2018

ЦАПТ DA2 выполнен на микросхеме К572ПА1 (рис. 3.7), которая представляет собой цифро-аналоговый преобразователь, выполненный по структуре R-2R с внутренним дополнительным сопротивлением R (выводы 1 и 16), которое используется как сопротивление обратной связи в схеме ЦАПН (см. рис. 3.6), реализованном на ЦАПТ и операционном усилителе DA1.2 К157УД2. К резистору ОС можно с помощью переключателя SA1.4 параллельно подключать внешний резистор R17, что приведет к изменению коэффициента преобразования.

Рис. 3.7

Выход ЦАПН подключен к контрольной клемме Х7 и входу АЦП DA3. Величина выходного напряжения ЦАПН задается коммутацией 10-разрядного блока переключателей SA2. В положении “ON” соответствующий разряд обнулен, в обратном положении – разряд активен.

Генератор импульсов выполнен на одновибраторе К555АГ3 в соответствующем включении. Частота импульсов определяется величиной сопротивления резисторов R11 и R12 и величиной емкости конденсаторов С2 и С3. Приблизительно период следования импульсов при равенстве сопротивлений и емкостей оценивается как Т=0,7хRxC.

51

Выход генератора подключается на тактирующий вход ТИ АЦП и на контрольную точку (контакт Б1 разъема XS1).

Перемычкой, соединяющей гнездо XS1:Б1 с клеммами Х8-Х11, выходной сигнал генератора может быть также подключен к некоторым входам ЦАПТ, что позволяет проверять динамические характеристики ЦАП. При этом соответствующий переключатель блока SA2 должен быть разомкнут, а остальные – замкнуты.

. Контрольные вопросы по допуску к работе

1.Дайте определение ЦАПТ и ЦАПН.

2.Каковы рекомендации стандартов по параметрам устройств аналогового вывода?

3.Какие варианты реализации ЦАП Вам известны?

4.Перечислите статические характеристики ЦАПН.

5.Перечислите динамические характеристики ЦАПН.

6.Изложите методику определения интегральной нелинейности.

7.Изложите методику определения дифференциальной нелинейности.

8.Перечислите составляющие погрешности ЦАПН.

Порядок выполнения работы

1.Задание на выполнение работы

1.1Изучить структуру цифро-аналогового преобразователя тока (ЦАПТ) КР572ПА1, изучить принципиальную схему цифро-аналогового преобразователя напряжения (ЦАПН) на основе рассмотренного ЦАПТ и операционного усилителя К157УД2.

1.2Изучить устройство лабораторного стенда (рис. 3.8), определить местонахождение на панели стенда элементов принципиальной схемы.

52

1.3 Используя лабораторный стенд, определить в соответствии с порядком выполнения работы смещение нуля ЦАПН, интегральную и дифференциальную нелинейности, погрешность шкалы, динамические характеристики ЦАПН.

2

Рис. 3.8

2.Порядок действий

2.1.Изучить методический материал и принципиальную схему исследуемого устройства.

2.2.После собеседования с преподавателем подготовить схему исследования ЦАПН:

Перевести все переключатели блока SA2 в положение “ON”, переключатель SA1.4 разомкнуть.

53

Включить лабораторный стенд и установить заданное преподавателем значение опорного напряжения (например, 8 В), контролируя его вольтметром.

Подключить цифровой вольтметр к выходу ЦАП.

2.3. Провести три серии опытов по исследованию влияния значения UОП (3 значения по указанию преподавателя, напри-

мер, 8, 10, 12 В) на Uвых, определяя выходное напряжение ЦАПН при значении входного кода a, равного 0, затем при

максимальном и серединном значениях. Составить таблицу результатов. Восстановить значение UОП, заданное в п. 2.2.

2.4.Замкнуть переключатель SA1.4 и измерить выходное напряжение ЦАП. Исходя из номинала R17 = 15 кОм и поль-

зуясь результатами, полученными для того же UОП в п. 2.2, определить по формуле (3.2) значение R = RОС в микросхеме ПА1. Расчет внести в отчет. Разомкнуть переключатель SA1.4.

