Презентация на тему: ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение
1/56
Средняя оценка: 4.3/5 (всего оценок: 95)
Код скопирован в буфер обмена
Скачать (706 Кб)
1

Первый слайд презентации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» Учебный военный центр ВУС 670200 «Метрологическое обеспечение вооружения и военной техники» ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ ВВТ ВВС Тема № 6. СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ Раздел № 3. СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Изображение слайда
2

Слайд 2

2. АЦП с кодо-импульсным преобразованием Классификация и принцип действия аналогово-цифровых преобразователей (АЦП) Групповое занятие № 9 : 4. АЦП с двойным интегрированием Вопросы: 1. АЦП с время-импульсным преобразованием 3. АЦП с частотно-импульсным преобразованием

Изображение слайда
3

Слайд 3

ВИП ЧИП КИП Общие сведения. Классификация Инт

Изображение слайда
4

Слайд 4

УИ - усилитель-инвертор, ГЛИН - генератор линейно-изменяющегося напряжения, К - компаратор, УУ - устройство управления, ГСИ - генератор счетных импульсов, ЦИ - цифровой индикатор Временные диаграммы ГСИ СЧ ЦИ Сх.И К УУ УИ ГЛИН U(t) -U x +U x U x U К U ГСИ N t t t t t 1 t 2 -U x tg  t 2 t 1 +U x U (t) АЦП с время-импульсным преобразованием Вопрос 1:

Изображение слайда
5

Слайд 5

Принцип действия ВИП Принцип действия заключается в следующем: измеряемое напряжение U x преобразуется в пропорциональный ему временной интервал  t = t 2 - t 1, в течение которого на электронный счетчик (СЧ) поступают импульсы с известной частотой повторения Т сч. По окончании временного интервала  t показания электронного счетчика равны числу импульсов N, поступивших на его вход за указанный период времени  t, который пропорционален значению измеряемого постоянного напряжения : N  U x.

Изображение слайда
6

Слайд 6

Работа ВИП При подаче на вход усилителя-инвертора (УИ) измеряемого напряжения U х, на его выходе появляются отрицательное –U х и положительное +U х напряжения. По сигналу с устройства управления показания счетчика (СЧ) и цифрового индикатора (ЦИ) сбрасываются, а ГЛИН начинает формировать пилообразное напряжение U(t) = U 0  t. При достижении равенства значений линейно изменяющегося напряжения U(t) и отрицательного значения измеряемого напряжения -U x в момент времени t 1, на выходе компаратора (К) появляется потенциал, при поступлении которого на схему И последняя открывается и пропускает на вход счетчика импульсы с генератора счетных импульсов (ГСИ). При достижении равенства значений линейно изменяющегося напряжения U(t) с положительным значением измеряемого напряжения + U х, в момент времени t 2, разрешающий сигнал на выходе компаратора исчезает, схема И закрывается и счет импульсов прекращается. Счетчик регистрирует, а цифровой индикатор отображает некоторое число импульсов N за интервал времени  t = t 2 - t 1. При известной частоте следования импульсов ГСИ - f сч, длительность интервала подсчета импульсов равна: где Т сч - период следования импульсов счета

Изображение слайда
7

Слайд 7

Значение измеряемого напряжения U x может быть определено через длительность интервала подсчета импульсов  t и скорость нарастания пилообразного напряжения на выходе ГЛИН: , (1) где - тангенс угла наклона линии изменения напряжения ГЛИН. Подставляя это выражение в (1), получим: , откуда следует, что показания счетчика N пропорциональны из меряемому напряжению U x. Поскольку для каждого конкретного прибора, величина произведения постоянна, можно считать, что: Работа ВИП

Изображение слайда
8

Слайд 8

Недостатки ВИП Точность измерения напряжения вольтметрами на базе времяимпульсных АЦП колеблется в пределах от 0,1 до 0,15  и зависит: 1) от линейности напряжения на выходе ГЛИН, которая определяется стабильностью опорного напряжения, подаваемого на используемый в ГЛИН интегратор, 2) от дрейфа нуля усилителя-инвертора и интегратора ГЛИН, который вызывается изменениями напряжения источника питания; 3) температурными изменениями, влияющими на характеристики входных цепей, начальные коллекторные токи и параметры транзисторов; 4) изменениями параметров элементов схем, обусловленными старением, 5) от скорости изменения напряжения на выходе ГЛИН, определяемой дрейфом величин сопротивлений и емкостей интегратора, и, 6) от стабильности частоты ГСИ.

