Мета роботи

Дата добавления: 2014-11-10; просмотров: 741

Опанування методів розробки програм керування цифро-аналоговими перетворювачами (ЦАП) за допомогою мікропроцесорів.

2.6.2. Теоретичні відомості

Цифро – аналогові перетворювачі (digital-to-analog converter) призначені для перетворення цифрової інформації в аналогову форму у вигляді напруг (інколи струму). Їх використовують разом з ОМК в автоматичних системах управління технологічними процесами, в дисплеях, робототехніці тощо. Цифрова інформація складається з дискретних вхідних цифрових величин і створює аналоговий сигнал, амплітуда якого відповідає у кожний момент відповідному цифровому значенню.

Цифро – аналогове перетворення полягає в тому, що для вхідного паралельного n – розрядного кода:

де a – цифри “0” або “1”; 2^n-1, 2^n-2, …2ⁱ ,…2¹,2⁰- вага повного розряду, спочатку отримують струм I_N, величина якого є пропорційною значенню числа N₍₂₎, а потім перетворюють його на вихідну напругу. Величина струму I_N визначається як сума еталонних струмів для кожного розряду числа I_n-1, I_n-2, …I_i, …I₁, I₀ :

причому сумуються струми тільки тих розрядів, для яких а=1. значення еталонних струмів пропорційні вазі позиції війкового числа і зростають удвічі при переході від поточного “і” розряду до сусіднього старшого з номером “і+1”.

Схеми ЦАП містять резистивні матриці для формування еталонних струмів, напівпровідникові ключі для комутації еталонних струмів вхідного коду до загальної точки підсумовування, операційні підсилювачі (СПП) для перетворення струму I_N у вихідну напругу U_вих та джерела стабілізованої напруги U_ОП.

Резистині матриці будують із набору двійково - зважених за номіналами резисторів, або у вигляді ступінчастого (багатоланкового) ланцюжка резисторів двох номіналів “R-2R”. Принципова схема ЦАП із двійково – зваженими опорами наведена на рис. 2.21.

Рис.2.21. Принципова схема ЦАП з двійково-зваженими опорами: – еталонні резистори; RG – паралельний регістр; К₀,..., К_n-1 – транзисторні ключі; U_оп – стабілізована опорна напруга; R_ЗЗ – резистор зворотного зв’язку; ОПП – операційний підсилювач; U_ВИХ – вихідна аналогова напруга.

Кожний розряд визначається станом транзисторних ключів К₀, К₁, К₂,...К_n-1, які під`єднають до входу операційного підсилювача. Резистори, що з`єднані з джерелом опорної напруи U_0n. Якщо опір резистора молодшого нульового розряду має значення R₀, то опори наступних старших розрядів визначаються зі співвідношення: . Таким чином: при

і т. д.

На вході операційного підсилювача ОПП завжди має місце практично нульовий потенціал і тому його вхідний струм визначається співвідношенням:

де К_n-1, К_n-2, К_1, К₀ – відповідні стани резистор них ключів (“1”- відкритий, “0”- закритий).

При цьому вихідна напруга ЦАПа визначається за формулою:

,

де - опір резистора зворотного зв`язку ОПП; - масштабний коефіцієнт; N₍₁₀₎- десяткове значення двійкового коду, що уводиться в регістр.

Розглянута схема ЦАП вимагає точних і стабільних значень опорів резисторів, тому що при їх відхиленні від номінального значення змінюється значення вагових коефіцієнтів і зростає похибка перетворення δ_А. Великий діапазон номінальних значень опорів елементів резисторної матриці ускладнює забезпечення точності перетворень. Для зменшення кількості значень опорів використовують схему ЦАП, що будується на сходинковій матриці “R-2R”. В такій схемі використовують резистори тільки двох номіналів.

Основними параметрами ЦАП є розрядність вхідного двійкового коду „n”, роздільна здатність (масштабний коефіцієнт М), абсолютна похибка перетворення δ_а, діапазон зміни вихідної напруги, а також динамічний параметр – швидкодія перетворення.

