Лабораторная работа №5. Тема: Аналого-цифровое преобразование

Тема: Аналого-цифровое преобразование

Цель работы: Научиться измерять аналоговую величину.

Учебная задача: Разработка программ измерения аналоговых величин для различных методов измерения и типов АЦП

Порядок выполнения лабораторной работы

1) Изучить структурную схему модуля АЦП на плате расширения

2) Разработать алгоритм и программу для выполнения индивидуального задания до начало лабораторного занятия

3) Ввести программу индивидуального задания на персональном компьютере.

4) С помощью ПОС проанализировать выполнение индивидуальной программы

5) Загрузить программу в стенд ОЭВМ. Убедиться в правильном выполнении индивидуального задания, изменить значение подаваемого напряжения на вход АЦП, повторить преобразование, при отрицательном результате осуществить изменение алгоритма либо программы.

6) Повторить загрузку программы в стенд ОЭВМ

7) Распечатать листинг правильно работающей программы.

8) Ответить на контрольные вопросы преподавателя

Контрольные вопросы

1. Методы и типы АЦП.

2. Статические параметры АЦП

3. Понятие дискретности, квантование, разрешающая способность

4. Характеристика преобразования, дифференциальная нелинейность АЦП, отклонение коэффициента преобразования.

5. Напряжение смещения нуля.

6. Динамические параметры АЦП

7. Время преобразования, время задержки запуска, время цикла преобразования, максимальная частота преобразования.

8. Понятие апертурное время.

9. Факторы, влияющие на погрешность АЦП

10. Аппаратные реализации АЦП.

11. Примеры практического применения АЦП

12. Построение схем АЦП с помощью микросхем ЦАП

Краткие теоретические сведения.

Аналогово-цифровые преобразователи (АЦП) применяются в измерительных системах и измерительно-вычислительных комплексах для согласования аналоговых источников измеряемых сигналов с цифровыми устройствами обработки и представления результатов измерения.

Существуют различные методы построения АЦП. Они отличаются по сложности реализации, помехоустойчивости, быстродействию.

В системах где основным критерием является быстродействие применяют АЦП параллельного преобразования. Но АЦП этого типа достаточно сложны в реализации. Для n-разрядного АЦП необходимо 2ⁿ-1 компараторов и параллельный делитель напряжения, который вырабатывает 2ⁿ-1 уровней квантования.

Для реализации систем с высокой помехоустойчивостью применяют интегрирующие АЦП. Такой АЦП состоит из двух преобразователей. Измеряемое напряжение преобразовывается в длительность импульса, а потом длительность импульса преобразовывается в цифровой код.

Одним из самых распространенных является АЦП, построенный на цифро-аналоговом (ЦАП) преобразователе. Схема этого АЦП приведена на рисунке 1.

Код формируется счетчиком, при организации жесткой логики, или программно, если АЦП работает в составе вычислительного комплекса. Входной код преобразовывается в аналоговый сигнал с помощью ЦАП. Напряжение с выхода ЦАП поступает на один из входов компаратора. На другой вход подается измеряемое напряжение U_x. В момент, когда напряжение ЦАП будет равно измеряемому, компаратор формирует сигнал ’Stop’ который свидетельствует об окончании цикла измерения.

При формировании кода используются различные алгоритмы. Простейшим алгоритмом является поразрядное уравновешивание. При таком подходе код меняется от минимального путем приращения единицы младшего разряда до тех пор, пока напряжение ЦАП не сравняется с измеряемым напряжением. Недостатком поразрядного уравновешивания является маленькое быстродействие.

Для сокращения времени преобразования применяется метод половинных приближений. Уравновешивание начинается со старшего разряда. В этом разряде устанавливается единица и читается состояние компаратора. Если напряжение ЦАП больше измеряемого то разряд сбрасывается, а если меньше, то разряд сохраняет свое состояние. Дальше таким же образом обрабатывается следующий разряд. Преобразование заканчивается тогда, когда будут обработаны все разряды.

В системах слежения, за какими либо параметрами часто необходимо непрерывно считывать состояние датчика. Это обеспечивается малым временем преобразования за счет применения следящего АЦП. Суть данного алгоритма заключается в том, что сначала код формируется методом половинных приближений. А после сравнения с измеряемым напряжением АЦП отслеживает изменение напряжения. Если напряжение растет то код поразрядно увеличивается до тех пор, пока напряжение ЦАП не сравняется с измеряемым, и наоборот.

АЦП построен на микросхемах DA2 (десятиразрядный ЦАП) и DA1 компаратор с ТТЛ выходом. Младшая часть кода хранится в порте А микросхемы параллельного интерфейса 580ВВ55 (см. схему стенда), старшая часть кода хранится в разрядах 0-1 порта С. Состояние компаратора можно прочитать на вводе порта Р1.7 однокристальной ЭВМ, о окончании цикла преобразования также свидетельствует свечение светодиода HL9. Измеряемое напряжение снимается с делителя построенного на резисторах R27, R28. Вращая ручку потенциометра R27 можно менять измеряемое напряжение.

Пример реализации алгоритма поразрядного уравновешивания

$nolist

$include(c: \asm51\compile\mod51)

$list

; программа аналогово-цифрового преобразования

A55 equ 8000h

C55 equ 8002h

RUS55 equ 8003h

UW equ 80h; A, B, C=>

ORG 0000

MOV DPTR, #RUS55

MOV A, #UW

MOVX @DPTR, A; инициализация ВВ55

M2: MOV R0, #00b; в R0 хранятся старшая часть кода ЦАПа

MOV DPTR, #C55; обнуление старших

MOV A, R0; разрядов ЦАПа

MOVX @DPTR, A; D9-D8

M4: MOV A, #00h; в А хранятся младшая часть кода ЦАПа

MOV DPTR, #A55; обнуление младших

MOVX @DPTR, A; разрядов ЦАПа D7-D0

M1: INC A; увеличение на 1 младшей части кода

MOV DPTR, #A55; Запись в порт А младшей части кода

MOVX @DPTR, A; анализ состояния компаратора, если 0

JNB P1.2, M3; то переход к отображению кода метка М3

CJNE A, #0FFh, M1; если младшая часть кода FFh то переход

; к увеличению старшей части кода,

INC R0; иначе переход на метку М1

MOV DPTR, #C55

MOV A, R0

MOVX @DPTR, A; Запись в порт С старшей части кода

CJNE R0, #03h, M4; если старшая часть кода 03h то переход

JMP M2; к метке М4 иначе переход к метке М2

M3: MOV DPTR, #0B000h; Вывод на индикацию

MOVX @DPTR, A; младшей части кода

MOV A, R0

MOV DPTR, #0A000h; Вывод на индикацию

MOVX @DPTR, A; старшей части кода

MOV R2, #0FFh; Временная задержка реализована

M5: MOV R3, #0FFh; на двух регистрах с декрементированием

DJNZ R3, $; во вложенных циклах

DJNZ R2, M5

JMP M2; переход на новый цикл измерения

END

Варианты индивидуальных заданий

Таблица 9 Таблица заданий к л.р. № 5