Проектирование учебного демонстрационного стенда Цифроаналоговый преобразователь с подключением к компьютеру через порт USB

стенд цифроаналоговый преобразователь

Под информацией в широком смысле принято понимать различные сведения о событиях в общественной жизни, явлениях природы, о процессах в технических устройствах. Она содержатся в нашей речи, в текстах книг и газет, в показаниях измерительных приборов и отображает разнообразие, присущее объектам и явлениям реального мира. Информацию, воплощенную и зафиксированную в некоторой материальной форме, называют сообщением и передают с помощью сигналов. Природа большинства физических величин такова, что они могут принимать любые значения в каком-то диапазоне (температура, давление, скорость и т.д.). Сигнал, отображающий эту информацию и возникающий на выходе соответствующего датчика, на любом временном интервале может иметь бесконечное число значений.

Если сигнал не прерывный, то его обычно называют аналоговым, а устройства, в которых действуют такие сигналы, называют аналоговыми. Существуют также дискретные сообщения, параметры которых содержат фиксированный набор отдельных значений. А так как этот набор конечен, то и объем информации в таких сообщениях конечен.

В последнее время очень часто встречается выражение - «Новые информационные технологии». Что же это такое? Вообще информационная технология - это совокупность конкретных технических и программных средств, с помощью которых выполняются разнообразные операции по обработке информации во всех сферах нашей жизни и деятельности. Иногда информационную технологию называют компьютерной технологией или прикладной информатикой.

Термин «информация» восходит к латинскому informatio,- разъяснение, изложение, осведомленность. Информацию можно классифицировать разными способами, и разные науки это делают по-разному. Например, в философии различают информацию объективную и субъективную. Объективная информация отражает явления природы и человеческого общества. Субъективная информация создается людьми и отражает их взгляд на объективные явления. В информатике отдельно рассматривается аналоговая информация и цифровая. Это важно, поскольку человек благодаря своим органам чувств, привык иметь дело с аналоговой информацией, а вычислительная техника, наоборот, в основном, работает с цифровой информацией.

Человек воспринимает информацию с помощью органов чувств. Свет, звук, тепло - это энергетические сигналы, а вкус и запах - это результат воздействия химических соединений, в основе которого тоже энергетическая природа. Человек испытывает энергетические воздействия непрерывно и может никогда не встретиться с одной и той же их комбинацией дважды. Нет двух одинаковых зеленых листьев на одном дереве и двух абсолютно одинаковых звуков - это информация аналоговая. Если же разным цветам дать номера, а разным звукам - ноты, то аналоговую информацию можно превратить в цифровую.

Музыка, когда ее слушают, несет аналоговую информацию, но если записать ее нотами, она становится цифровой. Разница между аналоговой информацией и цифровой, прежде всего, в том, что аналоговая информация непрерывна, а цифровая дискретна. К цифровым устройствам относятся персональные компьютеры - они работают с информацией, представленной в цифровой форме, цифровыми являются и музыкальные проигрыватели лазерных компакт дисков.

Процесс формирования определенного представления информации называют называется кодирование информации. В более узком смысле под термином «кодирование» часто понимают переход от одной формы представления информации к другой, более удобной для хранения, передачи или обработки. Компьютер может обрабатывать только информацию, представленную в числовой форме. Вся другая информация (звуки, изображения, показания приборов и т. д.) для обработки на компьютере должна быть преобразована в числовую форму. Например, чтобы перевести в числовую форму музыкальный звук, можно через небольшие промежутки времени измерять интенсивность звука на определенных частотах, представляя результаты каждого измерения в числовой форме. С помощью компьютерных программ можно преобразовывать полученную информацию, например «наложить» друг на друга звуки от разных источников.

Аналогично на компьютере можно обрабатывать текстовую информацию. При вводе в компьютер каждая буква кодируется определенным числом, а при выводе на внешние устройства (экран или печать) для восприятия человеком по этим числам строятся изображения букв. Соответствие между набором букв и числами называется кодировкой символов. Как правило, все числа в компьютере представляются с помощью нулей и единиц (а не десяти цифр, как это привычно для людей). Иными словами, компьютеры обычно работают в двоичной системе счисления, так как в двоичной системе устройства для их обработки получаются значительно более простыми.

Двоичная система имеет единицу измерения информации:

- бит - наименьшая единица представления информации;

- байт - наименьшая единица обработки и передачи информации.

