисторов и изменит полярность сигнала на выходном формирователе ключа, устанавливая аналоговый ключ (рис. 2.4) в состояние «выключено». 23 МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 1. Запустите программное обеспечение Multisim. В настройках «Options» → «Global Preferences» → закладка «Parts» выберите европейский стандарт обозначения элементов электрических схем «DIN». Далее для выбора режима симуляции процесса в меню «Simulate» выберите «Digital Simulation Settings» и в открывшемся окне установите «Ideal». 2. Снимите выходные характеристики МОП-транзистора с обогащением для приборов с n–каналом и постройте графики зависимости статического сопротивления открытого транзистора от напряжения исток-сток для различных величин напряжения на затворе. Для этого соберите необходимую электрическую схему (рис. 2.2, а), взяв из базы элементов в группе «Transistors» семейства MOS_3TEN компонент IRF3710 для n-канального транзистора. Для транзистора с n–каналом при напряжениях Uзс от 0 до 10 В с шагом в 2 В измерьте токи в цепи «исток-сток» для напряжений «исток-сток» в 0, 0.5, 1, 5, 10, 15, 20 В. Вычислите значение сопротивления транзистора в каждой точке как отношение напряжения цепи исток-сток к току в этой цепи. Результаты сведите в табл. 2.1, постройте графики изменения сопротивления ключа, объясните наблюдаемый характер изменения параметров. Таблица 2.1 Uзс, В Uис, В Iис, mA Rис, кОм 0 0,5 0 5 1 10 15 20 ... Uзс, В Uис, В Iис, mA Rис, кОм 10 0 0,5 1 5 10 15 20 3. Проведите испытания интегральной микросхемы аналоговых ключей 4066BD_10V (контейнер CMOS, Family CMOS_10) по рис. 2.8. В корпусе ИМС размещены четыре аналоговых ключа с n– каналом. Входной сигнал подаётся на клеммы Si, управление подаётся на 24 клеммы INi, а выход снимается с выводов Di. Уровни входных сигналов и управления не должны превосходить величины питающих напряжений микросхемы. Амперметры ХММ1 и ХММ3 контролируют ток нагрузки и входной ток микросхемы от источника сигнала. ПриXMM2 0 V1 4V 2 XMM3 0 J1 Key = A 8 7 0 3 13 1 5 4 6 8 J2 Key = B 0 4 12 11 IN1 S1 V3 10 V XMM1 1 14 VDD U2 D1 IN2 S2 D2 IN3 S3 D3 IN4 S4 D4 2 5 3 9 6 R1 1kΩ 0 10 VSS 7 V2 5V 0 4066BD_10V 9 V4 10 V 0 0 Рис. 2.8. Схема испытаний аналогового ключа в ИМС 4066BD бор ХММ2 измеряет уровень выходного напряжения на сопротивлении нагрузки в 1 кОм. В данном эксперименте проведите определение величины сопротивления аналогового ключа первого канала в замкнутом состоянии. Установите по V2 напряжение на входе первого канала 5 В и, изменяя уровень напряжения сигнала управления по V1 от нуля до 10 В с шагом в 2 В, проведите измерения входного тока Iвх, тока Iн и напряжения Uн на нагрузке R1. По полученным данным определите падение напряжения на полевом транзисторе и отсюда найдите сопротивление аналогового ключа в замкнутом состоянии. Результаты опыта занесите в табл. 2.2. 25 Таблица 2.2 Uвх1, В Uуп1, В Uн, В Iвх, mA Iн, mA ΔUкп=Uвх-Uн, В Rкп=ΔUкп/Iн, кОм 5 0 2 4 6 8 10 4. Повторите действия, описанные в п. 3, для напряжения входного сигнала на первом канале в 10 В, результаты сведите в табл. 2.3 и сравните величины сопротивления канала один при разных входных сигналах. Какой вывод из этого можно сделать? Таблица 2.3 Uвх1, В Uуп1, В Uн, В Iвх, mA Iн, mA ΔUкп=Uвх-Uн, В Rкп=ΔUкп/Iн, кОм 10 0 2 4 6 8 10 5. Проведите испытания первого канала ИМС по определению сопротивления аналогового ключа в разомкнутом состоянии. Ключ управления А – в правом положении, ключ В цепи входного сигнала – в левом. Входное напряжение постоянного тока от V2 последовательно устанавливайте равным 10, 50, 100 и 150 вольтам. Напряжение питания микросхемы установите в этом эксперименте равным 150 В. Контролируйте величины входного тока, тока нагрузки и падение напряжения на нагрузочном сопротивлении. Результаты эксперимента внесите в табл. 2.4. По этим данным найдите сопротивление ключа в разомкнутом состоянии как отношение падение напряжения на ключе к току нагрузки. Какой можно сделать вывод из результатов опыта? Таблица 2.4 Uвх1 , В Uуп1 , В Iвх , мА Iн , мА 10 50 26 100 150 Окончание табл. 2.4 Uвх1 , В Uн , В Uкл = Uвх-Uн , В Rкл = Uн/Iн , кОм 10 50 100 150 6. Соберите схему четырёхканального аналогового мультиплексора по рис. 2.9. Функционально он состоит из счётчика на базе двух триггеров D–типа (группа «TTL», семейство «74STD», компонент «7474N») для задания кода выбираемого канала, дешифратора-демультиплексора – микросхема 74LS139N (группа «TTL», семейство «74LS»), из схемы четырёх аналоговых ключей – микросхема 4066BD (группа «CMOS», семейство «CMOS_5V», компонент «4066BD_5V»). Предварительно необходимо по отдельности собрать каждую функциональную часть, привлекая дополнительный информационный материал нажатием клавиши F1 при выделенном нужном элементе. Убедитесь в работоспособности каждой функциональной части и только затем скомпонуйте всю схему аналогового мультиплексора в единое целое. X2 VDD 1Y1 5 1Y2 6 1Y3 7 74LS04N U4A 74LS139N X3 74LS04N U5A U6 IN1 S1 D1 2 5 4 IN2 S2 D2 3 6 8 IN3 S3 D3 9 12 11 IN4 S4 D4 10 7 4066BD_5V 2.5 V VEE X6 2.5 V 5V J1 Key = Space 3 ~1PR 1CLK 2 1D 1 ~1CLR R1 1kΩ -5V U7A 4 XSC1 VSS X4 2.5 V 74LS04N VCC 14 VDD 13 1 + Ext Trig 1B 5 Vrms 60 Hz 0° + 3 2.5 V A 1Y0 74LS04N U3A _ 1A 4 5V + ~1G 2 V1 B U1A 1 VDD 5V _ U2A _ 2.5 V X1 XMM1 U8A 1Q 5 4 ~1Q 6 3 7474N X5 2.5 V ~1PR 1CLK 2 1D 1 ~1CLR 1Q 5 ~1Q 6 XFG1 7474N Рис. 2.9. Схема испытаний 4-канального аналогового мультиплексора 7. Проведите испытания четырёхканального аналогового мультиплексора. Выбор нужного канала определяется кодом со счётчика. 27 Задайте по входам аналоговых ключей различные сигналы: по первому каналу – напряжение постоянного тока 5 В; по второму каналу – напряжение переменного тока 5 В, 60 Гц; по третьему и четвёртому каналам – сигналы с функционального генератора, снимаемые в противофазе с клеммы «+» и клеммы « – » соответственно. На панели управления генератора установите вид выходного сигнала – треугольный, амплитуду выходного напряжения 5 В, частоту 50 Гц, длительность цикла 90%, смещение – 0. Задавая ключом J1 коды на выходе счётчика, обеспечьте последовательное подключение каналов к выходу мультиплексора. Для каждого канала при указанных входных воздействиях определите амплитуды выходных напряжений и токов на нагрузочное сопротивление 1 кОм в соответствии с табл. 2.5, на основании данных которой рассчитайте в процентах отклонения значения сопротивления аналогового ключа от средней величины. Измерения выходных амплитудных значений напряжений и токов целесообразно производить с помощью двулучевого осциллографа. Амплитудные значения входных напряжений определите последовательным подключением канала В осциллографа к выводам «S1», «S2», «S3» и «S4» микросхемы 4066BD. Выходные напряжения контролируются измерением в нужные моменты времени соответствующих сигналов по каналу А двулучевого осциллографа. Приведите в отчёте графики выходных величин. Таблица 2.5 № канала 1 2 3 4 Uвх, В Uвых, В ΔUкл, В Iн, mA Rкл, Ом Указания по оформлению отчёта Отчёт в письменном виде должен содержать: 1) схему для снятия выходных характеристик МОП-транзистора с n-каналом, экспериментальные данные работы транзистора при раз28 личных величинах напряжения управления и питания по цепи истоксток, графики изменения сопротивления канала исток-сток. Сформулируйте письменно вывод по этому испытанию; 2) схему, результаты эксперимента по определению сопротивления замкнутого канала исток-сток микросхемы 4066BD-10 при различных величинах сигнала управления (табл. 2.2 и 2.3). Сформулируйте письменно вывод по этому испытанию; 3) результаты эксперимента по определению сопротивления канала исток-сток в разомкнутом состоянии (табл. 2.4). Сформулируйте письменно вывод по этому испытанию; 4) схему и результаты испытаний четырёхканального аналогового мультиплексора по рис. 2.9. Должно быть приведено подробное описание его работы и демонстрация в процессе объяснения. Как меняется сопротивление перехода исток-сток при подключении того или иного канала мультиплексора (табл. 2.5)? Какие можно сделать выводы? КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Для чего необходимы аналоговые ключи, в какой области техники они находят наиболее широкое применение? 