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
2
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]
|
|
|
|
|
, % |
Дифф. |
|
|
|
|
|
|
|
DAC[3..0] |
B16 |
UИЗМ, В |
UТЕОР, |
В |
(относ. |
нелинейность |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
погрешность) |
(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 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
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∙ |
Uп |
+ 0∙ |
Uп |
+ 0∙ |
Uп |
|
+ 1∙ |
Uп |
= 1∙ |
|
3,3 |
+ 0∙ |
3,3 |
+ 1∙ |
3,3 |
+ 1∙ |
3,3 |
= 0,21 В |
|||||||||||||||||||
21 |
|
|
23 |
|
|
|
2 |
|
|
8 |
|
16 |
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
22 |
|
|
24 |
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
= |
|UИЗМ−UТЕОР| |
∙ 100% = |
|
|0,24−0,21| |
∙ 100% = 14,29% |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
UТЕОР |
|
|
|
|
|
|
|
0,21 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
UП |
3,3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
LSB = |
|
|
= |
|
= 0,21 В – младший значащий разряд |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
N |
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
2 |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
DNL = ( |
UИЗМ( +1)−UИЗМ( ) |
) – 1 = ( |
0,4−0,24 |
) – 1 = -0,238 LSB |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
LSB |
|
|
|
0,21 |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Интегральная нелинейность: INL = |
UТЕОР−UИЗМ |
∙100% = |
2,06−1,92 |
∙100% = 4,5% |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Umax |
|
|
|
3,09 |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
4
3.5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U, В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2.5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1.5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0.5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
B16 |
|
|
Практика |
|
Теория |
|
|
Аппрокс. теор. |
|
Аппрокс. практ. |
|
|
||||
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
5
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 |
|
|
|
|
6
3.5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U, В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2.5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1.5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0.5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
B16 |
|
|
Теория |
|
|
Практика |
|
|
Аппрокс. практ. |
|
|
Аппрокс. теор. |
|
|
||
Рис. 4 – График зависимости результата преобразования схемы OUT[3..0] от |
|||||||||||||||
|
|
|
|
входного напряжения VIN |
|
|
|
|
|
||||||
Цепь START (1 В/дел.)
Цепь VIN (1 В/дел.)
Цепь DAC_OUT (1 В/дел.)
5 мс/дел.
Рис. 5 – Осциллограмма работы схемы 4-разрядного счетного АЦП последовательных приближенийпри B = 14 (номер стола – 14)
7
Опишем принцип действия данной схемы, разбив осциллограмму по тактам генератора, тактирующего схему:
Такт 1: Результат предыдущего преобразования копируется в регистр хранения, схемой устанавливается старшийбит на ЦАП, все остальные – сбрасываются.
Такт 2: если сигнал с аналогового компаратора показывает, что напряжение ЦАП выше входного напряжения, схема сбрасывает старшийбит ЦАП, в противном случае – сохраняет его равным 1. На этом же такте устанавливается второйпо старшинству бит ЦАП.
Такт 3: если сигнал с компаратора показывает, что напряжение ЦАП выше входного напряжения, схема сбрасывает второйпо старшинству бит ЦАП, в противном случае – сохраняет его равным 1. На этом же такте устанавливается третийпо старшинству бит ЦАП.
Такт n-1: устанавливается младшийбит на ЦАП.
Такт n: если сигнал с компаратора показывает, что напряжение ЦАП выше входного напряжения, схема сбрасывает младшийбит, в противном случае – сохраняет его равным 1. На этом преобразование завершено.
Нумерация тактов сбрасывается на 0.
За хранение промежуточного числа, выводимого в ЦАП, в простеишей ̆
схеме РПП отвечает массив JK-триггеров. Каждыйиз 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,
одноединичныйкод на выходе которого показывает, какойиз JK-триггеров следует установить или осуществить условный(по сигналу с аналогового компаратора) сброс. Результат преобразования же хранится в обычном параллельном регистре.
8
ВЫВОД
В ходе выполнения данной лабораторной работы были исследованы: c-
схема ЦАП на матрице R-2R и схема 4-разрядного счетного АЦП последовательных приближении.̆
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 часовойи против часовой стрелки, делаем вывод, что наблюдения соответствует описанному принципу действия РПП.
9