ИНСТРУКЦИЯ ПО ТЕХНИКЕ

БЕЗОПАСНОСТИ.

1. Приступить к выполнению лабораторной работы после инструк-

тажа по технике безопасности.

2. Не включать схему до проверки ее преподавателем.

3. Не переносить самовольно приборы и реостаты.

4. Перед включением рубильника проверяйте правильность положе-

ния рукояток реостатов.

5. Не производите пересоединений проводов или разборку схемы

при включенном рубильнике.

6. Не касайтесь металлтческих деталей, находящихся под напря-

жением.

7. Не производите сами смену предохранителей.

8. Не разбирайте схему до проверки результатов опыта препо-

давателем.

9. Не оставляйте рабочее место без разрешения преподавателя.

10. Готовьте отчет о выполненной рааботе к следующему занятию.

11. Без сдачи отчета вы не допускаетесь к дальнейшей работе.

2. МЕТОДИЧЕСКИЕ УАЗАНИЯ ПО ОФОРМЛЕНИЮ

ОТЧЕТА К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ.

Приступить к оформлению лабораторной работы следует после выпол-

нения всех экспериментов, изучения ее теоретической части и реко-

мендуемой литературы. Все рисунки, схемы (элементы электрической

цепи), графики должны быть выполнены по ЕСКД на листах размером

210 х 297 с соответствующими рамками и угловыми штампами. Графики

чертить на миллиметровой бумаге, которые наряду с электрическими

схемами должны быть выполнены не от руки, а с помощью чртежных

инструментов. На осях координат указать откладываемые величины и

единицы их измерения. На титульном листе лабораторной работы дол-

жны быть указаны наименование министерства, института, факульте-

та, кафедры и самой лабораторной работы. Затем пишутся фамилия и

инициалы преподавателя, проверяющего работу, а ниже - шифр, фами-

лия и инициалы студента-исполнителя, который напротив своей фами-

лии обязан расписаться.

При оформлении лабораторной работы нужно указать все необходи-

мые расчеты и расчетные формулы. Каждый раздел отчета должен

иметь пояснение. Вычисления выпогняются с точностью до второй зна-

чащей цифры. В конце работы необходимо привести список использо-

ванной литературы.

Для защиты отчета по лабораторной работе необходимо подготовить

ответы на все контрольные вопросы.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в электронной аппаратуре одинаково широко

используются сигналы, представленные как в виде непрерывных пере-

менных, так и в виде дискретных двоичных сигналов.

Для взаимодействия электронных устройств, обрабатывающих неп-

рерывные (аналоговые) сигналы с устройствами, оперирующими диск-

ретными двоичными (цифровыыми) сигналами применяются цифро-анало-

говые (ЦАП) и аналого-цифровые (АЦП) преобразователи.

Диапазон применения ЦАП и АЦП очень широк. Это и цифровые из-

мерительные приборыы, и станки с числовым программным управлением

(ЧПУ) электро и радиосвяязь, радиолокация и космическая связь и

телемеханика.

В настоящее время идет работа по созданию цифровой системы те-

левидения и радиовещания, которые смогут с большшим качеством пе-

редавать на большие расстояния цветное изображение и звук. Уже

создаются цифровые системы записи и воспроизведения звука и изо-

бражения, применение которых позволяет получить высокое качество.

Во всех случаях есть необходимость преобразования аналогового сиг-

нала в цифровой и цифрового в аналоговый. Для этого существуют

аналого-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые (ЦАП) преобразователи.

Промышленностью в настоящее время созданы специализированные

микросхемы АЦП и ЦАП, различные по своим параметрам. Это сравни-

тельно дорогие электронные приборы, обладающие высокой точностью,

быстродействием, экономичностью, малыми габаритами. Но вместе с

ними шшироко применяются АЦП и ЦАП, построенные на дискретных

элементах - операционных усилителях, компараторах, счетчиках,

аналоговых ключах и т.д.

Цель работы - изучение принципа преобразования аналогового

сигнала в цифровой код и цифрового кода в аналоговый сигнал.

3. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

3.1. ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ.

Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) служат для преобразо-

вания в цифровом коде в анналоговый сигнал - ток или напряжение.

ЦАП широко применяется в различных устройствах автоматики для

связи цифровых ЭВМ с аналоговыми системами.

Принцип работы ЦАП состоит в суммировании анлоговых сигналов,

пропорциональных весам входного цифрового кода с коэффициентами

равными нулю или единице в зависимости от значения соответствую-

щего разруяда кода.

Имеется несколько видав ЦАП. Рассмотрим основные из них.

Одной из важных характеристик ЦАП является точность, которая

зависит от количества разрядов. Для простоты рассмотрим четырех-

разрядный ЦАП.

3.1.1. Цап с двоично-взвешенными

СОПРОТИВЛЕНИЯМИ.

