БГПА

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
БГПА
КАФЕДРА:
ЭЛЕКТРОПРИВОД И АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ УСТАНОВОК И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ
ОСНОВЫ СХЕМОТЕХНИКИ
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3
АНАЛОГОВО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ СИСТЕМ ЧПУ
МИНСК
1998
СОДЕРЖАНИЕ
Цель работы
Введение
3
Основные технические характеристики АЦП
Схема построения АЦП
4.1. АЦП последовательного приближения
4.2. АЦП параллельного преобразования
4.3. Интегрирующие АЦП
5. Серийно выпускаемые микросхемы АЦП
5.1.
БИС К572ПВ1
7
5.2.
БИС К1108ПВ1 и К1113ПВ1
7
5.3.
БИС К572ПВ3 и К572ПВ4
5.4.
БИС К1107ПВ1 и 1107ПВ2
6. Описание схемы и работы лабораторной установки
7. Порядок выполнения лабораторной работы
8. Содержание отчета
9. Контрольные вопросы
10
10. Литература
1.
2.
3.
4.
3
3
5
5
6
7
8
8
9
9
10
2
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Целью работы является изучение схем построения, характеристик АЦП, а также изучение серийно выпускаемых микросхем АЦП,
применяемых в системах числового программного управления производственными и робототехническими комплексами.
2. ВВЕДЕНИЕ: В электронной аппаратуре одинаково широко используется
сигналы, представленные как в виде непрерывных переменных, так и в виде
непрерывных переменных, так и в виде дискретных двоичных сигналов. Для
взаимодействия электронных устройств, обрабатывающих непрерывные
(аналоговые сигналы с устройствами, оперирующими дискретными двоичными (цифровыми) сигналами, применяют цифро-аналоговые (ЦАП) и аналого-цифровые преобразователи (АЦП).
Распространение цифровой вычислительной техники, особенно активное в последние годы благодаря выпуску микропроцессорных БИС и однокристальных микро-ЭВМ, потребовало выпуска отечественной промышленностью БИС ЦАП и АЦП. Это объясняется тем, что большинство переменных информационных величин (ток, напряжение, скорость, температура,
давление, освещенность и т.д.) представляется в аналоговой форме. Непосредственная обработка этих величин цифровыми устройствами невозможна
без предварительного представления их в виде цифрового  -разрядного слова. Эту операцию осуществляют АЦП. В свою очередь, для точного управления изменениями аналоговых величин по результатам обработки цифрового
слова в микро-ЭВМ необходимо преобразовать цифровую информацию в
аналоговую с помощью ЦАП.
3. ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АЦП: Система
электрических параметров АЦП, отражающая особенности их построения и
функционирования, объединяет несколько десятков параметров. Ниже приведены важнейшие из них, рекомендованные для включения в нормативнотехническую документацию.
1.
Число разрядов b - количество разрядов кода, связанного с
аналоговой величиной, которое может вырабатывать АЦП. Под числом кодов для двоичных АЦП понимается двоичный логарифм максимального числа кодовых комбинаций на выходе АЦП.
2.
Коэффициент преобразования K пр - отношение приращения
выходного сигнала к приращению входного сигнала.
3.
Абсолютная погрешность преобразования в конечной точки шкалы  пш - отклонение значения входного для напряжения (тока)
от номинального значения, соответствующего конечной точке характеристики преобразования. Измеряется в единицах младшего разряда
преобразования (МР). Иногда этот параметр называют мультипликативной погрешностью.
4.
Напряжение смещения нуля на входе U вх0 - приведенное ко
входу напряжения, характеризуется отклонение начала характеристики
АЦП от заданного значения. Измеряется в единицах МР.
3
5.
Нелинейность АЦП  л - отклонение от оговоренной прямой
линии точек характеристики преобразования, делящих пополам расстояние между средними значениями уровней квантования. Измеряется в процентах от значения диапазона входного сигнала или в единицах МР.
6.
Дифференциальная нелинейность  лд - отклонение разности
2-х аналоговых сигналов, соответствующих соседним кодам, от значения единицы МР. Измеряется в процентах от значения диапазона
входного сигнала или в единицах МР.
7.
Время преобразования t пр.б - интервал времени от момента
заданного изменения на входе АЦП до появления на его выходе
устойчивого кода.
Существуют и другие, менее характерные для преобразователей параметры. В их числе: выходное напряжение высокого уровня U в1ых ; выходное
напряжение низкого уровня U в0ых ; ток потребления I пот ; диапазон входного
напряжения U вх и некоторые другие.
