Лабораторная работа
Изучение АЦП и ЦАП
Часть 1. - Аналого-цифровые преобразователи
Цель работы: ознакомиться с типовыми схемами аналого-цифрового и преобразования.
Оборудование: 1) выпрямители лабораторные ТЕС-42;
2) осциллограф С1-83;
3) стенд АЦП-1;
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Аналого-цифровыми преобразователями (АЦП) называются устройства, осуществляющие автоматическое преобразование непрерывно изменяющихся во времени аналоговых величин в эквивалентные значения цифровых кодов.
Существует большое число способов и соответствующих им схем для преобразования аналоговой величины в цифровой код. В последнее время получила распространение классификация АЦП, показывающая как во вре-мени развертывается процесс преобразования. Различают АЦП последовательные, последовательно-параллельные и параллельные. К последовательным АЦП относят преобразователи интегрирующего типа, последова-тельных приближений, следящего типа. В них преобразование аналоговой ве-личины идет ступеньками(шагами),последовательно приближаясь к измеряе-мому значению. Такие АЦП позволяют получить высокую разрядность (точ-ность),но имеют не высокое быстродействие. В параллельных АЦП преобра-зование осуществляется за один шаг путем его квантования с помощью набора компараторов. АЦП данного типа являются самыми быстродействующими. Последовательно-параллельные АЦП являются комбинированными устройства-ми. В них с помощью малоразрядного параллельного АЦП сначала опреде-ляются старшие разряды кода, затем формируется разностный сигнал и по нему младшие разряды с помощью второго параллельного АЦП.
В настоящей работе будут рассмотрены АЦП параллельного типа и последовательный АЦП с еденичным приближением.
Параллельные АЦП имеют самую промтую в идейном отношении структуру. Схема такого 3-разрядного АЦП приведена на Рис.1.Она вклю-чает делитель опорного напряжения и компараторы, на инвертирующие вхо-ды которых подаются напряжения с делителя, а на прямые - преобразуемое напряжение U. В зависимости от величины U будет срабатывать часть компараторов. Например, если сработают три младших компаратора, то сформи-руется код 0соответствующий двойчному коду 011.
Основной недостаток параллельных АЦП - большое количествово компараторов. Для N-разрядного АЦП их число 2 N-1
Схемы последовательных АЦП являются более экономичными. В их состав (см. рис. 2 ) входят: счетчик импульсов, цифро - аналоговый преобразователь (ЦАП), компаратор и логичес-кий элемент (ЛЭ),выполняющий роль схемы пропускания. Сигналы с внешнего генератора через ЛЭ поступают на вход счетчика. Код с его выходов подается на цифровые входы ЦАП. Напряжение на выходе ЦАП ступенчато возрастает по мере поступления им-пульсов с генератора. С помощью компаратора оно постоянно сравнивается с измеряемым напряжением. Как только они становяться равными, компара-тор переключается в противоположное состояние. сигнал с него ис-пользуется для остановки счетчика и фиксации кода на его выходах.
2. ЗАДАНИЕ К РАБОТЕ
1. Изучите работу параллельного АЦП. На стенде он собран на компараторах микросхемы (МС) К554СА3.МС имеет выход с открытым коллектором, поэтому он соединяется с шиной питания через нагрузочное сопротивление (на стенде это сопротивления R19-R25).Резистивный делитель содержит одинаковые сопротивления R1-R8 по 2 кОм. Если задаться каким либо шагом квантования DU, то величина опорного напряжения составит 8DU. Связь преобразуемого напряжения и кода на выходе АЦП приведена в таблице 1.
Таблица 1.
Входное Состояние компараторов Выходной
напряжение двоичный код
Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 A2 A1 A0
0<Uвх<DU 0 0
DU<Uвх<2DU
2 DU<Uвх<3DU
3 DU<Uвх<4DU . .
4 DU<Uвх<5DU . .
5 DU<Uвх<6DU . .
6 DU<Uвх<7DU
7 DU<Uвх<8DU
Установите на выходе делителя R16-R18 напряжение 1.6В
( DU=200 мВ) и подайте его на вход Uоп параллельного АЦП. Меняя величину напряжения на входе U АЦП с помощью делителя R27-R29,заполните таблицу 1.Учтите, что нижний делитель уже подключен к шине питания, а верхний можно подключить, соединив разьемы Х21 и Х23.Величину напряжения на входе U контролируйте с помощью осцилографа.
