Выполнение работы

1. В программе Electronics Workbench собрать схему четырехразрядного двоичного вычитающего счетчика на основе JK-триггеров, как показано на рис. 13.4. Произвести моделирование составленной схемы, переключив в положение «1» кнопку . Используя индикатор Logic Analyzer воспроизвести временные диаграммы счетчика.

Рис. 13.4

2. В программе Electronics Workbench собрать схему четырехразрядного двоичного суммирующего счетчика на основе JK-триггеров, как показано на рис. 13.5. Произвести моделирование составленной схемы, переключив в положение «1» кнопку .

Рис. 13.5

Лабораторная работа №11 «Изучение режимов работы цап»

Цель работы: Исследовать принцип работы цифро-аналогового преобразователя (ЦАП)

Оборудование: ПЭВМ

Программное обеспечение: Electronics Workbench

Основные положения

Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) предназначен для автоматического преобразования (декодирования) входных величин, представленных числовыми кодами, в соответствующие им значения непрерывно изменяющихся во времени (т.е. аналоговых) величин. Иными словами, ЦАП выполняет обратное по сравнению с АЦП преобразование. Выходные физические величины АЦП чаще всего представляют собой электрические напряжения и токи, но могут быть также временными интервалами, угловыми перемещениями и т. п. В системе автоматики с ЭВМ удобнее обрабатывать (преобразовывать и передавать) цифровой сигнал, но человеку (оператору) привычнее и удобнее воспринимать аналоговые сигналы, соответствующие значениям числовых кодов. С помощью АЦП информация вводится в ЭВМ, а с помощью ЦАП она выводится из ЭВМ для воздействия на управляемый объект и восприятия человеком.

В схемах ЦАП обычно используется представление двоичного числа, состоящего из нескольких разрядов, в виде суммы степеней числа 2. Каждый разряд (если в нем записана единица) преобразуется в аналоговый сигнал, пропорциональный числу 2 в степени, равной номеру разряда, уменьшенному на единицу.

На рис. 14.1 показана простая схема ЦАП, основу которой составляет резистивная матрица – набор резисторов, которые подключаются ко входу операционного усилителя ключами, управляемыми соответствующими разрядами двоичного числа. В качестве ключей могут быть использованы триоды (например МОП-транзисторы). Если в данном разряде записана 1, то ключ замкнут, если 0 – разомкнут.

Рис. 14.1. Схема цифроаналогового преобразователя на базе резистивной матрицы

Операционный усилитель – это аналоговое устройство (в отличие от всех других рассматриваемых в данной главе устройств, которые являются цифровыми, или дискретными). Необходимость в нем обусловлена тем, что в ЦАП выходной сигнал является аналоговым. И входной, и выходной сигналы операционного усилителя представляют собой напряжения постоянного (в смысле неизменной полярности) тока. Отношение выходного напряжения к входному называется коэффициентом передачи. Операционный усилитель является основным элементом для построения аналоговых вычислительных машин. Подсоединяя к нему определенным образом резисторы и конденсаторы, можно обеспечить различные функциональные зависимости выходного сигнала от входного. При использовании операционного усилителя в схеме ЦАП необходимо, чтобы такая зависимость была строго пропорциональной.

Коэффициент передачи операционного усилителя равен отношению сопротивления резистора R_о.с в цепи обратной связи к сопротивлению резистора на входе усилителя, которое, как видно из рис. 14.1, для каждого разряда имеет свое значение. Коэффициенты передачи K = – U_вых/U_оп по каждому разряду преобразуемого двоичного числа (если в этом разряде записана 1) соответственно равны: K₀ = R_о.с/R₀; K₁ = 2R_о.с/R₀; K₂ = 4R_о.с/R₀; K₃ = 8R_о.с/R₀. Выходное напряжение ЦАП

U_вых = – U_оп(K₃ + K₂ + K₁ + K₀) = – U_оп(R_о.с/R₀)(8x₃ + 4x₂ + 2x₁ + x₀)

где х принимает значение 1 или 0 в зависимости от того, что записано в данном разряде двоичного числа.

Таким образом, четырехразрядное двоичное число преобразуется в напряжение U_вых, которое может принимать 16 возможных значений от 0 до 15u_кв, где u_кв – шаг квантования.

Для уменьшения погрешности квантования необходимо увеличивать число двоичных разрядов ЦАП. При изготовлении интегральных микросхем ЦАП по данной схеме очень трудно сделать высокоточные резисторы с сопротивлениями, отличающимися друг от друга в десятки и сотни раз. Кроме того, нагрузка источника опорного напряжения U_оп изменяется в зависимости от состояния ключей, поэтому необходимо применять источник с малым внутренним сопротивлением.

Схема ЦАП, показанная на рис. 14.2, свободна от указанных недостатков. В ней весовые коэффициенты каждого разряда задаются последовательным делением опорного напряжения с помощью резистивной матрицы типа R–2R, представляющей собой многозвенный делитель напряжения.

Рис. 14.2. Схема цифроаналогового преобразователя на базе резистивной матрицы R–2R

В данной схеме ЦАП используются двухпозиционные ключи, которые подсоединяют резисторы 2R либо ко входу операционного усилителя (при 1 в данном разряде), либо к общему нулевому проводу. Входное сопротивление резистивной матрицы при этом не зависит от положения ключей. Коэффициент передачи между соседними узловыми точками матрицы составляет 0,5. Выходное напряжение

U_вых = – U_оп(R/16R)(x₁ + 2x₂ + 4x₃ + 8x₄)

Наибольшее влияние на погрешность ЦАП оказывают отклонения сопротивлений резисторов от их номинальных значений, а также то, что у реального ключа сопротивление в закрытом состоянии не равно бесконечности, а в открытом – не равно нулю. Выпускаемые резистивные матрицы имеют относительную погрешность около сотых долей процента, т.е. являются очень точными.