24208

Исследование цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Опорное напряжение U0n 3 В подключается к резисторам матрицы переключателями D C B и A управляемым одноименными клавишами клавиатуры и имитирующими преобразуемый код. Выходное напряжение U0 измеряется мультиметром.1 то напряжение на входе и выходе ОУ равно 0 В.Тогда на вход ОУ через резистор R1 подается напряжение 3 B.

Русский

2013-08-09

615 KB

89 чел.

Лабораторная работа № 15

Исследование цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей

   Цель работы: Исследовать различные типы преобразователей. Закрепить теоретические знания о различных типах ЦАП и АЦП, их назначении, устройстве и принципах работы. 

   Используемое оборудование и средства: персональный компьютер, программа Electronics Workbench 

   Работа выполняется студентами за два часа аудиторных занятий.

Краткие теоретические сведения.

   Цифро-аналоговые преобразователи используются для преобразования цифрового кода в аналоговый сигнал, например, для управления в автоматических системах исполнительными органами (электродвигателями, соленоидами и т.п.).

   Наиболее простой ЦАП с весовыми резисторами (рис.1.) состоит из двух блоков. Резистивная схема (матрица)  выполнена на резисторах R1…R4. Суммирующий усилитель включает в себя OU и резистор обратной связи R0. Опорное напряжение U0n (3 В) подключается к резисторам матрицы переключателями D, C, B и A, управляемым одноименными клавишами клавиатуры и имитирующими преобразуемый код. Выходное напряжение U0 измеряется мультиметром.

 


Рис. 15.1.  Цап с весовыми резисторами

   Если все переключатели замкнуты на “землю”, как показано на рис.1, то напряжение на входе и выходе ОУ равно 0 В. Предположим теперь, что переключатель А установлен в положение, соответствующее логической 1.Тогда на вход ОУ через резистор R1 подается напряжение 3 B. Рассчитаем в этом случае коэффициент усиления напряжения по формуле:

K=R0/R1=10000/150000=0,066.

Отсюда получаем, что выходное напряжение U0=0,066*3=0.2 B соответствует двоичной комбинация 0001 на входе ЦАП.

  Подадим теперь на входы ЦАП двоичную комбинацию 0010. Для этого установим переключатель B в положение, соответствующее логической  единице, тем самым подадим на ОУ через резистор  R2 напряжение 3 B. Для коэффициента усиления в данном случае получаем

К=R0/R2=10000/75000=0.535.

Умножив этот коэффициент усиления на величину входного напряжения, найдем, что выходное напряжение равно 0,4 B.

   Таким образом, при переходе к каждому очередному двоичному числу, имитируемому ключами, выходное напряжение ЦАП увеличивается на 0,2 B. Это обеспечивается за счет увеличения коэффициента   усиления напряжения ОУ при подключении различных по сопротивлению резисторов. Если в схеме на рис .1 мы подключили бы только один резистор R4 (с помощью переключателя D), то тем самым установили бы коэффициент усиления:

К=10000/18700=0.133

При этом выходное напряжение ОУ составит около 1,6 B.

  Если все переключатели в схеме на рис. 1 установлены в положения,  соответствующее логическим единицам, выходное напряжение ОУ равно U0n=3 B, поскольку коэффициент передачи в этом случае становится равным 1.

  Схема цифро-аналогового преобразователя на рис. 1 имеет два недостатка:  во-первых, в ней сопротивления резисторов изменяются в широких пределах, во-вторых, точность преобразования невысока из-за влияния конечного сопротивления транзисторных ключей в открытом и закрытом состояниях.

 Схема ЦАП лестничного типа приведена на рис. 2. Она состоит из резистивной матрицы R-2R, напоминающей лестницу, и суммирующего усилителя. Преимущество такого соединения резисторов заключается в том, что используются резисторы только  двух номиналов. Сопротивление каждого из резисторов R1…R5 равно 20кОм, а резисторов R6…R8,R0-10кОм.

Рис. 15.2. ЦАП лестничного типа.

