Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) — это устройства, предназначенные для преобразования аналоговых сигналов в цифровые. Для такого преобразования необходимо осуществить квантование аналогового сигнала, т. е. мгновенные значения аналогового сигнала ограничить определенными уровнями, называемыми уровнями квантования.
Характеристика идеального квантования имеет вид, приведенный на рис. 3.92.
Квантование представляет собой округление аналоговой величины до ближайшего уровня квантования, т. е. максимальная погрешность квантования равна ±0,5h (h — шаг квантования).
К основным характеристикам АЦП относят число разрядов, время преобразования, нелинейность и др. Число разрядов — количество разрядов кода, связанного с аналоговой величиной, которое может вырабатывать АЦП. Часто говорят о разрешающей способности АЦП, которую определяют величиной, обратной максимальному числу кодовых комбинаций на выходе АЦП. Так, 10-разрядный АЦП имеет разрешающую способность (210 = 1024)−1, т. е. при шкале АЦП, соответствующей 10В, абсолютное значение шага квантования не превышает 10мВ. Время преобразования tпp — интервал времени от момента заданного изменения сигнала на входе АЦП до появления на его выходе соответствующего устойчивого кода.
Характерными методами преобразования являются следующие: параллельного преобразования аналоговой величины и последовательного преобразования.
Принцип действия АЦП (рис. 3.93)
При Uвх = 0, поскольку для всех ОУ разность напряжений (U+ − U−) < 0 (U+, U− — напряжения относительно общей точки соответственно неинвертирующего и инвертирующего входа), напряжения на выходе всех ОУ равны −Епит а на выходах кодирующего преобразователя (КП) Z0, Z1, Z2 устанавливаются нули. Если Uвх > 0,5U, но меньше 3/2U, лишь для нижнего ОУ (U+ − U−) > 0 и лишь на его выходе появляется напряжение +Епит, что приводит к появлению на выходах КП следующих сигналов: Z0 = 1, Z2 = Zl = 0. Если Uвх > 3/2U, но меньше 5/2U, то на выходе двух нижних ОУ появляется напряжение +Епит, что приводит к появлению на выходах КП кода 010 и т. д.
Посмотрите интересное видео о работе АЦП:
АЦП с последовательным преобразованием входного сигнала
Это АЦП последовательного счета, который называют АЦП со следящей связью (рис. 3.94).
В АЦП рассматриваемого типа используется ЦАП и реверсивный счетчик, сигнал с которого обеспечивает изменение напряжения на выходе ЦАП. Настройка схемы такова, что обеспечивается примерное равенство напряжений на входе Uвх и на выходе ЦАП −U. Если входное напряжение Uвх больше напряжения U на выходе ЦАП, то счетчик переводится в режим прямого счета и код на его выходе увеличивается, обеспечивая увеличение напряжения на выходе ЦАП. В момент равенства Uвх и U счет прекращается и с выхода реверсивного счетчика снимается код, соответствующий входному напряжению.
Метод последовательного преобразования реализуется и в АЦП время — импульсного преобразования (АЦП с генератором линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН)).
Принцип действия рассматриваемого АЦП рис. 3.95) основан на подсчете числа импульсов в отрезке времени, в течение которого линейно изменяющееся напряжение (ЛИН), увеличиваясь от нулевого значения, достигает уровня входного напряжения Uвх. Использованы следующие обозначения: СС — схема сравнения, ГИ — генератор импульсов, Кл — электронный ключ, Сч — счетчик импульсов.
Отмеченный во временной диаграмме момент времени t1 соответствует началу измерения входного напряжения, а момент времени t2 соответствует равенству входного напряжения и напряжения ГЛИН. Погрешность измерения определяется шагом квантования времени. Ключ Кл подключает к счетчику генератор импульсов от момента начала измерения до момента равенства Uвх и Uглин. Через UСч обозначено напряжение на входе счетчика.
Код на выходе счетчика пропорционален входному напряжению. Одним из недостатков этой схемы является невысокое быстродействие.
Универсальная цифровая шкала-частотомер NM8051
В этой статье речь пойдет об универсальной цифровой шкапе-частотомере. Устройство многофункционально и позволяет организовать небольшой измерительный комплекс. В базовой комплектации прибор способен измерять частоту до 1,5 МГц, а с дополнительным активным щупом NM8051/1 – до 1,3 ГГц. На базе этого устройства можно сделать цифровую шкалу для радиостанции или радиоприемника, поскольку прибор позволяет вводить поправочный коэффициент для суммирования (вычитания) с текущими показаниями (например, для учета значения промежуточной частоты и т. п.).