Решая различные задачи, человек использует информацию об окружающем нас мире. Часто приходится слышать, что сообщение несет мало информации или, наоборот, содержит исчерпывающую информацию, при этом разные люди, получившие одно и то же сообщение (например, прочитав статью в газете), по-разному оценивают количество информации, содержащейся в нем. Это означает, что знания людей об этих событиях (явлениях) до получения сообщения были различными. Количество информации в сообщении, таким образом, зависит от того, насколько ново это сообщение для получателя. Если в результате получения сообщения достигнута полная ясность в данном вопросе (т.е. неопределенность исчезнет), говорят, что получена исчерпывающая информация. Это означает, что нет необходимости в дополнительной информации на эту тему. Напротив, если после получения сообщения неопределенность осталась прежней (сообщаемые сведения или уже были известны, или не относятся к делу), значит, информации получено не было (нулевая информация).

Подбрасывание монеты и слежение за ее падением дает определенную информацию. Обе стороны монеты «равноправны», поэтому одинаково вероятно, что выпадет как одна, так и другая сторона. В таких случаях говорят, что событие несет информацию в 1 бит. Если положить в мешок два шарика разного цвета, то, вытащив вслепую один шар, мы также получим информацию о цвете шара в 1 бит.Единица измерения информации называется бит (bit) - сокращение от английских слов binary digit, что означает двоичная цифра.

В компьютерной технике бит соответствует физическому состоянию носителя информации: намагничено - не намагничено, есть отверстие - нет отверстия. При этом одно состояние принято обозначать цифрой 0, а другое - цифрой 1. Выбор одного из двух возможных вариантов позволяет также различать логические понятия истину и ложь. Последовательностью битов можно закодировать текст, изображение, звук или какую-либо другую информацию. Такой метод представления информации называется двоичным кодированием (binary encoding).

В информатике часто используется величина, называемая байтом (byte) и равная 8 битам. И если бит позволяет выбрать один вариант из двух возможных, то байт, соответственно, 1 из 256. Наряду с байтами для измерения количества информации используются более крупные единицы:

- 1 Кбайт (один килобайт = 1024 байта;

- 1 Мбайт (один мегабайт) = 1024 Кбайта;

- 1 Гбайт (один гигабайт) = 1024 Мбайта.

Например, книга содержит 100 страниц; на каждой странице - 35 строк, в каждой строке - 50 символов. Объем информации, содержащийся в книге, рассчитывается следующим образом:

- страница содержит 35 × 50 = 1750 байт информации. Объем всей информации в книге (в разных единицах):

- 1750 × 100 = 175 000 байт.

- 175 000 / 1024 = 170,8984 Кбайт.

- 170,8984 / 1024 = 0,166893 Мбайт.

Из физики известно, что звук - это колебания воздуха. Если преобразовать звук в электрический сигнал (например, с помощью микрофона), то видно плавно изменяющееся с течением времени напряжение. Для компьютерной обработки такой - аналоговый - сигнал нужно каким-то образом преобразовать в последовательность двоичных чисел. Делается это, например, так - измеряется напряжение через равные промежутки времени и полученные значения записываются в память компьютера. Этот процесс называется дискретизацией (или оцифровкой), а устройство, выполняющее его - аналого-цифровым преобразователем (АЦП).Чтобы воспроизвести закодированный таким образом звук, нужно сделать обратное преобразование (для этого служит цифро-аналоговый преобразователь - ЦАП), а затем сгладить получившийся ступенчатый сигнал. На (рисунке 1) приведен пример графического представления формы аналогового сигнала, его преобразования в дискретные сигналы и обратное преобразование.

Рисунок 1 - Графическое представление аналоговой и дискретной формы сигнала

Чем выше частота дискретизации и чем больше разрядов отводится для каждого отсчета, тем точнее будет представлен звук, но при этом увеличивается и размер звукового файла. Поэтому в зависимости от характера звука, требований, предъявляемых к его качеству и объему занимаемой памяти, выбирают некоторые компромиссные значения. Описанный способ кодирования звуковой информации достаточно универсален, он позволяет представить любой звук и преобразовывать его самыми разными способами. Но бывают случаи, когда выгодней действовать по-иному.

Издавна используется довольно компактный способ представления музыки - нотная запись. В ней специальными символами указывается, какой высоты звук, на каком инструменте и как сыграть. Фактически, ее (нотную запись) можно считать алгоритмом для музыканта, записанным на особом формальном языке. В 1983 ведущие производители компьютеров и музыкальных синтезаторов разработали стандарт, определивший такую систему кодов. Он получил название MIDI.