   ЦАП лестничного типа аналогичен ЦАП с весовыми резисторами. В рассматриваемом примере используется опорное напряжение 3,75 B. Переход к каждой следующей двоичной последовательности на входах приводит к увеличению аналогового выходного сигнала на 0,25 B. Опорное напряжение выбрано равным  3,75 B из соображения удобства сопряжения с ИМС семейства ТТЛ при замене ключей AD такими ИМС.

  Выходное напряжение ЦАП на рис. 2 определяется по формуле:

U0=U0nR0 [S12n-1 +S22n-2+…+Si2n-i+Sn2] /R2n ,              (1)

где Si – значение цифрового сигнала (0 или 1) на i-том входе, n-число разрядов преобразования (для схемы на рис.2 n = 4), R – сопротивление резистора матрицы R-2R (R = 10кОм для схемы на рис. 2).

    Вариант ЦАП  с использованием в качестве коммутирующего устройства двоично-десятичного счетчика 74160 (К155ИЕ9) показан на рис. 3.

Рис. 15.3.  Четырехразрядный ЦАП лестничного типа на базе счетчика 74160.

   АЦП прямого преобразования являются наиболее простыми  и часто встраиваются непосредственно в датчики. Рассмотрим в качестве примера преобразователь постоянного положительного напряжения в частоту (рис. 4).

 

Рис. 15.4. АЦП прямого преобразования.

     АЦП выполнен на двух ОУ, усилитель OU1 включен в режиме интегратора, а усилитель OU2 – в режиме регенеративного компаратора с гистерезисом. Когда выходное напряжение компаратора Uf имеет максимальное положительное значение , диод VD смещен в обратном направлении и напряжение Us на  выходе  OU1 уменьшается по линейному закону со скоростью, определяемой амплитудой входного положительного сигнала Ui, до  тех пор, пока не достигнет значения  R1/R2. В этот момент компаратор переключается в другое состояние, при котором напряжение на его выходе равно максимальному отрицательному значению , диод VD открывается и выходное напряжение интегратора быстро нарастает до значения  R1/R2. При этом компаратор возвращается в первоначальное состояние и цикл повторяется.

    Так как время нарастания выходного напряжения интегратора значительно меньше времени спада, которое обратно пропорционально амплитуде входного сигнала, частота циклов повторения F будет прямо пропорциональна входному напряжению. Пренебрегая собственным временем переключения компаратора, можно записать следующее выражение для частоты выходных импульсов:

F=UiR3 / [R1CR4 (U1-U2)].        (2)

Задание  на подготовку к работе.

1.Изучить работу цифро-аналогового преобразователя.

2.Изучить работу аналого-цифрового преобразователя.

3.Изучить порядок выполнения работы и подготовить необходимые схемы  и таблицы.

Контрольные вопросы.

1. По какому закону выбираются сопротивления в ЦАП с весовыми резисторами?

2. Поясните принцип преобразования цифрового сигнала в аналоговый.

3. Какими преимуществами обладает  ЦАП рис.1 над рис.2?

4. Поясните принцип преобразования  аналогового сигнала в цифровой код.

5. Напишите выражение для частоты выходных импульсов АЦП рис.4.

Порядок выполнения работы.

1. Исследование ЦАП с весовыми резисторами:

  Соберите схему, изображенную на рис.1.

  Все переключатели замкните на землю,  как показано на рис. 1 и измерьте выходное напряжение       

  Переключатель A установите в положение логической 1 и измерьте выходное напряжение;

  Устанавливайте переключатели В, C, D в положение логической 1 и измеряйте и записывайте выходное напряжение;

  Используя данные, приведенные на схеме рис.1, рассчитайте выходное напряжение и сравните с измеряемыми, результаты запишите в таблицу 1.

                                                                                                             

Таблица 1

Ключ

A,B,C,D

   A

A,B

A,B,C

A,B,C,D

Состояние

  ключа

    0

  1

 1

  1

    1

Uвых(изм.)

Uвых(рас.)

