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

135 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

34728. Меры длины и расстояния централизованного государства 15.5 KB
  начинает употребляться новая единица длины аршин. Аршин мера восточного происхождения но точного прототипа аршина среди восточных мер нет. Распространение аршина проходит от центра к окраинам. господствовал аршин.
34729. Меры поверхности в централизованном государстве. Сошное письмо 19.08 KB
  Официальный размер казенной десятины определился и 2400 кнадратпых сажен 80 сажеп длины и 30 сажан ширины. Наряду с казенной десятиной на частновладельческих землях встречалась десятина и большей площади 80 сажен длины и 40 ширины т. 3200 квадратных сажен. Попадалась десятина и в 2500 квадратных сажен по 50 сажен в длину и ширину.
34730. Меры веса и объема централизованного государства 16.98 KB
  В XVI XVII вв. Вместе с тем Торговая книга называет и другие весовые единицы ансыръ или фунт: В документах XVI XVII вв. В течение XVII в. Новой мерой по сравнению с предыдущим периодом является четверик появившийся в начале XVII в.
34731. Единицы длины, расстояния и площади в Российской империи 17.9 KB
  Образованной для разработки мероприятий по уточнению мер и организации поверочного дела а также обмеры подлинной линейки начала XVIII в. которой пользовался Петр I свидетельствуют что меры длины в первой половине XVIII в. омимо аршина и сажени в XVIII XIX вв. В XVIII в.
34732. Единицы веса и объема в Российской империи 18.05 KB
  Рассмотрим систему русских мер веса в XVIII в. встречаются следующие меры веса: берковец пуд фунт золотник грен крата и доля. На основе этой системы единиц измерения веса складываются наиболее употребительные наборы гирь.
34733. Обеспечение единства измерений и надзор за мерами и весами в Российской империи 16.29 KB
  в связи с экономическим развитием страны встал вопрос не только о единообразии мер и единой для всей страны системе мер как это было в XVI и XVII вв. Вопрос об основных эталонах оказался непростым так как было неясно какие образцы мер следует взять за основу. Предстояло прежде всего найти основания для установления величин той или иной меры а затем разработать принципы организации поверочного дела.
34734. Введение метрической системы в России. Метрические единицы измерения, принятые в СССР 17.08 KB
  Совет Народных Комиссаров Российской Советской Федеративной Социалистической Республики по указанию В. И. Ленина 11 сентября 1918 г. принял декрет «О введении международной метрической десятичной системы мер и весов». Декрет определял «положить в основание всех измерений, производимых в Российской Социалистической Федеративной Советской Республике...
34735. Историческая генеалогия: история развития, предмет и задачи, смежные дисциплины 13.87 KB
  Лихачева разработавшего научную методику исследования генеалогических источников и Л. Появляются исследования по истории отдельных дворянских родов работы Барсукова Васильчикова. многие отечественные генеалоги оказались за границей и там продолжили свои исследования. генеалогические исследования значительно сокращаются.
34736. Источники по генеалогии дворянства 16 - 17вв.: Государев родословец и Бархатная книга (история создания, структура, содержание) 13.23 KB
  : Государев родословец и Бархатная книга история создания структура содержание Государев родословец История создания: Составлен Разрядным приказом в 1555 1556 году. В XVII веке Государев родословец включён в Бархатную книгу. Структура: 1 часть государев родословец был составлен при Иване 4; 2 часть составлена на основе приказов. В Бархатную книгу включены: Государев родословец 1555 1556 состоящий преимущественно из родословных записей Рюриковичей и Гедиминовичей царский княжеские боярские роды а также материалы за вторую...