Конечно, такая система кодирования позволяет записать далеко не всякий звук, она годится только для инструментальной музыки. Но есть у нее и неоспоримые преимущества: - чрезвычайно компактная запись, естественность для музыканта (практически любой MIDI-редактор позволяет работать с музыкой в виде обычных нот), легкость замены инструментов, изменения темпа и тональности мелодии. Есть и другие, чисто компьютерные, форматы записи музыки. Среди них - формат MP3, позволяющий с очень большим качеством и степенью сжатия кодировать музыку, при этом вместо 18-20 музыкальных композиций на стандартном компакт-диске (CDROM) помещается около 200.

На практике непрерывные сообщения можно представлять в дискретной форме. Непрерывность сообщений по величине не может быть реализована в связи с погрешностью источников и приемников информации и наличием помех в канале передали информации. Поэтому к непрерывным сигналам, отображающим сообщения, можно применять квантование по уровню и по времени. При квантовании по уровню совокупность возможных значений напряжения или тока заменяют конечным набором дискретных значений из этого интервала.Квантование по времени предусматривает замену непрерывного сигнала последовательностью импульсов, следующих через определенные промежутки, временя называемых тактовыми. Если тактовые интервалы выбраны соответствующим образом, то потери информации не происходит.

При одновременном введении квантования по времени и по уровню амплитуда каждой выборки будет принимать ближайшее разрешенное значение из выбранного конечного набора значений. Совокупность всех выборок образует дискретный или цифровой сигнал. Каждое значение дискретного сигнала можно представить числом. В цифровой технике такой процесс называется кодированием (дискретизацией), а совокупность полученных чисел - кодом сигнала.

Цель дипломного проекта предусматривает более детальное описание процесса преобразования цифровой информации в аналоговую. А для полноты восприятия этого процесса в рамках специального задания планируется разработка и изготовление демонстрационного учебного стенд «Цифро-аналогового преобразователь»

Устройства, преобразующие дискретную информацию в аналоговую называются цифроаналоговыми преобразователями. Выходной сигнал ЦАП в общепринятых единицах измерения тока или напряжения (мВ, В, мА) соответствует численному значению входной кодовой комбинации.

Например, при подаче на вход ЦАП кодовой комбинации (в десятичном эквиваленте) равной 150 на его выходе при этом имеется напряжение 1500 мВ, это значит, что изменение значения входной кодовой комбинации (входного числа) на единицу приводит к изменению выходного напряжения на 10 мВ. В этом случае мы имеем ЦАП с шагом преобразования цифровой информации 10 мВ. Величина напряжения, соответствующая одной единице цифровой информации, называется шагом квантования (Duкв). При подаче на вход ЦАП последовательной цифровой комбинации, меняющейся от 0 до N, на его выходе появится ступенчато-нарастающее напряжение (рисунок 2). Высота каждой ступени соответствует одному шагу квантования Duкв.

Если число входной кодовой комбинации соответствует N, то выходное напряжение Uвых ЦАП = N*Duкв. Таким образом, можно вычислить значение выходного напряжения для любой входной кодовой комбинации. Нетрудно убедиться в том, что Duкв является масштабным коэффициентом преобразователя, имеющим размерность тока или напряжения (так как цифровая комбинация на входе ЦАП размерности не имеет). Обычно, значение Duкв выбирают кратным десяти, что облегчает процесс пересчета соответствия преобразованного и исходного сигналов. Так как Duкв определяет минимальное значение выходного напряжения аналогового сигнала Uвых мин. = Duкв, при выборе его значения необходимо учитывать также шумовые факторы, погрешности усиления масштабирующих усилителей и компаратора.

Рисунок 2 - Диаграмма выходного напряжения ЦАП

Основные параметры ЦАП.

Точность преобразования и качество работы ЦАП характеризуют следующие параметры:

относительная разрешающая способность;

абсолютная разрешающая способность;

абсолютная погрешность преобразования;

нелинейность преобразования;

скорость преобразования (время одного преобразования) и максимальная частота преобразования.

Относительная разрешающая способность - это обратная величина от максимального числа уровней квантования

do = 1/2n - 1,

где n- количество разрядов двоичного числа, подаваемого на вход АЦП (n - соответствует числу разрядных входов ЦАП).

Абсолютная разрешающая способность

dа = Uпш/2n - 1 = Duкв,

где Uпш - напряжение полной шкалы, соответствующее опорному напряжению ЦАП, это напряжение можно считать равным максимальному выходному напряжению;

2n - 1 = N - количество ступеней квантования.

Численно абсолютная разрешающая способность равна шагу квантования Duкв.

Абсолютная погрешность преобразования dпш показывает максимальное отклонение выходного напряжения Uвых в точке пересечения с идеальной характеристикой (прямой) на уровне напряжения полной шкалы (рисунок 3). Абсолютная погрешность преобразования оценивается в процентах или же в единицах младшего значащего разряда (МР). При оценке значения абсолютной погрешности преобразования знак напряжения не учитывается.

