17.2Подготовка к работе.
1. Изучить принцип построения и работы ЦАП на дискретных элементах и в интегральном исполнении.
2. Изобразить временные диаграммы, поясняющие преобразование двоичного кода в выходной аналоговый сигнал в ЦАП с двоично взвешенным резисторами.
3. По заданным значениям резисторов и заданному преподавателем двоичному коду рассчитать выходное напряжение для ЦАП, изображенному на рис. 17.4.
4. Нарисовать исследуемую схему ЦАП.
5. Ознакомиться с порядком сборки и исследования схемы на стенде.
17.3План работы.
1. Собрать схему ЦАП, представленную на рис. 17.4, запитать ОУ двухполярным источником питания, а цифровые микросхемы - источником +5В. На входе «С» счетчика должна быть логическая «1».
2. Обнулить счетчик, подав на вход R уровень логической «1» кратковременным нажатием кнопки S3.
3. Подавая на вход «+1» счетчика одиночные импульсы с помощью кнопки S2, снять зависимость выходного напряжения ЦАП от двоичного кода. Измерение Uвых ЦАП производится вольтметром на выходе ОУ. Двоичный код определяется с помощью индикаторов Н4-Н7.
4. По полученной характеристике определить погрешности ЦАП: погрешность полной шкалы.
5. Снять с помощью осциллографа временные диаграммы и зарисовать их, выполнив рекомендации п.п. 2 и 3.
6. Задать на входе ЦАП заданный преподавателем код и записать его в счетчик кратковременной подачей на вход «С» логического «0» и замерить выходное напряжение. Сравнить полученное значение с рассчитанным ранее и сделать выводы.
7. Сравнить результаты практического исследования схемы ЦАП с теоретическими и сделать выводы.
17.4Контрольные вопросы.
1. Пояснить принцип работы ЦАП.
2. Каковы особенности работы ЦАП с двоично взвешенными резисторами и суммированием токов.
3. Пояснить работу ЦАП с использованием матрицы типа R-2R и особенности его работы.
4. Пояснить порядок расчета выходного напряжения в ЦАП с двоично взвешенными резисторами.
5. Пояснить порядок расчета выходного напряжения в ЦАП типа R-2R.
6. Назовите особенности применения ЦАП в интегральном исполнении.
7. Назовите и дайте пояснения основным параметрам ЦАП.
Рис. 17.4.
18Лр № 17. Исследование аналого-цифровых преобразователей
Цель работы:
Изучение принципов построения АЦП; исследование этих преобразователей на дискретных элементах; приобретение навыков по их применению.
18.1Теоретические сведения.
18.1.1Аналого-цифровые преобразователи (ацп) на дискретных элементах.
Схема АЦП зависит от метода преобразования преобразования и способа его реализации. Можно выделить следующие методы построения АЦП:
- временного преобразования;
- последовательного счета;
- последовательного приближения;
- параллельного преобразования.
В схеме временного преобразования (рис. 18.1) значению аналогового входного напряжения Uвх ставится в соответствие временной интервал, длительность которого пропорциональна Uвх. Этот интервал заполняется импульсами стабильной частоты, количество которых и является цифровым эквивалентом преобразуемого напряжения.
Работа схемы заключается в следующем. Выходной импульс узла запуска УЗ обнуляет счетчик, устанавливает RS-триггер в "1" состояние и запускает генератор линейно изменяющегося напряжения ГЛИН. При наличии логической единицы на прямом выходе триггера выходные импульсы генератора тактовых импульсов ГТИ через схему совпадения И подключаются к выходу счетчика. Когда напряжение на выходе ГЛИН станет равным Uвх (на рис. 18.1, а Uвх = const), на выходе компаратора появляется логическая "1", которая переключает триггер в "0" состояние и прерывает связь счетчика с ГТИ. Длительность положительного импульса tв на выходе триггера (рис. 18.1, б) пропорциональна Uвх, следовательно, при неизменной частоте ГТИ код, установившийся на выходе счетчика, является цифровым эквивалентом величины Uвх.