На рис.1. показан 4-х разрядный ЦАП с сопротивлениями, имеющи-

ми двоичные веса (номиналы), и выходной сигнал ЦАП для заданного

двоияного входа. Схема представляет собой сумматор высокой точнос-

тью установвленным входным напряжением. Двоичные входы реализуют-

ся замыканием ключей. В качестве ключей используется реле или

аналоговые ключи, которые замыкаютсяс помощью цифровых двоичных

сигналов. Так как резисторы имеют ддвоичный вес, то каждое замы-

кание ключа и соответственно каждый включенный резисстор

обеспечивает коэффициент усиления соответствующий выбранному

двоичному разряду. При 4-х разрядах можно преобразовывать 16

двоичных чисеел в 16 различающихся по величине напряжений. Для

повышения точности передачи необходимо увеличивать количество уров-

ней напряжений (величина дискретизации поуровню) будет равно 2n,

где n - число разрядов цифрового слова. При n=8 число уровней

будет равно 256, что в некоторых случаях бывает достаточным. Но

глядя на схему рис.1. можно представить, сто с увеличением числа

разрядов сопротивления, соответствующие МЗР (младшему значащему

разряду) будет приниматьь очень боольшие значения.

Так если R=10 кОм, то для 8-и разрядного ЦАП сопротивление МЗР бу-

дет равно 1,28 Мом. Трудно изготовить резисторы со столь большой

вариацией сопротивления, которые были бы очень точны, согласованы

между собой и имели одинаковый температурный коэффициент сопротив-

ления. В этом основной и главный недостаток данного преобразовоте-

ля, не смотря на его простоту.

3.1.2. Цап типа r-2r.

Более распрстраненными типами ЦАП, в которых решается проблема

сопротивлений, являются ЦАП со схемой делителя R-2R. Этот преобра-

зователь коммутирует только сопротивления двух значений, обеспечи-

вает при этом любой желаемый уровень выходного напряжения (соот-

ветствующий двоичным разрядам входного числа). Многие вариации ос-

новной ступенчатой или лестничной схемы R-2R составляют основу как

монолитных, так и гибридных интегральных схем ЦАП.

На рис.2. показан 4-х разрядный ЦАП со схемой R-2R делителя.

Лестничная схема R-2R работает просто как делитель напряжений

с двоичными весовыми коэффициентами деления или как двоичный де-

литель тока. Использование резисторов одной и той же величины и

одного и того же типа позволяет сделать более свободными допуски

на сопротивления резисторов и более близкими их температурные за-

висимости. Операционный усилитель представляет собой простой буфер,

чтобы исключить влияние нагрузки на точность ЦАП. Резисторные ЦАП

наряду со своей простотой и дешевизной обладают недостатками: на-

личие аналоговых ключей на КМОП структуры снижает быстродействие

ЦАП. Для повышения быстродействия применяют ЦАП с суммированием

токов.

3.1.3. Цап с транзисторной цепью задания

ВЕСОВЫХ ТОКОВ.

В этих ЦАП используется свойство дифференциальных каскадов на

биполярных транзисторах. В таких каскадах ток объединенных эмит-

теров, заданный генератором тока, делится поровну между коллектор-

ными цепями. Будем считать ток одного коллектора масштабным током

старшего значащего разряда (СЗР), ток другого транзистора подадим

в эмиттер точно такой же пары. Этот ток так же делится поровну

между коллекторными цепями второй пары транзисторов. Коллекторный

ток одного из этих транзисторов есть масштабный ток следуюющего

разряда, коллекторный ток другого транзистора идет в эмиттер сле-

дующей пары транзисторов, и т.д.

На рис.3. представлен такой ЦАП.

Рис.3. ЦАП с транзисторной цепью задания

весовых токов.

Диоды Дд1-Дд4 образуют цепь задания базовых потенциалов. Ком-

мутация токов осуществляется диодными ключами Д1-Д2. Такие преоб-

разователи не делают с разрядностью более 8, т.к. возникают боль-

шие погрешности из-за малых значений h21э у транзисторов (коэф-

фициента усиления по току) и их не симметричности. Расмотренные

выше схемы являются основой для построения различныых, как в дис-

кретном,так и в интегральном исполнении ЦАП, отличающихся разряд-

ностью, точностью, быстродействиием.

3.2. АНЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ.

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) превращают аналоговый

входной сигнал в цифровой код. АЦП используется, когда аналоговое

выходное напряжение схемы или чувствительного элемента (например

мостового датчика температуры) должно быть преобразовано в цифро-

вой код с целью удобной и экономичной регистрацииданных или выпол-

нения вычислений. АЦП широко используется в промышленных системах

связи иконтроля. Имеется очень много различных типов АЦП.

Рассмотрим наиболее распространенные из них.

3.2.1. ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ АЦП.

Параллельные АЦП являются наиболее простыми из всех по принципу

построения и самыми быстродействующими. По сути дела такие АЦП

представляют собой группу параллельных компараторов. Аналоговый

входной сигнал прикладывается ко всем компараторам одновременно.

Один из выходов компаратора подключается к собственному опорному

напряжению. Значения опорных напряжений компараторов отличаются

друг от друга напряжением, соответствующее младшему разряду. Все

компараторы, для которых Uвх>Uоп, изменяют состояние своих выходов

послеприложения Uвх. Выходы компараторов подводятся к кодирующей

логике, которая преобразует унитарный код в двоичный.

Параллельный АЦП отличается большим быстродействием. Это объяс-

няется тем, что цифровой выход появляется немедленно по истечении

времени установления компараторов и времени прохождения сигналов

через декодирующую логическую схему (порядка 30 нс.). Однако общее

число используемых компараторов составляет 2n-1, где n - число раз-

рядов. Таким образом 8-и разрядный АЦП имеет 2^8-1=256-1=255 ком-

параторов.

Очевидно, что с увеличением разрядов параллельный АЦП становит-

ся очень дорогостоящим. Такие преобразователи используются лишь

там, где нужно высокое быстродействие.