7.3.Задание на проведение исследований

1.Установите на лабораторный стенд накладку лабораторной работы №7 (см. Рис. 106), включите питание и запустите на стенде лабораторную работу №7, обозначенную в меню как «ЦАП и АЦП». Для этого при помощи кнопок «►» и «◄» выберите нужный пункт в меню, а затем при помощи кнопки « » запустите процесс загрузки файла с конфигурацией в память ПЛИС. Убедитесь в том, что стенд включил индикатор «Работа», а дисплей стенда выводит сообщение «Работа выполняется».

Рис. 106. Накладка «Работа №7. Исследование схем ЦАП и АЦП»

2. Соберите схему для исследования принципа действия ЦАП на основе матрицы резисторов R-2R (см. Рис. 107). В качестве ЛЭ 2И используйте ЛЭ, реализованные на ПЛИС, не перепутайте их с ЛЭ 2И-НЕ, представленными в стенде микросхемой 74HC00.

В качестве элементов SB0-3 используйте движковые переключатели, расположенные в нижней части платы лабораторного стенда. Обратите внимание, что токоограничительные резисторы для светодиодов и сами светодиоды, связанные с переключателями, а также резисторы на 2 и 1 кОм, образующие матрицу R-2R, ее выходной RC-фильтр (1 кОм, 1 нФ) уже встроены в плату стенда. Требуется лишь соединить выходы переключателей со входами ЛЭ, а выходы ЛЭ

– с матрицей R-2R и 7-сегментным индикатором.

ЛЭ установлены в схеме в качестве буферов. Это связано с тем, что последовательно подвижному контакту переключателей в плате стенда установлены защитные резисторы на 100 Ом (на схеме не показаны), которые могли бы исказить результаты измерений. Более того, в схеме АЦП источником сигналов для ЦАП будет именно ПЛИС с ее характерными напряжениями логических уровней, а не переключатели, и исследовать резисторную матрицу R- 2R следует именно так, как она будет задействована далее в схеме АЦП.

3.Подключите канал №1 осциллографа к выходу схемы (DAC_OUT). Настройте автоматический режим синхронизации, масштаб по оси времени порядка 25-100 мс в клетке, по оси Y – 1 В в клетке.

4.Изменяя состояние переключателей, средствами осциллографа снимите зависимость выходного напряжения матрицы R-2R от числа, формируемого битами DAC3-DAC0. При снятии зависимости изменяйте входное число в одном направлении (например, в сторону увеличения от 00002 к 11112). Контролировать правильность установки очередного числа проще всего при помощи 7-сегментного индикатора HG1, показывающего его в 16-ричном виде.

5.При составлении отчета постройте график зависимости напряжения в цепи DAC_OUT от числа DAC[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.

—95 —

Рис. 107. Схема для исследования ЦАП на матрице R-2R

6. Соберите схему 4-разрядного АЦП последовательных приближений, входным сигналом которого является напряжение с потенциометра R2, согласно 0. В его основе лежит РПП (регистр последовательных приближений), построенный на функциональных узлах DD2DD10.

Тактовый генератор, собранный на компонентах R1, C1, DD1, следует подключить к зоне выводов ПЛИС лишь единожды, одним коротким проводом, ко входу блока, подписанного на накладке как «Общий тактовый вход». Тактовые входы всех функциональных узлов, использованных в схеме АЦП, подключаются к общему тактовому входу внутри самой ПЛИС.

Пятиразрядный кольцевой счетчик DD3 требует инициализации переключателем SB1, который следует кратковременно перевести из положения лог. «1» в лог «0» и обратно. В этот момент в счетчик асинхронно загружается число со входов D0…D4, равное, как видно из схемы, 000012. После возвращения SB1 в лог. «1» от такта к такту единица перемещается с выхода Q0 на Q1, далее на Q2 и т.д.; в конце цикла работы РПП единица переносится с Q4 в Q0, и схема начинает работать с начала. Одновременно единица присутствует лишь на одном выходе DD2.

Поскольку единица на выходе Q0 кольцевого счетчика DD2 присутствует на первом такте работы РПП, соответствующая ему цепь обозначена как START. В начале цикла работы РПП устанавливается старший бит DAC3 на выходе массива JK-триггеров DD3, формирующего управляющий сигнал ЦАП DAC[3..0]. Остальные биты DAC2-DAC0 сбрасываются благодаря трем ЛЭ DD8-10. Состояние DAC[3..0] = 10002 соответствует ситуации, в которой аналоговый компаратор DA1 определяет, превышает ли входное напряжение VIN половину полной шкалы АЦП.

На следующем такте Q1 = 1. Этот уровень устанавливает триггер, выдающий сигнал DAC2, и одновременно с этим сбрасывает DAC3, но только при условии, что установка DAC3 уже привела к тому, что компаратор DA1 показал: напряжение на выходе ЦАП (DAC_OUT) превысило входное напряжение АЦП VIN (за это отвечает ЛЭ DD4), т.е. VIN меньше половины шкалы АЦП. На данном такте РПП «выясняет», следует ли установить второй по старшинству бит DAC2 числа DAC[3..0], управляющего ЦАП, для того, чтобы напряжение на выходе ЦАП стало еще ближе к входному напряжению VIN.

— 96 —

Рис. 108. Схема 4-разрядного счетного АЦП последовательных приближений

Далее логика работы регистра последовательных приближений повторяется вплоть до момента, когда кольцевой счетчик «взвесил» самый младший бит DAC0, тот, по необходимости, сбросился при Q4 = 1, и схема вернулась в состояние Q0 = 1, Q2…4 = 0. Именно в этот момент времени состояние шины DAC[3..0] отражает результат завершившегося преобразования, и он сигналом Q0 = START = 1 переносится в параллельный регистр DD11, число с которого выводится на 7-сегментный индикатор HG1. С учетом того, что массив JK-триггеров никак не инициализируется, очевидно, что самый первый цикл работы данного АЦП дает случайный результат.

7.Убедитесь в работоспособности схемы. Для этого, вращая ручку потенциометра, пронаблюдайте плавное изменение числа, выводимого на 7-сегментный индикатор в диапазоне 016…F16. Продемонстрируйте работоспособную схему преподавателю.

8.Подключите канал №1 осциллографа к цепи VIN. 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 VIN. При этом делайте паузу в увеличении напряжения и измерение сразу после того, как результат преобразования изменился. При обработке результатов сравните полученную зависимость с теоретически рассчитанной.

9.Установите такое входное напряжение схемы, которое соответствует числу на выходе, равному номеру стола (если номер стола больше 15-ти, т.е. F16, вычтите из номера стола число 10). Канал №1 осциллографа уже подключен к цепи VIN. Подключите канал №2 к цепи DAC_OUT (выход ЦАП), настроив масштаб по оси Y 1 В в клетке. Совместите нули каналов №№1 и 2. Канал №3 подключите к цепи START. Настройте синхронизацию по фронту сигнала в канале №3. Подберите такой масштаб по оси времени и такое горизонтальное смещение осциллограммы, чтобы на экране максимум места занял один цикл работы схемы (т.е. один период сигнала START). Cфотографируйте осциллограмму. При обработке данных дайте развернутое объяснение полученной осциллограмме.

10.Вращая ручку потенциометра по часовой и против часовой стрелки, посмотрите, как РПП подбирает число DAC[3..0] с тем, чтобы напряжение на резисторной матрице ЦАП в конце цикла работы РПП оказалось как можно ближе к входному напряжению VIN. В отчете отразите, соответствуют ли ваши наблюдения описанному выше принципу действия РПП.

—97 —