Сапр зв Лекція № 5

Ввід/вивід аналогової інформації в ЕОМ.

ЦАП, АЦП. Вимірювальні вузли і системи на базі ОЕОМ.

Методи перетворення, типи АЦП. Параметри, технічні характеристики АЦП. Роздільна здатність, статична і динамічна точність.

Методи перетворення, типи ЦАП. Параметри, технічні характеристики ЦАП.

Інформація – кількісна характеристика фізичних явищ, предметів (величин).

Більшість фізичних величин в природі має неперервний характер. Інформація про явища (величини) повинна бути приведена до вигляду, придатного для її вводу і обробки в ЕОМ.

Сигнал – матеріальне вираження інформації у виді певного фізичного процесу, наприклад, електричного – зміна електричної напруги в часі U(t).

С игнали діляться на:

• неперервні;

• дискретні (кодові).

Неперервні сигнали – є, як правило, об’єктами виміру, вони необмежені.

Кодові сигнали несуть штучно або природно закодовану інформацію у виді певних діапазонів розміру, числа об’єктів, розміщення їх в просторі і т.д.(наприклад, логічний „0”=0...0,4В і „1”=3...3,5В). Генетичний код..

Добування інформації:

Вимірювання – це знаходження фізичної величини дослідним шляхом з допомогою спеціальних технічних засобів. В результаті проведення вимірювання одержуємо вимірювальну інформацію, що являє собою кількісну характеристику у вигляді іменованого числа.

До вимірювання належать дві інформаційні процедури:

Контроль – процедура встановлення відповідності між станами, властивостями об’єкту контролю і заданою нормою. Результат контролю – це якісна характеристика, висновок про знаходження об’єкту контролю в нормі або поза нормою.

Відлік – процедура визначення числового значення дискретної величини або кількості предметів. Результатом відліку є неіменоване число (число предметів). Основна характеристика відліку – це безпомилковість і швидкість.

Рис. 11.2 – Процес вимірювання з вводом в ЕОМ

Для вводу аналогової інформації в ЕОМ служить операція квантування.

Квантування – це операція перетворення безперервного сигналу з допомогою міри або масштабного перетворювача в сигнал, розміри параметру (величини) якого мають обмежене число значень.

Ступінь квантування (q_x) – це різниця між двома найбільш близькими значеннями квантової величини:

Для квантування найбільш зручні такі величини:

• довжина;

• кут повороту;

• інтервал часу;

• частота;

• електричний заряд;

• маса;

• електрична напруга.

Віддаль квантується від 10^-8 до 10^-11 м; Час квантується до 10^-12 с.

Дискретизація неперервного, змінного в часі сигналу Х(t) – це вимірювання і фіксація параметрів сигналу в окремі проміжки часу.

Крок дискретизації Т_Д – це проміжок часу між двома сусідніми вибірками миттєвих значень сигналу.

Дискретизація може проводитись рівномірно (Т_Д=const) або нерівномірно (Т_Д=var).

Рис. 11.3 – Рівномірна і нерівномірна дискретизація

Теорема про дискретизацію (Шенона-Котельникова) каже:

при певних умовах неперервний в часі сигнал може бути повністю відновлений по його миттєвих значеннях або відліках, що знімаються через рівні проміжки часу.

А умови до теорії дискретизації наступні:

1. сигнал повинен займати обмежену смугу частот;

2. частота дискретизації повинна перевищувати верхню граничну частоту спектру сигналу не менше, ніж в 2 рази.

На практиці не завжди просто виконати ці умови. Сигнали від датчиків завжди мають необмежене число гармонік, а збільшення частоти дискретизації (для обробки швидкодії аналогових сигналів) вимагає збільшення швидкодії ЕОМ і об’єму ОЗП. Отже, абсолютно точна обробка реальних сигналів неможлива, хоч похибки можна мінімізувати.

Пристрої, що служать для квантування фізичних сигналів – АЦП.

Методи перетворення, типи АЦП.

Основні методи побудови АЦП:

врівноважуючі:

• послідовних наближень;

• послідовного рахунку;

• двохтактні інтегруючі АЦП;

порівняння:

• паралельні АЦП;

• перетворювачі U-f.

Врівноважуючі послідовного рахунку, послідовних наближень

Одним із найпоширеніших є АЦП, побудований на цифроаналоговому перетворювачі (ЦАП).

Рис.11.4. Загальна схема АЦП, побудованого на ЦАП

Код формується лічильником з мікроЕОМ. Вхідний код перетворюється в аналоговий сигнал за допомогою ЦАП. Напруга з виходу ЦАП надходить на один із входів компаратора. На інший вхід подається вимірювана напруга U_x. У момент, коли напруга ЦАП буде дорівнювати вимірюваній, компаратор формує сигнал 'Stop', який свідчить про закінчення циклу вимірювання.

При формуванні коду використовують різні алгоритми.

1. Найпростішим алгоритмом є порозрядне зрівноважування (послідовного рахунку). При такому підході код змінюється від мінімального шляхом збільшення одиниці молодшого розряду доти, поки напруга ЦАП не зрівняється з вимірюваною напругою. Недоліком порозрядного зрівноважування є низька швидкодія.