Изображение слайда
9

Слайд 9

ВЦ - входные цепи, К - компаратор, УУ - устройство управления, ЦИ - цифровой индикатор, ИОН - источник образцовых напряжений, ВЦ К ИОН ЦИ УУ U x U оп АЦП с кодо-импульсным преобразованием Вопрос 2 :

Изображение слайда
10

Слайд 10

Принцип действия КИП Принцип действия заключается в следующем: имеется источник образцовых напряжений (ИОН), представляющий собой набор декад. Внутри каждой декады образцовые напряжения выбирают таким образом, чтобы можно было получить все напряжения, значения которых соответствуют числам от 0 до 9. Количество декад n определяется числом разрядов, используемых для индикации величины измеряемого напряжения. Образцовые напряжения в соседних декадах отличаются друг от друга в десять раз. Методом сравнения в каждой декаде выбираются образцовые напряжения, значения которых превышают измеряемое. Кодирование измеряемого напряжения производится в двоично-десятичной системе счисления.

Изображение слайда
11

Слайд 11

Работа КИП Работа схемы : измеряемое напряжение U x подается во входные цепи (ВЦ), состоящие из аттенюатора и фильтра, и с них поступает на компаратор (К). Сравнение входного напряжения U x с образцовыми напряжениями U д n i начинается с наибольшего из них, соответствующего максимальному числу в старшей декаде (как правило, девяти) U дn9. Если значение измеряемого напряжения больше значения наибольшего из образцовых напряжений U x > U дn9,то в разряд, соответствующий данному образцовому напряжению, записывается единица и сравнение продолжается с образцовыми напряжениями из следующей, ( n -1)-й декады, но при этом сравнивается не входное напряжение U x, а разность U x – U дn9.

Изображение слайда
12

Слайд 12

Если же значение измеряемого напряжения меньше значение наибольшего из образцовых напряжений U x  U дn9, то в разряд, соответствующий данному образцовому напряжению, записывается ноль и сравнение продолжается со следующим по значению напряжением данной декады U дn8 и алгоритм сравнения повторяется. Если измеряемое напряжение оказывается меньше самого меньшего напряжения U дn1 в декаде, на следующем шаге сравнение начинается с напряжения, соответствующего по значению цифре 9 очередной меньшей декады U д(n-1)9. Если сравнение входного напряжения с образцовыми напряжениями некоторой декады оказалось результативным, т.е. в один из разрядов i-й декады, которому соответствует образцовое напряжение U 0 i, оказалась вписанной единица, на следующем шаге с образцовыми напряжениями очередной декады сравнивается уже не входное напряжение U x, а разность U x – U 0 i. Алгоритм выполняется до тех пор, пока не осуществится сравнение напряжений в младшей декаде. Работа КИП

Изображение слайда
13

Слайд 13

Недостатки КИП Приборы, построенные на этом принципе преобразования, обладают высокой точностью, обусловленной тем, что образцовое компенсирующее напряжение вырабатывается высокостабильным источником постоянного напряжения и изменяется прецизионным делителем. Цифровые вольтметры с кодоимпульсными АЦП обладают высоким быстродействием. Однако низкая помехозащищенность таких приборов вызывает необходимость применения в их входных цепях фильтров с большой постоянной времени, что существенно снижает быстродействие.

Изображение слайда
14

Слайд 14

ИОН - источник опорного напряжения, СФИОС - схема формирования импульсов обратной связи, ЭСЧ - электронно-счетный частотомер t инт + t oc = T x К ИОН ЭСЧ СФИОС ЦИ R 2 C R 1 U x U оп -U ос АЦП с частотно-импульсным преобразованием Вопрос 3 :

Изображение слайда
15

Слайд 15

Принцип действия ЧИП Принцип действия заключается в следующем: измеряемое напряжение U х, преобразуется в последовательность импульсов, частота следования которых пропорциональна U х. Частота следования импульсов f x измеряется электронно-счетным частотомером (ЭСЧ), на цифровом индикаторе (ЦИ) которого высвечивается число, равное значению измеряемого напряжения. Вольтметры, в которых используется этот принцип, известны под названием интегрирующих вольтметров.

Изображение слайда
16

Слайд 16

Работа ЧИП Работа схемы : при поступлении на вход прибора постоянного измеряемого напряжения U х, начинает заряжаться конденсатор С и на входе компаратора (К) начинает линейно расти напряжение: Напряжение U 1 (t) непрерывно сравнивается со значением постоянного опорного напряжения U oп, поступающего в компаратор с источника опорного напряжения (ИОН). В момент времени t p1 напряжения U 1 (t) и U oп оказываются равны и на выходе устройства сравнения К появляется сигнал, запускающий схему формирования импульсов обратной связи (СФИОС). Эта схема формирует импульс напряжения с высокостабильными параметрами: амплитудой U oc и длительностью t ос.

