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

78 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

76551. Методика обучения синтаксису. Цели, задачи, методы обучения 30.5 KB
  Основными единицами являются словосочетание и предложения. Изучение начинается в 5 классе когда рассматривают словосочетание и предложения в пропедовтическом вводный курс курсе: Словосочетание: Обладает номинативной функцией но в отличии от слова характеризует предмет или явление более развернуто. Предложение: школьники знакомится с понятием грамматическая основа предложения однородными членами предложения с постановкой знаков препинания в однородных. Главные члены предложения.
76552. Методика обучения орфографии 34.5 KB
  Методика обучения орфографии. Принципы обучения орфографии: Морфологический принцип – во всех словах морфемы пишутся одинаково независимо от их произношения. Целью обучения орфографии в школе является формирование относительной грамотности учащихся т. Содержание обучения орфографии составляет орфографическая теория или орфографические понятия и орфографические умения.
76553. Методика обучения пунктуации 28.5 KB
  Методика обучения пунктуации. Методика обучения пунктуации. Основная цель обучения пунктуации в школе – научить учащихся применять те правила пунктуации которые в их обыденности являются базой русской пунктуации. – Усвоение этих правил создает хорошую основу для осуществления этих целей развернуть углубленную и разностороннюю по усвоению учащихся пунктуации как средство помогающего передать на письме оценки мыслей и чувств которые в звучащей речи передаются интонационно или очевидно вытекают из ситуации общения.
76554. Методика обучения стилистике 35.5 KB
  Содержание: Функциональный стиль: теория: класс; закрепление углубление жанры:; обобщение и систематизация. Основные теоретические понятия: Стиль способ использования единиц языка в процессе общения. Функциональный стиль разновидность литературной речи которая выполняет функцию определяемую условиями речевого общения. Каждый функциональный стиль имеет определенную сферу употребления конкретные функции и характеризуется специальными языковыми средствами.
76555. Обогащение словарного запаса учащихся на уроках русского языка 32 KB
  Обогащение словарного запаса учащихся на уроках русского языка. Цель формирование представлений о лексико фразеологической системе русского языка; знакомство с лексическими нормами русского литературного языка; обогащение словарного запаса учащихся; Задачи: формирование основных лексических понятий знакомство с разными способами пополнения словарного запаса научить школьников определять роль лексических и фразеологических единиц речи сформировать умение школьников использовать лексику и фразеологизмы в соответствии с лексическим...
76556. Обогащение грамматического строя речи учащихся 28.5 KB
  Такое синтаксическое перестроение предложения приводит к большей морфологической вариативности: растет употребление форм косвенных падежей непредикативных форм глагола союзов и других показателей логических связей между частями предложения. Во-первых изучаются смысловые выразительные и стилистические возможности употребления грамматических форм слов: 1 переносное употребление грамматических форм время наклонение глагола в несвойственных им значениях 2 нереферентное Употребления запрещающие использовать отличия одного объекта от...
76557. Речеведческие понятия и методика работы с ними. Текст как основная единица обучения русскому языку 30 KB
  Текст как основная единица обучения русскому языку. Результатом этой речевой деятельности является речевое произведение или текст. Главная единица речи текст. Текст это группа предложений объединенных в целое темой и основной мыслью.
76558. Методика развития речи учащихся. Основные направления работы 31 KB
  Методика развития речи учащихся. Учебник: Важнейшим аспектом уроков по развитию речи является обучение учащихся созданию собственных высказываний отвечающих требованиям правильности стилевой адекватности точности богатства и выразительности. Этот аспект работы называется развитием связной речи. Вся работа по развитию речи в конечном счете подчинена главной цели работе над развитием связной речи учащихся.
76559. Методика развития устной речи 34 KB
  Методика развития устной речи. Закономерности усвоения речи. Федоренко открыла и сформулировала основные закономерности усвоения речи: от натренированности мускулатуры органов речи; от понимания ребенком лексических и грамматических значений языковых единиц; от развития у ребенка восприимчивости к выразительности речи; от развития чувства языка как способности запоминать нормы употребления языковых единиц s речи; усвоение письменной речи обусловлено развитием речи устной; темп обогащения речи убыстряется по мере совершенствования...