Тема: АЦП, ЦАП, микропроцессоры и микро ЭВМ

Цель: Формирование у студента компетенции ПК-12

Теоретическая часть

Цифровые электронные устройства работают в двоичном коде, а большинство исполнительных механизмов автоматизированных систем управления, как правило, реагирует на аналоговые уровни напряжения или тока. Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) преобразует цифровую информацию в аналоговую. ЦАП используют также в бытовой электронике, например, в системах высококачественного воспроизведения звука, записанного в цифровой форме на компакт-дисках.

В системах управления информация о состоянии контролируемого промышленного оборудования снимается чаще всего в аналоговом виде. Для последующей обработки эта информация преобразуется в цифровую форму. Такое образование выполняют в два этапа. Вначале непрерывно изменяющийся сигнал измеряют в дискретные моменты времени. Затем полученные значения сигнала подают на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП), который с некоторым шагом квантования по уровню преобразует их в эквивалентные цифровые значения, представленные в двоичном коде.

Дискретизация во времени выполнена корректно, если возможно однозначное восстановление исходного аналогового сигнала. При этом исходный сигнал должен удовлетворять условиям:

– частотный (спектральный) состав исходного сигнала должен быть ограничен некоторой верхней граничной частотой ;

– частота дискретизации (следование отсчетов) должна быть больше или равна 2 .

Обычно выбирают частоту дискретизации = (3…10) .

Основными характеристиками ЦАП и АЦП являются быстродействие и погрешность преобразования.

Быстродействие – это время преобразования информации из одной формы в другую.

Погрешность преобразования определяется абсолютной погрешностью и относительной разрешающей способностью. Абсолютная погрешность преобразования равна половине шага квантования по уровню . При шаге квантования n-разрядный ЦАП обеспечивает 2ⁿ различных значений выходного напряжения, максимальное значение которого, называемой напряжением шкалы,

.

Относительная разрешающая способность

.

Число уровней квантования напряжения

.

Период следования тактовых импульсов

,

где – тактовая частота, Гц.

Время преобразования в АЦП последовательного типа

.

Число возможных состояний (коэффициент пересчета) двоичного счетчика K_сч=2ⁿ, где n – разрядность счетчика и число его триггеров.

Максимальное число счетчика равно .

Микропроцессоры (МП) предназначены для приема набора чисел (ввод), выполнения некоторых арифметических и логических операций над числами (обработка), хранение результатов тех или иных операций во внутренней памяти (регистрах), либо их выдаче в другие блоки микропроцессорной системы. МП может обрабатывать только двоичные числа. Информация, получаемая от приборов, перед обработкой МП должна быть преобразована в двоичную форму с помощью подсистемы ввода–вывода, присоединенной к МП.

Достоинством МП является большая скорость обработки данных. МП могут принимать, обрабатывать и выдавать данные со скоростями в миллионы бит в секунду.

Эволюция архитектуры МП пошла по нескольким различным направлениям, в результате чего появились следующие их классы:

– простые однокристальные 4- и 8-разрядные контроллеры относительно невысокой производительности для применения в бытовых приборах и небольших подсистемах,

– быстродействующие секционные комплекты микропроцессорных БИС для создания ЭВМ произвольной разрядности с наращиваемой системой команд,

– мощные однокристальные 16- и 32-разрядные интегральные схемы супер большой интеграции (ССБИС) с фиксированной системой команд для персональных ЭВМ, производительность которых приближается к производительности полупрофессиональных и мини ЭВМ,

– специализированные процессоры цифровой обработки, предназначенные для ускорения выполнения арифметических операций и алгоритмов спектрального анализа сигналов,

– аналоговые процессоры – устройства с аналоговыми входом и выходом, внутри которых вся обработка сигналов ведется в цифровом коде.

Задачи

1. В АЦП последовательного небалансного типа (рисунок 18.1) аналоговое напряжение преобразуется формирователем временного интервала ФВИ в импульс длительностью , пропорциональной величине . В течение времени элемент И пропускает на вход двоичного счетчика СТ импульсы стабильной частоты от тактового генератора импульсов ГИ. Счетчик формирует двоичный код Y, пропорциональный . Определите число разрядов счетчика n и время преобразования , если = (0…10) В, шаг квантования = 0,01 В, тактовая частота ГИ = 1 МГЦ.

2. В АЦП балансного типа (рисунок 18.2) цифроаналоговый преобразователь преобразует код, снимаемый со счетчика, в аналоговое напряжение , пропорциональное коду. При равенстве напряжений и компаратор прекращает поступление импульсов на счетчик. В этот момент код счетчика Y будет пропорционален .

Определите верхнюю граничную частоту аналоговых сигналов, преобразуемых этим 10-разрядным АЦП последовательного счета, тактовая частота которого = 10 МГц.