Изображение слайда
17

Слайд 17

Полярность импульса обратной связи противоположна полярности напряжения на входе устройства сравнения, а амплитуда - заведомо больше значения входного сигнала. В течение времени t ос на конденсатор воздействуют два напряжения: заряжающее его U x и разряжающее его - U ос. Под воздействием напряжения импульса обратной связи напряжение на конденсаторе станет меньше опорного напряжения U oп. После окончания действия импульса обратной связи конденсатор вновь начнет заряжаться и напряжение на нем будет нарастать до очередного уравнивания его по значению с опорным напряжением. Работа ЧИП

Изображение слайда
18

Слайд 18

Интервал времени t инт + t oc = T x соответствует периоду следования импульсов обратной связи. Частота следования этих импульсов равна: поскольку значения сопротивлений резисторов, а также амплитуды и длительности импульсов обратной связи для каждого конкретного прибора постоянны. Точность частотно-импульсного АЦП зависит от стабильности напряжений U oc и U оп, а так же от длительности импульса обратной связи t oc. На величину общей погрешности АЦП существенное влияние может оказать дрейф нуля интегратора, поэтому в схемах реальных вольтметров, основанных на этом принципе, как правило, предусматривают схемы компенсации дрейфа нуля цепей интегрирования. Работа ЧИП Недостатки КИП

Изображение слайда
19

Слайд 19

ВУ – входное устройство, Кл. - ключ, И – интегратор, ИОН – источник опорного напряжения, УУ – устройство управления, ГСИ – генератор счетных импульсов Временные диаграммы ВУ КЛ.1 И К ИОН КЛ.2 УУ ГСИ КЛ.3 Сч ЦИ U x -U оп U к U= 0 t 0 t n t к t к t 0 t n t к t n t к U ГСИ N t t t T n T сч U УУ t n t 0 U x t к U К N сч U Сч АЦП с двойным интегрированием Вопрос 4 :

Изображение слайда
20

Слайд 20

Принцип действия АЦП с двойным интегрированием Принцип действия заключается в следующем: измеряемое напряжение U х преобразуется в пропорциональный ему временной интервал. В течение этого интервала времени на электронный счетчик поступают импульсы с известной частотой повторения f сч. По окончании временного интервала показания электронного счетчика равны числу импульсов, поступивших на его вход за указанный период времени, которое пропорционально U х. В таких вольтметрах времяимпульсное преобразование сочетается с двойным интегрированием, что позволяет эффективно ослаблять влияние помех, измерять напряжения обеих полярностей, обеспечивать входные сопротивления до единиц гигаОм, добиваться невысокой погрешности измерения.

Изображение слайда
21

Слайд 21

Работа схемы АЦП с двойным интегрированием Работа схемы : на входное устройство преобразователя подается измеряемое напряжение U x. В момент времени t o с устройства управления на 1-ый и 3-ий ключи подаются импульсы запуска. Эти сигналы открывают ключи и на вход интегратора (И) подается постоянное напряжение, значение которого пропорционально значению входного напряжения U x, а на счетчик начинают поступать импульсы с генератора счетных импульсов (ГСИ). На выходе интегратора начинает линейно расти напряжение U 4 (t). Счетчик начинает заполняться. Цикл "интегрирования вверх" продолжается до тех пор, пока емкость счетчика, равная N, не будет заполнена полностью. В момент заполнения счетчика t n с него на устройство управления подается импульсный сигнал U 7, по которому устройство управления (УУ) закрывает 1-ый ключ и открывает 2-ой. При этом с входа И снимается напряжение U x, а подается обратное ему по знаку образцовое напряжение -U оп.

Изображение слайда
22

Слайд 22

В момент времени t n с выхода И на вход К подается напряжение: где Т n – длительность заполнения счётчика,  в – постоянная времени интегрирования "вверх", K 1 - коэффициент пропорциональности входного напряжения напряжению, подаваемому на вход интегратора, учитывающий изменение U х, масштабными преобразователями. С момента времени t n напряжение на выходе интегратора начинает падать. При этом постоянная времени "интегрирования вниз" равна  н. В это время счетчик, показания которого в момент времени t n были обнулены, продолжает считать импульсы, поступающие с генератора счетных импульсов. В момент времени t k напряжение на выходе И становится равным нулю и на выходе К появляется сигнал, по которому УУ закрывает 2-ой и 3-ий ключи. В этот момент времени сигналы с ГСИ перестают поступать на счетчик и на нем запоминается число импульсов N сч, поступивших на него за интервал времени Т сч, т.е. за время "интегрирования вниз" с момента обнуления счетчика до прекращения счета. Работа схемы АЦП с двойным интегрированием

Изображение слайда
23

Слайд 23

За это время напряжение на выходе интегратора уменьшилось на величину: и стало справедливым следующее соотношение: Откуда: Поскольку величины  в,  н, N, U 0, K 1 постоянны, неизвестное входное напряжение можно представить как: (2) Работа схемы АЦП с двойным интегрированием

