Курсовая работа (т): Спряження інтегральних ЦАП І АЦП з мікропроцесорними системами

Спряження інтегральних ЦАП І АЦП з мікропроцесорними системами

Міністерство освіти і науки України

Тернопільський національний економічний університет

Факультет комп’ютерних інформаційних технологій

Кафедра інформаційно-обчислювальних систем та управління

КУРСОВА РОБОТА

З дисципліни «Компютерна схемотехніка»

на тему:

«Спряження інтегральних ЦАП І АЦП з мікропроцесорними системами»

Студента ІІ курсу СКС-21 групи

Напряму підготовки «Комп’ютерна інженерія»

Голик Іван Іванович

Керівник: к.т.л, доцент Крачка А.Ф.

Тернопіль - 2013 рік

ЗМІСТ

ВСТУП

Розділ1.Сучасні аналого-цифрові перетворювачі

1.1 Дискретизація

1.2 Паралельні і послідовні АЦП

.3 АЦП

.4 Сігма -дельта АЦП

Розділ 2.Будова і робота ЦАП

Розділ3. Структурна схема підключення АЦП і ЦАП до МПС

ВИСНОВОК

ВИКОРИСТАНА ЛІТЕРАТУРА

ДОДАТОК А

інтегральний дискретизація перетворювач

ВСТУП

Аналого-цифровий перетворювач (АЦП, англ. Analog-to-digital converter, ADC) - пристрій, що перетворює вхідний аналоговий сигнал в дискретний код (цифровий сигнал). Зворотне перетворення здійснюється за допомогою ЦАП (цифро-аналогового перетворювача, DAC). Як правило, АЦП - електронний пристрій, що перетворює напругу в двійковий цифровий код. Тим не менш, деякі неелектронні пристрої з цифровим виходом, слід також відносити до АЦП, наприклад, деякі типи перетворювачів кут-код. Найпростішим однорозрядним двійковим АЦП є компаратор.

Компаратор (аналогових сигналів) (англ. comparator - сравнивающее пристрій) - електронна схема, що приймає на свої входи два аналогових сигналу і видає логічну «1», якщо сигнал на прямому вході («+») більше ніж на інверсному вході («? »), і логічний« 0 », якщо сигнал на прямому вході менше ніж на інверсному вході.

Найпростіший компаратор являє собою диференційний підсилювач. Компаратор відрізняється від лінійного операційного підсилювача (ОУ) пристроєм і вхідного, і вихідного каскадів:

Вхідний каскад компаратора повинен витримувати широкий діапазон вхідних напруг між інвертуючим і неінвертірующім входами, аж до розмаху живлять напруг, і швидко відновлюватися при зміні знака цієї напруги. У ОУ, охопленому зворотним зв'язком, це вимога некритично, оскільки диференціальне вхідна напруга вимірюється мілівольт і мікровольт.

Вихідний каскад компаратора виконується сумісним по рівнях і струмів з конкретним типом логічних схем (ТТЛ, ЕСЛ і т. п.). Можливі вихідні каскади на одиночному транзисторі з відкритим колектором (сумісність з ТТЛ і КМОП логікою).

При подачі еталонного напруги на інвертується вхід, вхідний сигнал подається на неінвертуючий вхід і компаратор є неінвертірующім (повторювачем, буфером). При подачі еталонного напруги на неінвертуючий вхід, вхідний сигнал подається на інвертується вхід і компаратор є інвертуючим (інвертором).

Дещо рідше застосовуються компаратори на основі логічних елементів, охоплених зворотним зв'язком (див., наприклад, тригер Шмітта - не компаратор за своєю природою, але пристрій з дуже схожою областю застосування).

Компаратори, побудовані на двох диференціальних підсилювачах, можна умовно розділити на двухвходового і трехвходового. Двухвходового компаратори застосовуються в тих випадках, коли сигнал змінюється досить швидко (не викликає брязкоту), і на виході генерують один з потенціалів, якими запитані операційні підсилювачі (як правило - +5 В або 0).

