Каталог Рефератов - Спряження вимірювальних приладів з цифровими пристроями

	Информационно-образоательный портал
	Рефераты, курсовые, дипломы, научные работы,



МЕНЮ\|

поиск

Спряження вимірювальних приладів з цифровими пристроями

p align="left">24

Основні параметри ЦАП

Тип мікросхеми	Розрядність, n	Макс. відхилення , %	Час встановлення tвст, мкм
К427 ПА4	16	0,0015	20
К572 ПА2	12	0,025	15
К1108 ПА3	8	0,5	0,05

Діапазон зміни вихідної напруги (0 - Umax; 0 - 5В) (іноді - від'ємні напруги, -2,5.. 2,5В)

Umax UОП (1 - 2n).

Роздільна здатність h характеризується мінімальним квантом вихідної напруги, який відповідає зміні вхідного коду на 1:

h = UОП / (2n+1 -1). (таблиця)

Час встановлення (швидкодія) - це інтервал часу від подачі вхідного коду до моменту встановлення вихідної напруги.

ЦАП поділяються на прецизійні (< 0,1 %) і швидкодіючі (tвст < 100 нс).

Число розрядів n вхідного коду для різних типів ЦАП дорівнює від восьми до вісімнадцяти. Число розрядів визначає максимальну кількість кодових комбінацій на вході ЦАП, що дорівнює 2n.

Абсолютна похибка перетворення ?А - відхилення вихідної напруги від розрахунку в кінцевій точці характеристики перетворення. Типова похибка ЦАП не перевищує ±1/2 молодшого розряду.

Нелінійність ?Л, -- максимальне відхилення реальної характеристики перетворення від теоретичної (прямої лінії, що з'єднує точку нуля і мінімального вихідного сигналу).

Аналогово-цифрове перетворення

Для комп'ютерної обробки дискретні аналогові значення вимірювального сигналу, необхідно представити в цифровій формі, тобто виконати аналого-цифрове (AC, Analog-Digital - A/D) перетворення. Відповідний пристрій являється аналого-цифровим перетворювачем (АЦП, Analog-Digital Converter, ADC Converter - ADC). АЦП генерує двійкове слово - цифровий вихід - на основі аналогового сигналу. Існують АЦП, виконання, наприклад, в вигляді плати розширення комп'ютера. АЦП може працювати у відповідності з різними принципами: паралельне порівняння і покрокове наближення (апроксимація).

В АЦП, що працює по принципу порівняння (comparation), вхідне значення порівнюється з різними рівнями напруги, яка виробляється на основі вимірювальної опорної напруги і каскаду опорів. На виході кожної схеми порівняння комп'ютера - з'являється 0 або 1 в залежності від відповідності вхідної і опорної напруги. Такі АЦП володіють хорошою швидкодією, але достатньо дорогі.

АЦП, що працює по принципу покрокового наближення (incremental approximation), побудований на основі ЦАП (рис. 8). Діапазон вхідного сигналу розділений на 2n - 1 інтервалів, де n - число бітів в вихідному слові. Лічильник швидко генерую послідовні числа, які одразу перетворюються в аналоговий сигнал.

2.3 Аналого-цифрові перетворювачі послідовної лічби

Метод послідовної лічби із застосуванням АЦП заснований на урівноваженні вхідної напруги сумою еталонів, які підраховуються лічильником. Момент урівноваження визначається аналоговим компаратором.

Схема АЦП послідовної лічби показана на рис. 8. а. У ній за сигналом "Пуск" RS-тригер переключається в стан "1" і дозволяє проходження імпульсів від генератора G через елемент І на вхід підсумовування двійкового лічильника СТ2.

Наростаючий цифровий код з виходу лічильників С72 перетворюється за допомогою ЦАП в напругу, яка подається на вхід компаратора КОМП. На другий вхід КОМП поступає вимірювана напруга Uвх. У момент рівності напруг UВХ=UЦАП компаратор виробляє сигнал скидання тригера. Після цього рахунок імпульсів припиняється і на виході лічильника СТ2 фіксується цифровий еквівалент вхідної напруги. Час перетворення tпр залежить від значення напруги UВХ (рис. 8, б).