Изображение слайда
24

Слайд 24

Цифровые вольтметры двойного интегрирования обладают рядом преимуществ по сравнению с ранее рассмотренными цифровыми устройствами отображения. В выражение (2) не входит значение частоты следования счетных импульсов, чем объясняется достаточно высокая, до тысячных долей процента, точность вольтметров, построенных по этому принципу. Для того чтобы обеспечить требуемую точность измерения прибором с двойным интегрированием, необходимо добиться стабильности опорного напряжения U ос, и параметров интегрирующих цепей, задающих постоянные времени интегрирования "вверх"  в и "вниз"  н. Достоинства АЦП с двойным интегрированием

Изображение слайда
25

Слайд 25

ВИП ЧИП КИП Общие сведения. Классификация

Изображение слайда
26

Слайд 26

Достоинства: самый быстрый Базовое напряжение U оп делится на N =7 равных частей резисторами R, и поступает на инверсные входы операционных усилителей ( компараторов ). На неинверсные входы поступает измеряемый сигнал. На каждом ОУ если U оп меньше чем U вх, то на выходе будет 0, иначе 1. Результат в конкретный момент записывается в приоритетный шифратор, который кодирует его в двоичный код, который в тот же момент записывается в выходной регистр (3- ёх разрядный ) из которого выбираются данные. Параллельные АЦП (АЦП прямого преобразования) Недостатки: высокая сложность, стоимость и значительная потребляемая мощность

Изображение слайда
27

Слайд 27

Верхний АЦП1 осуществляет грубое преобразование сигнала U вх в четыре старших разряда выходного кода. Цифровые сигналы с выхода АЦП поступают на выходной регистр и одновременно на вход 4-разрядного быстродействующего ЦАП. Остаток от вычитания выходного напряжения ЦАП из входного напряжения схемы поступает на вход АЦП2, опорное напряжение которого в 16 раз меньше, чем у АЦП1. Как следствие, квант АЦП2 в 16 раз меньше кванта АЦП1. Этот остаток, преобразованный АЦП2 в цифровую форму представляет собой четыре младших разряда выходного кода. Последовательно-параллельные АЦП Многоступенчатые АЦП Входное напряжение необходимо поддерживать постоянным с помощью устройства выборки-хранения до тех пор, пока не будет получено все число. Двухступенчатый АЦП Недостаток: АЦП неэффективен из-за того, что АЦП1 преобразует одно напряжение U вх, а АЦП2 - другое (в следующий момент времени).

Изображение слайда
28

Слайд 28

Последовательно-параллельные АЦП Многотактные АЦП Двухтактный АЦП Преобразователь состоит из 4-разрядного параллельного АЦП, квант h 1 которого определяется величиной опорного напряжения, 4-разрядного ЦАП и устройства управления. Устройство управления пересылает полученное от АЦП в первом такте слово в четыре старших разряда выходного регистра, подает это слово на вход ЦАП и уменьшает в 16 раз опорное напряжение АЦП. Таким образом, во втором такте шаг квантования h 2 = h 1 /16 В и остаток, образовавшийся при вычитании из входного напряжения схемы выходного напряжения ЦАП, будет преобразован в младший полубайт выходного слова. Недостаток: тот же, а так же данный АЦП медленнее двухступенчатого преобразователя Устраняется так же Достоинства: он проще и дешевле

Изображение слайда
29

Слайд 29

Последовательно-параллельные АЦП Конвейерные АЦП В обыкновенном многоступенчатом АЦП вначале происходит формирование старших разрядов выходного слова преобразователем АЦП1, а затем идет период установления выходного сигнала ЦАП. На этом интервале АЦП2 простаивает. На втором этапе во время преобразования остатка преобразователем АЦП2 - простаивает АЦП1. Введя элементы задержки аналогового (УВХ1,2) и цифрового ( D - триггеры) сигналов между ступенями преобразователя, получим конвейерный АЦП. Достоинства: он позволяет существенно (в несколько раз) повысить максимальную частоту выборок многоступенчатого АЦП

Изображение слайда
30

Слайд 30

Сходство АЦП последовательного счёта с времяимпульсным АЦП Последовательные АЦП АЦП последовательного счета (ПС) (развёртывающего типа) АЦП ПС является типичным примером последовательных АЦП с единичными приближениями, обладает наибольшим временем преобразования (t пр = 2 N D t ), прост в изготовлении и имеет наименьшую стоимость. АЦП ПС состоит из компаратора, счетчика и ЦАП. На один вход компаратора поступает входной сигнал, а на другой - сигнал обратной связи с ЦАП.

