Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи АЦП находят широкое применение в различных областях современной науки и техники. Они являются неотъемлемой составной частью цифровых измерительных приборов, систем преобразования и отображения информации, программируемых источников питания, индикаторов на электронно-лучевых трубках, радиолокационных систем, установок для контроля элементов и микросхем, а также важными компонентами различных автоматических систем контроля и управления, устройств ввода — вывода информации ЭВМ. На их основе строят преобразователи и генераторы практически любых функций, цифроуправляемые аналоговые регистрирующие устройства, корреляторы, анализаторы спектра и т. д.
Велики перспективы использования быстродействующих преобразователей в телеметрии и телевидении. Несомненно, серийный выпуск малогабаритных и относительно дешевых АЦП еще более усилит тенденцию проникновения метода дискретно-непрерывного преобразования в сферу науки и техники. Одним из стимулов развития цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей в интегральном исполнении в последнее время является широкое распространение микропроцессоров и методов цифровой обработки данных. В свою очередь потребность в АЦП стимулирует их разработку и производство с новыми, более совершенными характеристиками. В настоящее время применяют три вида технологии производства АЦП: модульную, гибридную и полупроводниковую.
При этом доля производства полупроводниковых интегральных схем (ИМС ЦАП и ИМС АЦП) в общем объеме их выпуска непрерывно возрастает и в недалеком будущем, по-видимому, в модульном и гибридном исполнениях будут выпускаться лишь сверхточные и сверхбыстродействующие преобразователи с достаточно большой рассеиваемой мощностью.
В данной главе рассматриваются основные структуры, характеристики и методы контроля интегральных микросхем АЦП.
1. Общий раздел
1.1 Аналого-цифровые преобразователи Аналого — цифровые преобразователи (АЦП) являются устройствами, которые принимают входные аналоговые сигналы и генерируют соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для обработки микропроцессорами и другими цифровыми устройствами.
Принципиально не исключена возможность непосредственного преобразования различных физических величин в цифровую форму, однако эту задачу удается решить лишь в редких случаях из-за сложности таких преобразователей. Поэтому в настоящее время наиболее рациональным признается способ преобразования различных по физической природе величин сначала в функционально связанные с ними электрические, а затем уже с помощью преобразователей напряжение код в цифровые. Именно эти преобразователи имеют обычно в виду, когда говорят об АЦП. На рисунке 1.1 приведены виды АЦП.
Аналого-цифровой преобразователь
... называют цифро-аналоговыми преобразователями (ЦАП). Эти устройства необходимы для получения выходной аналоговой величины, соответствующей цифровой кодовой комбинации, поступившей на вход преобразователя. При этом аналоговая величина воспроизводится для дискретных моментов времени. Аналого-цифровые преобразователи и ...
Рисунок 1.1 — Виды АЦП Процедура аналого — цифрового преобразования непрерывных сигналов, которую реализуют с помощью АЦП, представляет собой преобразование непрерывной функции времени U (t), описывающей исходный сигнал, в последовательность чисел {U'(tj)}, j=0,1,2, отнесенных к некоторым фиксированным моментам времени. Эту процедуру можно разделить на две самостоятельные операции. Первая из них называется дискретизацией и состоит в преобразовании непрерывной функции времени U (t) в непрерывную последовательность {U (tj)}. Вторая называется квантованием и состоит в преобразовании непрерывной последовательности в дискретную {U'(tj)}.
Дискретизация — это представление непрерывной функции (т. е. какого-то сигнала) в виде ряда дискретных отсчетов (по-буржуйски дискрет означает отличный, различный).
По-другому можно сказать, что дискретизация — это преобразование непрерывной функции в непрерывную последовательность. На рисунке 2 изображен принцип дискретизации.
Рисунок 1.2 — Принцип дискретизации При квантовании (рисунок 1.3) шкала сигнала разбивается на уровни. Отсчеты помещаются в подготовленную сетку и преобразуются в ближайший номер уровня квантования.
Рисунок 1.3 — Квантование
1.2 Классификация существующих устройств Классификация АЦП делится на 3 типа:
- АЦП последовательного приближения, заключается в возможности организации синхронной и циклической работы, производства уменьшения числа разрядов и вывода данных в последовательном коде;
- АЦП считывания, выполняет функцию параллельного преобразования входного напряжения в один из видов цифрового кода: двоичного (прямого или обратного) и с дополнением до двух (прямого или обратного);
- Интегрирующие АЦП, предназначены для применения в измерительной аппаратуре различного назначения.
