ТЕМА. Аналогово-цифрове перетворення сигналів

МЕТА. Навчитись вимірювати аналогову величину за допомогою різних методів і типів аналого-цифрових перетворювачів.

 

ТЕОРЕТИЧНІ ПОЛОЖЕННЯ

Аналогово-цифрові перетворювачі (АЦП) застосовуються у вимірювальних системах і вимірювально-обчислювальних комплексах для узгодження аналогових джерел вимірюваних сигналів з цифровими пристроями обробки й надання результатів виміру.

Існують різні методи побудови АЦП. Вони відрізняються за складністю реалізації, завадостійкості, швидкодії. У системах де основним критерієм є швидкодія застосовують АЦП паралельного перетворення. Але АЦП цього типу досить складні в реалізації. Для n-розрядного АЦП необхідно 2ⁿ-1 компараторів і паралельний дільник напруги, що виробляє 2ⁿ-1 рівнів квантування.

Для реалізації систем з високою завадостійкістю застосовують інтегруючі АЦП. Такий АЦП складається із двох перетворювачів. Вимірювана напруга перетворюється в тривалість імпульсу, а потім тривалість імпульсу перетворюється в цифровий код.

Одним з найпоширеніших є АЦП, побудований на ЦАП. Схема цього АЦП наведена на рис. 5.1.

Рисунок 1 – Схема АЦП, побудованого на ЦАП

 

Код формується лічильником, при організації твердої логіки, або програмно, якщо АЦП працює в складі обчислювального комплексу. Вхідний код перетворює в аналоговий сигнал за допомогою ЦАП. Напруга з виходу ЦАП надходить на один з входів компаратора. На інший вхід подається вимірювана напруга U_x. У момент, коли напруга ЦАП буде дорівнювати вимірюваній величині, компаратор формує сигнал “Stop”, який свідчить про закінчення циклу виміру.

При формуванні коду використовуються різні алгоритми. Найпростішим алгоритмом є порозрядне зрівноважування. При такому підході код міняється от мінімального шляхом приросту одиниці молодшого розряду до тих пор, поки напруга ЦАП не зрівняється з вимірюваною. Недоліком порозрядного зрівноважування є маленька швидкодія.

Для скорочення часу перетворення застосовується метод половинних наближень. Зрівноважування починається з старшого розряду. У цьому розряді встановлюється одиниця, потім читається стан компаратора. Якщо напруга ЦАП більше вимірюваної, то розряд скидається, а якщо менше, то розряд зберігає свій стан. Далі в такий же спосіб оброблюється наступний розряд. Перетворення закінчується тоді, коли будуть оброблені всі розряди.

В системах спостереження, де необхідно безупинно зчитувати стан давача, це забезпечується малим часом перетворення за рахунок застосування слідкуючого АЦП. Суть даного алгоритму полягає в тому, що спочатку код формується методом половинних наближень, а після порівняння з вимірюваною напругою АЦП відслідковує зміну напруги. Якщо напруга зростає, то код порозрядно збільшується доти, доки напруга ЦАП не зрівняється з вимірюваним, і навпаки.

На стенді АЦП побудований на мікросхемах DA2 (десяти розрядний ЦАП) і DA1 компаратор з ТТЛ виходом. Молодша частина коду зберігається в порту А мікросхеми паралельного інтерфейсу 580ВВ55, старша частина коду зберігається в розрядах 0-1 порту С. Стан компаратора можна прочитати на вводі порту Р1.7 однокристальної ЕОМ, про закінчення циклу перетворення свідчить світіння світлодіоду HL9. Вимірювана напруга знімається з дільника побудованого на резисторах R27, R28. Обертаючи ручку потенціометра R27 можна міняти вимірювану напругу.

 

ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

1 Вивчити структурну схему модуля АЦП на платі розширення.

2 Розробити алгоритм для виконання індивідуального завдання (табл. 5.1).

3 Розробити програму для виконання індивідуального завдання.