Изображение слайда
31

Слайд 31

Это позволяет для N-разрядного АЦП ПП выполнить весь процесс преобразования за N последовательных шагов (итераций) вместо 2 N -1 при использовании АЦП ПС и получить существенный выигрыш в быстродействии. Так, уже при N=10 этот выигрыш достигает 100 раз и позволяет получить с помощью таких АЦП до 10 5...10 6 преобразований в секунду. Погрешность этого типа преобразователей определяется в основном используемым ЦАП. АЦП ПП могут иметь разрешающую способность до 18 двоичных разрядов при частоте выборок до 200 кГц. Последовательные АЦП АЦП последовательного приближения ПП (поразрядного уравновешивания) Достоинства: по своему быстродействию находится на 2 месте после АЦП ПС В основе работы этого класса преобразователей лежит принцип дихотомии, т.е. последовательного сравнения измеряемой величины с 1 / 2, 1 / 4, 1 / 8 и т.д. от возможного максимального значения ее.

Изображение слайда
32

Слайд 32

Работа АЦП ПП Процесс измерения 10-ти разрядного АЦП ПП происходит за 10 тактов (по числу разрядов АЦП). В первом такте РПП устанавливает на входе ЦАП двоичное число, равное половине шкалы АЦП, т. е. 1000000000 (десятичный эквивалент 512). ЦАП преобразовывает этот код в аналоговое напряжение, например, 5,12 Вольт (если полная шкала 10,24 Вольта). Компаратор К сравнивает 5,12 вольт с напряжением на входе U вх. На выходе компаратора появляется "1" или "0" в зависимости от того, больше или меньше середины шкалы напряжение  U вх. Пусть, например, это напряжение выше середины шкалы - тогда РПП примет с компаратора К цифру "1" и зачтёт её, как цифру старшего разряда двоичного числа, соответствующего величине напряжения на Аналоговом входе АЦП. Во втором такте АЦП - преобразования РПП выставит на вход ЦАП число, равное половине шкалы + четверть шкалы, т. е. 512 + 256 = 768 (1100000000). ЦАП преобразует это число в напряжение 7,68 Вольт. Компаратор К выдаст результат сравнения "0", например, РПП расценит это, как то, что величина напряжения на Аналоговом входе меньше, чем 7,68 вольт, зачтёт "0" в соседний старшему разряд и в следующем третьем такте преобразования выставит на вход ЦАП число 512 + 128 = 620 (1010000000). Продолжая далее аналогичным образом, РПП пропишет все десять цифр в двоичное число величины измеряемого напряжения, с каждым разрядом последовательно приближаясь к истинному значению величины. После этого, на выходе АЦП будет выставлено условное число, например "1", означающее, что с выхода АЦП можно взять результат преобразования. Запустив АЦП снова, можно оцифровать следующую выборку сигнала. Весь процесс получения очередной выборки сигнала занимает от нескольких сотен наносекунд до нескольких десятков микросекунд для АЦП такой архитектуры.

Изображение слайда
33

Слайд 33

Интегрирующие АЦП АЦП многотактного интегрирования Преобразование проходит две стадии: стадию интегрирования и счета. Стадия интегрирования : ключ S 1 замкнут, а S 2 - разомкнут. Интегратор И интегрирует входное напряжение U вх. Время интегрирования входного напряжения t 1 постоянно. В качестве таймера используется счетчик с коэффициентом пересчета K сч, так что: Стадия счёта : ключ S 1 размыкается, а S 2 - замыкается и опорное напряжение U оп поступает на вход интегратора. При этом U оп противопо-ложно по знаку U вх. Стадия счета заканчивается, когда выходное напряжение интегратора переходит через нуль. n 2 – содержимое счетчика после окончания стадии счета Последовательные АЦП

Изображение слайда
34

Слайд 34

АЦП многотактного интегрирования Здесь:,,, Точность АЦП многотактного интегрирования определяется только точностью источника опорного напряжения и смещением нуля интегратора и компаратора, которые суммируются с опорным напряжением. Интегрирующие АЦП Последовательные АЦП

Изображение слайда
35

Слайд 35

Последовательные АЦП Интегрирующие АЦП АЦП многотактного интегрирования Смещение нуля можно устранить автоматической компенсацией. Для этого в цикл преобразования вводят дополнительную стадию установки нуля, во время которой интегратор отключается от источников сигналов и совместно с компаратором охватывается глубокой отрицательной обратной связью. Недостатки: Во-первых, нелинейность переходной статической характеристики операционного усилителя, на котором выполняют интегратор, что делает нелинейной характеристику преобразования АЦП высокого разрешения. Для уменьшения влияния этого фактора АЦП изготавливают многотактными. Во-вторых, интегрирование входного сигнала занимает в цикле преобразования только приблизительно третью часть. Две трети цикла преобразователь не принимает входной сигнал.