  

2. Исследование ЦАП лестничного типа:

    Соберите схему, изображенную на рис.2;

    Рассчитайте выходное напряжение для всех 16 комбинаций переключателей A,B,C,D по      формуле (1) и запишите в таблицу 2, аналогичную табл.1.

Измерьте для всех 16 комбинаций переключателей A,B,C,D  выходное напряжение ЦАП  рис.2. Запишите в таблицу и сравните с расчетными величинами.

  3. Исследование ЦАП лестничного типа на базе счетчика 74160:

    Соберите схему,  изображенную на рис. 3;

    Используя формулу(1) и параметры схемы рис. 3, рассчитайте эквивалентное выходное  напряжение;

    Зарисуйте осциллограммы сигналов на счетном входе счетчика и выходе ЦАП и объясните полученные результаты.

  1.  Исследование АЦП прямого преобразования:

    Соберите схему, изображенную на рис. 4;

    Используя формулу 2 и параметры схемы рис. 4, рассчитайте частоту выходных  импульсов;

    Зарисуйте и объясните осциллограммы сигналов на выходе интегратора и компаратора.

Содержание отчета.

1.Наименование и цель лабораторной работы.

2.Наименование каждого пункта  работы, схемы, результаты расчетов и измерений.

3.Выводы по результатам исследований     

 


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

59183. Ясна зоря нашого письменства. Сценарій лекторію, присвячений річниці від дня народження Марка Вовчка 77.5 KB
  Тарас Григорович Шевченко повертався із заслання, коли несподівано його затримали в Нижньому Новгороді. Це було прикро, тяжко і навіть страшно після десяти років солдатчини. Начебто і свобода, і нема її. А як хотілось побачити давніх друзів!
59184. Урок обміну досвідом з природознавства: Я розкажу про Україну 31 KB
  Старицький До України уривок Моя Україно Як я тебе любив Твої луги твої степи розлогі Дніпра ревучого славетнії пороги. На цих уроках ми побували в багатьох місцях України дізнались багато нового і цікавого про життя та працю людей природні умови рослинний і тваринний світ різних куточків нашої землі.
59185. Нехай панують на землі добро і справедливість. Сценарій для молодших школярів 44 KB
  От саме в цій країні якось йшли вулицею хлопчик і дівчинка. Хлопчик: Що це Дівчинка: Це мабуть Чарівна паличка. Хлопчик: Як нам пощастило Тепер у нас буде скільки завгодно морозива жуйок тістечок.
59186. Навчаємось разом з героями казок. Cценарій заняття для малят у дитячому садочку 44 KB
  У проведенні заняття беруть участь діти їхні батьки рідні вихователі дитячого дошкільного закладу. Оскільки діти запросили в гості до себе своїх батьків та рідних то вони першими заходять до кімнати й зручно розташовуються.
59187. СВЯТО ПИСАНКИ 83 KB
  Ведуча: Ой що в Софіївському заграли Дзвони затремтіли Не білі голуби янголи в небі полетіли. Ведуча: А між тим нашій незалежності пішов вже десятий рік. Ведуча: В очі нам дивляться ті хто клав своє життя на алтар Вітчизни від звитяжців Запорізької Січі до в’язнів сталінських...
59188. Лицарі ввічливості 37 KB
  І ведучий: Доброго дня дорогі друзі ІІ ведучий: Доброго здоров’я ІІ ведучий: Раді бачити вас у цьому залі І ведучий: Сьогодні у нас відбудеться турнір лицарів ввічливості. ІІ ведучий: У ньому беруть участь ваші ровесники знавці правил ввічливості і хорошого тону.
59189. Сценарій спортивного свята 24.5 KB
  Естафета з обручами Дві команди за сигналом по одному від кожної команди біжать до півфінішної прямої. 3 естафета.
59190. БАТЬКИ І ДІТИ 45.5 KB
  Ми раді вітати Вас сьогодні у нашій світлиці на нашому родинному святі. У дитячому садку ми знайомимо дітей з обрядами та звичаями нашого народу, з казками та приказками, вчимо загадки, прислівя, вірші, скоромовки. А сьогодні будемо вести розмову про родину.