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

62925. Воспитание патриотизма на уроках музыки в начальной школе 40.68 KB
  Теоретические основы патриотического воспитания школьников Патриотическое воспитание школьников: цель задачи принципы. Возрастные особенности младших школьников. Общетеоретическое значение для изучения педагогических аспектов патриотического воспитания...