Изображение слайда
36

Слайд 36

Название сигма-дельта связано с наличием в данном АЦП сумматора ( Sigma ) и интегратора ( Delta ). В сигма-дельта АЦП были устранены основные недостатки многоразрядных АЦП двойного и многократного интегрирования. Основные узлы АЦП : - сигма-дельта модулятор, - цифровой фильтр. Порядок модулятора определяется численностью интеграторов и сумматоров в его схеме. Сигма-дельта модуляторы N-го порядка содержат N сумматоров и N интеграторов и обеспечивают большее соотношение сигнал/шум при той же частоте отсчетов, чем модуляторы первого порядка. Сигма-дельта АЦП Последовательные АЦП Сигма-дельта модулятор первого порядка ( один интегратор ) Интегрирующие АЦП Работа этой схемы основана на вычитании из входного сигнала U вх (t) величины сигнала на выходе ЦАП, полученной на предыдущем такте работы схемы. Полученная разность интегрируется, а затем преобразуется в код параллельным АЦП невысокой разрядности. Последовательность кодов поступает на цифровой фильтр нижних частот.

Изображение слайда
37

Слайд 37

Принцип действия пояснен на примере преобразования входного сигнала, равного 0,6 В, при U оп = 1 В. Пусть постоянная времени интегрирования интегратора численно равна периоду тактовых импульсов. По команде «Сброс» вых. напряжение интегратора сбрасывается в нуль, на выходе ЦАП устанавливается нулевое напряжение и к сумматору прикладывается U оп = 0 В и U вх = 0,6 В. 1-ый такт: на вых. сумматора Us =0,6-(- 0 )= 0,6 В. Под действием этого напряжения на выходе интегратора начинает линейно нарастать напряжение (в течении 1-го такта). Компаратор обнаруживает на своём входе это напряжение, которое превышает его пороговое напряжение 0 В и выставляет на своём выходе « 1 ». Эта «1» поступает в ТТ, а с него в ЦФ, а так же «1» подключает источник U оп = 1 В к сумматору. Запишем в виде: 1-ый такт: U S = 0,6-0=0,6 В, U и = 0,6 В, U к = 1 В, U ЦАП = 1 В Последовательные АЦП Наиболее широко в составе ИМС используются однобитные сигма-дельта модуляторы, в которых в качестве АЦП используется компаратор, а в качестве ЦАП - аналоговый коммутатор. Однобитный сигма-дельта модулятор Интегрирующие АЦП Сигма-дельта АЦП

Изображение слайда
38

Слайд 38

2-ой такт: Us =0,6-(1)= - 0, 4 В. Напряжение на выходе интегратора начнёт падать с 0,6 В до 0,2 В (уменьшится на 0,4 В). Компаратор не сработает и с его выхода считывается «1». Запишем в виде: 2-ой такт: U S = 0,6-1= -0,4 В, U и = 0,6-0,4=0,2 В, U к = 1 В, U ЦАП = 1 В 3-ий такт: U S = 0,6-1= -0,4 В, U и = 0,2-0,4= -0,2 В, U к = 0 В (сработал компаратор К), U ЦАП = -1 В 4-ый такт: U S = 0,6-(-1)= 1,6 В, U и = -0,2+1,6= 1,4 В, U к = 1 В, U ЦАП = 1 В 5-ый такт: U S = 0,6-1= -0,4 В, U и = 1,4-0,4= 1,0 В, U к = 1 В, U ЦАП = 1 В 6-ой такт: U S = 0,6-1= -0,4 В, U и = 1-0,4 = 0,6 В, U к = 1 В, U ЦАП = 1 В В 7-ом такте повторятся состояния элементов схемы 2-го такта и остальные такты повторятся. Т.е. цикл измерения составил 5 тактов. Усреднение выходного сигнала ЦАП за цикл дает величину напряжения 0,6 В: (1-1+1+1+1)/5=0,6. Последовательные АЦП Интегрирующие АЦП Сигма-дельта АЦП

Изображение слайда
39

Слайд 39

Последовательные АЦП Интегрирующие АЦП Преобразователи напряжение-частота Под действием положительного входного сигнала U вх напряжение U и на выходе интегратора И уменьшается. При этом ключ S разомкнут. Когда напряжение U и уменьшится до нуля, компаратор К переключается, запуская тем самым одновибратор. Одновибратор формирует импульс стабильной длительности Т и, который управляет ключом. Последовательность этих импульсов является выходным сигналом ПНЧ. Ключ замыкается и ток I оп в течение Т и поступает на вход интегратора, вызывая увеличение выходного напряжения интегратора. Далее описанный процесс снова повторяется. По существу ПНЧ преобразует входное напряжение в унитарный код. Для его преобразования в двоичный позиционный можно использовать счетчик.

