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

92 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

31654. Понятие деятельности 29 KB
  Понятие деятельности. Что может создать человек в деятельности: предметы материальной и духовной культуры сохраняет и совершенствует природу строит современное общество производит на свет новые предметы потребления Главные критерии деятельности человека: Деятельность человека носит продуктивный творческий созидательный характер. Мотивы человеческой деятельности могут быть самыми различными: Органическими направлены на удовлетворение естественных потребностей организма ростом самосохранением и развитием организма...
31655. Мотивы учебной деятельности 38.5 KB
  Мотивы учебной деятельности. Исследование мотивации учения младших школьников показало что 1ое место занимают широкие социальные мотивы особенно мотивы самосовершенствования и самоопределения от 1го к 3му классу растет число указаний на данные мотивы. На 2м месте оказались мотивы долга и ответственности. Учебнопознавательные мотивы не занимают ведущего места на протяжении всего младшего школьного возраста.
31656. Методы социально-психологического обучения в деятельности педагога 57 KB
  Методы социальнопсихологического обучения это методы которые побуждают учащихся к активной мыслительной и практической деятельности в процессе овладения учебным материалом. Методы социальнопсихологического обучения делятся на 3 группы: дискуссионные методы игровые методы и тренинговые методы.Дискуссионные методы.
31657. Тестирование как исследовательский метод 40 KB
  Тесты представляют собой модельные ситуации с их помощью выявляются реакции свойственные индивиду которые считаются совокупностью показателей исследуемого признака. В педагогической психологии используются все типы существующих тестов однако наиболее часто востребованы тесты достижений. Тесты позволяют дать оценку индивида в соответствии с поставленной целью исследования; удобство математической обработки; являются относительно оперативным способом оценки большого числа неизвестных лиц; обеспечивают сопоставимость информации полученной...
31658. Психолого-педагогическое сопровождение развития личности ребенка в образовательной процессе 52 KB
  Тесты классифицируются по разным признакам. По виду свойств личности они делятся на тесты достижений и личностные. К первым относятся тесты интеллекта школьной успеваемости тесты на творчество тесты на способности сенсорные и моторные тесты. Ко вторым тесты на установки на интересы на темперамент характерологические тесты мотивационные тесты.
31659. Чотири типи темпераменту 37.5 KB
  Якщо у мами і дитини темперамент схожий вони швидше порозуміються якщо ж темпераменти різко відрізняються мама холерик малюк флегматик це веде до проблем в спілкуванні з дитиною в її вихованні тому що мама часто вимагає від дитини те на що вона не здатна бути лідером в спілкуванні з однолітками бути розкутою швидко одягатися і так далі. У цьому випадку дорослому варто підстроїтися під дитину враховувати її індивідуальні особливості контролювати свої емоції щоб не зародити у малюка комплекс неповноцінності. Вона вертка і...
31660. Поняття про здібності 62.5 KB
  Психологія заперечуючи тотожність здібностей і істотно важливих компонентів діяльності знань умінь і навичок підкреслює їхню єдність. Здібності виявляються тільки в діяльності і притім тільки в такий діяльності що не може здійснюватися без наявності цих здібностей. Не можна говорити про здібності дитини до малювання якщо його не намагаються навчати малювати якщо він не здобуває ніяких навичок необхідних для образотворчої діяльності. У чому ж виражається єдність здібностей з одного боку і умінь знань і навичок з інший Здібності...
31661. Поняття про характер 42.5 KB
  Такі психологічні особливості особистості називають рисами характеру. Історія знає багатьох політичних громадських і військових діячів які завдяки силі позитивних рис свого характеру сприяли прогресу суспільства тоді як особи з негативними рисами характеру або зі слабким характером призводили до його занепаду. Структура характеру Характер як одна з істотних особливостей психічного складу особистості є цілісним утворенням що характеризує людське Я як єдність. Розуміння характеру як єдності його рис не виключає виокремлення в ньому деяких...
31662. ВІКОВА ПСИХОЛОГІЯ ЯК ГАЛУЗЬ ПСИХОЛОГІЧНОЇ НАУКИ 127.5 KB
  Вікова психологія галузь психологічної науки яка вивчає особливості психічного та особистісного розвитку людини на різних етапах її життя. Його специфіка полягає передусім у тому що протягом життя в психіці людини відбуваються різні якісні перетворення дослідження яких потребує системного з'ясування загальних закономірностей вікового розвитку. Предметом дослідження вікової психології є вікова динаміка закономірності фактори умови механізми становлення формування та розвитку особистості. Вікова психологія вивчає загальні...