2. Почему нецелесообразно использование биполярных транзисторов в качестве основы построения аналоговых ключей? 3. Объясните принцип работы МОП-транзистора. Что такое обогащённый транзистор? 4. Какое условное обозначение принято для МОП-транзисторов с n– каналом и р-каналом? 5. Объясните работу КМОП-транзистора в аналоговом ключе при прохождении биполярного входного сигнала. 6. В чём заключаются преимущества построения однокаскадного усилителя на базе двух МДП-транзисторов, включенных последовательно и образующих комплементарный (дополняющий) КМОП-транзистор? 29 Лабораторная работа № 3. ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ С ДИНАМИЧЕСКОЙ КОМПЕНСАЦИЕЙ Целями работы являются: усвоение студентами принципов работы аналого-цифровых преобразователей (АЦП), изучение структурной схемы АЦП с динамической компенсацией, отдельных её узлов, сборка принципиальной схемы этого АЦП и проведение испытаний. КРАТКАЯ ТЕОРИЯ Преимущества обработки информации и осуществления функций управления с использованием цифровых методов становятся всё более очевидными. Однако данные, которые поступают из реального мира, обычно представлены в аналоговой форме. Необходимый аналого-цифровой интерфейс обеспечивает система сбора данных. Она преобразует исходные данные от одного или нескольких измерительных преобразователей в выходной сигнал, пригодный для цифровой обработки; преобразование осуществляется с помощью таких компонентов, как усилители, фильтры, схемы выборки-хранения, мультиплексоры и аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Наиболее важным компонентом таких систем является аналогоцифровой преобразователь АЦП [2, 3, 4, 5]. Принципы работы АЦП. Основное соотношение между входными и выходными сигналами. Аналого-цифровое преобразование, по существу, является операцией, устанавливающей отношение двух величин. Входной аналоговый сигнал Uвх преобразуется в цифровой код Nвых по какой-либо функциональной зависимости, чаще всего линейной или, точнее, кусочно-линейной: Nвых= f(Uвх). При этом могут использоваться различные алгоритмы отыскания цифрового эквивалента входному аналоговому сигналу. Довольно часто в основе этого процесса лежит преобразование входного сигнала в дробь х путём со30 поставления его значения с уровнем опорного сигнала Uоп. Цифровой сигнал преобразователя есть кодовое представление этой дроби. Это фундаментальное соотношение иллюстрируется на рис. 3.1, а. Если выходной двоичный код преобразователя является n– разрядным, то число дискретных выходных уровней равно 2n. Для взаимно однозначного соответствия диапазон изменения входного сигнала должен быть разбит на такое же число уровней. Каждый квант – величина интервала такого разбиения – представляет собой значение аналоговой величины, на которое отличаются уровни входного сигнала, представляемые двумя соседними кодовыми комбинациями. Этот квант называют также величиной младшего значащего разряда (МЗР). Таким образом, Q = МЗР = ПД / 2n, где Q – квант; МЗР – аналоговый эквивалент единицы МЗР; ПД – полный диапазон изменения входного аналогового сигнала. Все аналоговые величины внутри заданного интервала разбиения представляются одним и тем же цифровым кодом, которому ставят в соответствие значение аналоговой переменной в средней точке интервала, называемой пороговым уровнем. Тот факт, что входной сигнал может отличаться от порогового уровня на величину, достигающую +1/2 МЗР, не отличаясь при этом по кодовому представлению, означает, что любому процессу аналого-цифрового преобразования присуща неопределённость (погрешность) дискретизации, равная 1/2 МЗР. Её влияние можно уменьшить, увеличивая число разрядов в выходном коде преобразователя. На рис. 3.1, б показана взаимосвязь входных и выходных сигналов для идеального 3-разрядного АЦП. Величина МЗР равна 1/8 ПД, а диапазон изменения входного сигнала разбит на 8 отдельных уровней, от 0 до 7/8. Обратим внимание, что максимальное двоичное число 111 на выходе преобразователя соответствует не полному диапазону, а 7/8 ПД. С учётом того, что одна из кодовых комбинаций присваивается нулевому уровню входного сигнала, максимальный выходной сигнал АЦП всегда соответствует аналоговой величине полного диапазона минус 1 МЗР. 31 АЦП Выходной сигнал x = Uвх / Uоп Выходной сигнал АЦП Uвх Цифровой выход Uоп х Код 7/8 111 3/4 110 5/8 101 1/2 100 3/8 011 1/4 010 1/8 001 000 0 1/8 1/4 3/8 1/2 5/8 3/4 7/8 Квантованные Аналоговый входной сигнал уровни ПД а б Рис. 3.1. Аналого-цифровой преобразователь: а – взаимосвязь сигналов; б – передаточная характеристика идеального 3-разрядного АЦП Точность преобразователя. Точность преобразователя определяется как максимальная разность между фактическим входным напряжением и аналоговым эквивалентом двоичного выходного кода при заданном полном диапазоне. Этот параметр называют абсолютной точностью, когда его значение указывается в вольтах. Однако гораздо чаще при определении точности за единицу измерения аналогового сигнала принимается величина МЗР; тогда речь идёт об относительной точности. В любом случае погрешность преобразователя есть максимальное значение суммы всех его погрешностей, включая погрешность квантования. В спецификации погрешностей преобразователя обычно указываются отдельные погрешности в единицах МЗР. Входные и выходные сигналы преобразователя. Аналоговый входной сигнал. Большинство АЦП сконструировано в расчёте на работу с дифференциальным или отсчитываемым от потенциала «земли» однополярным входным сигналом. Уровень этого сигнала должен быть согласован с установленным входным диапазоном преобразователя. Чаще всего используются входные диапазоны 0…10 и 0…5 В. Если фактический диапазон изменения входного сигнала составляет только часть полного входного диапазона АЦП, то некоторые выходные кодо32 вые комбинации преобразователя никогда не будут реализованы. При этом неоправданно сужается динамический диапазон преобразователя, что приводит к более сильному влиянию погрешностей преобразования. Наилучшее решение – выбор АЦП с наиболее подходящим входным диапазоном или предварительное