Небольшие размеры, широкий диапазон питающих напряжений, малое потребление тока, высокие эксплуатационные характеристики, функциональность, надежность, простота в изготовлении и настройке, низкая стоимость делают это устройство крайне привлекательным. Собрать цифровую шкалу-частотомер можно из набора МАСТЕР КИТ NM8051.
Отличительной особенностью частотомера является автоматически изменяемое время счёта. При быстрой перестройке частоты время счёта составляет 0,1 сек. (прибор отображает информацию с частотой 1 раз в 0,1 сек. с точностью 10 Гц), а при фиксации измеряемой частоты -1 сек. (прибор отображает информацию с частотой 1 раз в секунду с точностью 1 Гц). Подобный алгоритм работы повышает наглядность и удобство снятия показаний при настройке радиосистем различного класса сложности.
Устройство можно использовать как цифровую шкалу для радиоприёмников и передатчиков, построенных по супергетеродинной схеме: в частотомере предусмотрена возможность суммирования (вычитания) с показаниями прибора при помощи изменяемой числовой константы. Константа и еезнак вводятся при помощи клавиш управления и сохраняются в энергонезависимой памяти микроконтроллера.
В базовой конфигурации устройство позволяет измерять частоты до 1,5 МГц амплитудой не менее 150…200 мВ. Максимальное значение константы суммирования (вычитания) с показаниями составляет 9 999 999.
Технические характеристики
Напряжение питания, В…………………………………………………………. 9…25
Ток потребления, мА………………………………………………………………. 100
Максимальная измеряемая частота, МГц………………………………………. 1,5
Входная чувствительность, В……………………………………………………… 0,2
Размеры печатной платы, мм………………………………………………….. 84×42
Принципиальная электрическая схема цифровой шкалы-частото- мера показана на рис. 1.
Перечень элементов приведен в табл. 1.
Табл. 1. Перечень элементов
| Позиция | Наименование | Примечание | Кол-во |
| С1, С4, С12, С13 | 0,1 МКФ | Обозначение 104 | 4 |
| С2 | 10 мкФ/16…50 В | (0407) | 1 |
| СЗ, С8 | 1000 мкФ/25 В | (1021) | 2 |
| С5 | 1000 пФ | Обозначение 102 | 1 |
| С6 | 10 ПФ…12 пФ | Обозначение 100,10 или 10 р | 1 |
| С7 | 47 мкФ/16…50 В | (0512) | 1 |
| С9 | 30 пФ | Обозначение 300,30 или 30 р | 1 |
| СЮ | 4,8…20 пФ | Подстроечный конденсатор CTC-05-20RA, синяя точка | 1 |
| С11 | 68 пФ | Обозначение 680,68 или 68’р | 1 |
| DA1 | 7805 | Интегральный стабилизатор напряжения на 5 В, Т0-220 | 1 |
| DA2 | LM311 | Компаратор, DIP-8 | 1 |
| DD1 | AT90S2313 | Микроконтроллер с программой, DIP-20 | 1 |
| DD2 | 74НС164 | 8-разрядный сдвиговый регистр, DIP-14 | 1 |
| HG1 | АЛС-318А | 9-сегментный светодиодный индикатор | 1 |
| R1, R3 | 100 Ом | Коричневый, черный, коричневый | 2 |
| R2, R8…R10 | 4,7 кОм | Жёлтый, фиолетовый, красный | 4 |
| R4, R5, R7 | 10 кОм | Коричневый, черный, оранжевый | 3 |
| R6 | 1 МОм | Коричневый, черный, зеленый | 1 |
| R11…R18 | 330 Ом | Оранжевый, оранжевый, коричневый | 8 |
| SW1 | Переключатель движковый угловой | 1 | |
| ТА1, ТА2 | Кнопка тактовая угловая | 2 | |
| VD1 | DB107 | Диодный мост | 1 |
| VD2 | 1N4148 | Диод | 1 |
| ХР1 | Разъем питания 01,3 мм | 1 | |
| ХР2 | Разъем интерфейсный, 5-контактный | 1 | |
| ZQ1 | 4,0 МГц | Кварцевый резонатор | 1 |
| А8051 | Печатная плата 84×42 мм | 1 |
Устройство выполнено на основе микроконтроллера AT90S2313 фирмы ATMEL (DD1) с прошитым программным обеспечением обработ-
ки сигналов управления и индикации, 8-разрядного сдвигового регистра 74НС164 (аналог ИР8) (DD2), выполняющего роль расширителя портов микроконтроллера, входного компаратора, выполненного на ИМС LM311 (DA2), и цепи питания микросхем/индикатора (С1, СЗ, С12, С13, VD1, DA1). Диодный мост VD1 защищает схему от возможной переполюсов- ки проводов при подключении источника питания и в то же время может работать как выпрямитель при запитке устройства напрямую от силового трансформатора.