Рисунок 18.1

Рисунок 18.2

3. Аналого-цифровой преобразователь с двойным интегрированием (рисунок 18.3 а) используется в высокоточных цифровых вольтметрах постоянного тока. Он состоит из переключателя S, интегратора DA1, компаратора DA2, двоичного счетчика СТ2 и системы управления СУ. Вначале интегрируется входное напряжение в течение времени , затем – опорное напряжение противоположной полярности в течение времени (рисунок 18.3 б). Преобразование аналогового сигнала в цифровой сигнал на выходе счетчика СТ2 является высокоточным по следующим причинам (укажите неправильный ответ):

а) точность не зависит от величины емкости С интегратора DA1,

б) точность не зависит от частоты тактовых импульсов ,

в) точность не зависит от нестабильности опорного напряжения ,

г) мало влияние сетевых помех на точность измерения,

д) величина входного напряжения определяется как .

а) б

Рисунок 18.3

4. Схема простейшего ОЗУ – параллельного регистра – показана на рисунке 18.4. Регистр управляется сигналами X_З (записи), X_R (установки нуля) и X_сч (считывания). Какому номеру состояния в таблице 18.1 соответствует режим записи в регистр многоразрядного числа a₀a₁…a_n-1?

Таблица 18.1

Номер состояния регистра	Сигналы управления
XЗ	XR	Xсч

Рисунок 18.4

5. Используя данные, приведенные в предыдущем задании, определите, какому номеру состояния в таблице 18.1 соответствует режим хранения в параллельном регистре записанного многоразрядного числа a₀a₁…a_n-1?

6. Микросхемы микропроцессорных систем разработаны с учетом подключения входов и выходов нескольких микросхем к одной шине. Эти микросхемы на выходах Y имеют логический 0 или логическую 1, но при необходимости могут отключаться от шины, переходя в третье, высокоимпедансное состояние.

Для перехода в третье состояние со стороны выходов Y бесконечно велико, используется транзистор VT5 и резистор R5,управляемые сигналом Z (рисунок 18.5). Определите, при каком сочетании сигналов x₁, x₂ и Z наступит третье состояние. Символ × означает, что состояние не имеет значения:

а) Z = 0, x₁ = 0, x₂ = 0;

б) Z = 0, x₁ = 1, x₂ = 1;

в) Z = 1, x₁(×), x₂ (×).

Рисунок 18.5

Вопросы к практическому занятию

1. Для чего предназначены АЦП и ЦАП?

2. Какой из АЦП последовательного действия обладает наибольшим быстродействием: с последовательным счетом, с поразрядным уравновешиванием или интегрирующий?

3. Что выполняется при преобразовании аналоговых величин в цифровые и наоборот: квантование по уровню, квантование по времени или квантование и по уровню, и по времени?

4. Что является элементом памяти в микросхемах ОЗУ, выполненных на биполярных транзисторах? на МОП-транзисторах?

5. Что вызывает наибольшие трудности при автоматизации: ситуация, когда алгоритм составлен некорректно, отладка отдельных частей программы или выбор датчиков?

6. Какими числами представлена информация, обрабатываемая микропроцессором: десятичными, двоичными или двоичными и десятичными числами?

7. Чем определяется разрядность микропроцессора: числом проводников его внешней шины данных, шины адреса или шины управления?

8. Чем определяется предельно возможный объем памяти, к которой может обращаться микропроцессор: числом ячеек памяти, сложностью выполняемых программ, разрядностью шины данных МП, разрядностью шины адреса МП?

Список рекомендуемой литературы

Основная литература

1. Информационно-измерительная техника и электроника: учебник для студ. высш.учеб. заведений / [Г.Г. Раннев, В.А. Сурогина, В.И. Калашников и др.]; под ред. Г.Г. Раннева. – М.: Издательский центр «Академия», 2006. – 512 с.

Дополнительная литература

2. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи: Учебник. – 10-е изд. – М.: Гардарики, 2002. – 638 с.

3. Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника: Учебник для вузов / Под ред. В.А. Лабунцова. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 320 с.

4. Забродин Ю.С. Промышленная электроника: Учебник для вузов. – М.: Высшая школа, 1982. – 496 с.

5. Лачин В.И. Электроника: учебник / В.И. Лачин, Н.С. Савелов. – Ростов н/Д.: Феникс, 2000. – 440 с.

6. Сборник задач и упражнений по электрическим и электронным измерениям: Учеб. пособие для втузов / Атамалян Э.Г., Аствацатурьян Е.Р., Бодряшова О.Н. и др.; Под ред. Э. Г. Атамалян. – М: Высш. школа, 1980. –117 с.

7. Полещук В.И. Задачник по электронике: практикум для студ. сред. проф. образования / В.И. Полещук. – М: «Академия», 2008. –160 с.

Учебно-методическое пособие

к практическим занятиям по дисциплине

«Информационно-измерительная техника и электроника»

для студентов направлений подготовки 140400.62 Электроэнергетика и электротехника профиля подготовки «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем», «Электроснабжение», «Электроэнергетические системы и сети»

Составители: Данилов М.И.

Романенко И.Г.

Ястребов С.С.

Мамаев В.А.

Редакторы:

_____________________________________________________________________________Подписано в печать

Формат 60x84 1/16. Усл. п. л. – . Уч.-изд. л. – .

Бумага газетная. Печать офсетная. Заказ Тираж экз.

ГОУВПО «Северо-Кавказский федеральный университет»

355028, г. Ставрополь, пр. Кулакова, 2

Издательство ГОУ ВПО Северо-Кавказский федеральный университет

Отпечатано в типографии СКФУ