41856

Ознакомление с принципом работы и испытание интегрального цифроаналогового преобразователя

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

При построении устройств связывающих цифровое устройство с объектами использующими информацию в непрерывно изменяющейся форме требуется преобразование информации из аналоговой формы в цифровую и из цифровой в аналоговую. называют цифро-аналоговым преобразователем ЦАП. Сменяющиеся входные цифровые коды обуславливают сменяющееся ступенчатое напряжение на выходе L идеальная передаточная характеристика ЦАП. ЦАП с весовыми двоичновзвешенными сопротивлениями рис.

Русский

2013-10-26

354.81 KB

6 чел.

359

Лабораторная работа 15

ЦИФРОАНАЛОГОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Ознакомление с принципом работы и испытание интегрального цифроаналогового преобразователя.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ И РАСЧЁТНЫЕ ФОРМУЛЫ

1. СТРУКТУРА РЕЗИСТИВНЫХ МАТРИЦ ЦАП

При построении устройств, связывающих цифровое устройство с объектами, использующими информацию в непрерывно изменяющейся форме, требуется преобразование информации из аналоговой формы в цифровую и из цифровой в аналоговую. Устройство, осуществляющее автоматическое преобразование непрерывно изменяющихся во времени аналоговых значений физической величины (напряжения, тока) в эквивалентные значения числовых кодов, называют аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Устройство, осуществляющее автоматическое преобразование входных значений, представленных числовыми кодами, в эквивалентные им значения какой-нибудь физической величины (напряжения, тока и др.), называют цифроаналоговым преобразователем (ЦАП).

 000 001 010  011 100 101 110 111 1000  

Аi

uвых.н

а)

R

2R

22R

а2

а1

а0

uвых

б)

Rос

Рис. 15.1

 

ОУ

S2

S1

S0

u0

 1

7/8 6/8 5/8 4/8 3/8 2/8 1/8  

L

Итак, цифроаналоговый преобразователь предназначен для прямого преобразования входного двоичного кода, например, Аi(а2а1а0) в аналоговый эквивалент. Выходная аналоговая величина, обычно напряжение uвых, иногда нормированное uвых.н = uвых/uвых.max, соответствует кодовой комбинации Аi, поступившей на вход, и воспроизводится для дискретных моментов времени (рис. 15.1, а). Сменяющиеся входные цифровые коды обуславливают сменяющееся ступенчатое напряжение на выходе (L  идеальная передаточная характеристика ЦАП).

Существует два широко распространенных способа цифроаналогового преобразования с использованием:

резистивной матрицы с весовыми двоично-взвешенными сопротивлениями;

резистивной матрицы с двумя номиналами сопротивлений, которую обычно называют матрицей R–2R.

ЦАП с весовыми двоично-взвешенными сопротивлениями (рис. 15.1, б) состоит: из п переключателей Si (по одному на каждый разряд), управляемых двоичным кодом Аi; из матрицы двоично-взвешенных резисторов с сопротивлениями 2п-1R; источника опорного напряжения u0 и  выходного операционного усилителя ОУ, с помощью которого суммируются токи, протекающие через резисторы с двоично-взвешенными сопротивлениями, для получения аналогового выходного напряжения uвых.

Каждый i-й разряд управляет переключателем Si, который подключается к источнику опорного напряжения u0, когда аi = 1, или к общей шине, когда аi = 0. Сопротивления резисторов 2n-1R (п – номер разряда входного кода), соединенных с ключами, таковы, что обеспечивают пропорциональность в них тока двоичному весу соответствующего разряда входного кода. Следовательно, ток на входе ОУ и выходное напряжение ЦАП:

Напряжение на выходе ЦАП пропорционально "весу" присутствующего на входах кода,  а максимальное значение имеет место, когда все разряды примут значение 1, т. е.

и оно всегда меньше опорного напряжения на шаг квантования uoRос/(2nR).

S2

S0

S1

uвых

2R

2R

2R

а0

а1

а2

Рис. 15.2

ОУ

Roc

R

R

u0

2R

Во второй схеме ЦАП с матрицей    R-2R используют резисторы с двумя номиналами сопротивлений, причём резисторы с сопротивлением R включены в каждый разряд (см. рис. 15.2 при п = 3). Однако в этой схеме увеличиваются значения паразитных ёмкостей.

Принцип функционирования схемы основан на свойстве резистивного делителя R-2R сохранять постоянное сопротивление нагрузки для источника опорного напряжения при замыкании ключей. Вследствие этого на выводах  резистора R, начиная со старшего    п  1 разряда, опорное напряжение последовательно делится пополам, как и входящий в каждый узел матрицы ток. При этом напряжение на выходе преобразователя с матрицей R–2R:

Таким образом, выходное напряжение ЦАП пропорционально сумме напряжений со своими весами, обусловленными переключателями, подключенными к источнику опорного напряжения u0.