Подстроечным конденсатором СЮ осуществляется точная настройка частотомера по эталонному генератору.
Напряжение питания подключается к разъему ХР1.
Внешние щупы и дополнительные устройства подключаются к интерфейсному разъему ХР2 согласно табл. 2.
Табл. 2
| Название | Назначение |
| IN | Вход частотомера, подключается источник сигнала |
| +Vcc | Напряжение +5 В, от DA2 |
| SCL | Шина 12С, CLOCK |
| SDA | Шина I2C, DATA |
| GND | Земля, общий провод |
Разъем ХРЗ дублирует ХР2.
Разъем ХР4 зарезервирован для работы с ПО последующих версий, он дублирует кнопки ТА1 и ТА2.
Разъем ХР5 предназначен для подключения светодиодного индикатора АЛС-318А.
На плате предусмотрено место под установку 6-контактного разъема программирования контроллера через SPI-интерфейс.
При включении устройства на экране высвечивается номер ПО. Набор комплектуется микросхемой микроконтроллера с прошитым программным обеспечением версии NM8051.3.
При быстрой перестройке измеряемой частоты показания прибора для наглядности и удобства снятия обновляются с частотой 1 раз в 0,1 сек., обеспечивая при этом точность 10 Гц. При фиксации измеряемой частоты устройство автоматически переходит в режим измерения с частотой обновления показаний 1 раз в секунду с точностью 1 Гц.
В программе предусмотрена установка числовой константы, которая будет вычитаться или суммироваться с текущими показаниями прибора. При нажатии на кнопку ТА2 на индикаторе высвечивается текущее значение константы. При нажатии на кнопку ТА1 происходит переход устройства в режим установки значения константы. При повторном нажатии на ТА1 осуществляется выбор текущего устанавливаемого разряда в константе (подсвечивается точкой), а кнопкой ТА2 – выбор значения разряда константы в диапазоне 0…9. В последнем разряде устанавливается режим суммирования (в разряде нет индикации) / вычитания (знак»-«) константы с показаниями. Выход из режима установки происходит при нажатии на ТА2 после установки режима суммирования/вычитания. Значение константы сохраняется в энергонезависимой памяти микроконтроллера и остаётся неизменным при отключении источника питания.
Для индикации реального значения частоты необходимо установить значение константы, равное 0.
При первом включении устройства необходимо сразу выставить значение константы, в противном случае прибор функционировать не будет.
Устройство поддерживает «горячее» подключение активного щупа NM8051/1, обеспечивающего деление входной частоты на 1000 и работающего в диапазоне частот 1 МГц… 1,3 ГГц. При подключении щупа частотомер автоматически опознает его, программирует микросхему делителя и корректирует показания. Текущие показания прибора нужно в уме умножать на 10ОО. При отключении щупа устройство переходит в обычный режим работы.
Внешний вид устройства показан на рис. 2, печатная плата – на рис. 3, расположение элементов – на рис. 4.
Рис. 2. Внешний вид цифровой шкалы-частотомера
Конструктивно частотомер выполнен на печатной плате из фольги- рованного стеклотекстолита. Конструкция предусматривает установку платы в стандартный корпус ВОХ-М32, входящий в комплект, для этого на плате предусмотрены два монтажных отверстия диаметром 3 мм.
Заключение
Чтобы сэкономить время и избавить вас от рутинной работы по поиску необходимых компонентов и изготовлению печатных плат, МАСТЕР КИТ предлагает набор NM8051. Набор состоит из заводской печатной платы, всех необходимых компонентов и инструкции по сборке и эксплуатации.
Tweet Нравится
- Предыдущая запись: Мощный импульсный стабилизатор с высоким КПД 8-16В 10А
- Следующая запись: TV-антенны no нетрадиционной технологии.
- ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ДЛЯ АВТОМОБИЛЬНОГО РАДИОПРИЕМНИКА (0)
- УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ РАЗВЯЗКИ АККУМУЛЯТОРОВ (0)
- ЗАРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛИТИЙ-НОННОГО ЭЛЕМЕНТА КОНТРОЛЛЕР ЗАРЯДНОГО УСТРОЙСТВА (0)
- ЗАРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕСКОЛЬКИХ ЛИТИЕВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ (0)
- ИНДИКАТОР УРОВНЯ НАПРЯЖЕНИЯ ЭЛЕМЕНТА ПИТАНИЯ (0)
- ИНДИКАТОР СТАТУСА АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ (0)
- СХЕМА ПОДКЛЮЧЕНИЯ ЛИТИЕВОГО АККУМУЛЯТОРА ДЛЯ ПИТАНИЯ УСТРОЙСТВ ПАМЯТИ (0)