Основными характеристиками АЦП являются: разрешающая способность, точность и быстродействие. Разрешающая способность определяется разрядностью и максимальным диапазоном входного аналогового напряжения, точность — абсолютной погрешностью полной шкалы, нелинейностью и дифференциальной нелинейностью. Быстродействие АЦП характеризуется временем преобразования т. е. интервалом времени от момента заданного изменения сигнала на входе до появления на выходе, устанавливающегося кода.
По структуре построения АЦП делятся на два типа: с применением ЦАП и без них. В настоящее время в интегральном исполнении реализованы АЦП развёртывающего типа. Развёртывающие АЦП переводят аналоговый сигнал в цифровой последовательный, начиная с младшего значащего разряда до цифрового кода на выходе, соответствующего уровню входного аналогового напряжения АЦП. К этому типу можно отнести АЦП последовательного приближения со счётчиком.
К схемам АЦП без применения ЦАП относятся АЦП двойного интегрирования и параллельного действия. Способ двойного интегрирования позволяет хорошо подавлять сетевые помехи; кроме того, для построения схемы АЦП не требуется ЦАП с высокоточными резистивными матрицами.
1.3 Разработка структурной схемы В настоящее время, при разработке проектов радиоэлектронных устройств, приоритетными являются разработки, предусматривающие интегральное исполнение.
Исходя из этого, предлагается схема аналого-цифрового преобразователя, обладающая в интегральном исполнении (т.е. выполненная в одном кристалле) более высокими параметрами, чем при изготовлении на дискретных элементах. Так как изготовления прецизионных конденсаторов в интегральном исполнении является сложной технологической проблемой, в предлагаемой разработке из измерительных цепей конденсаторы исключены.
Схема АЦП с буферной памятью состоит из следующих блоков: генератор тактовых импульсов, счётчик формирователь адресов, буферную память составляет динамическое ОЗУ, мультиплексор, регистр последовательного приближения, буферный регистр, компаратор, ЦАП и три логических элемента.
Генератор и счётчик формируют адресные коды в стартстопном или непрерывном режиме. Тактовая частота, с которой производится дискретизация входного аналогового сигнала Ux, зависит от динамических параметров элементов АЦП, главным образом от времени установления ЦАП. С выхода микросхемы памяти мы снимаем восьмиразрядный цифровой код. Время одного измерения равно длительности установления на выходе буферного регистра цифрового кода, отображающего значения амплитуды выборки входного сигнала Ux.
Структурная схема приведена на рисунке 1.4
Рисунок 1.4 — Структурная схема
1.4 Выбор элементной базы
Рисунок 1.5 — Микросхема К155 АГ3
Микросхема К155 АГ3. Генератор тактовых импульсоввырабатывает импульсы для их последующего преобразования в цифровой код.
Рисунок 1.6 — Микросхема К155ИЕ2
Каждая ИС
микросхема цифровой преобразователь
Рисунок 1.7 — Микросхема КР537 РУ8
Микросхема представляет собой статическое запоминающее устройство на основе КМОП-структур.
Выбранные четыре бита информации параллельно проходят через разрядную схему, и после усиления и формирования в выходном блоке появляются на обедненных входах — выходах. Все блоки работают одновременно и управляются сигналами выбора микросхемы CS, записи — считывания WR/RD либо их комбинацией, вырабатываемой в блоке управления.
Назначение выходов и режимы работы представлены в таблице 1.
Таблица 1.1 — Таблица истинности
|
Cs 1 |
Cs 2 |
WR/RD |
DIO 0… DIO7 |
A 0 …A7 |
Режим работы |
|
|
Х |
Х |
Z |
X |
Хранение |
||
|
A |
D 0 D7 |
A |
Запись |
|||
|
A |
D 0… D7 |
A |
Считывание |
|||
Микросхема имеет организацию 2К*8 бит (буквой К обозначают число равное 2 10 =1024) и, следовательно, допускает запись или считывание информации восьмиразрядными словами (байтами).