а)
б)
Рис. 18.1. Схема АЦП временного преобразования (а) и диаграммы ее работы (б)
В АЦП последовательного счета к выходу счетчика подключается ЦАП, преобразующий код в аналоговый сигнал. Этот аналоговый сигнал сравнивается с входным напряжением на компараторе, выходной сигнал которого через элемент И разрешает или запрещает прохождение на вход счетчика импульсов от генератора тактовых импульсов. Выходной код счетчика при этом является цифровым эквивалентом напряжения на входе ЦАП, т.е. Uвх.
Рис. 18.2. Схема АЦП последовательного счета
В описанных АЦП значение выходного кода в процессе преобразования многократно изменяется. Эти АЦП имеют низкое быстродействие, так как, например, для получения 10 разрядов выходного кода требуется время 1024 тактовых интервалов (время преобразования t = 1024Тгти). В общем случае время преобразования непостоянно и зависит от Uвх.
Более быстродействующими являются АЦП последовательного приближения, в которых формируемый выходной код последовательно приближается к своему полному выражению: в начале определяется цифра в старшем n-м разряде, а затем в (n-1) и т. д., завершая младшим (первым) разрядом. Работа такого преобразователя основана на свойствах натурального двоичного кода: веса единиц в соседних разрядах отличаются в двое; единица в старшем n-м разряде имеет вес, больший половины веса всего кода, единица в следующем (n-1) разряде имеет вес, больший четверти веса всего кода и т.д.
На рис. 18.3. представлена упрощенная схема АЦП последовательного приближения.
Рис. 18.3. Схема АЦП последовательного приближения
После поступления импульса "ПУСК" на регистр последовательного приближения РПП на выходе его старшего n-го разряда появляется напряжение логической «1», а на остальных выходах "0". На выходах ЦАП формируется напряжение Uвых = 0,5Uвх max, которое на входах компаратора сравнивается с Uвх. Если Uвх > Uвых, то под действием импульса ГТИ появляется единица на выходе (n-1) разряда РПП и сохраняется единица в старшем разряде. Если Uвх < Uвых, то при появлении единицы в (n-1) разряде РПП содержание предыдущего старшего разряда обнуляется. Так перебираются все разряды до самого младшего. После выполнения последнего n-го сравнения цикл формирования выходного кода заканчивается. Состояние РПП соответствует цифровому эквиваленту входного напряжения. Если, например, Uвх = Uвх max, то комбинация выходного кода равна 11...1 (все единицы). В рассмотренном АЦП время преобразования t постоянно и определяется числом разрядов n и тактовой частотой fгти = 1/Тгти (tn = n*Тгти). Рассмотренные АЦП широко используются, т. к. обладают достаточно высоким быстродействием при относительно простой структуре.
Самым быстродействующим является АЦП параллельного действия (рис. 18.4.).
Его основные элементы - 2n-1 компараторов напряжения. На один из двух входов каждого компаратора (инвертирующий вход) подается индивидуальное опорное напряжение Uоп, сформированное резистивным делителем напряжения. Разность между опорными напряжениями двух ближайших компараторов U = Uоп/2. Другие входы компараторов (неинвертирующие) - объединены, и на них подается входной сигнал. На тех компараторах, где Uвх больше, чем соответствующее напряжение с делителя, на выходе будет логическая "1", а на остальных - логический "0". Тактовым импульсом информация с выходов компараторов передается шифратору CD, который преобразует выходные сигналы компараторов в двоичный код. При поступлении управляющего импульса УИ на вход шифратора сформированный двоичный код передается на выход преобразователя. Преобразование производится за два такта и время преобразования равно tпр = (10-100)нс. Недостатком такого преобразователя являются сложность (требуется большое число компараторов, которое быстро возрастает с ростом числа разрядов n АЦП), большое энергопотребление от источника питания.
Рис. 18.3. Схема АЦП параллельного действия
К схемам АЦП без применения ЦАП относятся АЦП двойного интегрирования. Способ двойного интегрирования позволяет хорошо подавлять сетевые помехи; кроме того для построения схемы не требуется ЦАП с высокоточными резистивными матрицами. Функциональная схема АЦП двойного интегрирования напоминает схему АЦП последовательного счета, в которой вместо ЦАП применен интегратор.