масштабирование входного сигнала с помощью операционного усилителя. Для двухполярного (биполярного) входного сигнала тоже можно использовать однополярный преобразователь, сначала масштабируя этот сигнал, а затем добавляя к нему напряжение смещения (рис. 3.2). а) R 4R Uвх 4R к АЦП -10В б) Рис. 3.2. Согласование биполярного сигнала с униполярным АЦП: а – входной сигнал масштабируется и смещается; б – схема реализации такого преобразователя Если же на выходе необходимо иметь информацию о полярности сигнала, приходится использовать биполярный преобразователь. Биполярные АЦП работают с биполярными входными сигналами, чаще всего от –5 до +5 В, и вырабатывают выходные сигналы в виде циф33 ровых кодов (дополнительного, смещённого, прямого или обратного), позволяющих определять знак входного сигнала. Для работы каждого АЦП нужен аналоговый сигнал, с которым сравнивается входной сигнал. Любая погрешность опорного сигнала проявляется как погрешность усиления в передаточной характеристике АЦП. Поэтому точность и стабильность опорного сигнала являются важнейшими факторами в реализации полной точности АЦП. Выходной цифровой сигнал АЦП характеризуется числом разрядов (разрешением) и типом используемого кода. Наибольшее распространение получили АЦП с 8– и 12-разрядным разрешением. В униполярных преобразователях в качестве выходного кода чаще всего используется обычный двоичный код. Для функционирования любого АЦП требуются синхронизирующий и некоторые управляющие сигналы. Представление об управляющих сигналах лучше всего получить, рассматривая один цикл преобразования типичного АЦП. Внешнее устройство, с которым связан АЦП (например, микропроцессор), инициирует процесс преобразования путём переключения на один такт входа АЦП в состояние высокого уровня. В момент начала процесса преобразования АЦП переводит в состояние низкого уровня свою линию BUZY/ЕОС (АЦП занят/Преобразование завершено). Таким образом, внешним устройствам сообщается, что идёт процесс преобразования и что пока не следует вести поиск выходных данных, не следует инициировать новый цикл преобразования. По завершении текущего преобразования АЦП возвращает эту линию в исходное состояние высокого уровня. Этот переход используется, как правило, для генерации сигнала прерывания микропроцессора или какого-либо другого сигнала, сообщающего центральному устройству о завершении преобразования. Центральное устройство посылает в АЦП сигнал разрешения вывода (ОЕ), разрешающий АЦП выдачу выходного слова на шину данных. В преобразователях с более чем 8-разрядным разрешением сигнал ОЕ может разбиваться на два сигнала – разрешение вывода старшего байта (НВЕ) и разрешение вывода младшего байта (LВЕ), в 34 результате чего выходное слово преобразователя может передаваться по 8-разрядной шине данных в виде двух последовательных посылок. На рис. 3.3, а показана структурная схема АЦП с динамической компенсацией (или последовательного счёта). В этом АЦП используется счётчик импульсов, который в процессе счёта обеспечивает постепенное нарастание выходного сигнала связанного с ним ЦАП, пока этот сигнал не превысит уровень входного сигнала. Показания счётчика сбрасываются на нуль перед началом каждого преобразования, и затем счетчик увеличивает своё содержимое на 1 при прохождении каждого тактового импульса. Выходной сигнал ЦАП при каждом единичном изменении состояния счётчика возрастает на величину МЗР, как показано на рис. 3.3, б. Компаратор останавливает счётчик, когда выходное напряжение ЦАП достигает уровня входного сигнала. Состояние триггеров счётчика в этот момент как раз и определяет цифровой выходной сигнал АЦП. Главный недостаток этого простого способа аналого-цифрового преобразования – зависимость времени преобразования от уровня входного сигнала, причём это время может быть довольно велико (2n периодов тактовых импульсов для n–разрядного преобразователя в случае входного сигнала, близкого по уровню к величине полного диапазона). В модифицированном варианте АЦП с динамической компенсацией – так называемом следящем АЦП – используется реверсивный счётчик, позволяющий ЦАП непрерывно отслеживать входной сигнал при условии, что изменения входного сигнала невелики. Останавливая счётчик подачей внешнего воздействия в нужный момент времени, можно использовать следящий АЦП в качестве устройства выборки и хранения (УВХ) с цифровым выходом и сколь угодно большим временем хранения. Допуская возможность счёта или только в прямом, или только в обратном направлении, можно с помощью этого АЦП получать цифровой выходной сигнал, соответствующий максимальному или минимальному значению входного сигнала в данном временном интервале. 35 а ПД Аналоговый входной сигнал Uвх t Выходной сигнал ЦАП б Рис. 3.3. АЦП с динамической компенсацией: а – упрощенная структурная схема; б – временная диаграмма сигналов МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 1. Запустите программное обеспечение Multisim. В настройках «Options» → «Global Preferences» → закладка «Parts» выберите европейский стандарт обозначения элементов «DIN». Далее для выбора режима симуляции процесса в меню «Simulate» выберите «Digital Simulation Settings» и в открывшемся окне установите «Ideal». 2. Соберите схему аналогового ключа по рис. 3.4, а. Для этого возьмите из группы «Basic» семейства «Switch» компонент 36 «SBREAK» – 2 ключа, управляемых напряжением, и в поле задания параметров ключа, вызываемом при двойном на нём щелчке, верхнему ключу установите Von = 5 В и Voff = 4 В. Для нижнего ключа схемы установите Von = 1 В и Voff = 6 В. Этим обеспечивается совместная их работа в режиме переключения. а б V1 0 IO2 1 R1 1kΩ 4V 2 V2 J1 3 J2 0 Key = A 0 IO1 IO2 J7 Key = B IO1 0 5V IO3 IO3 SBREAK 5V4V 0 XMM1 J8 0 IO4 IO4 SBREAK 1V6V 0 XMM2 с Рис. 3.4. Аналоговый ключ: а – принципиальная схема; б – субсхема; с – схема проверки работы аналогового ключа Подключив выходы и входы схемы к клеммам (меню «Place» → «Connectors» → «HB/SC Connector»), преобразуйте схему в субсхему аналогового ключа (выделите всю схему и выберите в меню «Place» → «Replace by Subcircuit»), задав имя AnKL (по рис. 3.4, б). Изменения в размещении клемм субсхемы реализуются через контекстное меню (правой кнопкой мыши по выбранной субсхеме) выбором «Edit Symbol/Title Block». Проверьте работу субсхемы в соответствии со 37 схемой на рис. 3.4, с, задавая с помощью J2 высокий или низкий уровень сигнала управления и измеряя выходное напряжение то на проводе I03, то на проводе I04 субсхемы. 3. При помощи субсхемы AnKL соберите схему 4-разрядного цифроаналогового преобразователя по рис. 3.5, а (напряжение питания источника опорного напряжения установите равным 10.67 В) и преобразуйте её в субсхему DAC цифроаналогового преобразователя (рис. 3.5, б). IO2 IO3 IO4 IO5 R9 1kΩ V1 10.67 V IO3 IO2 R1 U1 IO1 IO1 2kΩ IO4 X1 AnKL R2 OPAMP_3T_VIRTUAL IO3 IO2 R5 1kΩ IO1 2kΩ IO4 X2 AnKL IO3 IO2 R6 1kΩ R3 IO1 2kΩ IO4 X3 AnKL IO3 IO2 R7 1kΩ R4 IO1 R8 2kΩ 2kΩ IO4 X4 AnKL а б Рис. 3.5. Цифроаналоговый преобразователь: а – принципиальная схема; б – субсхема Резисторы возьмите из группы «Basic», семейство «Resistor», компоненты «1к» и «2к», а операционный усилитель из группы «Analog», семейство «Analog_virtual», компонент Opamp_3T_Virtual. 