4. СХЕМЫ ПОСТРОЕНИЯ АЦП:
4.1. АЦП ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ПРИБЛИЖЕНИЯ: АЦП данного типа обладают относительно высокой точностью и достаточно высоким быстродействием.
Получив команду на выполнение преобразования от генератора тактов,
РПП устанавливает напряжение лог. 1 в 1-м разряде ЦАП. Если при этом
I в х  I ц , то компаратор напряжения выдает в РПП команду остановить напряжение лог. 1 на 1-м разряде ЦАП и подать логическую единицу на 2-й разряд
ЦАП. Если после этого вновь I в х  I ц , то компаратор напряжения выдает в
РПП команду остановить напряжение лог. 1 во 2-м разряде и подать лог. 1 на
3-й разряд. Если оказалось I в х  I ц , то компаратор выдает в РПП команду
установить во 2-м разряде лог. 0 на 3-й разряд ЦАП подать лог. 1. Описанный алгоритм работы повторяется до N -го разряда. Работа АЦП синхронизируется тактовым генератором. После N тактов сравнения I вх с I ц на входе
ЦАП получается N - разрядный двоичный код, который является эквивалентом входного аналогового сигнала (рисунок 1).
4.2. АЦП ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ: Отличаются от АЦП
последовательного приближения значительно большим быстродействием.
Выпускаются с разрядностью от 4 до 8 бит. При большем числе разрядов
АЦП становятся чрезмерно дорогими и громоздкими.
Основными элементами N -разрядного АЦП являются 2 N  1 компараторов. На один из входов каждого кампаратора подается свое опорное
напряжение, которое формируется внутренним резисторным делителем. Разность между опорными напряжениями 2-х ближайших компараторов равна
U N . На другие входы компараторов подается входной сигнал. На выходах
2
4
компараторов устанавливаются напряжения лог. 0 и 1, соответствующие сигналам на входах компараторов в момент прихода тактового импульса. После
окончания импульса опроса при помощи триггеров в компараторе хранится
информация мгновенном значении входного сигнала, представленная на выходе ( 2 N  1 ) – разрядного слова. Дешифратор представляет это слово в виде
двоичного N -разрядного кода, затем эта дешифрированное слово записывается в выходной регистр. Время преобразования в таком АЦП определяется
временем переключения компаратора и, следовательно, оно минимально
возможное. Однако быстродействие достигается за счет значительных аппаратурных затрат и большого потребления энергии (рис.2).
4.3. ИНТЕГРИРУЮЩИЕ АЦП: Интегрирующие АЦП уступают по быстродействию преобразователям последовательного приближения. Вместе с
тем они имеют явные преимущества: минимальное число необходимых точных элементов, высокую помехоустойчивость, отсутствие дифференциальной нелинейности, низкую стоимость.
Интегрирующий АЦП, как правило состоит из 2-х преобразователей:
преобразователя напряжения или тока в частоту или длительность импульсов
и преобразователя частоты или длительности в код. Затем производят подсчет импульсов измеряемой частоты за известный промежуток времени или
подсчет импульсов известной частоты, заполняющих измеряемый промежуток времени. Поэтому основные характеристики интегрирующих АЦП определяются свойствами применяемых преобразователей напряжение-частота
(ПНЧ) или преобразователей напряжение-время (ПНВ).
5. СЕРИЙНО ВЫПУСКАЕМЫЕ МИКРОСХЕМЫ АЦП:
5.1. БИС К572ПВ1: Двенадцатиразрядный АЦП. Имеет выходные каскады с
тремя состояниями (0, 1 и высокоимпедансное). Кодовые выводы АЦП могут
использоваться не только для вывода, но и для ввода дискретных сигналов.
Это позволяет использовать данную микросхему в качестве ЦАП. Данная
микросхема не является законченным АЦП. Для использования ее в качестве
АЦП последовательного приближения и БИС К572ПВ1 необходимо добавить
компаратор, источник опорного напряжения и тактовый генератор (рис.3).
5.2. БИС К1108ПВ1 И К1113ПВ1: Эти микросхемы работают по принципу
последовательного приближения. Обе микросхемы 10-разрядные. К1108ПВ1
может работать как в полном 10-разрядном режиме, так и в укороченном 8разрядном. Кодовые выводы К1108ПВ1 могут быть приведены в высокоимпедансное состояние подачей лог. 1 на вход DE . (рис.4,5).