Изображение слайда
40

Слайд 40

Сигма-дельта АЦП можно использовать для измерения освещенности Пример использования АЦП Для измерения освещенности также можно использовать сигма-дельта АЦП. При этом с одной стороны погрешность измерения повышается из-за невысокого быстродействия АЦП; с другой стороны – снижается, так как используется меньше аналоговых элементов.

Изображение слайда
41

Слайд 41

АЦП можно представить в виде трех разновидностей: идеальный, совершенный и реальный АЦП. Идеальный АЦП Совершенный АЦП Общие сведения о погрешностях АЦП

Изображение слайда
42

Слайд 42

Так как АЦП не имеет возможности генерировать непрерывные значения, то пользуются понятием совершенного АЦП. В таком АЦП одному выходному значению соответствует не конкретный уровень входного напряжения, а небольшой диапазон входных значений. Передаточная функция такого преобразования имеет лестничную форму. Максимальная погрешность совершенного АЦП ( погрешность квантования ) составляет ±1/2 МЗР. Идеальный АЦП может быть описан только теоретически, физически реализовать его невозможно. Он обладает бесконечной разрешающей способностью и нулевой погрешностью. Математически идеальный АЦП описывается в виде прямолинейной передаточной функции. МЗР — (младший значащий разряд) - приращение входного напряжения, при котором изменяется значение младшего разряда выходного кода. В 8-битном двоичном АЦП МЗР составляет 1/256 от полного диапазона сигнала, то есть 0,4 % или 20 lg (1/256)=-48 дб.

Изображение слайда
43

Слайд 43

Реальный АЦП кроме погрешности квантования характеризуется и другими погрешностями: 1) погрешностью смещения, 2) передаточной погрешностью - погрешностью коэффициента передачи (усиления), 3) нелинейностью передаточной характеристики АЦП, хотя считается, что она должен быть линейной, 4) кроме того, существуют апертурные ошибки, которые являются следствием джиттера (англ. jitter) тактового генератора, они проявляются при преобразовании сигнала в целом (а не одного отсчёта).

Изображение слайда
44

Слайд 44

1) Погрешность смещения Погрешность смещения - отклонение фактической передаточной функции АЦП от прямолинейной передаточной функции идеального АЦП при нулевом входном напряжении. положительное (а) и отрицательное (б) смещения

Изображение слайда
45

Слайд 45

АЦП в микроконтроллерах можно сконфигурировать на несимметричное и на дифференциальное преобразование. Несимметричный режим используется для измерения уровней входных напряжений в одном входном канале, а дифференциальный режим предназначен для измерения разности напряжений между двумя каналами.

Изображение слайда
46

Слайд 46

Для компенсации погрешностей смещения в несимметричных каналах необходимо из каждого измеренного значения вычесть погрешность смещения положительная (а) и отрицательная (б) погрешности смещения в режиме несимметричного преобразования 1.1 ) Погрешность смещения в несимметричных каналах

Изображение слайда
47

Слайд 47

Погрешность смещения в дифференциальных каналах вычисляется более просто, т.к. в этом случае не требуется регулировка входного напряжения. Два дифференциальных входа необходимо подключить к одному и тому же напряжению, а результирующее выходное значение и будет погрешностью смещения. Поскольку при данном способе не дается точная информация при каком именно уровне возник первый переход, то его погрешность равно от 1/2 до 1 мл.разр. в худшем случае. Для компенсации погрешностей смещения при использовании дифференциальных каналов необходимо из каждого измеренного значения вычесть погрешность смещения. 1. 2) Погрешность смещения в дифференциальных каналах

Изображение слайда
48

Слайд 48

2) Передаточная погрешность ( погрешность усиления) Передаточная погрешность - отклонение в средней точке последнего интервала дискретизации от идеальной прямой линии после компенсации погрешности смещения. положительная (а) и отрицательная (б) передат. погр.

Изображение слайда
49

Слайд 49

Передаточная погрешность характеризуется масштабирующим коэффициентом для компенсации передаточной погрешности, который равен отношению идеального выходного значения посредине последнего интервала дискретизации и фактического значения в этой же точке. Идеальное выходное значение для представленного на рис. а) входного напряжения равно 5,5, таким образом, масштабирующий коэффициент равен 5,5/7. На рисунке б) выходное значение достигло только 6 при достижении входным напряжением максимума. В итоге присутствует отрицательное отклонение от фактической передаточной функции. Для этого случая идеальное выходное значение посередине последнего интервала преобразования равно 7,5, а масштабирующий коэффициент 7,5/6.

Изображение слайда
50

Слайд 50

3) Нелинейность передаточной характеристики АЦП Ввиду нелинейности АЦП фактическая кривая может слегка отклоняться от совершенной кривой, даже если обе кривые совпадают в районе 0 и в точке измерения передаточной погрешности. Имеется два способа измерения нелинейности, см. рис.