38 4. Соберите схему 4-разрядного двоичного счётчика по рис. 3.6, а, используя D–триггер из группы «TTL», семейство «74STD», компонент «7474N». Из него сформируйте субсхему Schet (рис. 3.6, а, б). а б Рис. 3.6. 4-разрядный двоичный счетчик: а – принципиальная схема; б – субсхема 5. Соберите схему АЦП с динамической компенсацией по рис. 3.7 с необходимыми компонентами для её испытания. Собственно АЦП включает в себя компаратор (группа «Analog», семейство «Analog_Virtual», компонент «Comparator_virtual»), цифроаналоговый преобразователь DAC, счётчик Schet и логический элемент И (группа «TTL», семейство «74STD», компонент «7408N»). Роль генератора тактовых импульсов выполняет ручной переключатель С, сброс показаний счётчика производится вручную переключателем R при замыкании на землю. Входной сигнал Uвх на АЦП задаётся источником регулируемого напряжения, текущие состояния цифроаналогового преобразователя и компаратора контролируются вольтметрами V1 и V2. Индикатор (группа «Indicators», семейство «Probe», компонент 39 «Probe_red») на выходе логического элемента И показывает прохождение импульсов на счётчик. VDD VDD Key = C IO1 5V IO6 & IO5 IO3 IO2 IO4 5V Key = R Schet 7408N V1 + 1.070m V COMPARATOR_VIRTUAL IO5 IO4 IO3 IO2 UCOMP X IO1 Y X>Y + DAC 10 V Uвх - 5.000 V V2 Рис. 3.7. Схема испытания аналого-цифрового преобразователя 6. Снимите выходную характеристику АЦП – зависимость цифрового кода в функции от входного напряжения. Для этого установите входное напряжение на компараторе равным 10 В, запустите схему моделирования, кнопкой R установите начальное нулевое состояние счётчика и кнопкой С последовательно подавайте синхроимпульсы на элемент И, контролируя каждый раз выходные напряжения DAC V1 и компаратора V2. Полученные данные сведите в табл. 3.1, объяснив преподавателю динамику работы АЦП при отработке данного входного сигнала. Таблица 3.1 Uвх, В V1, В V2, В Число Двоичный код 10 …. …. 0 0000 1 0001 …. 15 1111 7. Повторите действия, описанные в пункте 6, для входного напряжения 5 В с контролем необходимых выходных данных. Составьте табл. 3.2, аналогичную предыдущей, объяснив работу схемы преподавателю. 40 8. В схеме (рис. 3.7) вместо субсхемы счётчика подключите четырёхразрядный двоичный счётчик 74191N (рис. 3.8). Цифровой индикатор DCD HEX подключается к схеме в соответствии с указаниями, выносимыми на экран при выделении этого элемента и нажатии клавиши Help. Продемонстрируйте преподавателю следящий режим работы такого АЦП, снимите зависимость выходного цифрового кода со счётчика и выходных напряжений V1, V2 при изменении входного напряжения Uвх на входе компаратора (для двух точек 5 и 10 В). Результаты эксперимента сведите в табл. 3.3 и 3.4, аналогично пункту 6. 4 5 11 VDD Key = R 5V DCD_HEX 13 14 ~CTEN ~RCO ~U/D ~LOAD MAX/MIN CLK 15 A QA 3 1 B QB 2 10 C QC 6 9 D QD 7 12 VDD Key = C & 5V 7408N 74191N V1 + 1.070m V COMPARATOR_VIRTUAL IO5 IO4 IO3 IO2 UCOMP X IO1 Y X>Y + DAC 10 V Uвх 5.000 - V V2 Рис. 3.8. Схема испытаний АЦП в следящем режиме Указания по оформлению отчёта Отчёт в письменном виде должен содержать: 1) краткое описание работы аналого-цифрового преобразователя, определение точности преобразования, описание работы с биполярным сигналом, структурную схему АЦП с динамической компенсацией; 41 2) результаты экспериментальной проверки работы аналогового ключа на компонентах SBREAK по рис. 3.4, а; субсхему AnKL и проверку её функционирования по рис. 3.4, с; 3) схему четырёхразрядного ЦАП на субсхеме AnKL по рис. 3.5, а, субсхему цифроаналогового преобразователя DAC по рис. 3.5, б с результатами экспериментальной проверки ее работы; 4) схему четырёхразрядного двоичного счётчика на базе Dтриггера по рис. 3.6, а и субсхему Schet по рис. 3.6, б с результатами экспериментальной проверки; 5) схему АЦП по рис. 3.7 с результатами экспериментальной проверки её работы в соответствии с табл. 3.1 и табл. 3.2, объяснение функционирования каждого компонента схемы; 6) схему и результаты экспериментальной проверки работы АЦП в следящем режиме для тех же входных напряжений по п. 5 в соответствии с табл. 3.3 и 3.4; 7) выводы в письменном виде по работе аналого-цифрового преобразователя с динамической компенсацией. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Для чего используются АЦП? 2. Какова зависимость величины выходного кода от входного напряжения АЦП? 3. Объясните принцип работы АЦП с динамической компенсацией. 4. В чём обычно измеряется точность преобразования АЦП? 5. Какие элементы входят в состав АЦП с динамической компенсацией? 6. В чём преимущество и в чём недостаток АЦП с динамической компенсацией? 7. В чём заключается смысл работы “следящего” АЦП, как можно его использовать в качестве УВХ, определителя локальных экстремумов входного сигнала? 42 Лабораторная работа № 4. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕГРИРУЮЩЕГО АЦП Целью работы является выработка у студентов навыков решения конкретной инженерной задачи с привлечением тех знаний, которые были получены ими при изучении других дисциплин. Она потребует от студента инициативы и смекалки, достаточно длительной внеаудиторной работы, желательно на своих домашних компьютерах с программной оболочкой NI Multisim. КРАТКАЯ ТЕОРИЯ Интегрирующие АЦП [1] делятся на два вида: однотактные и двухтактные. Работа однотактных АЦП (рис. 4.1) заключается в следующем: генератор линейно нарастающего напряжения (источник тока и конденсатор) запускается в начале преобразования. В этот момент времени счётчик и регистр обнулены, на выходе триггера имеем низкий потенциал. При подаче импульса на синхронизирующий вход триггера на его выходе появляется высокий потенциал, разрешающий прохождение импульсов генератора тактовой частоты ГТИ (генератор тактовых импульсов) через элемент И-НЕ на счётчик. Одновременно низкий потенциал инверсного выхода триггера на затворе полевого транзистора размыкает цепь «исток-сток» этого прибора, обеспечивая заряд конденсатора. Линейно нарастающее напряжение на неинвертирующем входе компаратора постоянно сравнивается с напряжением входного сигнала на инвертирующем входе ОУ. Процесс продолжается до момента равенства этих двух напряжений, определяя интервал разрешения счёта импульсов с ГТИ (рис. 4.2). В итоге число импульсов счётчика будет пропорционально входному сигналу и может быть использовано в качестве выходного кода. В конце преобразования сигналом с компаратора триггер возвращается в нулевое состояние и высоким потенциалом инверсного выхода 43 открывает полевой транзистор, разряжая конденсатор. Показания счётчика сбрасываются, и преобразователь готов к очередному циклу работы. + 5V & Счетчик S 1D C1 R Начало ГТИ Регистр Цифровой выход Компаратор Вход Рис. 4.1. Однотактный интегрирующий АЦП. Структурная схема Uконд Ut t Конденсатор закорочен на землю Интервал разрешения счета Рис. 4.2. Однотактный интегрирующий АЦП. Напряжение на конденсаторе Метод однотактного интегрирования прост, но он накладывает жёсткие ограничения на стабильность и точность конденсатора и компаратора. Поэтому в случае необходимости получения высокой точности преобразования использование этого метода нежелательно. 