2.5.Подготовить две таблицы для вычисления интегральной и дифференциальной нелинейности характеристики: первую – для значений кода 1,2,4,8,…,512, а вторую – для интервала от 128 до 135 через единицу младшего разряда. В таблицах предусмотреть столбцы для: десятичной записи кода, его двоичного эквивалента, значения напряжения на выходе и вычисления необходимых разностей (см. «Порядок обработки материалов»).

2.6.Провести измерения и заполнить обе таблицы.

2.7. Установить все входы ЦАПН в состояние 0. Затем последовательно подключить входы с весом 8, 32, 128, 512 к выходу генератора импульсов стенда. Исследовать с помощью осциллографа выходные сигналы ЦАПН, зарисовать их форму, определить крутизну фронтов переходных процессов.

3.Порядок обработки материалов

3.1.Постройте графики влияния значения UОП на UВЫХ

вкоординатах a – UВЫХ/UОП. Оцените соответствие результатов соотношениям (3.2), (3.3), считая ROC/R = 1.

54

3.2.По данным, полученным в п. 2.6 задания, определите смещение нуля ЦАПН.

3.3.Определите интегральную нелинейность, т.е. максимальное отклонение характеристики «вход-выход» от прямой линии. Для этого в программе Excel организуйте таблицу и пе-

ренесите туда результаты из первой таблицы, заполненной для значений кода 2к. В соответствии с рис. 3.4,а вычислите идеальные значения выходного сигнала для всех точек измерения, затем отклонения реальных значений от вычисленных и найдите его максимум.

3.4.Определите дифференциальную нелинейность, обработав в программе Excel вторую таблицу результатов, т.е. вычислив в каждой точке различие между фактической высотой шага и идеальным значением 1МЗР. Изобразите соответствующий график.

3.5.Определите время установления, время нарастания, величину выбросов и длительность выбросов на графиках переключений (п. 2.4 задания).

3.6.Оформите отчет и предоставьте преподавателю для получения зачета. Подготовьте ответы на итоговые вопросы.

В отчет включаются название лабораторной работы, фамилии исполнителя и преподавателя, цель работы, порядок выполнения и результаты обработки экспериментальных данных.

Итоговые вопросы

1. Объясните принцип работы ЦАП тока на структурах R-

2R.

2.Объясните принцип действия ОУ DA2.

3.Перечислите требования к элементам ИОН.

4.Каков двоичный эквивалент (эквиваленты) серединного значения входного кода?

5.Поясните с помощью графиков, что показали результаты измерений по п. 2.3 задания.

55

6.Дайте обоснование Вашего метода вычисления RОС (п. 2.4 задания).

7.Исходя из (3.2), поясните, почему исследованный ЦАП называют перемножающим.

8.На основании данных, полученных в п. 2.7 задания, оцените, зависит ли крутизна фронтов переходных процессов от веса входного сигнала.

56

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

СРЕДСТВА ВВОДА АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ

Цель работы – изучение функционирования аналогоцифровых преобразователей (АЦП), определение их характеристик.

Теоретические сведения Функциональное назначение АЦП

По физическому состоянию аналоговая информация, которая вводится в управляющие устройства РТК, может быть либо медленно меняющимся сигналом (напряжением или током), либо синусоидальным сигналом с изменяющейся фазой.

Применение фазовых сигналов для измерения параметров движения робота обусловлено высокой точностью измерения первичной величины (обычно положения), простотой и помехоустойчивостью канала связи. Однако обработка фазовых сигналов (обычно от электромеханических фазовращателей, известных из курса электропривода) весьма сложна и специфична.

