Министерство науки и ВЫСШЕГО образования Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«Национальный исследовательский Томский политехнический Университет»
Школа ИШЭ
Специальность 13.03.02 Электроэнергетика и электротехника
Отделение школы (НОЦ) ОЭЭ
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ЦИФРО-АНАЛОГОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НА ОСНОВЕ МАТРИЦЫ R-2R
Лабораторная работа № 7
по дисциплине:
Метрология, стандартизация и сертификация
Исполнитель: |
|
|
|
|
|
студенты группы |
5А94 |
|
Милёшкин А.А.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Руководитель:
|
Кравченко Евгений Владимирович |
||||
преподаватель |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Томск – 2022
Цель работы заключается в изучении типов цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП), изучении принципа действия ЦАП с суммирование весовых токов.
Задачами лабораторной работы являются:
- изучение принципа работы резисторной сборки R-2R;
- проведение серии экспериментов для различных значений входных кодов;
- построение зависимости выходного напряжения ЦАП от значения входного кода.
Теоретические сведения
Цифро-аналоговые преобразователи предназначены для преобразования цифровой формы сигнала в аналоговую. Основным признаком, по которому различают схемы цифро-аналоговых преобразователей, является способ формирования выходного сигнала – суммирование токов, деление напряжение или суммирование напряжений.
ЦАП на основе резистивной матрицы типа R-2R является схемой с суммирование токов, которые формируются с помощью матрицы. ЦАП на основе матрицы резистивных матриц R-2R практичны, надежны, обладают высокой скоростью преобразования и легко реализуемы в интегральном исполнении.
Погрешности цифро-аналоговых преобразователей обусловлены тремя основными факторами – погрешностью смещения нулевого уровня шкалы преобразования, погрешностью коэффициента преобразования и погрешностью нелинейности характеристики преобразования.
Погрешность смещения нулевого уровня шкалы напрямую зависит от характеристик, применяемых в схемах ЦАП операционных усилителей (рис. 1, а).
После коррекции ошибки смещения возможно появление разности между реальной и номинальной характеристикой ЦАП – ошибки усиления ЦАП (рис. 1, б).
Погрешность коэффициента преобразования зависит от соотношения внутреннего сопротивления кодоуправляемых делителей и сопротивления обратной связи операционных усилителей, а также от соотношения сопротивлений наборов взвешивающих резисторов.
Рис. 1. Ошибка смещения ЦАП:
а) ошибка смещения; б) ошибка усиления; 1 – Номинальная характеристика; 2 – реальная характеристика
Основной причиной, вызывающей нелинейность функции преобразования ЦАП, является погрешность взвешивающих резисторов кодоуправляемого делителя (рис. 2.).
Рис. 2. Искажение линейности ЦАП
Чаще всего, цифровые системы оперируют с данными, представленными в прямом двоичном, обратном двоичном, двоичном дополнительном и двоичным смещенным кодах. Для перевода двоичного числа в десятичное необходимо это число представить в виде сумм произведений основания двоичной системы счисления на соответствующие цифры в разрядах двоичного числа. [9, 10]
Например, требуется представить код 1010 в виде десятичного числа. В этом числе 4 цифры и 4 разряда (разряды считаются, начиная с нулевого). Воспользовавшись алгоритмом перевода, получим:
.
Ход работы
Собираем электрическую схему, представленную на рис. 3.
Все коммутации проводить при выключенном питании лабораторной установки и выключенном мультиметре!
Рис. 3. Схема экспериментальной цепи
В таблице 1 приведены результаты проведения первого эксперимента.