44 Особенностью двухтактного интегрирующего АЦП (рис. 4.3) является использование конденсатора для отслеживания отношения уровня входного сигнала к эталонному. Рис. 4.3. Двухтактный интегрирующий АЦП. Структурная схема Входное напряжение в течение первого такта преобразования интегрируется по зависимости U C U вых 1 U вх dt RC на протяжении фиксированного интервала времени Т1 (рис. 4.4), который, как правило, соответствует временной реализации всей счётной последовательности внутреннего счётчика. Напряжение на конденсаторе изменяется по линейному закону, так как ввиду малости времени этого первого такта можно принять входное напряжение схемы за постоянную величину, интеграл от которой есть линейная функция. Кривая изменения напряжения уходит в отрицательную область за счёт знака «минус» в формуле интегрирования. В конце этого интервала де45 сятичный счётчик фиксирует максимальное показание n1 и сбрасывает показания, а сигнал переполнения через схему управления переключает вход интегратора на источник опорного напряжения. Выходное напряжение интегратора теперь увеличивается по линейному закону с постоянной скоростью, пока не достигнет нулевого значения. За время второго такта t2 устанавливаются показания счётчика n2. При нулевом уровне выходного напряжения интегратора сигнал компаратора через схему управления прекращает процесс преобразования, показания счётчика n2 фиксируются в регистре. Далее счётчик обнуляется, и интегратор устанавливается в исходное состояние, готовя схему к следующему такту преобразования. Заряд, накопленный интегрирующим конденсатором в течение первого интервала T1, должен быть равен заряду, потерянному им в течение второго интервала времени t2; поэтому С Т1Uвх = С t2 Uоп. 0 T1 t2 t Фиксированная скорость разряда Интегрирование Рис. 4.4. Временная диаграмма двухтактного интегрирующего АЦП Отсюда следует: t2/ Т1 = Uвх / Uоп = х , то есть отношение временных интервалов является одновременно отношением содержимого счётчика к числовому выражению полного 46 диапазона счёта. Следовательно, состояние счётчика в конце интервала t2 представляет собой выходное слово АЦП. Временные интервалы T1, t2 заполняются тактовой частотой генератора импульсов ГТИ, формируя показания счётчика n1, n2. Следовательно, ƒ*n2 = (ƒ*n1/ Uоп ) * Uвх или n2 = ( n1 / Uоп) Uвх. Поэтому показания счётчика на втором такте счёта являются эквивалентом входного аналогового напряжения. Метод двухтактного интегрирования имеет ряд преимуществ: 1. Поскольку входной и эталонный сигналы подаются на один и тот же конденсатор, к его стабильности и точности не предъявляются высокие требования. Снижаются требования и к компаратору. На метрологию преобразования не влияют временные изменения частоты генератора ГТИ. Колебания во времени периода тактовых сигналов будут одинаковым образом влиять на длительности временных интервалов Т1 и t2, а их отношение останется неизменным. Это позволяет при том же качестве применяемых элементов получить большую точность или при той же точности снизить стоимость устройства. 2. Входной сигнал преобразователя пропорционален среднему значению входного сигнала на фиксированном интервале интегрирования. Выбирая время интегрирования кратным периоду сетевого напряжения, можно обеспечить нечувствительность преобразователя к сетевым наводкам с частотой 50 Гц и её гармоникам. Главный недостаток двухтактного интегрирующего АЦП – низкое быстродействие. Например, если Т1 выбирается из условия ослабления сетевых наводок с частотой 50 Гц и их гармоник, то минимально возможное значение Т1 будет 20 мс. Поскольку время преобразования может вдвое превышать это значение (один такт в 20 мс на заряд конденсатора при интегрировании входного сигнала и второй такт в 20 мс на разряд конденсатора током постоянной величины), производительность преобразователя ограничена 25 отсчётами в секунду. Такая производительность слишком мала для любой быстродействующей системы сбора данных. 47 МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 1. Целью настоящей лабораторной работы является разработка принципиальной схемы двухтактного интегрирующего АЦП (рис. 4.3), монтаж её на рабочем столе программной оболочки NI Multisim, наладка и проведение испытаний полученного устройства. Такая постановка задачи требует от студента использования знаний по дисциплине «Теория автоматов», навыков проектирования автомата по имеющемуся алгоритму в соответствии с выполненным ранее курсовым проектом. Основной задачей при этом будет разработка схемы управления работой АЦП, которая будет состоять из управляющего автомата UА и операционного автомата ОА. Первый автомат, спроектированный как автомат Мура, должен обеспечить выработку управляющих сигналов в соответствии со схемой алгоритма. Задачей второго является выполнение необходимых действий по переключению режимов работы устройств преобразователя АЦП под воздействием этих управляющих сигналов. Алгоритм работы двухтактного интегрирующего АЦП приведён на рис. 4.5. В нём присутствуют условия: Х0 – «Пуск», Х1 – момент переполнения счётчика, Х2 – момент полного разряда конденсатора С интегратора. На основе алгоритма строятся прямая и обратная структурные таблицы (табл. 4.1, 4.2) и выводятся логические уравнения для формирования кодирующих и управляющих сигналов. На основе последних строится функциональная схема управляющего автомата. По обратной таблице переходов автомата составляются функции выходов автомата и функции управления памятью состояний: y1 a0 ; y 2 a0 a 2 ; y3 a1 ; y 4 a1 a3 ; y 5 a3 ; y6 a4 ; 48 Начало Замкнуть S2 обнулить счетчик 0 Пуск а0 Y1 Y2 X0 1 Переключить S1 на Uвх(t=0) вкл. имп. на счетчик 0 Счетчик заполнен? а1 Y3 Y4 X1 1 Обнулить счетчик а2 Y2 Переключить S1 на Uоп(t=Т1) вкл. имп. на счетчик а3 Y5 Y6 0 Uс = 0 ? X2 1 Выдать код в регистр а4 Y6 а0 Конец Рис. 4.5. Алгоритм работы управляющего автомата двухтактного интегрирующего АЦП D0 a0 x0 a1 x1 a2 a3 x2 ; D1 a1 x1 a2 a3 x2 ; D2 a3 x2 . 49 Таблица 4.1 Прямая таблица переходов № am 1 a0 2 3 4 a1 5 a2 6 a3 7 8 a4 as X am a s Yas a0 x0 y1 , y 2 a1 x0 y3 , y 4 a1 x1 y3 , y 4 a2 x1 y2 a3 1 y 4 , y5 a3 x2 y 4 , y5 a4 x2 y6 a0 1 y1 , y 2 Таблица 4.2 Обратная таблица переходов № 1 2 3 4 5 6 7 8 am K am a0 000 100 000 001 001 010 011 011 a4 a0 a1 a1 a2 a3 a3 as K as a0 000 a1 001 a2 010 a3 011 a4 100 X am a s x0 1 x0 x1 x1 1 x2 x2 Yas Fam as y1 , y 2 - y3 , y 4 D0 y2 D1 y 4 , y5 D1 , D0 y6 D2 Принципиальная схема управляющего автомата строится на логических элементах И, ИЛИ, НЕ. В качестве кодирующих элементов целесообразно использование триггеров 7474N, а дешифратор предпочтительно строить на базе микросхемы 74145N. Эти устройства находятся в библиотеке программной оболочки. Инверсность выходного сигнала дешифратора 74145N по таблице истинности заставляет включать инверторы на каждой его выходной клемме. Для этого сначала строится схема «TriggerDC», как показано на рис. 4.6, а, и после компоновки ее в субхему (рис. 4.6, б), где выходы D0, D1, D2 подключаются к индикаторам для проверки состояния триггеров, составляется полная