В практике наиболее распространены сигналы, вводимые в

виде напряжений. Стандартами /14-16/ даны следующие рекомендации по их параметрам – от 0 до +10 В или от –10 до +10 В постоянного тока. При этом указано, что в схеме соответствующих модулей должна быть предусмотрена гальваническая развязка входов от других цепей СУ, а электрическая изоляция должна выдерживать напряжение не менее 500 В постоянного тока в течение 1 мин. Входное сопротивление УЧПУ должно быть не менее 2 кОм. Источниками сигналов в виде напряжений обычно являются "датчики внутренней и внешней информации" /16/. Примеры таких источников студенты в состоянии привести самостоятельно. Линию связи «датчик-преобразователь» рекомендуется выполнять в виде

57

экранированной витой пары. В случае измерения сигнала малой амплитуды или от высокоомного источника следует в непосредственной близости от датчика устанавливать усилитель.

Основными элементами аналоговых модулей ввода являются аналого-цифровые (АЦП) преобразователи. Ниже рассмотрены принципы структурного и аппаратного построения этих преобразователей, а затем даны указания по их экспериментальному исследованию.

В настоящее время известно множество различных методов преобразования "напряжение-код". В достаточно общем виде перечисление типов электронных АЦП выглядит следующим образом.

Простейшим одноразрядным двоичным АЦП является компаратор напряжений. Это узел или законченная микросхема, сравнивающая два сигнала – входной и некоторый пороговый – и выдающая логический уровень 0 или 1 (если проверяется только знак входного сигнала, то на второй вход подается 0 («земля») и компаратор называют нуль-органом). Самостоятельное использование компаратора возможно, например, в схемах контроля «brown-out».

Параллельный АЦП, в котором входная величина сравнивается одновременно со всеми возможными значениями эталонного напряжения.

Последовательный АЦП, в котором входная величина многократно сравнивается с эталонным напряжением, формируемым по определенному алгоритму в виде последовательности значений, устанавливаемых через определенные промежутки времени.

АЦП с двойным интегрированием, который работает по принципу преобразования измеряемого напряжения во временной интервал с последующим измерением этого интервала.

58

Дельта-сигма АЦП, который можно рассматривать как синхронный преобразователь напряжения в частоту и следующий за ним счетчик

Типовые значения характеристик АЦП

Для последовательных схем: разрядность – 10…14; дифференциальная нелинейность – 0,5-1,5 МР; интегральная нелинейность – 0,5-3 МР; время преобразования – 1-100 мс.

Для параллельных схем: разрядность – 8…10; дифференциальная нелинейность – до 2 МР; интегральная нелинейность – до 2 МР; время преобразования – 10-100 мкс; апертурное время – до 10 нс.

Для схем с двойным интегрированием: разрядность – до 18; дифференциальная нелинейность – до 1 МР; интегральная нелинейность – до 1 МР; время преобразования – от 100 мс до 1 с.

Для схем дельта-сигма: разрядность – до 24;

эффективное разрешение не хуже 20 бит; дифференциальная нелинейность – до 1 МР; интегральная нелинейность – до 1 МР; время преобразования – от 40 мкс.

Структуры соответствующих преобразователей (АЦП) известны студентам из предшествующих курсов, /3/ и др. источников. Однако для оценки свойств и схемных решений исследуемого в работе АЦП представляет интерес сравнение двух типов АЦП.

59

новременно подается Ux и они устанав-

ливаются в нуль, если Ux<Uiоп, и в единицу в обратном случае. Последний установившийся в единицу компаратор дает фактическое значение результата преобразования. Последующая задача при считывании результата – преобразовать этот код в двоичный позиционный код, что может быть выполнено программно или аппаратно (приоритетным шифратором).

В виде ИМС такие АЦП выпускаются на 8-10 (иногда 12) разрядов. Недостаток – большое количество компараторов, большой объем шифратора, и как следствие – высокая стоимость. Применяются они в специальных контрольноизмерительных системах.

Последовательные АЦП. Принцип действия таких АЦП

– последовательное во времени сравнение преобразуемой величины с эталонным напряжением, формируемым в ЦАП.

60