Лабораторне заняття № 13 (2 год.)

ТЕМА: Дослідження цифро-аналогових перетворювачів

НАВЧАЛЬНА МЕТА: вивчити принцип побудови ЦАП, дослідити ЦАП на дискретних елементах і у вигляді інтегральної мікросхеми, придбати навиків по їх застосуванню.

ОБЛАДНАННЯ ТА ОСНАЩЕННЯ: ПЕОМ, програма Electronics Workbench

Рисунок 1 – а) схема ЦАП зі зваженими резисторами; б) ЦАП в інтегральному виконанні

Рисунок 2 – Схема дослідження ЦАП зі зваженими резисторами

ОСНОВНІ ТЕОРЕТИЧНІ ПОЛОЖЕННЯ:

У електронній апаратурі широко використовуються як безперервні (аналогові), так і дискретні (цифрові) сигнали. Тому виникла необхідність створення пристроїв, які б здійснювали перетворення інформації з цифрової форми в аналогову – цифро – аналогові перетворювачі (ЦАП) і, навпаки, з аналогової в цифрову – аналогово – цифрові перетворювачі (АЦП).

ЦАП – пристрої для перетворення двійкового коду у вихідну напругу, пропорційну ваговим коефіцієнтам розрядів двійкової системи числення (…8, 4, 2, 1). Зміна вхідних кодів викликає зміну вихідної напруги ЦАП.

Найпростіша схема ЦАП (рис.1,а) являє собою резистивну матрицю, в якій сума струмів, що протікає через спільний резистор R₀, пропорційна ваговим коефіцієнтам двійкових розрядів, а вихідна напруга (при R₀ << R) пропорційна двійковому числу.

U_вих = ∑I*R₀

Число входів, а отже, і складових вихідної матриці, визначається кількістю розрядів двійкового коду, який треба перетворити.

Вага n–го розряду у вихідній напрузі в 2 рази більша, ніж вага (n-1) розряду.

Для одержання складових вихідної напруги, які відрізняються вагою в 2 рази, вибирають певним чином опори резисторів у вхідних колах.

До шини старшого розряду підключають резистор з опором R, тоді кожен наступний резистор повинен мати опір в 2 рази більший за попередній.

U_вих = М(A_n*2^n-1 + А_n-1*2^n-2 +… + А₂*2¹ + А₁*2⁰).

М = Е*R₀/R*2^n-1 – масштабний коефіцієнт (коефіцієнт пропорційності), який визначає масштаб перетворення цифрового сигналу, записаного в дужках в десятковій формі і рівного сумі вагових коефіцієнтів для заданої комбінації двійкового коду.

А₁, А₂, А₃…А_n – цифри 1 або 0, які характеризують стан розрядів двійкового коду. А_n – відповідає старшому розряду, А₁ – молодшому.

При розкиді опорів резисторів змінюються значення вагових коефіцієнтів і зростає похибка перетворення. Для усунення цього недоліку використовують схему ЦАП, яка має резистори тільки двох номіналів параметрів R і 2R.

В ЦАП в інтегральному виконанні широко використовується принцип підсумовування струмів на елементах матриці типу R - 2R.

Хід роботи

1 Зібрати (відкрити) схему ЦАП з матрицею на вагових резисторах (рисунок 1), представлену на рисунку 2.

2 Включити ручний режим роботи схеми встановленням перемикача [Z] у верхнє положення. Подаючи за допомогою перемикачів [1], [2], [3], [4] на входи різні комбінації двійкових кодів, необхідно визначити струми у розрядних лініях (І₁, І₂ І₃, І₄), суму струмів I₀, що протікає через спільний резистор R₀, і вихідну напругу U_вих, пропорційні числовому значенню для заданої комбінації двійкового коду.

3 Заповнити таблицю основних параметрів для схеми ЦАП на зважених резисторах по заданим комбінаціям двійкових кодів.

Таблиця 1

Число в десятк. системі	Вхідні цифрові коди	I1	I2	I3	I4	I0	М	Uвих
1	2	3	4	5	6	7	8	9
0	0000
1	0001
2	0010
3	0011
4	0100
5	0101
6	0110
7	0111
8	1000
9	1001
10	1010
11	1011
12	1100
13	1101
14	1110
15	1111

3 Виконати розрахунок коефіцієнту пропорційності М, значення струмів (необхідно обчислити для всіх числових комбінацій) та напруги (для всіх комбінацій) за формулами:

М = ЕR₀/8R – коефіцієнт пропорційності (масштабний коефіцієнт).

І₁= Е/8R, І₂= Е/4R, І₃= Е/2R, І₄= Е/R,

де E – напруга на входах (E = 5В).

I₀ = І₁+ І₂+ І₃+ І₄;

U_вих = I₀R₀;

U_вих = ЕR₀/8R(A₄*8 + A₃*4 + A₂*2 + A₁*1), де А_х – 0 або 1 в залежності від цифрового коду.

4 Розшифрувати по довіднику тип інтегральної мікросхеми 572ПА2 на рисунку 1,б і назвати функції, які вона виконує.

5 Намалювати діаграму залежності вихідної напруги ЦАП (U_вих) від лінійно наростаючого цифрового сигналу на вході (вхідного двійкового коду). Для цього необхідно включити схему в автоматичний режим роботи переведенням перемикача [Z] у нижнє положення. При цьому генератор цифрового коду буде циклічно послідовно подавати на входи двійкові комбінації числових значень від 0 до 15 в зростаючому і зворотному порядку. Отримана осцилограма є основою для побудови діаграми (рисунок 4) залежності напруги (параметру аналогового сигналу) від числового коду (параметру цифрового сигналу).

ЗМІСТ ЗВІТУ:

- титульний лист з назвою роботи та її виконавцем;

- мета роботи;

- перелік приладів;

- схема дослідження ЦАП;

- розрахунок основних параметрів ЦАП з матрицею на зважених резисторах.

- результати досліджень розрахунків (таблиця та діаграма).

- висновки;

- відповіді на контрольні запитання.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ ДО ЗАХИСТУ:

5. У чому полягає принцип роботи АЦП і ЦАП?

6. Які особливості роботи ЦАП з матрицею на зважених резисторах?

7. Які недоліки ЦАП з матрицею на зважених резисторах?

8. Як їх усунути?

9. Охарактеризуйте основні параметри ЦАП.

ПІДВЕДЕННЯ ПІДСУМКІВ І ОЦІНЮВАННЯ РІВНЯ ЗНАНЬ: По результатам виконання, оформлення лабораторної роботи робляться узагальнені висновки і оцінюється виконання, своєчасність і правильність оформлення звіту, з виставленням оцінки по п’ятибальній шкалі в журнал.

ВИКЛАДАЧ - Т.І.Ковальова