Изображение слайда
51

Слайд 51

Дифференциальная нелинейность (ДНЛ) - максимальное и минимальное отклонения фактической ширины интервала от ширины интервала совершенного АЦП (1 мл. разр.) для всех интервалов дискретизации. 3.1 ) Дифференциальная нелинейность Для измерения ДНЛ на вход подается пилообразное напряжение и записываются все изменения выходных значений. Ширина интервала определяется как расстояние между двумя переходами. Большинство отрицательных и положительных отклонений от 1 мл.разр. используются для определения максимальной и минимальной ДНЛ.

Изображение слайда
52

Слайд 52

Интегральная нелинейность (ИНЛ) - максимальное отклонение по вертикали между фактической и совершенной кривыми преобразования АЦП. 3. 2) Интегральная нелинейность ИНЛ можно интерпретировать как сумму ДНЛ. Максимальная и минимальная ИНЛ измеряются с помощью того же пилообразного входного напряжения, что и при измерении ДНЛ. Для этого записываются отклонения посередине каждого интервала преобразования, а затем определяются максимальное и минимальное значения, соответствующие максимальной и минимальной ИНЛ. Измерения ИНЛ и ДНЛ должны выполняться только после компенсации погрешности смещения и передаточной погрешности. В противном случае в результат измерения будут входить указанные погрешности и, следовательно, полученные значения ДНЛ и ИНЛ не будут соответствовать действительности.

Изображение слайда
53

Слайд 53

4) Апертурная погрешность ( джиттер ) В идеальном АЦП отсчёты берутся через равные промежутки времени. В реальном АЦП момент взятия отсчёта подвержен флуктуациям из-за дрожания фронта синхросигнала ( clock jitter ). Полагая, что неопределённость момента времени взятия отсчёта порядка Δt, а на входе АЦП сигнал вида: x(t) = A sin 2πf 0 t, то получаем, что ошибка, обусловленная этим явлением, может быть оценена как: . Ошибка невелика на низких частотах, однако на больших частотах она может существенно возрасти. Требования к дрожанию фронта сигнала синхронизации: , где q - разрядность АЦП.

Изображение слайда
54

Слайд 54

5) Наложение спектров ( алиасинг ) Если сигнал на входе АЦП меняется быстрее, чем делаются его отсчёты, то точное восстановление сигнала невозможно. При восстановлении такого сигнала с помощью ЦАП, на выходе ЦАП будет присутствовать ложный сигнал. Ложные частотные компоненты сигнала (отсутствующие в спектре исходного сигнала) получили название alias ( ложная частота, побочная низкочастотная составляющая). Частота ложных компонент зависит от разницы между частотой сигнала и частотой дискретизации. Например, синусоидальный сигнал с частотой 2 кГц, дискретизованный с частотой 1.5 кГц был бы воспроизведён как синусоида с частотой 500 Гц. Эта проблема получила название наложение частот ( aliasing ). Для предотвращения наложения спектров сигнал, подаваемый на вход АЦП, должен быть пропущен через фильтр нижних частот для подавления спектральных компонент, частота которых превышает половину частоты дискретизации. Этот фильтр получил название anti-aliasing (антиалиасинговый) фильтр, его применение чрезвычайно важно при построении реальных АЦП.

Изображение слайда
55

Слайд 55

Устранение ошибки: 1-ый способ ( Подмешивание псевдослучайного сигнала ) Характеристики АЦП могут быть улучшены путём использования методики подмешивания псевдослучайного сигнала (англ.  dither ). Представляет собой добавление к входному аналоговому сигналу случайный шум (белый шум) небольшой амплитуды. Амплитуда шума, как правило, выбирается на уровне половины МЗР. Эффект от такого добавления заключается в том, что состояние МЗР случайным образом переходит между состояниями 0 и 1 при очень малом входном сигнале (без добавления шума МЗР был бы в состоянии 0 или 1 долговременно). Малые изменения сигнала могут быть восстановлены из псевдослучайных скачков МЗР путём фильтрации. Кроме того, если шум детерминирован (амплитуда добавляемого шума точно известна в любой момент времени), то его можно вычесть из оцифрованного сигнала, предварительно увеличив его разрядность, тем самым почти полностью избавиться от добавленного шума.

Изображение слайда
56

Последний слайд презентации: ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение

Устранение ошибки: 2-ой способ ( Передискретизация ) Если же оцифровать сигнал с частотой дискретизации, гораздо большей, чем по теореме Котельникова-Шеннона, а затем подвергнуть цифровой фильтрации для подавления спектра вне частотной полосы исходного сигнала, то отношение сигнал/шум, будет лучше, чем при использовании всей полосы. Таким образом можно достичь эффективного разрешения большего, чем разрядность АЦП.

Изображение слайда