Компьютерная схемотехника (стр. 25 из 32)

Микросхема выполнена по n-МОП технологии, питается от двух источников +5В и -15В и потребляет токи 10 и 18 мА соответственно.

10.2.2.2 Расчет микросхемы К1113 ПВ1

Выполним расчет абсолютной и относительной погрешности преобразования, а также максимально допустимую частоту высшей гармоники спектра входного сигнала для АЦП К1113 ПВ1. Количество разрядов выходного кода в этой микросхеме равно десяти (Nр=10), диапазон значений входного напряжения Uвхmax – Uвхmin = 10,23 В. Поэтому из выражений (10.1, 10.3) получим:

Nд£ 210 = 1024;DU = 10,23/1023 = 10 mB.

Согласно (10.2) абсолютная погрешность преобразования такого АЦП будет не больше, чем 5 mB, т.е. dабс £ 5 mB, а относительная – не больше, чем (50 / 1023) [%], т.е. dотн £ (50 / 1023) » 0,049 %.

Величина шага квантования по времени, согласно рисунку 10.5, должна быть не менее, чем (tпрб.ацп + tсбр), т.е. не менее 32 мкс (т.к. для К1113 ПВ1 tпрб.ацп £ 30 мкс). А значит максимально допустимая частота высшей гармоники спектра входного сигнала для АЦП К1113 ПВ1, как следует из (10.6), будет равна fmax = 1 / [2*(tпрб.ацп + tсбр)] » 15,6 кГц.

10.2.2.3 Ввод данных от АЦП в МПС через ППИ в режиме 0

Структурная схема подключения АЦП К1113 ПВ1 к СШ МПС через ППИ КР580ВВ55А, работающем в режиме 0, приведена на рисунке 10.14.

Рисунок 10.14

Ввод данных осуществляется через порт А. Сигнал запуска АЦП формируется программно и выводится через бит РС0 порта С. После настройки ППИ на режим работы на выходе РС0 устанавливается логический 0.

После инвертора на вход START АЦП подается логическая 1. АЦП находится в нерабочем, а его цифровые выходы – в высокоимпедансном состоянии. Запуск АЦП осуществляется программной установкой РС0 в единицу. Информация о завершении аналого-цифрового преобразования, снимаемая с АЦП в виде сигнала

, вводится в микропроцессор через бит РС7 порта С.

Схема алгоритма ввода информации от АЦП в МПС приведена на рисунке 10.15.

Рисунок 10.15

10.2.3 Устройство выборки и хранения (УВХ)

10.2.3.1 Обоснование применения УВХ

При аналогово-цифровом преобразовании быстро изменяющихся сигналов возникают динамические погрешности, которые определяются, во-первых, частотой и временем преобразования, а, во-вторых – апертурной погрешностью.

Погрешность, возникающая из-за несоответствия входного сигнала преобразованному цифровому значению, называется апертурной погрешностью АЦП. Это несоответствие возникает, если изменение входного сигнала в течение времени преобразования эквивалентно более чем единице младшего значащего разряда (МЗР). В этом случае, при быстро изменяющемся во времени входном сигнале создается неопределенность в том, каким в действительности было мгновенное значение входного сигнала в момент выборки.

Время между моментом фиксации мгновенного значения входного сигнала (моментом отсчета) и моментом получения его цифрового эквивалента называется апертурным временем.

Апертурная погрешность определяется приращением входного переменного во времени сигнала АЦП за время преобразования. Точное значение апертурной погрешности можно определить, разложив выражение для входного сигнала Uвх(t) в ряд Тейлора около точек отсчета, которое для i-й точки имеет вид

Uвх(ti+ta) = Uвх(ti) + tа. U`вх(ti) + (tа2/2). U``вх(ti) + ...(10.7)

В первом приближении апертурная погрешность может быть представлена в виде:

DUa (ti) =Uвх(ti+ta)-Uвх(ti)» U`(ti). ta,(10.8)

где ta – апертурное время, которое для рассматриваемого случая равно времени преобразования tпрб АЦП.

Предположим, например, что входной сигнал имеет синусоидальную форму: Uвх(t) = Umsin 2pf. t.

Тогда апертурная погрешность равна DUa (ti) = Um. 2pf. tа. cos 2pf. t.

