Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи и дешифраторы
Содержание
Введение
. Расчет дешифратора
. Расчет синхронного счетчика
. Расчет цифро-аналогового преобразователя
. Построение аналого-цифрового преобразователя
Заключение
Список использованных источников
Введение
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) - устройство, преобразующее
аналоговый сигнал в цифровой код. Как правило, АЦП применяется для ввода
аналогового сигнала в цифровую ЭВМ. АЦП характеризуется разрядностью
(количеством дискретных значений, которые преобразователь может выдать на
выходе) и частотой дискретизации (частотой выборки цифровых значений из
аналогового сигнала).
Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) - устройство, преобразующее
цифровой код в аналоговый сигнал. Характеризуется разрядностью (количество
различных уровней выходного сигнала, которые ЦАП может воспроизвести) и
максимальной частотой дискретизации (максимальной частотой, на которой ЦАП
может работать, выдавая на выходе корректный результат).
Дешифратор - устройство, выполняющее преобразование одного цифрового кода
в другой. В данной работе дешифратор выполняет преобразование из взвешенного
двоично-десятичного кода в код семисегментного преобразователя. В связи с
повсеместным использованием ЭВМ, устройства, выполняющие преобразования
аналоговых сигналов в цифровые и обратно находят широкое применение.
Целью работы является освоение методов проектирования цифровых устройств
с использованием пакета схемотехнического моделирования Micro-CAP.
В ходе данной работы необходимо решить следующие задачи: для взвешенного
двоично-десятичного кода с весами 8 -4 -2 1 спроектировать дешифратор из
взвешенного двоично-десятичного кода в код семисегментного индикатора, ЦАП
взвешивающего типа, АЦП последовательного приближения. В соответствии с
вариантом на задание в счетчике АЦП в порядке понижения веса разряда
используются следующие типы триггеров: D, T, JK, RS.
1 Расчет
дешифратора
Семисегментный индикатор содержит семь сегментов a, b, c, d, e, f, g (рисунок 1).
Рисунок 1 - Семисегментный индикатор
В соответствии с заданными весами составим таблицу истинности для
дешифратора (таблица 1):
Таблица 1 - Таблица истинности
|
|
A
|
B
|
C
|
D
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8
|
-4
|
-2
|
1
|
a
|
b
|
c
|
d
|
e
|
f
|
g
|
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
0
|
|
1
|
1
|
0
|
0
|
0
|
1
|
0
|
1
|
1
|
0
|
0
|
0
|
0
|
|
2
|
14
|
1
|
1
|
1
|
0
|
1
|
1
|
0
|
1
|
1
|
0
|
1
|
|
3
|
15
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
0
|
0
|
1
|
|
4
|
12
|
1
|
1
|
0
|
0
|
0
|
1
|
1
|
0
|
0
|
1
|
1
|
|
5
|
13
|
1
|
1
|
0
|
1
|
1
|
0
|
1
|
1
|
0
|
1
|
1
|
|
6
|
10
|
1
|
0
|
1
|
0
|
1
|
0
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
|
7
|
11
|
1
|
0
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
0
|
0
|
0
|
0
|
|
8
|
8
|
1
|
0
|
0
|
0
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
|
9
|
9
|
1
|
0
|
0
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
0
|
1
|
1
|
Найдем минимизированные выражения для переменных a, b, c, d, e, f, g с помощью карт Карно:
|
a
|
|
|
|
|
|
b
|
|
|
|
|
|
c
|
|
|
|
|
|
1
|
0
|
X
|
X
|
|
|
1
|
1
|
X
|
X
|
|
|
1
|
1
|
X
|
X
|
|
X
|
X
|
X
|
X
|
|
|
X
|
X
|
X
|
X
|
|
|
X
|
X
|
X
|
X
|
|
0
|
1
|
1
|
1
|
|
|
1
|
0
|
1
|
1
|
|
|
1
|
1
|
1
|
0
|
|
1
|
1
|
1
|
1
|
|
|
1
|
1
|
1
|
0
|
|
|
1
|
1
|
1
|
1
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d
|
|
|
|
|
|
e
|
|
|
|
|
|
f
|
|
|
|
|
|
1
|
0
|
X
|
X
|
|
|
1
|
0
|
X
|
X
|
|
|
1
|
0
|
X
|
X
|
|
X
|
X
|
X
|
X
|
|
|
X
|
X
|
X
|
X
|
|
|
X
|
X
|
X
|
X
|
|
0
|
1
|
1
|
1
|
|
|
0
|
0
|
0
|
1
|
|
|
1
|
1
|
0
|
0
|
|
1
|
1
|
0
|
1
|
|
|
1
|
0
|
0
|
1
|
|
|
1
|
1
|
0
|
1
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
g
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0
|
0
|
X
|
X
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
X
|
X
|
X
|
X
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1
|
1
|
1
|
1
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1
|
1
|
0
|
1
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
Модель
дешифратора в пакете Micro-CAP приведена на рисунке 2.