У схемі АЦП з порозрядним кодуванням {урівноваженням) вхідна напруга UВХ порівнюється стрибкоподібно з вихідною напругою UЦАП за певною програмою (рис.9).

Сигнал "Пуск" включає генератор періодичних імпульсів G і одночасно записує одиницю в старший розряд зсувового регістра порозрядного наближення РгПН, а інші розряди обнуляє. У першому такті за допомогою компаратора КОМП порівнюються вхідна напруга UВХ і напруга з виходу ЦАП, яка відповідає значенню старшого розряду РгПН. Алгоритм порівняння такий: якщо UЦАП > UВХ, то в наступному такті ця одиниця вилучається, а замість неї в РгПН додається наступна із сусіднього розряду. Якщо ж UЦАП < UВХ, то одиниця в старшому розряді зберігається і до неї додасться одиниця із сусіднього розряду і т. д.

Паралельні АЦП

В паралельних АЦП (СА3306) сигнал порівнюється з опорними значеннями

Рис.10. Паралельний АЦП

3. Основні параметри і характеристики аналого-цифрових перетворювачів

У АЦП використовують методи порозрядного кодування, послідовної лічби з двійковим інтегруванням і паралельного перетворення. Мікросхеми АЦП виконують за гібридною і напівпровідниковою технологією. У останні роки випускають, в основному, напівпровідникові АЦП. Основні параметри і характеристики деяких напівпровідникових АЦП наведені в табл. 2.

Основними параметрами і характеристиками АЦП є:

· число розрядів п вихідного коду;

· роздільна здатність h - мінімальний квант вхідної напруги, за якої вихідний код змінюються на одиницю молодшого розряду;

· нелінійність ?Л - максимальне відхилення вихідного коду від розрахункового значення у всьому діапазоні шкали;

· абсолютна похибка ?А - найбільше відхилення вихідного коду від розрахункового в кінцевій точці шкали;

· час перетворення tпр - інтервал від моменту початку перетворення до появи на виході сталого коду; часто замість tпр швидкодія АЦП характеризується частотою перетворення:

· діапазон і полярність вхідної напруги, число джерел живлення, струм споживання, можливість спільної роботи з мікропроцесорами.

У АЦП застосовуються такі методи перетворення:

· послідовної лічби (з використанням ЦАП або двотактним інтегруванням);

· порозрядного кодування (послідовного двійкового наближення);

· паралельної дії (зчитування);

· паралельно-послідовні (комбіновані).

Таблиця 2

Тип мікросхеми

Розрядність, n

Максимальне відхилення, ?ЛД %

Час перетворення ТП, мкс

Технологія

Примітка

КР572ПВ3

К1107ПВ1

М1107ПВ6

К1108ПВ2

±0,75

±0,5

±1,5

±1

7,5

0,1

0,06

0,9

КМОН

Біполярна

МК, СМ

ФЗ, СМ

ФЗ

Примітка. У табл. 5.2: СМ - сумісність з мікропроцесорами; ФЗ - функціональна закінченість; МК - багатоканальність.

Деякі АЦП є функціонально закінченими, але більшість вимагають додаткових зовнішніх елементів: операційних підсилювачів, джерело опорної напруги, генераторів тактових імпульсів, резисторів і конденсаторів.

Мікросхеми АЦП звичайно мають діапазон зміни вхідної напруги 0-10 В, а деякі АЦП допускають використання двополярного вхідного сигналу. Розрядність АЦП становить 6-12, причому ряд АЦП допускають нарощуванням розрядності.

Швидкодія АЦП визначається, в основному, методом перетворення і елементною базою (ТТЛШ, ЕЗЛ, КМОН). Найбільшу швидкість мають АЦП паралельної дії на базі ЕЗЛ - елементів (tпр ? 20 нс). Перетворювачі за рівнями вихідних сигналів узгоджуються ТТЛШ-, ЕЗЛ- і КМОН-мікросхемами. Більшість сучасних АЦП сумісні з мікропроцесорними пристроями. Вихідні ланцюги в таких АЦП мають три стійких стани (лог. 0, лог. 1 і 2).