схема UА. 50 Рис. 4.6. Схема (а) и субсхема «TriggerDC» (б) как элемент, входящий в управляющий автомат Разработанная принципиальная схема UA управляющего автомата представлена на рис. 4.7, а. Входными параметрами для неё в соответствии с алгоритмом будут логические условия Х2, Х1, Х0, тактирующий импульс CLK и сигнал сброса CLR, а выходными параметрами будут управляющие воздействия у1, у2,…у6. Для дальнейшего её применения необходимо провести проверку функционирования UA, что выполняется по рис. 4.8. Здесь замыкание ключей 2, 1, 0 моделирует выполнение логических условий Х2, Х1, Х0; ключ С определяет момент подачи синхроимпульса, ключ R возвращает систему в исходное состояние. Индикаторные лампочки должны загораться в соответствии с алгоритмом, представленным на рис. 4.5. Следующим этапом является построение операционного автомата ОА, который должен обеспечить выполнение всех необходимых действий при появлении управляющих сигналов с UA. Состав устройств ОА определяется схемой алгоритма и принципиальной схемой реализу51 емого преобразователя, то есть схемой двухтактного интегрирующего АЦП в нашем случае. Здесь определяющим фактором является требуемая точность выполнения преобразования. Последняя целиком и полностью зависит от числа разрядов внутреннего счётчика. Рис. 4.7. Схема (а) и субсхема (б) управляющего автомата «UA» По соображениям упрощения структуры построения АЦП для лабораторного занятия ёмкость счётчика ограничивается двумя десятичными разрядами, то есть максимальное записываемое число на первом этапе – этапе интегрирования – равно 100. Тогда в состав принципиальной схемы ОА будут входить два 4-битных реверсивных счётчика (например, микросхема 74192N), два 4-битных регистра сдвига (например, микросхема 74194N), одна микросхема 74107N JK-триггер и три микросхемы «ANALOG_SWITCH_VIRTUAL» (из семейства «Mixed_virtual» группы «Mixed»). При необходимости используются логические элементы И, ИЛИ, НЕ. 52 Начать разработку операционного автомата желательно со схемы счетчика. Для этого понадобятся две микросхемы 74192N. Для объединения двух 4-битных микросхем в 8-битный счетчик подадим сигнал с выхода C0 младшей микросхемы на вход UP старшей микросхемы. Разработанную принципиальную схему восьмиразрядного счетчика (рис. 4.9, поз. а) поместим в субсхему «8bit_schet» (рис. 4.9, б), чтобы затем использовать её при построении схемы операционного автомата для двухтактного интегрирующего АЦП. Рис. 4.8. Схема испытаний субсхемы UA Также следует помнить, что операционный автомат должен вырабатывать сигнал X1 (счетчик заполнен) при достижении значения 100. Схему восьмиразрядного регистра построим на двух 4-битных микросхемах 74194N. Подключим их входы и выходы в соответствии с документацией. Схема регистра в операционном автомате должна обеспечивать запоминание значения на выходе счетчика при поступлении сигнала Y6, а также хранение этого значения до поступления следующего сигнала Y6. Принципиальная схема регистра и его субсхема «8Bit_RG», входящая в состав операционного автомата, представлены на рис. 4.10. 53 Рис. 4.9. Схема (а) и субсхема (б) «8bit_Schet» 8-разрядного счетчика Рис. 4.10. Схема (а) и субсхема (б) «8bit_RG» 8-разрядного регистра 54 Для того чтобы обеспечить своевременное замыкание или размыкание контактов конденсатора в интеграторе в соответствии с алгоритмом работы АЦП, а также переключение сигнала на входе АЦП с Uвх на Uоп, необходимо использовать микросхему аналоговых ключей, на вход которой мы будем подавать сигналы Y1, Y3, Y5. Для реализации переключения с входного напряжения на опорное нужно использовать JKтриггер. При этом на вход J будет подаваться управляющий сигнал Y3 для входного напряжения, а на вход K – управляющий сигнал Y5 для опорного напряжения. Выход Q триггера будет управлять тем каналом аналогового ключа, на который подается входное напряжение АЦП, а выход Q управляет каналом, на который подается опорное напряжение. Схема (а) и субсхема (б) «Anlg_key» представлены на рис. 4.11. Рис. 4.11. Схема (а) и субсхема (б) «Anlg_key» аналогового ключа 55 Из разработанных ранее субсхем «8bit_Schet», «CS_X1», «8bit_RG» и «Anlg_key» соберем схему OA операционного автомата для АЦП. На ее вход будут поступать сигналы Yi от управляющего автомата UA, входное и опорное напряжения АЦП и сигнал CLK генератора синхроимпульсов. На выходе получим сигналы Qn с кодом результата преобразования, сигнал X1 (счетчик заполнен), две клеммы S2, подключаемые к контактам конденсатора в интеграторе, а также сигнал S1, являющийся входным для интегрирующего АЦП. Схема (а) и субсхема (б) ОА операционного автомата представлены на рис. 4.12. В схеме входными параметрами будут: управляющие сигналы у1, у2,…, у6 субсхемы UA, входное напряжение +Uвх(Uin), опорное напряжение +Uоп(Uet), прямоугольные положительные сигналы с генератора тактовых импульсов ГТИ – синхроимпульсы CLK. Рис. 4.12. Схема (а) и субсхема (б) «ОА» операционного автомата Выходными параметрами субсхемы будут: четыре двоичных разряда на индикацию десятичной цифры числа десятков с помощью семисегментного индикатора DCD_HEX, сигнал логического условия Х1, четыре двоичных разряда на индикацию десятичной цифры числа единиц с помощью такого же индикатора, вывод на входное сопротивление интегратора и два вывода шунтирования конденсатора С интегра56 тора. В схеме операционного автомата целесообразна установка в узловых точках индикаторных лампочек для визуализации процесса его работы. При работе ОА в составе всего АЦП двойной щелчок мыши на изображении субсхемы ОА позволяет раскрыть её и наблюдать прохождение импульсов по элементам субсхемы. Наличие субсхем позволяет построить принципиальную схему двухтактного интегрирующего АЦП (рис. 4.13). Помимо UA, OA она содержит интегратор DA1, компаратор DA2, аналоговый инвертор DA3, функциональный генератор ГТИ, два семисегментных индикатора DEC_HEX, кнопки «Пуск» и «CLR» возвращения системы в исходное состояние. Рис. 4.13. Принципиальная схема двухтактного интегрирующего АЦП Отличие схемы, приведенной на рис. 4.13, от функциональной схемы АЦП (рис. 4.3) заключается в введении напряжения смещения Uсм на неинвертирующем входе DA2, которое необходимо для реализации возможности процесса интегрирования в обоих квадрантах входного напряжения (положительного и отрицательного) на конденсаторе С ин57 тегратора. Входное 0-10 В и опорное, равное 10 В, напряжения – сигналы положительной полярности; необходимое для работы АЦП их противофазное соотношение реализуется введением аналогового инвертора на DА3. Индикаторные лампочки И1,…,И4 визуализируют различные этапы работы узлов АЦП в процессе преобразования. По вольтметру контролируется текущая величина напряжения на конденсаторе С интегратора. Считывание результатов преобразования (десятки и единицы импульсов) происходит по показаниям двух семисегментных индикаторов И5, И6. Генератор тактовых импульсов ГТИ синхронизирует работу схемы. Контроль хода процесса преобразования выполняется осциллографом. 