2. Изучите работу АЦП последовательного типа, схема которого приведена на рис 2. Соберите АЦП. Установите опорное напряжение -2В. Для этого цоедините раземы Х21 и Х22.Подайте опорное напряжение на вход Uоп ЦАП (DD9).Преобразуемое напряжение подавайте на неинвертирующий вход компаратора (DD12).Убедитесь, что U<Uоп. Проведите несколько измерений для различных величин U. Результаты сведите в таблицу.
Сигналы на вход счетчика Т подавайте с генератора одиночных импульсов на триггере из двух ЛЭ МС DD11.Переключение триггера производиться нажатием кнопки SB1.
DD7
Uоп R R ò Q7 X7
DD6
Uх R ò Q6 X6
DD5
R ò Q5 X5
DD4
R ò Q4 X4
DD3
R ò Q3 X3
DD2
R ò Q2 X2
R DD1
ò Q1 X1
Рис. 1
9 12 4
& 8 & 11 3 ò 9
10U
DD11.3 DD11.4 A1 DD12
12 R26
A2 15 +5B ¯
11 Uоп
A3
10 16
A4 Rос
9
A5
8
A6 1 1
1 12 7 Вых1 × × 12
C2 1 A7 2 2
14 9 6 Вых2
C1 2 A8 DD10.1
2 8 5
& 4 A9
3 11 4
R 8 A10
DD8 DD9
Рисунок 2.
Часть 2. - Цифро-аналоговые преобразователи
Цель работы: Рассмотреть типичные схемы цифро-аналоговых преобразователей.
Оборудование: Выпрямители лабораторные ТЭС-42, осциллограф С1-83, стенд ЦАП-1;
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) используются для связи ЭВМ с аналоговыми
устройствами. Их назначение состоит в преобразовании цифровой формы информации в ана-
логовую форму, при этом количественная связь между входным числовым значением
X = a0*20+a1+21+...+an-1*2n-1 и его аналоговым U=X*DU, где DU - шаг квантования по
уровню тоесть аналоговый эквивалент единицы младшего разряда цифрового кода. В силу
этого ЦАП строятся по принципу суммирования токов или напряжений пропорциональных весовым коэффициентам двоичного кода.
Принцип действия ЦАП поясняют схемы на рис. 1 и 2 . ЦАП состоит из следующих компонентов: резистивной матрицы для получения двоично-взвешанных токов; операционного усилителя (ОУ) для суммирования токов; ключей, задающих преобразуемый код.
В резистивной матрице на рис.1 значения сопротивлений отличаются в два раза. Это резистивная матрица с двоично-взвешанными коэффициентами. Рассмотренная схема имеет ряд недостатков:
- необходимы резисторы с большим диапазоном номиналов, например, для 10 - разрядного ЦАП потребуются резисторы от 1R до 1024R;
- к точности резисторов в старших разрядах предъявляются высокие требования;
- при изменении кода Z изменяется сопротивление нагрузки для источника Uоп, что вызывает изменение потребляемого от него тока.
Матрица на рисунке 2. содержит сопротивления только двух номиналов. Ее называют матрицей типа R-2R или матрицей лестничного типа. Матрица данного типа наиболее удобна при изготовлении ЦАП с помощью интегральной технологии. В этом случае исключаются трудности с подбором большого числа сопротивлений, номиналы которых могут отличаться более чем на три порядка (например в многоразрядных ЦАП).
Каждый i-тый разряд кода задается переключением переключателя Ki. Источник опорного напряжения через весовой резистор подключается ко входу ОУ когда ai = 1 и к общей шине при ai = 0. В схеме 1. ток каждого разряда на входе ОУ равен:
Ii = ai*Uоп*2 i-1/ R
А суммарное выходное наряжение:
Uвых = - Rос å Ii = - Uоп*Roc*(a0+2*a1+4*a2+8*a3) / R
При получении этого выражения учитывается, что из-за большого входного сопротивления ОУ его входным током в общем балансе можно принебречь. Тогда выходное напряжение будет равно:
Uвых = - I*Roc = - Uвх*Roc / R
Для схемы на рисунке 2. выражение для Uвых будет таким:
Uвых = - Uоп*Rос*(а0+2*а1+4*а2+8*а3) / 16R
Масштаб выходного напряжения или шаг квантования можно менять с помощью входящих в него величин - опорного напряжения Uоп, сопротивления обратной связи Rос и значения R сопротивлений резистивной матрицы.
