3775

21

Приложение 1 к лаб. работе № 3

22

U, B

а

б

в

3.7 На рисунке 4 осциллограммы приведены схематично. Пользуясь масштабной сеткой двухлучевого осциллографа, начертите графики А и Г при значениях напряжения на нагрузке 55, 100, 110, 165, 200 В. Какую часть синусоидального напряжения отсекает управляющий импульс? Как будет выглядеть напряжение на нагрузке? Приведите диаграмму для контрольной точки D.

4.Вопросы

1.По какой схеме включены оптотиристоры стенда?

2.Как можно заменив всего лишь один элемент схемы, превратить блок управления в схему включения-выключения оптотиристоров? Какой это будет элемент?

3.Что будет если заменить два встречно-параллельно включенных тиристора одним симистором? Какие нужно будет внести поправки в схему, чтобы она нормально работала?

4.Что будет если один из тиристоров выйдет из строя? Какие показания будут на вольтметре?

5.Будет ли работать эта система управления, если в качестве питающего напряжения нагрузки использовать не переменное напряжение 220 В, а постоянное 110 В?

6.Что такое угол регулирования? В каких пределах он изменяется:

0…10°, 0…45°, 10…60°, 0…90°, 0…180°, 90…180°? Выберете наиболее правильный ответ.

7. Каков период управляющих импульсов в установившемся режиме (при отсутствии изменения внешнего воздействия)?

23

Лабораторная работа № 4 Цифро-аналоговые преобразователи

Цель работы: ознакомление с принципом работы десятиразрядного ЦАП и его основными характеристиками.

1.Краткие теоретические сведения

1.1Введение

Вцифровой форме информацию можно легко обрабатывать, хранить, передавать и отображать, не искажая её и не внося ошибок. Цифроаналоговые преобразователи открывают широкие возможности использования цифровых методов для измерений, манипуляций и управления переменными физическими величинами, встречающимися в реальной действительности, например: скоростью, давлением, потоком, температурой и т. п.

Впринципе все эти величины можно непосредственно преобразовать

вцифровую форму, но из-за сложности конструкции требуемых для этого преобразователей рациональнее сначала преобразовать их в электрические (напряжение, ток или сопротивление), а затем, чтобы можно было применить цифровую технику, перевести в цифровые данные. Последние, в свою очередь, часто преобразовывают в аналоговую форму для отображения или управления реальными параметрами (рис.1).

Рис. 1 Применение преобразователей в системе цифровой обработки данных

1.2 Кодировка цифровых данных

На вход ЦАП подается цифровой код. Входной код обычно поступает параллельно, т. е. одновременно на все входные линии. Если на вход ЦАП подается кодированный сигнал, то результат его на выходе будет иметь смысл только при условии, когда известны, во-первых, количественное значение кода и, во-вторых, характеристика преобразования, заложенная в преобразователе. Существует множество различных кодов, но

24

наиболее широко распространен двоичный, представляющий число в двоичной системе счисления.

Например, четырехразрядный код 1011 можно интерпретировать как двоичное число со значением (1 23)+(0 22)+(1 21)+(1 20) = 8+0+2+1 = 11. Крайний слева разряд называют старшим (СР), а крайний справамладшим (МР).

На практике удобно использовать дробный эквивалент двоичных чисел. В таком представлении двоичное число делится на 2n , где n- число разрядов. Например, дробный эквивалент N числа 1011 можно представить в виде:

N = (1 23 )+ (0 22 )+ (1 21 )+ (1 20 )= (1 2−1 )+ (0 2−2 )+ (1 2−3 )(1 2−4 )= 11 . 24 16

Таким образом, максимальным значением оказывается 15/16, мини- мальным-0 (табл. 1). Обычно старшему разряду присваивается номер 1, следующему 2 и т. д. до младшего разряда, номер которого n. Значение i-го разряда составляет 2-i, а числа, состоящего «только из 1», - (1-2-n).

Таблица 1

Четырехразрядный дробно-двоичный код

Вне зависимости от количества разрядов все значения можно рассматривать относительно практически недостижимой «полной шкалы» с нормированным значением, равным единице. Фактически каждый разряд имеет свое постоянное значение (старший разряд всегда 1/2), не зависящее от количества разрядов. Поскольку эти значения определяются относи-

26

Обобщая вышеизложенное, можно сказать, что цифро-аналоговое преобразование состоит в суммировании эталонных значений напряжений, соответствующих разрядам входного кода, причем в суммировании участвуют только те эталоны, для которых в соответствующих разрядах стоит единица. Для ЦАП выходное напряжение определяется следующим образом:

где UORN – выходное напряжение ЦАП, В; k – коэффициент преобразования;

UREF – опорное (эталонное) напряжение, В;

а1…an – коэффициенты двоичных разрядов, принимающие значения 0 или 1;

n – число разрядов ЦАП.