2. Собранную схему АЦП необходимо настроить. Процедура настройки АЦП заключается в подборе такого значения положительного напряжения смещения Uсм на инвертирующем входе компаратора, при котором для входного сигнала Uвх = 10 В подсчитанное внутренним счётчиком на втором этапе интегрирования число импульсов на выходе АЦП также равно 100, то есть равно всей полной ёмкости этого счётчика. Но при этом следует учесть, что инициализация содержимого счётчика происходит при поступлении сотого импульса. Для этого в схеме (рис. 4.13) снять выходные показания преобразователя при различных величинах напряжения смещения на инвертирующем входе DА2. Входное напряжение АЦП установите равным 10 В, опорное напряжение установите той же величины (10 В). На генераторе тактовых импульсов выберите выходные импульсы прямоугольного вида с амплитудой 5 В и частотой 10 кГц. Скважность импульсов – 50%. График изменения напряжения Uс на конденсаторе С интегратора приведён на рис. 4.14. Процесс, контролируемый с помощью осциллографа, начинается с момента включения общего тумблера программы в верхней части экрана. Осциллограф подсоедините к выходной точке конденсатора С интегратора и ко входному резистору интегратора в 100 Ом. Начальные установки на лицевой панели осциллографа: масштаб напряжений по обоим каналам – 5В/дел; масштаб по времени развёртки (time base) – 5 мс/дел; процесс контролировать в функции времени 58 (Y/T); входной сигнал – напряжение постоянного тока (DC). В интервале времени 0 – t0 происходит начальный заряд конденсатора С. Необходима выдержка времени t0 до момента нажатия кнопки «Пуск», пока не прекратится дальнейшее нарастание напряжения на конденсаторе. По общему таймеру моделирующей программы при Uвх = 10 В это время составляет около 25 мс, начальное напряжение на конденсаторе Uс0 по вольтметру – около 4.44 В. Uо 0 1 такт 2 такт t1 t2 t0 t1 t2 t Uвх.ин. Рис. 4.14. График изменения напряжения на выходе интегратора В течение первого такта работы АЦП – интервал t0-t1 – под действием входного напряжения Uвх происходит заряд С отрицательным потенциалом. Длительность его определяется временем реализации всей ёмкости внутреннего счётчика, то есть длительностью подсчёта 100 импульсов. О его завершении свидетельствует загорание индикаторной лампочки И3 (условие Х1). В момент t1 ко входу интегратора подключается опорное напряжение противоположной полярности и начинается разряд С положительным потенциалом до момента t2. Об окончании его свидетельствует загорание индикаторной лампочки И1 (условие Х2). Длительность этого процесса для текущих значений входного напряжения интегратора определяется величиной опорного напряжения. Если мы установили входное напряжение равным опор59 ному, то и длительности этих этапов – первого и второго – должны быть одинаковы. Отсюда и число импульсов, подсчитанное счётчиком на втором такте, должно быть равно 100. Снимите показания счётчика АЦП для диапазона положительного напряжения смещения на инвертирующем входе компаратора от 2,6 В до 3,6 В с шагом в 0,1 В. Нажатие кнопки «Пуск» производите только при завершении процесса установки напряжения на конденсаторе С. После завершения процесса работы АЦП на экране осциллографа измерьте длительности интервалов времени t1 и t2, зафиксируйте показания счётчика по окончании второго такта. Результаты сведите в табл. 4.3. Таблица 4.3 Напряжения смещения Uсм, В Параметры 2,6 2,7 … 3,6 Uco, В t1, мс t2, мс n, им. По итогам этого эксперимента определите то значение напряжения смещения по неинвертирующему входу компаратора, при котором подсчитанное число импульсов во втором такте равно 100. Здесь следует учесть, что отсутствие третьего разряда в изображении выходного кода преобразования несколько затрудняет съём показаний – представление кода 00 и кода 100 будет одинаковым. Следовательно, нужно учитывать, в какие моменты времени происходит считывание. Найденное в табл. 4.3 значение напряжения смещения установите в схеме АЦП и далее его не изменяйте. 3. Снимите выходную характеристику АЦП – зависимость цифрового кода по счётчику от величины входного напряжения, которое изменяйте в диапазоне от 2 В до 10 В с шагом в 2 В. Процесс снятия показаний аналогичен рассмотренному выше. При включении общего тумблера начала процесса моделирования в верхней части экрана выждать некоторое время до момента установления неизменным напряжения на 60 конденсаторе С, затем нажмите кнопку «Пуск». По завершении процесса преобразования, что хорошо видно на экране осциллографа, или после кратковременного загорания лампочки И1 считайте показания счётчика и на экране осциллографа определите длительности интервалов t1 и t2. Результаты эксперимента сведите в табл. 4.4, на основании которой постройте график выходной характеристики АЦП. Какой из этого можно сделать вывод? Таблица 4.4 Входное напряжение Uвх, В Параметры 2 4 6 8 10 n, им. t1, мс t2, мс 4. Исследуйте влияние изменения ёмкости конденсатора С в цепи интегратора на работу АЦП. Последовательно снимите выходные показания преобразователя для входного напряжения 6 В, последовательно изменяя каждый раз величину ёмкости конденсатора соответственно на 1, 2, 3 и 4%. Найдите величину допустимого изменения ёмкости С, которое не влияет на работу АЦП. Результаты сведите в табл. 4.5. Здесь nн – число импульсов при С = 100 мкф. Какой можно сделать вывод из анализа данных таблицы? 5. Оцените влияние изменения частоты генератора ГТИ от уровня 10 кГц в обе стороны, задавая те же проценты отклонения, что и в п. 4. Постройте табл. 4.6. Здесь nн – число импульсов при F = 10 кГц. Какой можно сделать вывод из анализа данных таблицы? Таблица 4.5 Ёмкость конденсатора С, мкф Пара– метры 96 97 98 99 100 101 102 103 104 Сн , % -4 -3 -2 -1 0 +1 +2 +3 +4 n, имп. n=n-nн Δ=n/nн 61 Таблица 4.6 Частота генератора F, кГц Параметры Сн , % n, имп. n=n-nн Δ=n/nн 9,6 9,7 9,8 9,9 10,0 -4 -3 -2 -1 0 10,1 10,2 10,3 10,4 +1 +2 +3 +4 Указания по оформлению отчёта Отчёт в письменном виде должен содержать: 1) краткое описание работы интегрирующих аналого-цифровых преобразователей, их функционирования по структурным схемам, временным диаграммам; 2) алгоритм функционирования управляющего автомата, прямую и обратную таблицы переходов, принципиальную схему управляющего автомата, результаты экспериментальной проверки его работы; 3) схему операционного автомата, его составных частей с их принципиальными схемами и субсхемами; 4) принципиальную схему двухтактного интегрирующего АЦП, результаты экспериментальной подборки величины смещения с указанием оптимального ее значения; 5) определение не влияющих на точность преобразования АЦП процентных отклонений от номинальных значений частоты задающего генератора и величины емкости конденсатора; 6) выводы по работе двухтактного интегрирующего АЦП. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Объясните работу структурной схемы двухтактного интегрирующего АЦП, его временной диаграммы. 2. Опишите процедуру построения управляющего автомата. Каковы его функции? 3. Как можно проверить правильность функционирования управляющего автомата? 62 4. Чем вызвана необходимость наличия операционного автомата? Поясните его работу. 5. Поясните работу принципиальной схемы АЦП (рис. 4.13). 6. Как определяются временные соотношения заряда и разряда конденсатора С интегратора? 