Таблица 1. Результаты экспериментальных и расчетных данных
Входной код |
П1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
П2 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
П3 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
|
П4 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
|
Nвх 10 |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
Вых. сигн. |
U'вых |
0,07 |
0,45 |
0,79 |
1,18 |
1,53 |
1,92 |
2,26 |
2,66 |
Uвых |
0 |
0,38 |
0,76 |
1,138 |
1,52 |
1,9 |
2,3 |
2,65 |
Продолжение таблицы 1 |
|||||||||
Входной код |
П1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
П2 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
П3 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
|
П4 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
|
Nвх 10 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
|
Вых. сигн. |
U'вых |
3 |
3,39 |
3,73 |
4,13 |
4,5 |
4,9 |
5,26 |
5,69 |
Uвых |
3 |
3,4 |
3,8 |
4,2 |
4,5 |
4,9 |
5,3 |
5,69 |
|
Перевод входного двоичного кода таблицы 1 в число в десятичной системе счисления:
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
Пример расчета выходного сигнала:
Где
– значение выходного напряжения,
соответствующее цифровому коду
,
подаваемому на входы ЦАП;
– максимальное
входное напряжение, соответствующее
подаче на входы максимального кода
Обработка экспериментальных данных
По данным таблицы 1 построен график расчетной и экспериментальной функции преобразования ЦАП.
Приведем график зависимости расчетной и экспериментальной функции преобразования ЦАП на рисунке 4.
Рис.
4. График расчетной и экспериментальной
функций преобразования ЦАП.
Вывод: в ходе выполнения лабораторной работы были изучены типы цифро-аналоговых преобразований (ЦАП), изучен принцип действия ЦАП, а также построены графики зависимостей расчетной и экспериментальной функций преобразования ЦАП.
Ответы на контрольные вопросы
Для чего используются цифро-аналоговые преобразователи?
Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) – устройство для преобразования цифрового (обычно двоичного) кода в аналоговый сигнал (ток, напряжение или заряд), цифро-аналоговые преобразователи являются интерфейсом между дискретным цифровым миром и аналоговыми сигналами.
Какие ЦАП обладают большим быстродействием и почему?
Большинство ЦАП большой разрядности (более 16 бит) построены на принципе изменяемой плотности импульсов вследствие его высокой линейности и низкой стоимости. Быстродействие дельта-сигма ЦАП достигает сотни тысяч отсчетов в секунду, разрядность – до 24 бит.
Что такое разрядность ЦАП?
Разрядность – количество числовых разрядов, необходимых для записи этого числа в той или иной системе счисления. Разрядность числа иногда также называется его длиной.
Переведите в число в десятичной системе счисления число 10011012.
Назовите погрешности ЦАП и методы их коррекции.
Погрешности цифро-аналоговых преобразователей обусловлены тремя основными факторами – погрешностью смещения нулевого уровня шкалы преобразования, погрешностью коэффициента преобразования и погрешностью нелинейности характеристики преобразования.
Коррекция же погрешностей с учетом этих поправок может проводиться как в аналоговой, так и в цифровой форме.
При цифровой коррекции поправки добавляются с учетом их знака к входному коду ЦАП. В результате на вход ЦАП поступает код, при котором на его выходе формируется требуемое значение напряжения или тока, Наиболее простая реализация такого способа коррекции состоит из корректируемого ЦАП, на входе которого установлено цифровое запоминающее устройство (ЗУ). Входной код играет роль адресного. В ЗУ по соответствующим адресам занесены, заранее рассчитанные с учетом поправок, значения кодов, подаваемые на корректируемый ЦАП.
При аналоговой коррекции кроме основного ЦАП используется еще один дополнительный ЦАП. Диапазон его выходного сигнала соответствует максимальной величине погрешности корректируемого ЦАП. Входной код одновременно поступает на входы корректируемого ЦАП и на адресные входы ЗУ поправок, Из ЗУ поправок выбирается соответствующая данному значению входного кода поправка. Код поправки преобразуется в пропорциональный ему сигнал, который суммируется с выходным сигналом корректируемого ЦАП. Ввиду малости требуемого диапазона выходного сигнала дополнительного ЦАП по сравнению с диапазоном выходного сигнала корректируемого ЦАП собственными погрешностями первого пренебрегают.
Список использованной литературы
Метрология, стандартизация и сертификация. Сборник лабораторных и практических работ : учеб.пособие для прикладного бакалавриата / Ю.К. Атрошенко, Е.В. Кравченко, - М.: Издательство Юрайт, 2016. – 176с – Серия: Университеты России