Максимальное значение погрешности равно:

DUa max(ti)=Um. 2pf. tа.(10.9)

Если принять, что для Np - разрядного АЦП апертурная погрешность не должна превышать шага квантования по уровню DUвх(рисунок 10.16), то между частотой сигнала f, апертурным временем tаи апертурной погрешностью имеет место соотношение:

.(10.10)

Разделив левую и правую части неравенства (10.10) на Um, получим:

.(10.11)

Например, если Np=8, а время преобразования АЦП tпрб = 7,5 мкс, то частота входного сигнала не должна превышать 83 Гц. В этом случае апертурная погрешность не превышает единицы младшего значащего разряда двоичного кода на выходе АЦП.

Рисунок 10.16

Для уменьшения апертурной погрешности АЦП обычно используются устройства выборки и хранения (УВХ), включаемые между входом АЦП и выходом источника аналогового сигнала.

10.2.3.2 Принцип действия, схема и основные параметры УВХ

Работа УВХ основана на принципе фиксации мгновенного значения изменяющегося во времени входного сигнала Uвх(t)на время, необходимое для последующего преобразования в АЦП. УВХ имеет два режима работы: выборки и хранения. В режиме выборки (слежения) выходной сигнал УВХ с максимально возможной скоростью достигает значения преобразуемого сигнала Uвх(t)и затем отслеживает его до тех пор, пока не придет команда на хранение. С этого момента УВХ будет хранить (запоминать) на выходе мгновенное значение преобразуемого входного сигнала. Т.к. УВХ запоминает входной сигнал АЦП в момент времени, точно определяемый командой хранения, апертурное время и погрешность АЦП существенно снижается и определяется в основном апертурным временем УВХ – максимальным временем от момента подачи команды на хранение до момента начала перехода схемы в данный режим. Апертурное время УВХ обусловлено конечным временем переключения ключа, входящего в состав УВХ, при переходе схемы от выборки к хранению.

Схема простейшего УВХ показана на рисунке 10.17.

Рисунок 10.17

Размыкание и замыкание ключа определяется командным сигналом, поступающим от таймера. Когда ключ замкнут, выходной сигнал УВХ e0(t) изменяется в соответствии с входным сигналом es(t).

Когда ключ разомкнут, значение выходного сигнала определяется напряжением на конденсаторе.

На рисунке 10.18 показаны типовые сигналы на входе и выходе простого УВХ в предположении, что сопротивление источника равно нулю. Временной интервал, в течение которого ключ замкнут, – время выборки р. На практике сопротивление RS отличается от нуля, и конденсатор будет заряжаться в соответствии с входным сигналом с постоянной времени RS·С. Более того, требуется конечное время на отработку командных сигналов.

Рисунок 10.18

Поэтому выходной сигнал УВХ может существенно отличаться от идеального, что определяется несовершенством устройства и его погрешностями.

На рисунке 10.19 показаны типичные входной и выходной сигналы реального УВХ.

Рисунок 10.19

На выходной сигнал УВХ влияют временные задержки и неидеальность фиксации. Основные параметры процессов, показанных на рисунке, могут быть определены следующим образом.

Время выборки (Та) – определяется интервалом от момента поступления команды на выборку до момента, когда выходной сигнал станет равным входному с некоторой погрешностью (обычно ±1%).

Апертурное время (Тр) – интервал от момента поступления команды на фиксацию до момента, когда ключ разомкнется. Оно определяется временем срабатывания переключающей схемы внутри УВХ. Для одного УВХ это время непостоянно, и обычно в технических данных указывается его среднее значение. Апертурное время типового УВХ может иметь значение »10 нс.

Время установления (ТS) – период, необходимый для затухания колебаний до некоторой величины (определяемой допустимой погрешностью). При переходе к режиму фиксации возникает переходной процесс, обусловленный реактивными элементами в схемах цифровой логики. Время установления для типового УВХ может быть от нескольких наносекунд до нескольких микросекунд, в зависимости от требуемой точности.

Спад сигнала – медленное уменьшение выходного напряжения УВХ из-за токов утечки переключателя и буферного усилителя в течение времени фиксации.

Спад сигнала может быть существенно уменьшен, если на выходе УВХ включить буферный усилитель с высоким входным сопротивлением. Аналогично, можно включить буферный усилитель на входе УВХ для согласования его с источником входного сигнала. УВХ с буферными усилителями на входе и выходе показано на рисунке 10.20.