7.3.Задание на проведение исследований

1.Соберите схему для исследования принципа действия ЦАП на основе матрицы резисторов R-2R (см. Рис. 94).

Рис. 94. Схема для исследования принципа действия матрицы R-2R

В качестве элементов SA1-4 используйте движковые переключатели, расположенные в нижней части платы лабораторного стенда. Обратите внимание, что токоограничительные резисторы для светодиодов, резисторы матрицы и ее выходной фильтр (R2C2) уже встроены в плату стенда.

2.Подключите любой из каналов осциллографа к выходу схемы (UВЫХ). Настройте режим синхронизации «Auto», масштаб по оси времени порядка 25-100 мс в клетке, по оси Y – 1

Вв клетке.

3.Изменяя состояние переключателей, снимите зависимость выходного напряжения матрицы R-2R от числа, формируемого битами В3-B0. При снятии зависимости изменяйте входное число в одном направлении (например, в сторону увеличения от 00002 к 11112).

4.При составлении отчета постройте график UВЫХ(B[3..0]) по измеренным точкам и график, данные для которого рассчитаны согласно теоретическим соотношениям. Сравните полученные результаты. Рассчитайте также погрешность преобразования ЦАП в каждой точке и нелинейность данного ЦАП.

5.Соберите схему 4-разрядного счетного АЦП согласно Рис. 95. Тактовый генератор построен на инвертирующем триггере Шмитта DD1.1. Его выходная частота f составляет несколько сотен Гц и поступает на все последовательностные узлы схемы в качестве базовой тактовой частоты.

Счетчик DD4 считает на уменьшение, поэтому вход направления счета / подключен к цепи питания резистором подтяжки, уже присутствующим в плате стенда (на схеме для компактности он не показан). Это же касается и всех остальных входов управления счетчика.

Счет разрешается сигналом . Он представляет собой прямоугольные импульсы с частотой ⁄4,

и коэффициентом заполнения, равным 75%. Для формирования такого сигнала используется асинхронный 2-разрядный счетчик, построенный на триггерах DD2.1,2.2. Использование асинхронного счетчика не приводит к нестабильности схемы: его быстродействие существенно превышает период основных тактовых импульсов, а ввиду малой разрядности счетчика не возникает накопления большой задержки переключения битов. На выходах триггеров DD2.1 и

DD2.2 счетчика присутствуют сигналы с частотами ⁄2 и ⁄4 и коэффициентами заполнения 50%.

ЛЭ DD3.1 вырабатывает уровень лог. «0» в течение интервала времени, когда счетчик хранит число 112, т.е. в течение одного из четырех тактов сигнала базовой тактовой частоты f. Таким образом, основной счетчик DD4 декрементируется на единицу каждые 4 тактовых импульса, поступающих с генератора.

— 90 —

≈3.5 В. Напряжения до 3.5 В являются допустимыми для корректной работы аналогового компаратора DA1 типа LM393 с питанием 5 В (данный компаратор не «Rail-to-Rail» по входу).

Компаратор сравнивает напряжения, поступающие с ЦАП схемы и с потенциометра R4. Последнее является входным напряжением всей схемы аналого-цифрового преобразователя и подвергается преобразованию в двоичный код. Обратите внимание, что резистор подтяжки на выходе компаратора номиналом 10 кОм уже встроен в плату стенда.

В начале цикла оцифровки (CNT[3..0] = 15) напряжение, поступающее с матрицы, максимально, и на выходе компаратора действует уровень лог. «1». В некоторый момент времени число CNT[3..0] уменьшается настолько, что соотношение входного напряжения UВХ и напряжения, поступающего с матрицы, меняется. В этот момент на выходе компаратора формируется срез. Это событие разрешает запись текущего значения CNT[3..0] в счетчик DD6, который используется в качестве параллельного регистра.

Для формирования короткого импульса, разрешающего запись этого регистра, используется пара триггеров DD5.1,5.2 и ЛЭ DD3.2. Триггер DD5.1 синхронизирует выходной бит компаратора на основной тактовый сигнал. Триггер DD3.2 хранит значение этого бита, имевшее место на предыдущем такте. Таким образом, срез сигнала на выходе DA1.1 вырабатывает в цепи

отрицательный импульс длительностью в один период тактового сигнала.

Из-за того, что счетчик DD4 декрементируется с частотой в 4 раза меньшей основной

тактовой частоты, положение импульса цепи во времени таково, что асинхронная загрузка числа в DD6 происходит надежно, в тот момент, когда значение CNT[3..0] неизменно.

Результат оцифровки выводится на 7-сегментный индикатор HG1 и группу светодиодов

DL1-4.

6.Убедитесь в работоспособности схемы. Для этого, вращая ручку потенциометра, пронаблюдайте плавное изменение числа, выводимого на 7-сегментный индикатор. Продемонстрируйте работоспособную схему преподавателю.

7.Подключите канал №1 осциллографа к цепи UВХ. Уменьшите напряжение до нуля, вращая ручку потенциометра. Схема должна выводить число 0. Плавно увеличивая напряжение, снимите зависимость результата преобразования схемы OUT[3..0] от входного напряжения UВХ. При этом делайте паузу в увеличении напряжения и измерение сразу после того, как результат преобразования изменился на единицу младшего разряда (светодиод DL1).

8.При обработке результатов сравните полученную зависимость с теоретически рассчитанной. Обратите внимание, что данная схема не в состоянии выдать число 15 (11112). Дайте объяснение этому недостатку схемы.

9.Установите такое входное напряжение схемы, которое соответствует числу на выходе, равному номеру бригады плюс 2. Канал №1 осциллографа уже подключен к цепи UВХ. Подключите канал №2 к цепи DAC (выход ЦАП), настроив масштаб по оси Y 1 В в клетке.

Совместите нули каналов №№1 и 2. Канал №3 подключите к цепи . Настройте синхронизацию по фронту сигнала в канале №2. Подберите такой масштаб по оси времени и такое горизонтальное смещение осциллограммы, чтобы на экране максимум места занял один цикл работы базового счетчика DD4 (т.е. один период пилообразно меняющегося напряжения цепи DAC). Зарисуйте или сфотографируйте осциллограмму.

10.При обработке данных дайте развернутое объяснение полученной осциллограмме.

11.Настройте синхронизацию по фронту сигнала в канале №3. Подключите канал №4 осциллографа к цепи f и увеличьте масштаб по оси времени так, чтобы одна клетка соответствовала примерно одному такту с задающего генератора. Масштабы по оси Y каналов 1

и2 увеличьте до 500 мВ в клетке.

12.Зарисуйте и сфотографируйте полученную осциллограмму. На ее основе и используя полученные сведения о работе схемы, при обработке данных составьте временную диаграмму следующих сигналов схемы: тактовый сигнал f, напряжение UВХ, напряжение цепи DAC, число

CNT[3..0], логические уровни на выходах DD5.1, 5.2, логический уровень цепи , содержимое триггеров микросхемы DD7, используемой в качестве регистра.

— 92 —