5.3. БИС К572ПВ3 И К572ПВ4: Данные микросхемы разработаны специально для получившего широкое распространение однобайтных микропроцессоров. АЦП К572ПВ3 обеспечивает преобразование в код суммы напря5
жений, подаваемых на входы А11 и А12. Восьмивходовый 8-разрядный АЦП
К572ПВ4 представляет собой многоканальную систему сбора данных. Результаты преобразования записываются в ОЗУ объеме 8 однобайтовых слов.
Каждому из 8-ми каналов соответствует своя область памяти, так, что после
одного цикла работы в ОЗУ хранится информация по всем 8-и каналам.
Возможна работа по одному каналу. В этом случае в ОЗУ запоминаются коды , соответствующие 8-и последовательным значениям входного сигнала. Считывание информации из ОЗУ может осуществляться в произвольном порядке (рис.6).
5.4. БИС К1107ПВ1 И К1107ПВ2: АЦП К1107ПВ1 – шестиразрядный,
К1107ПВ2 – восьмиразрядный, параллельного преобразования. Первый из
них содержит 63 компаратора, второй – 255 компараторов. Вид двоичного
кода определяется сигналами на входах V 1, V 2 . Возможна работа с прямым,
обратным, дополнительным и обратным дополнительным кодами (рис.7).
6. ОПИСАНИЕ СХЕМЫ И РАБОТЫ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ:
Лабораторная установка представляет собой цифровой вольтметр. На элементах DA1 и DA2 собран преобразователь напряжения в частоту. Частота
следования импульсов на выходе DA2 пропорционально напряжению, приложенному ко входу «Изм». Элемент DD1.1 – ключ, который пропускает на
выход 3 импульсы со входа 1 только при наличии лог. 1 на входе 2. На элементах DD1.2, DD1.3 собран генератор, который определяет время счета.
Число импульсов с выхода DD1.1 подсчитывается счетчиком на элементах
DD2, DD3, которые управляют светодиодными индикаторами АЛС342Б.
Транзисторы VT1…VT3 служат для согласования уровней работы логических и аналоговых микросхем.
Таким образом, при подаче на вход «Изм» измеряемого напряжения, на
выходе DA2 появляется последовательность импульсов. На выходе DD1.1 в
это время лог.1. при нажатии на кнопку «измерения» формируются положительный импульс, длительность которого определяется элементами C2, R. И
на входе 2 DD1.1 появляется лог.1. И импульсы, которые появляются на выходе DD1.1 поступают на вход счетчика. Счетчик подсчитывает импульс и
выдает их число на индикатор. Параметры схемы (частота импульсов на выходе DA2 и длительности импульса на выходе DD1.3) подобраны таким образом, что число импульсов соответствует величине приложенного напряжения (рис.8).
7. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ:
7.1. Изучить правила безопасности при работе на стенде.
7.2. Изучить схему лабораторного стенда.
7.3. Подключить прибор к сети и тумблером «Сеть» подать напряжение
на схему АЦП.
7.4. Кнопкой «Сб» сбросить показания цифровой индикации.
6
7.5. При установке по вольтметру величины измеряемого напряжения,
нажать кнопку «Изм» и снять показание цифровой индикации, соответствующее данной величине напряжения.
7.6. Нажатием кнопки «Сб» сбросить показания цифровой индикации.
7.7. Регулятором «Уст» последовательно устанавливать по вольтметру
величины измеряемого постоянного напряжения от 0 до 10 В.
7.8. Рассчитать коэффициент преобразования K np и нелинейности АЦП
 л для каждой измеряемой точки.
8. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА:
8.1. Цель работы.
8.2. Схема АЦП и краткое пояснение принципа его работы.
8.3. Временные диаграммы работы АЦП.
8.4. Результаты расчетов коэффициента преобразования K np и нелинейности АЦП  л для каждой измеряемой точки.
8.5. Выводы по работе.
9. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:
9.1. Назначение АЦП и их применение в устройствах ЧПУ.
9.2. Основные технические характеристики АЦП.
9.3. Схемы построения АЦП.
9.4. Серийно выпускаемые микросхемы АЦП.
9.5. Принцип действия схемы АЦП в лабораторной установке.
10. ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ:
10.1. Алексеенко А.Г., Коломбед Е.А., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых микросхем. – 2-е изд., перераб. и доп. М.: Радио
и связь, 1985.
10.2. Майоров С.А., Кириллов В.В., Приблуди А.А. Введение в микроЭВМ. Л.: Машиностроение, 1988.
10.3. Потемкин И.С. Функциональные узлы цифровой автоматики. М.:
Энергоатомиздат,1988.
7