10

Лабораторная работа 1

Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП)

на основе операционного усилителя

Цель работы

1. Ознакомиться с основами функционирования операционных усилителей (ОУ) и простейших схем на их основе.

2. Ознакомиться с основами функционирования ЦАП

3. Приобрести практические навыки построения и анализа ЦАП.

Понятия о ЦАП и АЦП

Цифровые ЭВМ принимают и выдают информацию в цифровом виде. Как правило, информация первичных преобразователей (сигналов датчиков) представляется в аналоговой форме, в виде уровней напряжений. Исполнительные устройства (электродвигатели, электромагниты), предназначенные для автоматического управления технологическими процессами, реагируют также на уровни напряжения или тока. Для преобразования информации из цифровой формы в аналоговую применяют цифроаналоговые преобразователи (ЦАП), а для обратного преобразования аналогоцифровые преобразователи (АЦП).

Преобразователи оценивают по точностным и динамическим характеристикам.

Точность преобразователя определяют по его разрешающей способности и по погрешности.

Разрешающая способность определяется как минимальная величина изменения входного сигнала, вызывающая изменение выходного кода на единицу младшего разряда. Она может задаваться в процентах от полного диапазона, в единицах измерения входной величины или, чаще всего, числом разрядов преобразователя.

В зависимости от причины возникновения принято различать методические и инструментальные погрешности.

Методические погрешности АЦП являются следствием квантования дискретной величины сигнала по уровню и связанного с этим округления результата из-за конечного числа разрешенных уровней квантования.

В простейшем случае, когда шкала уровней равномерная и шаг квантования постоянный, максимальная погрешность квантования зависит от способа отождествления сигнала с уровнем квантования. Для случая отождествления с ближайшим м е н ь ш и м уровнем максимальная погрешность x_k = максx(t_i)  y_k = q; для случая отождествления с ближайшим уровнем x_k = 0,5q.

Инструментальные погрешности возникают вследствие отклонения параметров и характеристик элементов преобразователя от идеальных и (или) заданных. К их числу относятся: смещение нуля и изменение крутизны передаточной характеристики, а также погрешности, вызванные нелинейностью. Эти погрешности относятся к наиболее трудноустранимым, поскольку их нельзя устранить регулировкой.

Динамические свойства АЦП определяются временем цикла преобразования, которое включает в себя время на установку преобразователя в исходное состояние и время для синхронизации с началом такта. Оно характеризует быстродействие преобразователя.

В настоящее время промышленность предлагает большое количество разнообразных типов преобразователей, быстродействие которых лежит в диапазоне от 200 мкс до 3 нс. Цикл преобразования определяет динамическая погрешность преобразователя.

Как правило, ЦАП и АЦП в своем составе имеют операционный усилитель.

Общие сведения об операционных усилителях

Операционные усилители представляют собой широкий класс аналоговых микросхем, которые позволяют производить усиление аналоговых сигналов, придавать им различную форму, складывать и вычитать сигналы, производить операции дифференцирования и интегрирования, создавать источники стабильного напряжения и генераторы колебаний различной формы.

Операционный усилитель (ОУ) – это многокаскадный транзисторный усилитель, выполненный в виде микросхемы и имеющий огромный коэффициент усиления напряжения Ко.

На рис.1 дано схемное обозначение операционного усилителя.

Входной каскад его выполняется в виде дифференциального усилителя, так что

операционный усилитель имеет два входа: неинвертирующий U₊ и инвертирующий U _-. . Разность входных напряжений U_д = U₊ – U _-. является разностным входным напряжением или напряжением дифференциального сигнала.

Рис.1. Схемное обозначение операционного усилителя

Помимо схемного обозначения ОУ показанного на рис. 1, в литературе можно встретить и другие обозначения ОУ (рис. 2).

Рис.2

На принципиальных схемах ОУ обычно изображают только их входные и выходные клеммы.

Основные схемы включения оу

В основе анализа схем на операционных усилителях лежат два следующих предположения. Входы ОУ не потребляют тока и имеют очень большое сопротивление.

Основываясь на этих предположениях, проведём анализ простейших усилительных схем на ОУ.

1. Инвертирующий (масштабный) усилитель

Схема усилителя показана на рис.3. Неинвертирующий вход заземлен. Входной сигнал подан на инвертирующий вход.

Определим коэффициент передачи по напряжению усилителя К=Uвых/Uвх.

Рис.3. Инвертирующий (масштабный) усилитель

Так как неинвертирующий вход ОУ заземлен, и разность напряжений между входами U = U_вых / Ко пренебрежимо мала, то инвертирующий вход тоже имеет нулевой потенциал относительно земли.

Поэтому: I_вх = U_вх / R1.

Так как входы идеального ОУ не потребляют тока, то:

I_ос = I_вх = U_вх / R1.

Выходное напряжение, то есть напряжение на выходном выводе относительно общей шины, можно найти как падение напряжения от тока Iос на резисторе R2, т. е.:

U_вых = – Iос R2 = – Uвх R2 / R1.

Отсюда коэффициент передачи инвертирующего усилителя:

К = Uвых / Uвх = – R2/R1.

Входное сопротивление инвертирующего усилителя Rвх= R1. Выходное сопротивление практически равно 0.

2. Сумматор

Схема сумматора (рис.4) предназначена для формирования

Рис.4

напряжения, равного усиленной алгебраической сумме нескольких входных сигналов, т.е. он выполняет математическую операцию суммирования нескольких сигналов. При этом выходной сигнал дополнительно инвертируется.

В результате, сигнал на выходе сумматора можно рассчитать в соответствии с выражением:

Uвых= -Uвх1 R0 /R1 -Uвх2 R0 /R2 -Uвх3 R0 /R3 -… -Uвхn R0 /Rn .