1.3. Принципы построения основных узлов ЦАП

Обобщенная структурная схема ЦАП, соответствующая большинству современных серийных преобразователей включает следующие основные узлы (рис. 3):

а) резистивную матрицу, с помощью которой формируются токи, соответствующие разрядам кода в ЦАП;

б) генераторы токов с устройством управления, обеспечивающие точное поддержание этих токов (в некоторых преобразователях этот узел отсутствует);

в) токовые ключи с устройством управления, подключающие в соответствии с входным кодом цепи резистивной матрицы.

Рис. 3 Структурная схема ЦАП

27

Перечисленные узлы, как правило, реализуются в составе микросхемы преобразователя, выполняющего преобразование входного кода в ток. Для выполнения функции преобразования код-напряжение необходим еще источник опорного напряжения и операционный усилитель, преобразующий ток в напряжение. Последние два узла сложно выполнить технологически на одном кристалле с остальной частью преобразователя, и они часто представляют собой отдельные микросхемы.

Принципы построения отдельных узлов ЦАП можно рассмотреть на примере десятиразрядного ЦАП К572ПА1 (рис. 4). Микросхема ЦАП К572ПА1 предназначена для преобразования десятиразрядного прямого параллельного двоичного кода на цифровых входах в ток, который пропорционален значением кода и опорного напряжения.

Рис. 4 Функциональная схема ЦАП К572ПА1

В состав ИС входят ризистивная матрица (РМ) типа R-2R, усилите- ли-инверторы (УИ) для управления токовыми ключами, токовые двухпозиционные ключи, выполненные на КМОПтранзисторах. Для работы в режиме с выходом по напряжению к ИС подключаются внешние источник опорного напряжения (ИОН) и операционный усилитель (ОУ)с цепью отрицательной обратной связи (ООС), необходимой для стабилизации токов транзисторов ключей, работающий в режиме суммирования токов.

Рзистивная матрица может иметь различную структуру. В схеме со взвешенными резисторами (рис. 5а) каждому разряду соответствует свой

28

разрядный ток I1, I2…In. Эти токи задаются с помощью матрицы резисторов, сопротивление которых удваивается при переходе от старшего разряда к младшему. Основной недостаток такой структурыширокий диапазон сопротивлений и их высокая требуемая точность, особенно при большом числе разрядов входного кода.

Рис. 5 Резистивные матрицы со взвешенными резисторами (а)

ис резистивной сеткой R-2R (б).

Врезистивной матрице R-2R (рис. 5, б) используются резисторы только двух номиналов. Формирование тока, соответствующего данному разряду, в этой схеме осуществляется как за счет последовательных, так и параллельных цепей сопротивлений. При переходе от старшего разряда к младшему ток изменяется в 2 раза (как и в схеме, показанной на рис. 5, а).

Токовые ключи, предназначенные для коммутации элементов резистивной матрицы, должны иметь высокое быстродействие и не вносить погрешностей в разрядные токи. Ключи для быстродействующих ЦАП обычно строят на биполярных транзисторах и диодах. Для преобразователей среднего и низкого быстродействия широко применяют ключи на КМОП транзисторах, характеризующихся малым потреблением энергии (рис. 4).

Вэтой схеме транзисторы VT1, VT2 служат для согласования с микросхемами на входе ЦАП, транзисторы VT4-VT7 используются для управления ключевыми транзисторами VT8, VT9 , которые подключают разрядные токи резистивной матрицы к оной из двух шин. Через транзистор VT3 осуществляется положительная обратная связь для уменьшения времени переключения.

Микросхема ЦАП (рис. 4) имеет два аналоговых выхода 1 и 2, токи которых определяются значением кода на входах усилителей-инверторов. При появлении на входе УИ напряжения высокого уровня (аi=1) ток соот-

29

ветствующей ветви РМ поступает на выход 1, а при подаче низкого уровня (аi=0)- на выход 2.

Двоичный закон распределения токов в ветвях РМ соблюдается при условии равенства потенциалов выходов 1 и 2. Это обеспечивается подключением выхода 1 к инверсному входу ОУ, охваченному ООС. Не инвертирующий вход ОУ соединяется с выходом 2 и с шиной аналоговой земли. При этом осуществляется преобразование тока на выходе 1 в пропорциональное ему напряжение на выходе ОУ. Резистор Rос определяет значение коэффициента преобразования (k) и напряжения в конечной точке шкалы.