Рисунок 3 - Пояснения к определению погрешностей преобразования ЦАП

Нелинейность преобразования ЦАП dлн - характеристика, которая определяет максимальное отклонение реальной характеристики от идеальной (рисунок 3). Нелинейность преобразования оценивается в процентах или в единицах младшего значащего разряда.

Время установления выходного напряжения или тока tуст - интервал времени от подачи входного двоичного входного кода до вхождения выходного сигнала в заданные пределы.

Максимальная частота преобразования fпр - наибольшая частота дискретизации, при которой параметры ЦАП соответствуют заданным значениям. Максимальная частота и время установления определяют быстродействие ЦАП.

Виды ЦАП условно можно разделить на две группы:

с резисторными матрицами;

безматричные ЦАП.

Один из возможных схемных вариантов резисторной R2-R матрицы показан на рисунок 4

Рисунок 4 - Схема резисторной матрицы R2-R

В интегральном исполнении применяются только ЦАП с прецизионными резисторными матрицами, формирующими выходные сигналы путем суммирования токов. ЦАП содержит элементы цифровой и аналоговой схемотехники. В качестве аналоговых элементов используются операционные усилители, аналоговые ключи (коммутаторы), резисторные матрицы и т.д.

Аналоговые элементы, входящие в состав ЦАП, практически полностью определяют его качественные и эксплуатационные параметры, основную роль при этом играют точность подбора номиналов резисторов резисторной матрицы и параметров операционного усилителя (ОУ).Операционный усилитель представляет собой усилитель постоянного тока, имеющий коэффициент усиления по напряжению более тысячи. Он имеет дифференциальный входной каскад, т.е. имеет два входа: инвертирующий и неинвертирующий.

Своему названию ОУ “обязан” аналоговым вычислительным машинам, так как первоначально он был ориентирован на моделирование различных математических операций. Появление ОУ в виде интегральных микросхем привело к быстрому росту популярности ОУ в реализации аналоговой и гибридной электронной схемотехники. Условное обозначение ОУ показано на рисунок 5.

Рисунок 5 - Условное обозначение операционного усилителя:

а) - стандартное по ГОСТу; б) - для рабочей документации

Благодаря большому коэффициенту усиления (современные ОУ имеют коэффициент усиления К=105 ...106) и малым входным токам, усилители, построенные на базе ОУ, обладают уникальными свойствами. В частности, параметры многих устройств определяются только внешними цепями - цепями обратной связи, соединяющими выход ОУ с его входом. Промышленностью выпускаются ЦАП в виде интегральных микросхем содержащих в своем составе резистивную матрицу R-2R, электронные ключи и резистор обратной связи. Для подключения операционного усилителя в микросхеме имеются специальные выводы. В качестве примера на рисунок 6 показана схема десятиразрядного ЦАП, построенного на базе ИМС К572ПА1.

Рисунок 6 - Схема ЦАП на микросхеме КР572ПА1

Назначение выводов микросхемы:

1 и 2 - выходы;

3 - общий;

4…13 - цифровые входы;

14 - вывод для подачи напряжения питания;

15 - для подачи опорного напряжения;

16 - цепь обратной отрицательной связи.

Выше изложенный материал этого раздела является основой моделирования и визуальной демонстрации процесса преобразования цифровой информации в аналоговую величину для разрабатываемого учебного стенда «Цифроаналоговый преобразователь». Для успешной разработки и изготовления стенда необходимо выполнить следующее:

разработать основные технические требования, предъявляемые к устройству;

провести обзор существующих методов решения поставленной задачи;

разработать структурную схему проектируемого устройства;

сделать выбор и обоснование электронных компонентов устройства;

разработать принципиальную схему устройства;

разработать печатную плату;

разработать общий алгоритм программного обеспечения;

разработать необходимые рисунки чертежи дипломного проекта;

разработать инструкции по применению устройства;

разработать меры безопасности;

рассчитать себестоимость изделия;

рассчитать цену и прибыль от реализации изделия;

расчисть показатель экономической эффективности производства изделия.

    Еще статьи по теме

    Проектировка сети районного суда
    локальная вычислительная сеть сервер компьютер Компьютерная сеть - представляет собой систему распределенной обработки информации, состоящую как минимум из двух компьютеров, взаимодействующих между собой с помощь ...

    Проектирование цифрового устройства
    В настоящее время в нашей жизни появляется все больше и больше цифровых устройств, которые выполняют достаточно широкий ряд функций. Эти устройства - калькуляторы, программаторы, различные счетчики сигнало ...

    Главное меню

    © 2018 / www.techsolid.ru