Трехвходового компаратори мають більш широку область застосування і володіють двома опорними потенціалами, за рахунок чого їх вольт-амперна характеристика може являти собою прямокутну петлю гістерезису.

Приклад широко відомих компараторів: LM311 (вітчизняний аналог - КР554СА3), LM339 (вітчизняний аналог - К1401СА1). Ця мікросхема часто зустрічається, зокрема, на системних платах ЕОМ, а так само в системах управління ШІМ контролера в блоках перетворення напруги (наприклад в комп'ютерних блоках живлення з системою живлення ATX). Докладніше про них можна дізнатися з книги "Електроніка", О.В. Миловзоров, І.Г. Панков - 2004; "Електронні прилади та підсилювачі", Ф.І. Вайсбурд, Г.А. Панаєв, Б.М. Савельєв - 2005

1.СУЧАСНІ АНАЛОГО-ЦИФРОВІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ

Інтегральні аналого-цифрові перетворювачі (АЦП) випускаються вже понад 30 років. За цей час розроблені і проводяться сотні моделей АЦП, що відрізняються точністю, швидкодією, споживанням енергії і ціною. При виборі конкретної мікросхеми розробник звертає увагу, насамперед на сукупність її показників якості (параметрів).

Аналогово-цифровий перетворювач (АЦП) - один з найважливіших електронних компонентів у вимірювальному і тестовому обладнанні. АЦП перетворює напругу (аналоговий сигнал) в код, над яким мікропроцесор і програмне забезпечення виконують певні дії. Навіть якщо Ви працюєте тільки з цифровими сигналами, швидше за все Ви використовуєте АЦП у складі осцилографа, щоб дізнатися їх аналогові характеристики.

Існує кілька основних типів архітектури АЦП, хоча в межах кожного типу існує також безліч варіацій. Різні типи вимірювального обладнання використовують різні типи АЦП. Наприклад, в цифровому осцилографі використовується висока частота дискретизації, але не потрібно високий дозвіл. У цифрових мультиметр потрібно більший дозвіл, але можна пожертвувати швидкістю вимірювання.

Системи збору даних загального призначення за швидкістю дискретизації і роздільної здатності зазвичай займають місце між осцилографами і цифрові мультиметри.

В обладнанні такого типу використовуються АЦП послідовного наближення або сигма-дельта АЦП. Існують також паралельні АЦП для додатків, що вимагають швидкісної обробки аналогових сигналів, і інтегруючі АЦП з високими дозволом і помехоподавленія.

На рис.1 показані можливості основних архітектур АЦП в залежності від дозволу і частоти дискретизації.

В принципі, цілком реально здійснити перетворення різних фізичних величин безпосередньо в цифрову форму. Однак, процес цей досить складний і подекуди непридатний. Тому найбільш раціональним є спочатку перетворення чогось там у функціонально пов'язані з ними електричні сигнали, а потім за допомогою перетворювача напруга-код у цифрові. Саме останні і розуміються, як АЦП.

Сама суть перетворення аналогових величин полягає в поданні якоїсь безперервної функції (наприклад, напруги) від часу в послідовність чисел, віднесених до якихось фіксованих моментів часу. Якщо говорити простою мовою, то нехай, наприклад, є якийсь сигнал (безперервний) і для перетворення його в цифровий необхідно цей самий сигнал представити у вигляді послідовності певних чисел, кожне з яких відноситься до певного моменту часу.

Для перетворення аналогового (безперервного) сигналу в цифровий необхідно виконати три операції: дискретизація, квантування і кодування. У багатьох розумних книжках остання операція виключається. Про це трохи нижче. Отже, розберемо поки незрозумілі поняття.

.1 Дискретизація

Дискретизація - це подання безперервної функції (тобто якогось сигналу) у вигляді ряду дискретних відліків. По-іншому можна сказати, що дискретизація - це перетворення неперервної функції в безперервну послідовність. Давайте глянемо на малюнок 1, де зображений принцип дискретизації.