При порівнянні реальних і віртуальних приладів, крім можливостей, що ними надаються, і режимів роботи, треба також брати до уваги і їх основні характеристики - точність і швидкодія.

Точність віртуального приладу визначається не тільки кількістю цифр після коми, які виводиться на екран управляючою програмою. До речі, ці цифри можуть бути помилковими, якщо не вжиті деякі заходи метрологічного характеру. Одним з основних критеріїв є розрядність аналого-цифрового перетворювача. Цей параметр визначає ступінь дозволу при вимірюваннях, тобто ту якнайменшу різницю між двома сусідніми значеннями, яку «відчуває» вимірювальний прилад. Наприклад, восьмирозрядний АЦП здатний формувати 28, або 256 різних значень вихідного сигналу (коду). Якщо його повна шкала складає 5 В, він зможе розрізнити два рівні вхідної напруги, відмінні приблизно на 20 мВ; це відповідає чутливості хорошого стрілочного гальванометра класу 0,4 або більшості осцилографів. Простий розрахунок показує, що вхідна напруга 4 В може бути виміряна з точністю близько 0.5%, а напруга 100 мВ - лише з точністю близько 20%.

Тут виявляється відоме емпіричне правило «останній третині шкали», яке, ймовірно, відоме всім користувачам аналогових мультиметрів і залишається таким же актуальним в цифрову епоху.

12-розрядний АЦП З можливістю формування на виході 212 - 4096 різних значень зможе зміряти напругу 4 В з точністю близько 0,03%, а 100 мВ - з точністю близько 1,2%. Зрозуміло, ці розрахунки вірні за умови, що всі електронні компоненти в АЦП мають допуски, відповідні вказаним величинам. Не варто, наприклад, розраховувати на середню точність 1% (що було б непогано) у вимірювальних ланцюгах, зібраних на звичних резисторах з допуском 5%.

4. Нове покоління АЦП

Головна особливість таких АЦП полягає в організації управління по одно- або двох-дротяній послідовній шині (SPI, Microwire, I2С і т.п.), а не через паралельний інтерфейс, що вимагає наявності одного виводу мікросхеми на кожен розряд шини управління. Звичайно, такий спосіб передачі бітів даних один за іншим по одному дроту обмежує швидкість обміну інформацією, хоча і тут можна досягти швидкості передачі даних порядку 1 Мбіт/с. На практиці, з урахуванням властивостей і можливостей схем дискретизації і квантування, не варто розраховувати на подолання бар'єру в декілька десятків тисяч вимірювань в секунду, що в середньому відповідає частоті дискретизації 20 кГц. Таким чином, цих електронних компонентів не можна порівняти з надшвидкісними АЦП типа «flash» або «VIDEO», але вони проте відносяться до класу швидкодіючих АЦП. Тому при розрядності від 3 до 12 біт вони чудово підходять для вирішення більшості задач у області створення віртуальних вимірювальних приладів.

На рис.11 приведена структурна схема стандартних послідовних АЦП. виконаних в корпусах з вісьма виводами. Логічний контролер з вбудованим тактовим генератором управляє роботою схеми перетворення функціонуючої за принципом послідовного наближення. Цей принцип полягає в поступовому покроковому накопиченні в проміжному регістрі даних двійкового кодового слова, відповідного співвідношенню вхідної аналогової напруги (різниці між рівнями напруги на диференціальних входах АNALOG +IN і ANALOG-IN) і опорної напруги (різниці між рівнями напруги на диференціальних входах REF+ і REF-).

Цикл перетворення починається з фіксації рівня вхідної аналогової напруги в пристрої вибірки-зберігання, а потім перетворювач починає формувати вміст регістра. Процес накопичення кодового слава займає якийсь час, зване часом перетворення.

На практиці як мінімум один ANALOG -IN або REF технологічно сполучений із загальним проводом (GND).

