МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Санкт-Петербургский государственный
электротехнический университет
«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)
Кафедра ЭПУ
отчет
по лабораторной работе №7
по дисциплине «Цифровая схемотехника»
Тема: Исследование схем ЦАП и АЦП
Студент гр. 0207 _________________ Маликов Б.И.
Преподаватель _________________ Аристов С.А.
Санкт-Петербург
2023
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Целью работы является исследование схемы ЦАП на резисторной матрице R-2R и АЦП, использующее этот ЦАП в своем составе.
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ
1. Исследование схемы ЦАП на матрице R-2R
Рис. 1 – Схема для исследования ЦАП на матрице R-2R
Таблица 1. Зависимость напряжения в цепи DAC_OUT от числа DAC[3..0]
DAC[3..0] |
B16 |
UИЗМ, В |
UТЕОР, В |
(относ. погрешность) |
Дифф. нелинейность (DNL), LSB |
0000 |
0 |
0 |
0 |
- |
0,143 |
0001 |
1 |
0,24 |
0,21 |
14,29 |
-0,238 |
0010 |
2 |
0,4 |
0,41 |
2,44 |
-0,048 |
%Продолжение таблицы 1
DAC[3..0] |
B16 |
UИЗМ, В |
UТЕОР, В |
% (относ. погрешность) |
Дифф. нелинейность (DNL), LSB |
0011 |
3 |
0,6 |
0,62 |
3,23 |
-0,048 |
0100 |
4 |
0,8 |
0,83 |
3,61 |
-0,048 |
0101 |
5 |
1 |
1,03 |
2,91 |
-0,048 |
0110 |
6 |
1,2 |
1,24 |
3,23 |
-0,048 |
0111 |
7 |
1,4 |
1,44 |
2,70 |
0,048 |
1000 |
8 |
1,62 |
1,65 |
1,81 |
0,143 |
1001 |
9 |
1,86 |
1,86 |
0,20 |
-0,714 |
1010 |
10 |
1,92 |
2,06 |
6,91 |
0,333 |
1011 |
11 |
2,2 |
2,27 |
3,08 |
-0,048 |
1100 |
12 |
2,4 |
2,48 |
3,23 |
0,048 |
1101 |
13 |
2,62 |
2,68 |
2,28 |
0,048 |
1110 |
14 |
2,84 |
2,89 |
1,65 |
-0,048 |
1111 |
15 |
3,04 |
3,09 |
1,74 |
- |
Примеры вычислений при B16 = 1:
UТЕОР
= 0
+ 0
+ 0
+ 1
= 1
+ 0
+ 1
+ 1
= 0,21 В
=
=
= 14,29%
LSB
=
=
= 0,21 В – младший
значащий разряд
DNL =
–
1 =
–
1 = -0,238 LSB
Интегральная
нелинейность: INL
=
100%
=
100%
= 4,5%
Рис. 2 – График зависимости напряжения в цепи DAC_OUT от числа DAC[3..0]
2. Исследование схемы 4-разрядного счетного АЦП последовательных приближений
Рис. 3 - Схема 4-разрядного счетного АЦП последовательных приближений
Таблица 2. Зависимость результата преобразования схемы OUT[3..0] от входного напряжения VIN
B2 |
B16 |
UИЗМ, В |
UТЕОР, В |
0000 |
0 |
0 |
0 |
0001 |
1 |
0,24 |
0,21 |
0010 |
2 |
0,4 |
0,41 |
0011 |
3 |
0,6 |
0,62 |
0100 |
4 |
0,82 |
0,83 |
0101 |
5 |
1 |
1,03 |
0110 |
6 |
1,2 |
1,24 |
0111 |
7 |
1,4 |
1,44 |
1000 |
8 |
1,64 |
1,65 |
1001 |
9 |
1,88 |
1,86 |
1010 |
10 |
2,08 |
2,06 |
1011 |
11 |
2,28 |
2,27 |
1100 |
12 |
2,4 |
2,48 |
1101 |
13 |
2,64 |
2,68 |
1110 |
14 |
2,84 |
2,89 |
1111 |
15 |
3,24 |
3,09 |
Рис. 4 – График зависимости результата преобразования схемы OUT[3..0] от входного напряжения VIN
Цепь START (1
В/дел.)
Цепь VIN (1
В/дел.)
5
мс/дел.
Цепь DAC_OUT
(1 В/дел.)
Рис. 5 – Осциллограмма работы схемы 4-разрядного счетного АЦП последовательных приближений при B = 14 (номер стола – 14)
Опишем принцип действия данной схемы, разбив осциллограмму по тактам генератора, тактирующего схему:
Такт 1: Результат предыдущего преобразования копируется в регистр хранения, схемой устанавливается старший бит на ЦАП, все остальные – сбрасываются.
Такт 2: если сигнал с аналогового компаратора показывает, что напряжение ЦАП выше входного напряжения, схема сбрасывает старший бит ЦАП, в противном случае – сохраняет его равным 1. На этом же такте устанавливается второй по старшинству бит ЦАП.
Такт 3: если сигнал с компаратора показывает, что напряжение ЦАП выше входного напряжения, схема сбрасывает второй по старшинству бит ЦАП, в противном случае – сохраняет его равным 1. На этом же такте устанавливается третий по старшинству бит ЦАП.
Такт n-1: устанавливается младший бит на ЦАП.
Такт n: если сигнал с компаратора показывает, что напряжение ЦАП выше входного напряжения, схема сбрасывает младший бит, в противном случае – сохраняет его равным 1. На этом преобразование завершено. Нумерация тактов сбрасывается на 0.
За хранение промежуточного числа, выводимого в ЦАП, в простейшей схеме РПП отвечает массив JK-триггеров. Каждый из них устанавливается в единицу на том или ином такте, и сбрасывается в ноль на следующем такте, если компаратор показывает превышение напряжения ЦАП уровня входного напряжения. За «нумерацию» тактов отвечает кольцевой счетчик, одноединичный код на выходе которого показывает, какой из JK-триггеров следует установить или осуществить условный (по сигналу с аналогового компаратора) сброс. Результат преобразования же хранится в обычном параллельном регистре.
ВЫВОД
В ходе выполнения данной лабораторной работы были исследованы: c-схема ЦАП на матрице R-2R и схема 4-разрядного счетного АЦП последовательных приближений.
Для данных двух схем были рассчитаны теоретические значения напряжений от числа B. Сравнивая теоретические и практические зависимости, делаем вывод, что обе схемы работают корректно.
При этом, вращая ручку потенциометра по часовой и против часовой стрелки, делаем вывод, что наблюдения соответствует описанному принципу действия РПП.