Розрядність „n” для різних типів ЦАП складає від 8 до 16. Вона визначає кількість кодових комбінацій на вході ЦАП, що дорівнює 2ⁿ.

Роздільна здатність h (масштабний коефіцієнт М) – це мінімальний квант вихідної напруги визначається із співвідношення:

Абсолютна похибка перетворення δ – це відношення вихідної напруги від розрахункового значення у кінцевій точці перетворення ( молодшого розряду).

Швидкодія ЦАП визначається часом встановлення вихідної напруги (від моменту подачі на вхід ЦАП цифрового коду до моменту досягнення вихідною напругою усталеного значення із заданою похибкою δ_а). Для різних типів ЦАП

Рис.2.22. Електрична схема підключення ЦАП AD7801 на стенді EV 8031.

До складу стенда входить 8-розрядний ЦАП AD 7801 з паралельним інтерфейсом. Його максимальна вихідна напруга дорівнює опорній напрузі . Для вимірювання вихідної напруги U_вих до виходу мікросхеми ЦАП DD2 за допомогою з’єднувача J2 треба під’єднати осцилограф і замкнути перемичку J4. доступ до ЦАП з ОМК АТ89С51 здійснюється як до комірки зовнішнього ОЗП за адресою F000h. Тому для встановлення заданої вихідної напруги ЦАП необхідно записати в комірку пам‛яті з номером F000h двійковий код цієї напруги.

Розглянемо програмування ОМК для роботи з ЦАП на наступному прикладі. Перетворити на напругу десяткові значення вхідних кодів 76D та 204D з відображенням вхідних кодів на індикаторі HG1.

Зміна двійкових кодів на вході ЦАП приводить до відповідної зміни його вихідної напруги. Для комфортного спостереження за зміною вихідної напруги її частота повинна бути від одиниць Гц до десятих долей Гц. На зміну напруги з частотою ~10¹ Герц людське око не встигає реагувати (частота зміни кадрів в кінематографі 24 Гц). При частотах зміни напруги ~10^-2 Герц значно збільшується час спостереження за цією зміною, тобто час експерименту. Тому саме в цьому діапазоні частот не слід програмувати зміну напруг за допомогою ЦАП для візуального спостереження за десятковими величинами на індикаторі та величиною напруги на осцилографі. Використані при цьому затримки ~10^-1 ÷10² с вимагають досить складних вкладених циклів, що аналогічні наведеним в лабораторній роботі №1. Саме тому при розробці програми зміни напруг найбільш доцільно використати затримки на час ~10⁰ мс і спостерігати за результатом за допомогою осцилографа. Необхідно лише синхронізувати органами управління осцилографа швидкість розгортки осцилографа та швидкість зміни напруг. При цьому спостереження за зміною двійкових кодів напруг стає неможливим внаслідок досить високої частоти цієї зміни.

Орієнтовний текст підпрограми формування двох рівнів напруг без підпрограми затримки наведений в табл.2.8.

Табл 2.8. Підпрограма FU2 формування напруг двох рівнів.

Для формування часових затримок слід використати підпрограми з лабораторної роботи №1.

Для визначення абсолютної похибки ЦАП знаходимо відповідні розрахункові значення його вихідних напруг. Попередньо знаходимо масштабний коефіцієнт ЦАП:

Тоді а) при N₁₍₁₀₎=76, U_вих1р=

б) при

2.6.3. Підготовка до роботи

1. Вивчити принципи цифро-аналогового перетворення.

2. Вивчити принципову електричну схему ЦАП учбово-відлагоджувального стенду.

3. Розробити детальну БСА керування ЦАП стенду для формування напруг двох рівнів.

4. Визначити часові затримки та алгоритми їх формування для визначеного за номером бригади варіанту завдання (табл.2.9.)

5. Розробити підпрограму виконання домашнього лабораторного завдання.

Таблиця 2.9. Перелік домашніх завдань.