4 Набрати програму індивідуального завдання на персональному комп'ютері.

5 За допомогою ПВЗ проаналізувати виконання програми.

6 Завантажити програму в стенд ОЕОМ. Переконатися в правильному виконанні індивідуального завдання, змінюючи значення напруги на вході АЦП, при негативному результаті здійснити зміну алгоритму або програми.

7 Повторити завантаження програми в стенд ОЕОМ.

№	Алгоритм для реалізації
	Порозрядне зрівноважування.
	Метод половинних наближений
	Слідкуючий з первісним порозрядним зрівноважуванням
	Слідкуючий з первісним половинним наближенням
	За натисканням кнопки S1 запустити АЦП половинних наближень

Таблиця 5.1 – Варіанти індивідуальних завдань

 

ПРИКЛАД ВИКОНАННЯ

Написати програму аналогово-цифрового перетворення, що реалізує алгоритм порозрядного зрівноважування

$nolist

$include(с:\asm51\compile\mod51)

$list

A55 equ 8000h

C55 equ 8002h

Rus55 equ 8003h

UW equ 80h

ORG 0000

MOV DPTR, #Russ55

MOV A, #UW

MOV @DPTR, A; ініціалізація ВВ55

M2: MOV R0, #00h; в R0 зберігається старша частина коду ЦАПа

MOV DPTR, #C55; обнуління старших

MOV A, R0; розрядів ЦАПа

MOV @DPTR, A; D9-D8

M4: A, #00h; в А зберігається молодша частина коду ЦАПа

MOV DPTR, #A55; обнуління молодших

MOV @DPTR, A; розрядів D7-D0

M1: INC A; збільшення на 1 молодшої частині коду

MOV DPTR, #A55; запис у порт А молодшої частини коду

MOVX @DPTR, A; аналіз стану компаратора, якщо 0,

JNB p1.2, M3; то перехід до відображення коду мітка МЗ

CJNE A, #0FFh, M1; якщо молодша частина коду FFh,

INC R0; то перехід, до збільшення старшої частини коду,

MOV DPTR, #C55

MOV A, R0; інакше перехід на прудку M1

MOV @DPTR, A; запис у порт С старшої частини коду

CJNE R0, #03h, M4; якщо старша частина коду 03h то перехід

JMP M2;до прудкого М4 інакше перехід до прудкого М2

M3: MOV DPTR, #0B000h; вивід на індикацію

MOVX @DPTR, A; молодшої частини коду

MOV A, R0

MOV DPTR, #0A000h; вивід на індикацію

MOVX @DPTR, A; старшої частини коду

MOV R2, #0FFh; тимчасова затримка реалізована

M5: MOV R3, #0FFh; на двох регістрах з декрементуванням

DJNZ R3, $; у вкладених циклах

DJNZ R2, M5

JMP M2; перехід на новий цикл виміру

END

ЗМІСТ ЗВІТУ

1 Титульна сторінка.

2 Назва роботи, її мета.

3 Початкові дані.

4 Програмний код розробленого програмного забезпечення

5 Висновки за результатами роботи програми.

 

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ

1 Охарактеризуйте методи і типи АЦП.

2 Назвіть основні статичні параметри АЦП.

3 Дайте визначення дискретності, квантуванню, дозволяючої здатності АЦП.

4 Поясніть наступні поняття: характеристика перетворення, диференціальна нелінійність АЦП, відхилення коефіцієнта перетворення.

5 Що таке напруга зсуву нуля?

6 Назвіть основні динамічні параметри АЦП.

7 Дайте визначення поняттям: час перетворення, час затримки запуску, час циклу перетворення, максимальна частота перетворення АЦП.

8 Що означає поняття апертурний час?

9 Назвіть фактори, що впливають на помилку АЦП.

10 Дайте характеристику апаратним реалізаціям АЦП.

11 Наведіть приклади практичного застосування АЦП.

12 Охарактеризуйте принципи побудови схем АЦП за допомогою мікросхем ЦАП.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 6