На малюнку показана найбільш поширена рівномірна дискретизація. Спочатку мається безперервний сигнал S (t). Потім він піддається разбиению на рівні проміжки часу Дt. Ось ці проміжки "дельта те" і є дискретні відліки, звані періодами дискретизації. У результаті виходить послідовність відліків (дискретних) з кроком в Дt. По суті в основі дискретизації неперервних сигналів лежить можливість подання їх, тобто сигналів у вигляді зважених сум деяких коефіцієнтів, позначимо їх як ai, інакше званих отсчетами, і набору елементарних функцій, позначимо їх як fi (t), що використовуються при відновленні сигналу за його відліками.

Період дискретизації вибирається з умови:

Дt = 1/2Fв,

де Fв - максимальна частота спектра сигналу. Це вираз є не що інше, як теорема Котельникова, яка говорить: Будь безперервний сигнал можна абсолютно точно відновити на виході ідеального смугового фільтра (ПФ) з смугою Fв, якщо дискретні відліки взяті через інтервал Дt = 1 / 2Fв. А це означає, що частота дискретизації повинна бути вдвічі більше максимальної частоти сигналу. На практиці, наприклад, це добре ілюструє звичайний компакт диск (КД або CD) або, як його називають, AudioCD.

КД записують з частотою дискретизації 44,1 кГц. А це означає, що максимальна верхня частота дорівнюватиме 22 кГц, що, як вважається, цілком достатньо для вуха людини (пам'ятаєте, частотний діапазон для вуха людини дорівнює 20 ... 20 000 Гц). Про компакт диски буде окрема глава.

При квантуванні шкала сигналу розбивається на рівні. Відліки поміщаються в підготовлену сітку і перетворюються в найближчий номер рівня квантування. Знову подивимося на малюнок:

На малюнку зображено рівномірне квантування. Одним з основних параметрів є д - крок квантування. Відповідно, при рівномірному квантуванні крок квантування однаковий. Отже, згідно з визначенням запихаємо відліки в підготовлену сітку. Перший (зліва направо) відлік знаходиться ближче до рівня 3 (рівні квантування - по вертикальній осі). Другий - до 5-го рівня і т. п. Таким чином, замість послідовності відліків одержуємо послідовність чисел, що відповідають рівням квантування.

При рівномірному квантуванні динамічний діапазон виходить досить великим, а це не є гуд. Тому придумали так зване нерівномірне квантування, при якому динамічний діапазон зменшується. Ну зрозуміло, напевно, що крок квантування д буде різним при різних рівнях. При малих рівнях сигналу крок невеликий, при великих він збільшується. На практиці ж нерівномірне квантування практично не використовується. Замість цього застосовують компресори, причому америкоси використовують м-компресори, європейці - А-компресори (грецька буква м читається "мю").

Кодування - це зіставлення елементів сигналу з деякою кодовою комбінацією символів. Широко використовується двійковий код.

Ну а тепер перейдемо власне до АЦП. АЦП бувають послідовні і паралельні. Почнемо з паралельних.

1.2 Паралельні і послідовні АЦП

Паралельні АЦП

Найчастіше в якості порогових пристроїв паралельного АЦП використовуються інтегральні компаратори. Схема типового АЦП паралельного типу наведена на малюнку 4.

Досить проста схема. Число компараторів DA вибирається з урахуванням розрядності коду. Наприклад, для двох розрядів знадобиться три компаратора, для трьох - сім, для 4-х - 15. Опорні напруги задаються за допомогою резистивного дільника. Вхідна напруга Uвх подається вхід компараторів і порівнюється з набором опорних напруг, що знімаються з дільника. На виході компаратора, де вхідна напруга більше відповідного опорного, буде лог. 1, на інших - лот. 0. Природно, бенкет вхідній напрузі рівному 0 на виходах компараторів будуть нулі. При максимальному вхідному напрузі на виходах компараторів будуть лог. 1. Шифратор призначений для перетворення отриманої групи нулів і одиниць у "нормальний" двійковий код.