Таблица 1.2 — Назначение
|
Выводы |
Обозначение |
Назначение |
|
|
1−4, 5−7, 15 — 17 11 — 14 |
А0-А3, А7-А9, А6,А5,А4 DIO0-DIO3 CS WR/RD |
Адресные входы Входы, выходы данных Выбор микросхемы Запись / считывание |
|
Выбранные четыре бита информации параллельно проходят через разрядную схему, и после усиления и формирования в выходном блоке появляются на обедненных входах — выходах. Все блоки работают одновременно и управляются сигналами выбора микросхемы CS, записи — считывания WR/RD либо их комбинацией, вырабатываемой в блоке управления.
Рисунок 8 — Микросхема К155ЛИ1
Микросхема К155ЛИ1. Микросхема представляет собой четыре логических элемента 2И. Назначение выводов: 1,2,4,5,9,10,12,13 — входы; 3,6,8,11 — выходы; 7 — общий; 14 — напряжение питания.
Рисунок 1.9 — Микросхема К155ИР 1
Микросхема К155ИР 1. Микросхема представляет собой 12 разрядный регистр последовательного приближения. Содержит 545 интегральных элементов.
Назначение выводов: 1 — инверсный вход Е (разрешение); 2 — выход J0; 3 — инверсный выход С (завершение работы); 4 — выход Q0; 5 — выход Q1; 6 — выход Q2; 7 — выход Q3; 8 — выход Q4; 9 — выход Q5; 11 — вход D (данных); 12 — общий; 13 — вход С (тактовый); 14 — инверсный вход S (пуск); 16 — выход Q6; 17 — выход Q7; 18 — выход Q8; 19 — выход Q9; 20 — выход Q10; 21 выход Q11; 23 — инверсный выход Q11; 24 — напряжение питания.
Рисунок 1.10 — Микросхема К572ПА1
Микросхема К572ПА1. Микросхема представляет собой 10- разрядный умножаемый ЦАП. Предназначенный для преобразования 10- разрядного параллельного кода на цифровых входах в один на аналоговом выходе, который пропорционален значениям кода и опорного напряжения.
Назначение выводов: 1 — аналоговый выход 1; 2 — аналоговый выход;3 общий; 4 — цифровой вход 1(старший разряд); 5…12 — цифровые входы 2…9; 13 — цифровой вход 10(младший разряд); 16 — напряжение питания; 15 — опорное напряжение; 16 — вывод резистора обратной связи (https:// , 9).
Рисунок 1.11 — Микросхема К155ТМ7
Микросхема представляет собой 4 Dтриггера с прямыми и инверсными выходами. Содержит 132 интегральных элемента.
Назначение выводов: 1 — выход инверсный А1; 2 — вход D1; 3 — вход D2; 4 — вход синхронизации С3, С4; 5 — Uпит; 6 — вход D3; 7 — вход D4; 8 — выход инверсный А4; 9 — выходА4; 10 — выход А3; 11 — выход инверсный А3; 13 — в ход синхронизации С1, С2; 14 — выход инверсный А2; 15 — выход А2; 16 — выход А1.
Рисунок 1.12 — Микросхема К155ЛН1
Микросхема К155ЛН1. Микросхема представляет собой 6 логических элементов НЕ. Содержит 72 интегральных элемента. Назначение элементов: 1, 3, 5, 9, 11, 13 — входы; 2, 4, 6, 8, 10, 12 — выходы; 7 — общий; 14 — напряжение питания.
Таблица 1.3 — Таблица истинности
|
F |
X |
|
Рисунок 1.13 — Микросхема К155СП1
Микросхема К155СП1. СП1 — это схема двух четырех разрядных чисел, имеет 11 входов, четыре пары из них принимает четырехразрядных чисел А0… А3 и В0… В3, а три входа (АВ), (А=В), (АВ) необходимы для увеличения емкости схемы. Компаратор имеет 3 выхода АВ, А=В, АВ. Назначение элементов: 8 — общий, 16 — напряжение питания. 15, 14, 2, 1, 7, 9, 10, 11, 4, 5, 8 — входы. 13, 12, 13 — выходы.