2. Краткое описание лабораторного стенда

Лабораторный стенд выполнен в виде настольного автономного блока, имеющего на лицевой панели функциональную схему с органами настройки параметров, контрольными точками и цифровым вольтметром. Общий выключатель сетевого напряжения расположен с правой стороны, на задней стороне стенда размещены предохранители, ввод сетевого шнура и клемма заземления.

Перед началом работы необходимо убедиться, что корпус стенда надежно заземлен.

Функциональная схема стенда состоит из двух частей: цифровой и измерительной. В последнюю входит встроенный цифровой вольтметр, имеющий два предела измерения 0…1,999В и 0…19,99В.

Основными узлами цифровой части являются (прил. 2):

а) двоичный реверсивный 10-разрядный счетчик DD1, выполняющий функции хранения, параллельной записи и двоичного счета входного кода, поступающего на ЦАП;

б) интегральный 10-разрядный ЦАП DD2 с внешним операционным усилителем DA1.

Цифровая часть схемы может работать в двух режимах: статическом и динамическом.

Статический режим. В этом режиме генератор тактовых импульсов G выключается. С помощью кнопки SB1 можно увеличивать или уменьшать на единицу значение входного кода ЦАП. Выключатели S1-S10 позволяют набрать любой двоичный код, а кнопка SB2установить этот код на входные линии ЦАП. Входной код отображается индикаторами HL1HL10 (свечение индикатора указывает на наличие лог. 1 на соответствующем входе). Измерения в контрольных точках производятся встроенным вольтметром.

Динамический режим. Генератор тактовых импульсов включен (частота генерации присутствует на контрольной точке КТ11; счетчик ра-

30

ботает только на увеличение кода). Кнопки SB1, SB2 и выключатели S1S10 не используются.

Перед началом работы необходимо выбрать требуемую разрядность ЦАП (значение выходного напряжения UORN), для этого с помощью перемычки соединяются вход сброса счетчика (КТ.16) с одним из его выходов (одна из точек КТ1-КТ10); для достижения максимальной разрядности (10) необходимо соединить КТ16 и КТ15. Например, если требуется, чтобы в динамическом режиме входной код ЦАП не превышал значения 1111 соединяют вход сброса с пятым выходом (КТ16-КТ5). При этом следует иметь ввиду, что в статическом режиме , если выключатель S5 будет установлен в положение «1» загрузка кода в линии ЦАП производиться не будет, т.к. сигнал лог. 1 на пятом выходе будет сбрасывать регистр DD1.

Кроме рассмотренных узлов цифровая часть включает в себя источник опорного напряжения UREF (КТ.12). Переключателем SA2 можно изменять полярность подаваемого на ЦАП опорного напряжения, а движком потенциометра менять величину UREF в небольших пределах.

3.Проведение работы

3.1.Перед включением стенда выберите статический режим, отключив генератор, соедините перемычкой контрольные точки КТ15-КТ16. Включите стенд и вольтметр для прогрева.

3.2.Установите выключателями входной код «все нули», нажатием кнопкиSB2 перенесите его на входные линии ЦАП, если до этого на входных линиях присутствовал какой-либо код, то после этих действий все индикаторы должны погаснуть.

3.3.Установите переключатель SA2 в положение «-U REF », подключите к контрольной точке КТ12 вход вольтметра, предварительно выбрав диапазон измерения 0…19.99В. Обратите внимание: при измерении вольтметром напряжений на диапазоне 0…1.999В выше 2В индикаторы гаснут, что говорит о перегрузке входа. Если это случится выберите второй диапазон 0…19.99В.

Ориентируясь по показаниям вольтметра установите с помощью потенциометра величину опорного напряжения U REF = -10,24В. При дальнейших измерениях желательно не трогать ручку потенциометра, чтобы не сбить настройку.

Подключите вольтметр к выходу ОУ (КТ13) . На индикаторе должен высветиться 0,000В. Если имеются отклонения от «нуля» необходимо произвести балансировку (для этого обратиться к преподавателю). Обычно этого не требуется и при наличии на входе ЦАП кода «все нули», на его выходе присутствует уровень ОВ.

3.4.Увеличьте значение входного кода на единицу (кнопкой SB1), как при этом изменяться показания вольтметра? Установите код «все еди-