Паралельний АЦП є самим швидкодіючим з усіх, оскільки компаратори працюють одночасно. Але є досить істотний недолік. Як було сказано вище, розрядність такого АЦП визначається числом компараторів (ну і резіков, звичайно). При малій розрядності це ще не так хреново. А коли розрядів 10-12. Для 10-ти розрядного АЦП знадобиться 210 - 1 = 1023 штук. Ось це вже не добре. Звідси випливає висока вартість паралельних АЦП. До речі, підбором опорів резіков можна вибрати закон перетворення - лінійний, логарифмічний.

Послідовні АЦП

На схемі буквами і символами позначені наступні елементи: К - компаратор, & - схема "І", ГТВ - генератор тактових імпульсів, СТ - лічильник, # / A - ЦАП. На один вхід компаратора подається вхідна напруга, на другий - напруга з виходу ЦАП. На початку роботи лічильник встановлюється в нульовий стан, напруга на виході ЦАП при цьому дорівнює нулю, а на виході компаратора встановлюється лог. 1. При подачі імпульсу дозволу "Строб" лічильник починає рахувати імпульси від генератора тактових імпульсів, що проходять через відкритий елемент "І". Напруга на виході ЦАП при цьому лінійно наростає, поки не стане рівним вхідному. При цьому компаратор перемикається в стан балка. 0 і рахунок імпульсів припиняється. Число, що встановилось виході лічильника і є пропорційний вхідному напрузі цифровий код. Вихідний код залишається незмінним поки триває імпульс "Строб", після зняття якого лічильник встановлюється в нульовий стан і процес перетворення повторюється.

Такі АЦП мають низьку швидкодію. Перевагою є порівняльна простота побудови.

Більш швидкодіючим є АЦП послідовного наближення, званий також АЦП з порозрядним зрівноважуванням. АЦП послідовного наближення зображений на малюнку 6. В основі роботи таких перетворювачів лежить принцип дихотомії - послідовного порівняння вимірюваної величини з Ѕ, ј,? і т. п. від можливого її максимального значення.

У такому АЦП використовується спец регістр - регістр послідовних наближень. При подачі імпульсу "Пуск" на виході старшого розряду регістра з'являється лог. 1, а на виході ЦАП напруга U1. Якщо це напруга менше вхідного, то в наступному за рахунком розряді регістра записується ще лог. 1. Якщо ж вхідна напруга менше, то лог. 1 в старшому розряді скасовується. Таким чином, методом проб перебираються всі розряди - від старшого до молодшого. На всю операцію перетворення потрібно імпульсів ГТВ всього в два рази більше кількості розрядів. Тобто АЦП послідовних наближень набагато спритніше АЦП послідовного рахунку.

Послідовно-паралельні АЦП

Послідовно-паралельні АЦП - це компроміс між паралельними і послідовними АЦП, тобто бажання отримати максимально можливе швидкодію при мінімальних витратах і складності.

На малюнку 7 показаний для прикладу двоступінчастий АЦП. У багатоступеневих перетворювачах процес перетворення розділений у просторі.

1.3 АЦП

Світ, що нас оточує, є аналоговим. До аналогових відносять процеси, що змінюються за законом безперервної функції. Так, звуки та зображення надходять до наших органів відчуття у вигляді коливань - звукових або електромагнітних. Ці коливання сприймаються органами відчуттів (слух, зір) і у вигляді імпульсів передаються до мозку. Але інформація, що передається аналоговим способом, легко викривляється у тракті передачі та потребує величезних обсягів пам’яті при використанні в техніці. Спосіб «оцифровування» інформації спрощує процеси передачі і обробки інформації. Оцифровування - це процес перетворення аналогової інформації в цифрову. До цифрових відносять процеси, що змінюються за законом дискретної функції, як правило, це двійковий цифровий код. Техніка, яка працює з такою інформацією, називається цифровою. Цифрова інформація легко контролюється, дає стабільну і регульовану якість обробки і представлення процесів. Вона потребує менших ємностей для зберігання. Отже, для світу техніки цифрова інформація підходить набагато більше, ніж аналогова [4, 5].