Таблица 1.4 — Таблица истинности
|
Входы сравнения данных |
Входы каскадов |
Выходы |
||||||||
|
А3,В3 |
А2,В2 |
А1,А1 |
А0,В0 |
А?В |
А?В |
А=В |
А?В |
А?В |
А=В |
|
|
А3?В3 |
Х |
Х |
Х |
Х |
Х |
Х |
||||
|
А3?В3 |
Х |
Х |
Х |
Х |
Х |
Х |
||||
|
А3=В3 |
А2?В2 |
Х |
Х |
Х |
Х |
Х |
||||
|
А3=В3 |
А2?В2 |
Х |
Х |
Х |
Х |
Х |
||||
|
А3=В3 |
А2=В2 |
А1?В1 |
Х |
Х |
Х |
Х |
||||
|
А3=В3 |
А2=В2 |
А1?В1 |
Х |
Х |
Х |
Х |
||||
|
А3=В3 |
А2=В2 |
А1=В1 |
А0?В0 |
Х |
Х |
Х |
||||
|
А3=В3 |
А2=В2 |
А1=В1 |
А0?В0 |
Х |
Х |
Х |
||||
|
А3=В3 |
А2=В2 |
А1=В1 |
А0=В0 |
|||||||
|
А3=В3 |
А2=В А2=В2 |
А1=В1 |
А0=В0 |
|||||||
|
А3=В3 |
А2=В2 |
А1=В1 |
А0=В0 |
|||||||
|
А3=В3 |
А2=В2 |
А1=В1 |
А0=В0 |
Х |
Х |
|||||
|
А3=В3 |
А2=В2 |
А1=В1 |
А0=В0 |
|||||||
|
А3=В3 |
А1=В1 |
А0=В0 |
||||||||
1.5 Разработка функциональной схемы Устройство может работать в режимах измерения, хранения измеренной информации и её вывода для индикации или регистрация в цифровой и аналоговой форме представления.
При наличии на входе «Измерение» сигнала 1 АЦП с частотой тактовых импульсов выбирает значения напряжения аналогового сигнала Ux и преобразует их в восьмиразрядный цифровой код, снимаемый с выхода буферного регистра. Микросхема памяти включена параллельно цепи преобразования и находится в режиме записи. Цифровые сигналы с выхода компаратора поступают на вход микросхемы памяти и поразрядно записываются в накопитель по мере изменения адресов. Эта информация может быть сохранена заданное время при снятии разрешения со входа «Измерение». Микросхема в этом случае находится в режиме считывания, но мультиплексор при отсутствии сигнала разрешения «Вывод» закрывает её выход для считывания.
В режиме вывода микросхема памяти включена через мультиплексор в цепь преобразования считываемых с её выхода, по мере возрастания адресов, сигналов в восьмиразрядный параллельный код на выходе буферного регистра и в соответствующий ему аналоговый уровень напряжения на выходе ЦАП. Выходные сигналы можно подать на регистрирующее устройство и индикатор, например на экране осциллографа.
В режиме вывода измерительной информации из накопителя мультиплексор исключает из цепи преобразования компаратор, следовательно, изменения его состояния под воздействием сигнала на входе Ux не влияют на вывод информации.
РРисунок 1.14 — Схема функциональная
2. Расчетная часть
2.1 Описание схемы электрической принципиальной Компаратор DA1 преобразует аналоговый сигнал в цифровой сигнал. Цифровой сигнал с выхода компаратора поступает на микросхему памяти. Формирование адреса для микросхемы памяти происходит следующим образом. Генератор, собранный на микросхеме DD1 вырабатывает тактовые импульсы с частотой F 0 , которые поступают на вход счётчика, собранного на микросхемах DD2 — DD4 и на стробирующий вход регистра DD8. С выхода счётчика 12 — разрядный адрес поступает на входы данных микросхемы памяти.
Таким образом информация поступающая на вход данных микросхемы памяти записывается под управляющим сигналом WRITE в память микросхемы. С её выхода сигнал поступает на логический элемент ВВ7, с которого сигнал идёт на регистр сдвига DD8, который преобразует последовательный код в параллельный 8- ми разрядный код. Далее с выхода регистра временного хранения DD9 этот код поступает на цифровые выходы и на входы данных аналогоцифрового преобразователя DA1, который преобразует цифровой сигнал в аналоговый.
2.2 Расчет надежности Надежность — это свойство изделия выполнять заданные функции сохраняя свои эксплутационные показатели в течении требуемого промежутка времени.
Надежность схем должна обеспечивается правильным набором элементов, правильным их соединением, согласованием параметров, грамотной эксплуатацией. Для каждого элемента определяем минимальное, среднее и максимальное значение интенсивности отказов.