Недостатком ЦАП с матрицей R–2R является сильное влияние на точность преобразования нестабильности сопротивлений переключателей в замкнутом состоянии, что снижает временную и температурную стабильность характеристик ЦАП. Этот недостаток в значительной степени удаётся устранить в схемах код-напряжение, выполненных на базе полупроводниковой технологии с использованием тонкоплёночных резисторов на кристалле и переключателей на КМДП-транзисторах, в которых нелинейность от 0,8% до 0,003% от опорного напряжения uо, время установления тока от 5 мкс до десятых долей микросекунд и менее, часто выходной диапазон напряжения 5 В. Опорное напряжение в схемах ЦАП может выбираться разной полярности или двуполярным.

2. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЦАП

Основными параметрами ЦАП являются число разрядов п = 8, …, 24 и абсолютная разрешающая способность  среднее значение минимального изменения сигнала на выходе ЦАП, обусловленное увеличением или уменьшением его кода на единицу. Теоретически ЦАП, преобразующий   п-разрядные двоичные коды, должен обеспечить 2п различных значений выходного сигнала с разрешающей способностью 1/(2п – 1). При числе разрядов п = 8  количество независимых квантов (ступеней) выходного напряжения ЦАП равно 28 – 1 = 255, при  п = 12, 212 – 1 = 4095 и т. д.

Абсолютное значение минимального кванта напряжения определяется как предельным принимаемым числом 2п – 1, так и максимальным выходным напряжением ЦАП, по-другому называемым напряжением шкалы или опорным напряжением uо. Значение абсолютной разрешающей способности ЦАП, часто обозначаемое ЗМР (значение младшего разряда), при п = 8  и опорном напряжении uо = 5 В

ЗМР = uо/(28 – 1) = 5/255  0,0196 В = 19,6 мВ.

Отличие реального значения разрешающей способности от теоретического обусловлено погрешностями и шумами входящих в ЦАП узлов. Точность ЦАП определяется значением абсолютной погрешности а и нелинейностью преобразователя н. Абсолютная погрешность а характеризуется отклонением максимального значения выходного напряжения umax от расчётного, соответствующего конечной точке характеристики идеального преобразователя, и измеряется обычно в единицах ЗМР.

Из динамических параметров наиболее важным является максимальная частота преобразования  fmax (десятки и сотни килогерц) – наибольшая частота дискретизации, при которой параметры ЦАП соответствуют заданным значениям.

Библиотечные интегральные схемы ЦАП среды MS10 требуют для своей работы подключения только постоянного эталонного напряжения, заземления и входных сигналов.

УЧЕБНЫЕ ЗАДАНИЯ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ИХ ВЫПОЛНЕНИЮ

Задание 1. .( для четных вариантов) Запустить лабораторный комплекс Labworks и среду МS10 (щёлкнув мышью на команде Эксперимент меню комплекса Labworks). Открыть файл 35.3.ms10, размещённый в папке Circuit Design Suite 10.0 среды МS10, или собрать на рабочем поле среды MS10 схему для испытания интегрального цифроаналогового преобразователя (рис. 15.3, а) и установить в диалоговых окнах компонентов их параметры или режимы работы. Скопировать схему 1 на страницу отчёта.

В схеме (рис. 15.3, а) использован библиотечный (Mixed) 8-разрядный цифроаналоговый преобразователь DAC, на входы которого подаются сформированные с помощью переключателей 0, …, 7 двоичные коды от 00000000 до 111111112 (FF16 или 25510). Выходное напряжение ЦАП можно измерить с помощью вольтметра V1 или осциллографа XSC1, воспользовавшись визирными линиями, расположенными на его экране.

Получить на экране осциллографа XSC1 ступенчатое выходное напряжение ЦАП (рис. 15.3, б). Для этого нужно вначале замкнуть переключатель 0, т. е. подать напряжение 5 В на вход D0 ЦАП, и запустить программу моделирования. На выходе ЦАП формируется напряжение, равное ЗМР. Затем во время остановок моделирования замыкать поочерёдно переключатели 1, 2, …, 7,  подавая входные десятичные ком

Рис. 15.3

бинации 3, 7, 15, 31, 63, 127, 255 на входы D0, …, D7 ЦАП (рис. 15.3, б).

Повторить эксперимент, подавая на входы ЦАП сформированные с помощью переключателей шестнадцатеричные коды от 0 до FF (25510) через шаг 1016 (1610) и занося в табл. 15.1 показания вольтметра V1 (значения выходного напряжения uвых ЦАП) при напряжении источника VCC uo = 5 В. Найти частичные и усредненное значение ступени, частичные и усреднённое значение МЗР. Построить график uвых(N), выбрав соответствующие масштабы для напряжений и входных десятичных чисел N, откладываемых по осям координат.

Т а б л и ц а  15.1

п/n

Входной

десятичный код

 N

Выходное

напряжение,

 uвых, В

Напряжение

ступени

uвых2  uвых1, В

Значение младшего разряда

МЗР = (uвых2  uвых1)/16, B

1

0

0

0

2

15

3

31

4

47

5

63

6

79

7

95

8

111

9

127

10

143

11

159

12

175

13

191

14

207

15

223

16

239

17

255

Задание 2. .( для нечетных вариантов) Открыть файл 35.4.ms10, размещённый в папке Circuit Design Suite 10.0 среды МS10, или собрать на рабочем поле среды MS10 схему для испытания цифроаналогового преобразователя (рис. 15.4, а) и установить в диалоговых окнах компонентов их параметры или режимы работы. Скопировать схему на страницу отчёта.