2. Для скорочення часу перетворення застосовують метод порозрядного кодування (половинних наближень). Зрівноважування починається зі старшого розряду. У цьому розряді встановлюють одиницю і читають стан компаратора. Якщо напруга ЦАП більша вимірюваної, то розряд скидається, а якщо менша, то розряд зберігає свій стан. Далі в такий же спосіб опрацьовується наступний розряд. Перетворення закінчується тоді, коли будуть опрацьовані всі розряди.

Рис.11.5. Схема АЦП в мікроЕОМ з використ. ЦАП і компаратора

Двохтактні інтегруючі (початкові умови: інтегратор в нулі, лічильник рівний нулю)

Рис.11.4. Схема АЦП подвійного інтегрування

Невідомий вхідний сигнал інтегрується RC- інтегратором фіксований час (заданий лічильником). Потім одержаний інтеграл вертається до нуля, бо підключається –U_оп іншої полярності. Час повернення інтеграла до нуля пропорційний вхідній величині (середньому значенню вхідного сигналу за час інтегрування).

Час перетворення такого АЦП рівний подвоєному добутку періоду частоти на число рівнів квантування t=2T*2ⁿ, наприклад, f=1МГц, N=12 розрядів, то t=2*1мкс*2¹²=8,192 мс (час досить великий).

в) АЦП паралельної дії (такі АЦП використовуються, коли потрібна максимальна швидкодія)

На кожен рівень квантування застосовується свій компаратор із своїм джерелом опорної напруги. Порівняння ведеться із всіма рівнями опорної напруги зразу. Вихідні сигнали компараторів керують логічним пристроєм, де формується відповідний код.

Швидкість перетворення – за один такт, відповідно, може бути дуже велика, але недостатньою, велика кількість елементів: для кожного розряду – число елементів подвоюється. 8-розрядний АЦП – 255 компараторів і 255 опорних напруг може дати вибірок до 50000000 в секунду, але практично неможливо зробити розрядність >8.

Параметри, технічні характеристики АЦП.

Характеристики:

1. Розрядність АЦП кількість дискретних значень, які перетворювач може видати на виході, вимірюється в бітах. Наприклад, АЦП, здатний видавати 256 дискретних значень (0…255), має розрядність 8 біт, оскільки: 2⁸=256.

2. роздільна здатність – мінімальна зміна напруги на вході АЦП, що викликає зміну вихідного коду на 1 молодший розряд, характеристика ідеальних можливостей. Виражається в % від діапазону або числом розрядів: ∆U=U_max/2ⁿ, δ=∆U/2U_max=(1/2^-(n+1))*100%$

3. точність перетворення – максимальна різниця між фактичною вхідною напругою і аналоговим еквівалентом вихідного коду (ідеальною напругою при цьому коді). Точність перетворення – це максимальне значення суми всіх його похибок, в тому числі похибка квантування.

Вказуються окремі (складові) похибки:

• похибка зміщення (а);

• похибка підсилення (б);

• похибка не лінійності: інтегральна (в);

диференціальна (г).

2. час перетворення – час, за який на виході встановлюється код, еквівалентний вхідній величині, згідно заданої точності;

3. частота дискретизації, апертурний час – час, за який вхідний сигнал змінюється на величину одного кванта АЦП.

Зв’язок між швидкодією зміни сигналу і швидкодією АЦП:

,

- умова відсутності апертурної похибки.

При виборі АЦП необхідно врахувати:

1. роздільну здатність (розрядність);

2. точність перетворення (не лінійність перетворення, зміщення 0, нестабільність коефіцієнтів);

3. швидкодія;

4. діапазон вхідного сигналу (одно-, двополярний);

5. вихідний сигнал (паралельний чи послідовний), можливість стиковки з ЦП;

6. необхідність джерел опорної напруги генераторів тактів (зовн і внутр);

7. необхідні напруги живлення, струм, потужність розсіювання;

8. корпус, вартість, можливість придбання, заміні.

ЦАП

Найбільш суттєві технічні характеристики – роздільна здатність, точність і швидкодія.

1. роздільна здатність – це різниця між двома рівнями вихідних напруг, що відповідають двом суміжним цифровим кодам, наприклад, 001 і 010;

2. точність – це відхилення конкретної вихідної напруги від еталону, розрахункового значення напруги в вольтах (10-9.9=0,1В);

3. швидкодія – час установки виходу в межах заданої точності після подачі коду на вхід;

4. не лінійність – відхилення від лінії залежності вхідного коду – вихідної напруги для повної шкали: максимальне відхилення від ідеальної прямої при переході від одного значення до другого суміжного (найкраща максимальна не лінійність повинна бути ±1/2 МР);

5. похибка зміщення – значення вихідного струму чи напруги, коли код на вході рівний нулю;

6. диференційна не лінійність характеризує зміну аналогової величини при переході від одного коду до другого суміжного по всьому діапазоні цифрових вхідних сигналів. Якщо кожен перехід рівний 1МР, то диференційна не лінійність рівна нулю. Якщо один перехід відрізняється від іншого більше, ніж на 1МР (наприклад, 1,1МР), то ЦАП – немонотонний. Якщо диференційна не лінійність рівна ±1/2 МР, то кожна ступінь може бути (1±1/2)МР.

ЦАП типу ПЧН:

Рис.11. – Функціональна схема ADuC841

Лабораторна робота №6. Аналогово-цифрове перетворення. Робота з джойстиком

Тема: Аналогово-цифрове перетворення. Робота з джойстиком.

Мета: Вивчити методи оцифровування аналогових сигналів.