РАЗРАБОТКА SIMULINK-МОДЕЛИ АЦП ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО СЧЕТА

Настоящая статья посвящена реализации одного из основных методов аналого-цифрового преобразования – метода последовательного счета. Разработана программная модель аналого-цифрового преобразователя в среде моделирования MathWorks/Matlab пакета расширения Simulink. Область применения разработанной модели – электронное online - образование с использованием вычислительной техники.

Ключевые слова: аналого-цифровое преобразование, электронные образовательные системы, компьютерное моделирование систем и устройств, модель

В настоящей статье представлен результат реализации аналого-цифрового преобразователя (АЦП) последовательного счета. Такие преобразователи являются базовыми при конструировании более сложных АЦП и находят широкое применение, поскольку системы управления ориентированы на передачу информации от источников (датчиков, измерительных преобразователей и т.д.) к получателям (исполнительным механизмам, регистраторам и т.д.) разной природы.

В качестве прототипа были использованы схемы из [1] и [2]. В качестве методического недостатка [2] можно указать недостаточно подробное раскрытие схемы АЦП последовательного счета. В [1] в свою очередь описана схема применительно к ее реализации в «железе» в виде генераторов и интегральных микросхем.

В данной работе реализована Simulink-модель АЦП последовательного счета (рис. 1) с подробной разверткой всех подсистем: преобразователя «напряжение-временной интервал» (U/T-converter), 5-битового счетчика (5-bit Counter), схемы переполнения (Overflow), схемы “готовности” (Ready) и регистра для хранения результата аналого-цифрового преобразования (Register).

Рисунок 1. Simulink-модель аналого-цифрового преобразователя последовательного счета

Рисунок 2. Схема преобразователя «напряжение-временной интервал»

Преобразователь «напряжение-временной интервал» (рис.2) предназначен для преобразования уровня U в длительность T прямоугольного импульса, формируемого на выходе данного преобразователя. Внутри преобразователя находится генератор линейно-убывающего напряжения (Signal Generator, Sawtooth) с амплитудой 5 и частотой повторения 1/65 (в условных единицах). После вычитания из постоянного уровня 5 пилообразного сигнала формируется линейно-нарастающий сигнал (от нуля до максимального значения). Компаратор (Relational Operator) сравнивает данный сигнал и постоянный уровень (U), подаваемый на вход преобразователя: при достижении линейно-нарастающим сигналом входного уровня компаратор выдает логический ноль, завершая таким образом формирование прямоугольного импульса (вторая осциллограмма на рис.7). Блок MinMax в данном случае настроен на выбор минимального значения, чтобы ограничить входной уровень уровнем 9.8 для корректной работы АЦП.

Рисунок 3. Развертка схемы «готовности» (Ready)

Схема «готовности» выдает сигнал «готов» (READY) для регистра памяти (Register), чтобы он по этому сигналу записал сформировавшуюся 5-битовую кодовую комбинацию. Также данная схема выдает сигнал сброса (R) для сброса 5-битового счетчика после окончания аналого-цифрового преобразования. Сигнал RUN поступает с преобразователя «напряжение-временной интервал» и при перепаде фронта сверху-вниз (по заднему фронту) на выходе инвертора (NOT) формируется логическая единица, которая по переднему фронту тактового импульса CLK поступает на выход D-триггера, что в итоге формирует логическую единицу на выходе READY. Вспомогательные логические элементы XOR и AND позволяют разделить момент записи кодовой комбинации в регистр памяти и момент сброса счетчика (чтобы код успел записаться в память до его сброса).

Рисунок 4. Общеизвестная […] схема 5-разрядного двоичного счетчика на D-триггерах

Рисунок 5. Схема устройства переполнения (Overflow)

Устройство переполнения (Overflow) предназначено для формирования сигнала переполнения, по которому безусловно, т.е. вне зависимости от сигнала «готов» (READY), должен быть сброшен счетчик. Переполнение возникает в случае формирования кодовой комбинации «все единицы», 11111. Сигнал переполнения формируется многовходовой схемой AND. D-триггер предназначен для синхронизации схемы переполнения и АЦП по тактовым импульсам CLK. Блок Memory системы Simulink предназначен для возможности корректных численных расчетов при наличии петли обратной связи (счетчик-устройство переполнения-счетчик).

Рисунок 6. Общеизвестная […] схема 5-разрядного регистра памяти (Register), собранная на D-триггерах

Рисунок 7. Примеры осциллограмм Scope в характерных точках макета

Тактовые импульсы

Сигнал T с выхода преобразователя «напряжение-временной интервал»

Сигнал с выхода схемы AND по первым двум сигналам, поступающий на 5-битовый счетчик

Сигнал с выхода Q0 5-разрядного счетчика (младший бит)

По порядку сверху вниз: выходы Q1, Q2, Q3, Q4 5-разрядного счетчика

Рисунок 8. Примеры осциллограмм Scope 1 в характерных точках макета

Результаты проделанной работы будут внедрены в комплект компьютерных лабораторных работ на кафедре радиотехнических систем ТУСУРа (г. Томск).

Список литературы:

1. Акулиничев Ю. П., Теория электрической связи: Учебно-методическое пособие для проведения лабораторных работ и cамостоятельной работы [Электронный ресурс] / Акулиничев Ю. П. — Томск: ТУСУР, 2015. — 124 с. — Режим доступа: https://edu.tusur.ru/publications/5860.
2. Фрейман В.И. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ В СОСТАВЕ ЭЛЕМЕНТОВ И УСТРОЙСТВ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ // Современные наукоемкие технологии. – 2016. – № 8-2. – С. 270-274; URL: http://top-technologies.ru/ru/article/view?id=36142 (дата обращения: 20.05.2018).