Провести моделирование ЦАП, запрограммировав генератор XWG1 (частота генерации сигналов fг  = 1 кГц) на возрастание и убывание шестнадцатеричных чисел от 0 до FF (25510) при шаге 1016 (1610).

Составить таблицу и занести в неё выходные напряжения ЦАП и величину ступеней, которые выводятся в нижнем окне осциллографа XSC2.

Измерение напряжений проводить с помощью визирных линий осциллографа, устанавливая их на двух соседних ступенях (см. рис. 15.4, б) при различных кодовых комбинациях на выходе генератора XWG1 и напряжении uo = 5 В источника VCC.

Так, при входных десятичных числах 175 и 191 и напряжении uo = 5 В выходные напряжения ЦАП соответственно равны 3,437 В и 3,750 В, а напряжение ступени  312,5 мВ. При этом ЗМР = 312,5/16 = 19,53 B. Найти 

Рис. 15.4

и сравнить усреднённое значение ЗМР с расчётным значением.

Установить напряжение uo = 10 В источника VCC и повторить моделирование ЦАП при опорном напряжении 10 В. Построить графики uвых(N) при  uo = 5 В и uo = 10 В на одном рисунке, выбрав соответствующие масштабы для напряжений и входных десятичных чисел N, откладываемых по осям координат.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЁТА

1. Наименование и цель работы.

2. Перечень приборов, использованных в экспериментах, с их краткими характеристиками.

3. Изображения электрических схем для испытания цифроаналогового преобразователя.

4. Копии графиков выходного напряжения исследуемого ЦАП, отображающих его работу.

5. Графики uвых(N) при различных значениях опорного напряжения.

6. Выводы по работе.

            


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

69462. Лирика А. С. Пушкина: особенности мироотношения поэта, жанровая динамика 37.12 KB
  Лицейский период 1811-1817 осваивает жанры и стили. Ода, элегия, политические стихи, эпиграммы, пародии. Основной – жанр дружеского послания. – пограничный между прозой и поэзией. «К товарищам». Поэт - ленивец, отказывающийся от социальных обязанностей, свободный, профессиональный литератор.
69463. Рассказ в русской литературе 18.27 KB
  Человек испытывает универсальные чувства понятные всем. Все о чем пишет Казаков предельно просто: универсальные чувства страха обиды восторга отчаяния и др. Движение человека от жизни дневной к жизни ночной где дневная жизнь расценивается как инерция ночь же позволяет...
69464. Розанов. Легенда о Великом Инквизиторе 17.84 KB
  Религия нечто высокое и сделать ей возможно другого человека способность войти в ее миросозерцание высшая цель. Здесь надломленность человеческих сил неспособность их продолжать тот путь по который от скрытого начала к скрытому же концу ведет человека провидение.
69465. Сатира в литературе 1920-х годов 18.38 KB
  В 1920-ые годы возникла необходимость в так называемом «отдыхе». Человек на протяжении последних лет был погружен в атмосферу революций, гражданских войн – «кровавых» событий. Пьесы, которые ставились на сцене театра, имели «лечебное» воздействие; театр – это место, где собирается масса народа; происходящее на сцене...
69466. Сентиментализм и предромантизм 21.64 KB
  Впервые термин «сентиментализм» был объявлен в 60 годы 18 века. Главная категория в сентименталистской эстетике – чувство. Категория чувствительности – основа на философском, этико-эстетическом и эмоциональном уровнях. Философия: Юм – трактат о человеческой природе.
69467. А. Солженицын (1918-2008): судьба, творчество, идеи 26.45 KB
  Как писатель Солженицын начинался в ГУЛАГе. Свои стихи и даже прозу он, не записывая, хранил в самом надежном месте, в собственном мозгу — заучивал наизусть. Диссидент. Ибо все, что он писал, было проникнуто решительным неприятием советской политической системы...
69468. Трифонов Юрий Валентинович 20.21 KB
  Понятие «экзистенциализм» возникло на излете Второй Мировой Войны и связано с внутренним разочарованием в человеке и человечестве. Экзистенциальность как философское направление и экзист как «бытие», которое ставит перед собой «вечные» вопросы, но, так или иначе, они всегда связаны с проблемой смерти.
69469. Проблемы национальных меньшинств 25.82 KB
  Проблемы национальных меньшинств — в том виде, как они предстают перед нами сегодня — с исторической точки зрения очень молоды. Современные проблемы меньшинств берут свое начало непосредственно в национальном государстве: некоторое время тому назад в Европе...
69470. Проблематика Чехова уже есть, тут – эволюция 17.74 KB
  Дерман А.О. « мотивы смешного в мещанской среде, когда перечень литературных штампов в его дебютной вещице был так забавен, — тогда из-под его пера выходили характерно юмористические фигуры: парикмахера, отказавшегося достричь своего клиента после того, как он узнал...