7. Как сказываются на метрологии работы АЦП временные нестабильности частоты задающего генератора и ёмкости конденсатора в цепи обратной связи операционного усилителя интегратора? 8. Осциллограф зафиксировал кривые процессов интегрирования при входном сигнале 4 вольта в течение обоих тактов работы схемы. Как будет выглядеть кривая разряда выходного напряжения интегратора при увеличении уровня входного сигнала в два раза? Приложение ОБЩИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ОСОБЕННОСТИ МИКРОСХЕМ ЦАП И АЦП СЕРИЙ К572, К1107 В данном приложении указаны общие эксплуатационные особенности отечественных БИС ЦАП и АЦП, объединяемых в рамках различных серий. Серия К572. Микросхемы, выполняемые по КМОП-технологии, предназначены для построения радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) разного назначения, используют цифровые методы обработки, передачи или отображения информации и не требуют высокого быстродействия. Достоинствами серии являются низкая потребляемая мощность, совместимость со стандартными ТТЛ и КМОП логическими уровнями, возможность работы от одного источника питания и др. К недостаткам серии относятся умеренное быстродействие и критичность ИС к пробою статическим электричеством в процессе монтажа и наладки. Микросхемы серии К572 эксплуатируются в диапазоне температур окружающей среды от –10 до +70оС. Относительная влажность воздуха при температуре окружающей среды 35оС не должна превышать 98%. В состав серии К572 входят умножающий 10-разрядный ЦАП универсального назначения К572ПА1, аналогичный 12-разрядный ЦАП К572ПА2 с двумя входными регистрами для хранения цифровой ин63 формации, многофункциональный 12-разрядный АЦП последовательного приближения К572 ПВ1 с организацией управления процессом преобразования и вводом (выводом) данных, ориентированный на работу с МП, интегрирующие АЦП (двухтактного интегрирования) К572ПВ2 и К572ПВ5 для применения в измерительных приборах с 3.5– и 4.5-декадными светодиодными (или жидкокристаллическими) индикаторами, 8-разрядный АЦП последовательного приближения К572ПВ3, сопрягаемый с МП, многоканальная (число каналов 8) 8разрядная аналого-цифровая система сбора данных КР572ПВ4. Следует отметить, что микросхема К572ПВ1 может быть использована в режиме умножающего ЦАП и ориентирована для применения в преобразователях типа угол-код. Для микросхем серии К572 продолжительность пайки при температуре жала паяльника 235 5оС не должна превышать 5 с. Установка и извлечение микросхем из контактных устройств могут производиться только при выключенных источниках питания и входных сигналов. При этом не допускается попадание внешнего электрического потенциала на крышку корпуса ИС. Подача электрических сигналов на выводы ИС при выключенных источниках напряжения питания, а также подключение к незадействованным выводам корпуса запрещается. Микросхемы серии К572 требуют защиты от воздействия статического электричества с абсолютным значением потенциала 30 В и более. Проверка цепей ИС в РЭА может проводиться при выключенных источниках питания путём подачи на выводы напряжения 3 В при токе не более 100 мкА. Не следует производить какие-либо операции с выводами ИС, не задействованными в схеме включения. Серия К1107. Микросхемы быстродействующих 6-8-разрядных параллельных БИС АЦП серии К1107 изготавливаются по биполярной технологии с применением ТТЛ (К1107ПВ1, К1107ПВ2) и ЭСЛ структур (К1107ПВ3, К1107ПВ4). Типовой для этой серии АЦП является технология, при которой области коллектора, базы и эмиттера n64 p-n транзисторов формируются последовательно легированием исходного материала через окна в окисной плёнке. Рабочие температуры окружающей среды БИС АЦП находятся в диапазоне от –10 до + 70оС. Для микросхем серии К1107 температура индивидуальной и групповой пайки не должна превышать 260оС при времени касания 3 сек. с интервалами между пайками 10 сек. (примерно 5 мин в режиме групповой пайки при температуре расплавленного припоя 235оС). В процессе подготовки БИС к пайке запрещается обрезка незадействованных в схеме включения выводов. Монтаж и демонтаж БИС серии К1107 в РЭА должны производиться только при отключенных источниках напряжения питания. Следует помнить о недопустимости попадания электрических сигналов на незадействованные выводы и поверхность корпуса БИС. При проверке микросхем в составе блоков и узлов РЭА допускается подключение между любыми из выводов напряжения не более 0.5 В при максимальном токе в цепи 1 мА. Микросхемы серии К1107 устойчивы к воздействию статического электричества с потенциалом не более 100 В. В случае необходимости принятия мер защиты печатных плат с БИС от воздействия влаги следует использовать покрытия лаками УР-231, Э4100 при оптимальной толщине равномерно нанесённого по поверхности изоляционного слоя 35-55 мкм. 65 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Ратхор Т. Цифровые измерения. АЦП/ЦАП. – 2-е изд. – М.: Техносфера, 2009. – 392 с. – ISBN -5-94836-012-1. 2. Кестер У. Аналого-цифровое преобразование. – М.: Техносфера, 2007. – 1016 с. – ISBN-5-94836-146-8. 3. Стюарт Болл Р. Аналоговые интерфейсы микроконтроллеров (Analog Interfacing to Embedded Microprocessors). Сер. Программируемые системы. – М.: Изд-во Додэка-XXI, 2007. – 360 с. – ISBN-978-5-94120-142-6. 4. Микросхемы АЦП и ЦАП: справочник (+CD-ROM). Сер. Интегральные микросхемы. – М.: Изд-во Додэка-ХХI, 2005. – 432 с. – ISBN-5-94120-091-9. 5. Библиотека электронных компонентов. Вып. 17. Аналоговые и цифроаналоговые микросхемы фирмы Mitsubishi Electric. – М.: Изд-во ДодэкаХХI, 2000. – 48 с. – ISBN– 5-94020-008-7. СОДЕРЖАНИЕ Введение ....................................................................................................................... 3 Лабораторная работа № 1. Исследование цифроаналогового преобразователя... 4 Лабораторная работа № 2. Исследование аналогового мультиплексора ............ 16 Лабораторная работа № 3. Исследование аналого-цифрового преобразователя с динамической компенсацией................................................................................. 30 Лабораторная работа № 4. Разработка и исследование интегрирующего АЦП .............................................................................................. 43 Приложение................................................................................................................ 63 Библиографический список ...................................................................................... 66 66 Учебное издание Периферийные устройства ЗОЛОТОВ Владимир Петрович СЕМЕНОВ Владимир Семенович ЧУВАКОВ Александр Владимирович Редактор Т.Г. Трубина Компьютерная верстка И.О. Миняева Выпускающий редактор Н.В. Беганова Подписано в печать 12.08.10. Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Усл. п. л. 3,95. Уч..-изд. л. 3,93. Тираж 50 экз. Рег.№118/10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет» 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244. Главный корпус Отпечатано в типографии Самарского государственного технического университета 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244. Корпус № 8 67