Рис. 11. Структурна схема послідовного АЦП

Після закінчення процесу перетворення селектор даних, розташований перед вихідним каскадом, починає послідовно вибирати біти інформації, що містяться в регістрі даних, і потім також послідовно подає їх на вихід DАТА OUT. Частота вибірки і формування вихідних імпульсів визначається зовнішнім тактовим сигналом I/O CLOCK.

Для правильного функціонування АЦП необхідна наявність деякої зовнішньої управляючої системи, яка повинна формувати послідовності, синхронізуючих сигналів.

В більшості випадків аналого-цифрове перетворення починається в момент подачі відповідного сигналу на вивід CS (вибір кристала). Саме по собі перетворення виконується за декілька десятків мікросекунд. Після цього необхідно подати потрібну кількість тактових імпульсів на вивід I/O СLOСК, щоб видати результат перетворення через вивід DАТА OUТ.

АЦП послідовного наближення

8 - розрядний послідовний АЦП, який використовуватиметься в прикладах, був вибраний, з одного боку, зважаючи на його широке розповсюдження і цілком прийнятну ціну, а з другого боку, з огляду на те, що існують 10- і 12- розрядні моделі, повністю сумісні з ним по розташуванню виводів. При нагоді це може спростити проблему модернізації друкованої плати.

Рис. 12. Розміщення виводів аналого-цифрового перетворювача TLC 549

Такий АЦП має тільки один аналоговий вхід (ANALOG IN) два входи для підключення опорної напруги (REF+ і REF-). Другим аналоговим входом можна рахувати вивід GND - загальний. Якщо при цьому вивід REF-теж підключений до загального дроту, то на виході АЦП формуватиметься байт вихідного коду, рівний 00000000 при нульовій напрузі на аналоговому вході, і 11111111 - при вхідній напрузі, рівній опорному, яке подасться на вихід REF+.

Прямий конкурент АЦП TLC 1549 - аналого-цифровий перетворювач МАХIM - 1243 виробництва компанії МАХІМ - має абсолютно інше розташування виводів. Крім своїх відмінних характеристик, він цікавий тим, що належить до сімейства повністю взаємозамінних АЦП, яке включає 12-розрядну версію МАХ 1241, а також тим, що за допомогою простої програми його можна легко перемкнути в 8-розрядний режим.

Серед моделей, пропонованих у вигляді зовнішніх інтерфейсів, мініатюрні аналого-цифрові перетворювачі ADC 10 і ADC 12 компанії PICO Technology користуються великою популярністю. Причиною тому служить виняткова простота їх застосування і доступна ціна. ADC 10 і ADC 12 представляють чудову можливість додавання одного або декількох аналогових входів до будь-якого ПК.

Концепція, розроблена британською компанією PICO Technology, досить оригінальна: АЦП ADC 10 і ADC 12 виконані у вигляді простого роз'єму BD25 (рис. 12). Підключення аналогового сигналу здійснюється за допомогою кабелю через роз'єм типа ВNС (СР50-73). Достатньо вставити один з цих приладів в роз'єм паралельного порту (LРТ1 або LРТ2), щоб перетворити останній в аналоговий вхід з діапазоном напруг від 0 до 5 В. Треба лише запустити програму PICOSСОРЕ, що поставляється разом з АЦП, щоб одразу ж одержати цифровий вольтметр, осцилограф і аналізатор спектру.

Література

1. Виглеб Г. Датчики. Устройство и применение. - М.: Мир, 1989. - 196 с.

2. Арутюнов О.С. Датчики состава и свойств вещества. - М.-Л.: Энергия, 1966. - 160 с.

Страницы: 1, 2

© 2003-2013
Рефераты бесплатно, курсовые, рефераты биология, большая бибилиотека рефератов, дипломы, научные работы, рефераты право, рефераты, рефераты скачать, рефераты литература, курсовые работы, реферат, доклады, рефераты медицина, рефераты на тему, сочинения, реферат бесплатно, рефераты авиация, рефераты психология, рефераты математика, рефераты кулинария, рефераты логистика, рефераты анатомия, рефераты маркетинг, рефераты релиния, рефераты социология, рефераты менеджемент.