4795

31

ные 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 соответствующей 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 (прилож. 1):

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 HL1-

32

HL10 (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 работает только на увеличение кода). Кнопки SB1, SB2 и выключатели S1-S10 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 диапа-

зон 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 про-

33

извести 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 единицы»; что на выходе ЦАП ? Для обработки данных заполните таблицу 3. С целью упрощения задачи можно ограничиться начальными и конечными значениями входного двоичного кода.

Теоретические значения выходных напряжений, соответствующих различным комбинациям входного двоичного кода можно определить по формуле (1.2) при этом k=1, UREF=10.24В. Подставив эти значения получим:

UORN=10.24(а1 2-1+а2 2-2+а3 2-3+а4 2-4+а5 2-5…а10 2-10), В.

Для упрощения расчетов можно воспользоваться табл. 2 (третьей колонкой).

35

меряется в единицах младшего разряда (МР) или процентах от максимального выходного напряжения.

2.Нелинейность л- это максимальное отклонение нарастающего выходного напряжения от прямой линии, соединяющей точки нуля и максимального выходного сигнала.

3.Дифференциальная нелинейность лд- максимальное отклонение разности двух аналоговых сигналов, соответствующим соседним кодам, от величины МР.

3.8.Например, было установлено UREF= +15В, расчетные значения:

шаг квантования h= UREF 210 = 15/1024 = -0,0146B, напряжение в конечной

точке шкалы UORN max = UREF (1-2-10)= 5(1-2-10) = -14,985B

В результате проведения опыта было получено значение UORN max = - 13,8В (“код все единицы”).

Абсолютная погрешность преобразования в конечной точке шкалы в

данном случае будет пш = (14,985 13,8) 100 = 7,9%. 14,985

Паспортное значение величины пш для ИМС К572ПА1 равно пш =3% от полной шкалы при напряжении питания Uсс = 15В. Полученное значение отличается от паспортной величины из-за того, что для согласования по входам с ТТЛИС счетчика напряжение питания было принято +5В, последнее обстоятельство и повлекло за собой ухудшение точностных характеристик преобразователя.

4.Контрольные вопросы

1.В чем заключается сущность цифро-аналогово преобразования?

2.Как будет работать ЦАП, если вход UREF соединить с общей шиной, т.е. подать на него ОВ? Подкрепите свой ответ какой либо формулой.

3.На входе 8-разрядного ЦАП код 01011001, величина опорного на-

пряжения UREF = +17В (К=1). Какое значение напряжения будет при этом на выходе? Предполагается, что ЦАП имеет идеальную характеристику.

4.Какими основными параметрами характеризуются микросхемы ЦАП?

5.Что такое разрядность ЦАП?

6.Почему не достижимо значение так называемой «полной шкалы»? На какую величину максимальное выходное напряжение будет всегда меньше Uпш?

7.Почему в качестве величины UREF в пункте 3.3. принято именно

10,24В?

36

8.В чем основное назначение операционного усилителя, подключаемого к выходу микросхемы ЦАП?

9.От чего зависит полярность выходного напряжения?

10.Какие аналоговые исполнительные механизмы можно было бы подключить к выходу ЦАП, при работе его в системе автоматического управления?

Приложение 2.

1.В случае отклонения выходного напряжения ЦАП от значения 0,000В при входном коде «все нули» необходимо произвести балансировку ОУ. С помощью шлицевой отвертки , вращая потенциометр, расположенный на лицевой панели стенда под условным изображением ОУ, необходимо добиться требуемых показаний вольтметра.

2.С течением времени может потребоваться калибровка встроенного цифрового вольтметра. Эта операция может потребоваться при возник-

новении погрешностей в показаниях прибора.

Для проведения калибровки следует, прогрев прибор в течении минимум 15 минут, снять красное защитное стекло (следует нажать пальцами с боков крышки и снять ее на себя), поставить переключатель диапазона на значение 0…1,999В. и подать на вход вольтметра напряжение 0,999В от образцового источника. Вращением движка подстроечного сопротивления, расположенного в левой верхней части прибора над индикаторами, следует установить красную защитную крышку на место.

Приложение 3 к лабораторной работе №4

Стенд ЦАП. Схема электрическая принципиальная

39

Лабораторная работа № 5 Аналогово-цифровые преобразователи

Цель работы: ознакомление с принципом работы аналоговоцифрового преобразователя (АЦП) последовательного приближения (поразрядного кодирования).

1. Краткие теоретические сведения

Под аналого-цифровыми преобразователями (АЦП) понимают устройства, позволяющие осуществить переход от информации в аналоговой форме к информации в цифровой форме. Эти преобразователи широко используются для ввода в ЭВМ аналоговых данных, при цифровом измерении аналоговых сигналов, для перехода к цифровым сигналам в системах автоматического регулирования и управления. Вместе с ЦАП рассматриваемые преобразователи используются в микропроцессорных устройствах.

В микроэлектронных АЦП входным сигналом является напряжение, выходным - соответствующее ему значение цифрового кода. В преобразователях происходит квантование входного напряжения на конечное число дискретных уровней.

Состав АЦП (в отличие от ЦАП) может изменяться в значительной степени в зависимости от метода преобразования и способа его реализации. Наибольшее распространение получили АЦП последовательного приближения, последовательного счета с двойным интегрированием и преобразователи считывания (параллельного действия).

Принцип действия АЦП последовательного приближения (поразрядного кодирования) заключается в следующем. Имеется набор эталонов напряжения, пропорциональных по значению степени числа 2, которые сравниваются с аналоговой величиной (т.е. с входным напряжением). Сравнение начинается с эталона старшего разряда. В зависимости от результата этого сравнения формируется значение старшего разряда выходного кода. Если эталон больше входной величины, то в старшем разряде ставится 0. Затем входная величина уравновешивается следующим по значению эталоном. Если эталон равен или меньше входной величины, то в старшем разряде выходного кода ставится 1 и в дальнейшем уравновешивается разность между входной величиной и первым эталоном и т.д.

Преобразователь последовательных приближений содержит ЦАП, компаратор напряжения или тока, генератор тактовых импульсов, сдвиговый регистр, управляющую логическую цепь и выходной регистр (рис. 1).

Рис.1 Структурная схема АЦП последовательных приближений: ГТИ - генератор тактовых импульсов

Основным управляющим входом служит линия начала преобразования. Поскольку выходные данные неверны до тех пор, пока преобразование не закончено, линия состояния преобразования (или окончания преобразования) сигнализирует о том, что о преобразователь "занят", осуществляется преобразование.

Достоинствами метода последовательных приближений являются: 1) то, что он объединяет разрешающую способность до 12 разрядов и выше с исключительно малым временем преобразования (менее 12 мкс для преобразования 12 разрядов; 2) время преобразования фиксировано и не зависит от амплитуды входного сигнала, что позволяет преобразователю эффективно взаимодействовать с микропроцессором. Одним из недостатков метода является его восприимчивость к изменению входного сигнала во время преобразования ( включая шум ).

Временем преобразования называют интервал от момента заданного изменения сигнала на входе АЦП до появления на его выходе установившегося кода. Оно, как уже было сказано, постоянно и определяется числом разрядов и тактовой частотой ГТИ:

где b - число разрядов выходного кода; этот параметр и максимальный диапазон входного напряжения определяют разрешающую способность, представляющую собой значение напряжения, соответствующее МР;

fг - тактовая частота преобразователя, кГц.