Рисунок
2 - Модель дешифратора в пакете Micro-CAP
2. Расчет
синхронного счетчика
Счетчик используется в АЦП последовательного приближения. В соответствии
с заданием в счетчике используются синхронные триггеры с динамической
синхронизацией по срезу импульса: D, T, JK, RS. Причем в
старшем разряде - D-триггер, в
младшем - RS-триггер. В соответствии с заданными
весами составим таблицу переходов триггеров счетчика (таблица 2).
Таблица 2 - Таблица переходов
|
|
A
|
B
|
C
|
D
|
|
|
|
|
|
|
8
|
-4
|
-2
|
1
|
D
|
T
|
JK
|
RS
|
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
˄
|
|
1
|
1
|
0
|
0
|
0
|
1
|
˄
|
˄
|
˄
|
˅
|
|
2
|
14
|
1
|
1
|
1
|
0
|
1
|
1
|
1
|
˄
|
|
3
|
15
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
˅
|
˅
|
|
4
|
12
|
1
|
0
|
0
|
1
|
1
|
0
|
˄
|
|
5
|
13
|
1
|
1
|
0
|
1
|
1
|
˅
|
˄
|
˅
|
|
6
|
10
|
1
|
0
|
1
|
0
|
1
|
0
|
1
|
˄
|
|
7
|
11
|
1
|
0
|
1
|
1
|
1
|
0
|
˅
|
˅
|
|
8
|
8
|
1
|
0
|
0
|
0
|
1
|
0
|
0
|
˄
|
|
9
|
9
|
1
|
0
|
0
|
1
|
˅
|
0
|
0
|
˅
|
В соответствии со словарем триггеров (таблица 3) заполним карты Карно для
переменных S, R, J, K, T, D:
цифровой аналоговый преобразователь моделирование
Таблица 3 - Словарь переходов
|
S
|
R
|
J
|
K
|
T
|
D
|
|
0
|
0
|
X
|
0
|
X
|
0
|
0
|
|
1
|
X
|
0
|
X
|
0
|
0
|
1
|
|
˄
|
1
|
0
|
1
|
X
|
1
|
1
|
|
˅
|
0
|
1
|
X
|
1
|
1
|
0
|
|
S
|
|
|
|
|
|
R
|
|
|
|
|
|
J
|
|
|
|
|
|
1
|
0
|
X
|
X
|
|
|
0
|
1
|
X
|
X
|
|
|
0
|
1
|
X
|
X
|
|
X
|
X
|
X
|
X
|
|
|
X
|
X
|
X
|
X
|
|
|
X
|
X
|
X
|
X
|
|
1
|
0
|
0
|
1
|
|
|
0
|
1
|
1
|
0
|
|
|
0
|
1
|
X
|
X
|
|
1
|
0
|
0
|
1
|
|
|
0
|
1
|
1
|
0
|
|
|
0
|
0
|
X
|
X
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
K
|
|
|
|
|
|
T
|
|
|
|
|
|
D
|
|
|
|
|
|
X
|
X
|
X
|
X
|
|
|
0
|
1
|
X
|
X
|
|
|
0
|
1
|
X
|
X
|
|
X
|
X
|
X
|
X
|
|
|
X
|
X
|
X
|
X
|
|
|
X
|
X
|
X
|
X
|
|
X
|
X
|
1
|
0
|
|
|
0
|
1
|
0
|
0
|
|
|
1
|
1
|
1
|
1
|
|
X
|
X
|
1
|
0
|
|
|
0
|
0
|
0
|
0
|
|
|
1
|
0
|
1
|
1
|
(8)
(9)
(10)
(11)
(12)
(13)
Модель схемы синхронного счетчика в пакете Micro-CAP
представлена на рисунке 3.