Таблица 2.1 — Таблица значений
|
Тип элемента |
Количество Ni |
Интенсивность отказов |
||||||
|
час |
Ni*?io*10 -6 час-1 |
|||||||
|
max |
cp |
min |
max |
cp |
min |
|||
|
Интегральные микросхемы |
0,71 |
0,1 |
0,946 |
4,26 |
0,6 |
0,114 |
||
|
Резисторы |
0,07 |
0,04 |
0,01 |
1,2 |
0,56 |
0,16 |
||
|
Соединение пайкой |
0,01 |
0,01 |
0,01 |
2,4 |
2,4 |
2,4 |
||
|
Переключатели |
0,25 |
0,25 |
0,25 |
2,25 |
2,25 |
2,25 |
||
Суммарное значение интенсивности отказов определяется по формулам
(2.1)
(2.2)
(2.3)
где N i — число элементов одного типа;
- m — число типов элементов.
Подставив значения из таблицы 2.1 в формулы (2.1), (2.2), (2.3) получим час -1
час -1
час
Формула расчет вероятности безотказной работы в течение времени.
(2.4)
(2.5)
(2.6)
где t — время испытаний.
После подстановки данных получаем вероятности безотказной работы Наработка на отказ показывает, какое количество часов схема будет работать без поломок
(2.7)
(2.8)
(2.9)
Вычисляем часов
часов часов
2.3 Расчет быстродействия При построении схемы учитывается суммарное время прохождения сигнала через элементы.
Средняя задержка распространения сигнала (tзд ср) — это наиболее распространенный параметр, характеризующий быстродействие логических интегральных схем и он определяется как время задержки переднего и заднего фронтов выходного напряжения.
(2.10)
где t зд 01 — время переключения каждого элемента из положения 0 в 1;
t зд 10 — время переключения из 1 В 0.
Таблица 2.2 — Время переключения элементов
|
№ |
Элемент |
t зд 01 , с |
t зд 10 , с |
|
|
К155ЛИ1 |
||||
|
К155ТМ7 |
||||
|
К155ИР17 |
||||
|
К537РУ8 |
||||
|
К155СП1 |
||||
|
К572ПА1 |
||||
|
К155ИЕ2 |
||||
|
К155АГ3 |
||||
Рассчитаем среднею задержка распространения сигнала для каждого элемента с
с
с
с с
с
с
с Общую задержка сигнала
(2.11)
где N i — число элементов одного типа;
- n — число элементов.
Находим общую задержку сигнала по (2.11)
с Частота работы
(2.12)
Гц
2.4 Расчет потребляемой мощности Рассчитываем мощность для каждой микросхемы, а также потребляемую мощность всей схемы.
(2.13)
где N i — число элементов одного типа;
- n — число элементов.
Таблица 2.3 — Потребляемая мощность
|
Элемент |
Количество |
Потребляемая мощность, мВт |
|
|
К155ЛИ1 |
|||
|
К155ТМ7 |
|||
|
К155ИР17 |
82,5 |
||
|
К537РУ8 |
|||
|
К155СП1 |
|||
|
К572ПА1 |
|||
|
К155ИЕ2 |
|||
|
К155АГ3 |
|||
По формуле (2,13)
Вт
Заключение
Аналого-цифровое преобразование используется везде, где требуется принимать аналоговый сигнал и обрабатывать его в цифровой форме.
- специальные видео-АЦП используются в компьютерных ТВ-тюнерах, платах видеовхода, видеокамерах для оцифровки видеосигнала. Микрофонные и линейные аудиовходы компьютеров подключены к аудио-АЦП.
- АЦП являются составной частью систем сбора данных;
- АЦП последовательного приближения разрядностью 8.12 бит и сигма-дельта АЦП разрядностью 16.24 бита встраиваются в однокристальные микроконтроллеры;
- очень быстрые АЦП необходимы в цифровых осциллографах (используются параллельные и конвеерные АЦП);
- современные весы используют АЦП с разрядностью до 24 бит, преобразующие сигнал непосредственно от тензометрического датчика. (сигма-дельта АЦП);
- АЦП входят в состав радиомодемов и других устройств радиопередачи данных, где используются совместно с процессором ЦОС в качестве демодулятора;
- сверхбыстрые АЦП используются в антенных системах базовых станций и в антенных решётках РЛС.
АЦП превратились из базовых устройств, имеющих отдельные ограниченные диапазоны изменения входных сигналов, в более интегрированные, программируемые микросхемы, предлагающие несколько различных диапазонов измерения входных сигналов и программно конфигурируемые интерфейсы.
Список используемых источников
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/referat/tsifro-analogovyie-preobrazovateli/