Основные характеристики ЦАП
К ним относятся разрешение, разрешающая способность, точность, линейность, температурная стабильность, время установления.
В процессе преобразования ЦАП превращает параллельный цифровой код длиной N двоичных разрядов в аналоговый выходной сигнал с 2N дискретными уровнями ( для N=4 имеем 16 уровней).
Uвых Обратная величина от числа уровней называется разрешающей
способностью ЦАП. Она характеризует изменение выходного
сигнала соответствующее изменению состояния (переключению)
младшего разряда двоичного кода D=100/2N. Разрешающая
Z способность характеризует предельно достижимую точность при
при заданной разрядности.
Статическая характеристка ЦАП
В идеальном случае высота всех ступенек (дискрет) на характеристике будет одинакова и если соединить вершины ступенек получим отрезок прямой от начала координат до тоски Uвых=Umax (лния 1. на графике). Реально высота ступенек не одинакова и характеристика ЦАП становится нелинейной (линия 2.).
Кроме того дополнительные погрешности вносит схема суммирования на ОУ. Это погрешности сдвига нулевого уровня (линия 3.) и погрешность усиления (линия 4.). Из-за этого начальное и конечное значения сигнала на выходе ЦАП не равны заданному.
Температурная погрешность это дополнительная погрешность возникающая
при изменении температуры окружающей среды.
1. Время установления это интервал времени между подачей на вход нового
3. цифрового кода и установлением на аналоговом выходе сигнала с заданной
цифровой код точностью (I/2 MP). Это время определяет максимально возможную частоту
преобразования.
В результате реальная точность ЦАП меньше разрешающей способности (для 12 - разрядного ЦАП реальная точность соответствует 10 разрядам).
2. ЗАДАНИЕ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ
1. Соберите ЦАП по схемам 1и 2. В первом случае используйте резисторы R9-R12, во втором R1-R8. В качестве ОУ возьмите первый усилитель МС КР14ОУД2Б. В нем уже имеется сопротивление обратной связи Rос состоящего из постоянного сопротивления R21 и переменного R22. Опорное напряжение можно снимать с делителя R13-R15. На вход делителя напряжения можно подавать напряжение с шин питания X20 или X18.
Установите R22 в крайнее левое положение при этом Rос = R21 = 200 Ом. Задайтесь каким либо опорным напряжением, например 1В. Подключая каждый из разрядов ко входу ОУ, измерьте выходное напряжение ЦАП. Результаты сведите в таблицу 1. По результатам измерений постройте зависимость Uвых от числового значения Х на входах ЦАП.
2. Получите на основе ЦАП генератор ступенчатого напряжения. Для этого в качестве опорного напряжения можно использовать выходные напряжения разрядов счетчика (МС DD2). Если подать эти напряжения через весовые резисторы (R17-R20) на вход ОУ, мы получим ЦАП выходной сигнал которого будет определяться кодом счетчика. При циклическом изменении кода на выходе ЦАП будет формироваться линейно возрастающее напряжение. Получите на экране осциллографа и зарисуйте картину напряжений на выходе ЦАП при циклическом изменении кода на его входах.
3. На рисунке 3. приведена схема включения интегрального 10-ти разрядного ЦАП МС 572ПА1А. Данный ЦАП позволяет формировать 210 = 1024 дискретных значений выходного напряжения в зависимости от кода на входах А1-А10.
Включите ЦАП, используя в качестве ОУ операционный усилитель DD3.2. и повторите задание пункта 2. Для этого заземлите младшие разряды цифровых входов А1-А6, а на старшие подайте сигналы с выходов счетчика Х10-Х13.
Таблица 1. Номер разряда Выходное напряжение
Расчет Измерение
1 . .
2 . .
3 . .
4 . .