Рисунок 3 - Модель синхронного счетчика в пакете Micro-CAP
3. Расчет цифро-аналогового преобразователя
ЦАП взвешивающего типа работает следующим образом. Каждому биту
преобразуемого двоичного кода соответствует резистор или источник тока,
подключенный на общую точку суммирования. Сила тока источника (проводимость
резистора) пропорциональна весу бита, которому он соответствует. Таким образом,
все ненулевые биты кода суммируются с весом. Сопротивления резисторов находятся
по формуле:
, (14)
где
-
сопротивление резистора, соответствующего i-тому разряду, 
-
сопротивление общего для всех разрядов резистора в цепи обратной связи
операционного усилителя, 
- вес i-того
разряда.
Таким
образом, для 
:
Отрицательные
веса используют источник опорного напряжения с отрицательным напряжением
относительно общей точки. Модель ЦАП взвешивающего типа в пакете Micro-CAP
представлена на рисунке 4. Напряжение на выходе ЦАП при последовательном счете
показано на рисунке 5.
Рисунок
4 - Модель ЦАП взвешивающего типа в пакете Micro-CAP
Рисунок
5 - Выходное напряжение ЦАП
4. Построение
аналого-цифрового преобразователя
АЦП последовательного приближения содержит в своем составе синхронный
счетчик, ЦАП, компаратор, параллельный регистр. В начальный момент времени все
триггеры счетчика находятся в нулевом состоянии, Цифровой сигнал со счетчика
преобразуется с помощью ЦАП в аналоговый и сравнивается компаратором с входным
аналоговым сигналом, который подвергается аналого-цифровому преобразованию.
Пока напряжение на выходе ЦАП меньше напряжения входного аналогового сигнала,
счетчик считает, последовательно увеличивая напряжение на выходе ЦАП. В момент
времени, когда напряжение на выходе ЦАП становится больше напряжения входного
аналогового сигнала, счет останавливается и разрешается запись цифрового кода
со счетчика в регистр. Периодически счетчик обнуляется и весь процесс
повторяется.
Модель АЦП в пакете Micro-CAP, а также дешифратор и ЦАП
представлены на рисунке 6. Графики, иллюстрирующие работу АЦП и ЦАП при
синусоидальном сигнале на входе АЦП приведены на рисунке 7.
Рисунок 6 - АЦП, дешифратор и ЦАП в пакете Micro-CAP
Рисунок 7 - Напряжения на входе АЦП и на выходе ЦАП
Заключение
Изучил методы проектирования цифровых устройств, ознакомился с принципом
работы ЦАП взвешивающего типа и АЦП последовательного приближения.
Список использованных источников
1. Разевиг,
В.Д. Схемотехническое моделирование с помощью Micro-CAP 7 / В.Д. Разевиг. - М.:
Горячая линия-Телеком, 2003.
. Титце, У.
Полупроводниковая схемотехника / У. Титце, К. Шенк ; перевод с нем. - М.: Мир,
1982.