Лабы ЦСХТ / ЛР7 Исследование схем ЦАП и АЦП Вар 3

_{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.
Преподаватель		Герасимов В.А.

Санкт-Петербург

202X

Цель работы

Исследовать цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) на основе резисторной матрицы R-2R, собрать и исследовать схему аналого-цифрового преобразователя (АЦП), использующего такой ЦАП в своем составе. Схема АЦП работает под управлением регистра последовательных приближений, собираемого на кольцевом счетчике, группе JK-триггеров и регистре хранения результатов преобразований.

В качестве источника данных для исследования ЦАП используется группа переключателей. В качестве оцифровываемого сигнала – напряжение с переменного резистора. Разрядность ЦАП и АЦП – 4 бита.

Обработка результатов

Рис. 1. Исследованная схема 4-разрядного ЦАП на резисторной матрице R-2R

В результате исследования ЦАП с матрицей R-2R (рис. 1) была получена экспериментальная зависимость напряжения в цепи DAC_OUT от входного числа DAC[3..0]. Сравнение данной и теоретически рассчитанной зависимости приведено в табл. 1 и на рис. 2.

Таблица 1. Зависимость выходного напряжения ЦАП от управляющего числа

DAC[3..0]	Экспериментальное значение UDAC_OUT, В	Теор. значение UDAC_OUT, В	Абсолютная погрешность, В
0	0	0	0
1	0,18	0,21	0,03
2	0,34	0,41	0,07
3	0,52	0,62	0,1
4	0,7	0,83	0,13
5	0,86	1,03	0,17
6	1,08	1,24	0,16
7	1,26	1,44	0,18
8	1,4	1,65	0,25
9	1,6	1,86	0,26
10	1,82	2,06	0,24
11	2	2,26	0,26
12	2,2	2,48	0,28
13	2,32	2,68	0,36
14	2,56	2,89	0,33
15	2,76	3,09	0,33

Формула и пример расчета теоретических значений U_{DAC_OUT}:

где биты B0 = 1, B1 = 0, B2 = 0, B3 = 0.

Рис. 2. График экспериментальной и теоретически рассчитанной зависимостей выходного напряжения ЦАП от управляющего числа

Как видно, теоретически рассчитанная зависимость в целом совпадает с экспериментальной. Это подтверждает корректность эксперимента.

Интегральная нелинейность ЦАП (максимальное отклонение от прямой линии, соединяющей крайние точки шкалы) составляет: U_И = 0,33 В. Она была определена по максимальному абсолютному отклонению экспериментального графика U_{DAC_OUT эксп} от расчетной прямой U_{DAC_OUT теор}.

Рис. 3. Исследованная схема 4-разрядного АЦП последовательных приближений

В результате исследования АЦП последовательных приближений была получена экспериментальная зависимость результата преобразования OUT[3..0] от входного напряжения. Сравнение данной зависимости с теоретически рассчитанной приведено в табл. 2 и на рис. 4.

Таблица 2. Зависимость результата преобразования АЦП от входного напряжения схемы

Входное напряжение UVIN, В	Теоретическое значение OUT[3..0]	Экспериментальное значение OUT[3..0]
0,08	0	0
0,4	2	1
0,6	3	2
0,84	4	3
0,96	5	4
1,2	6	5
1,36	7	6
1,6	8	7
1,76	9	8
1,96	10	9
2,16	11	10
2,4	12	11
2,6	13	12
2,72	14	13
2,96	15	14
3	15	15

Приведем формулу и пример расчета теоретического значения OUT[3..0]. При опорном напряжении U_П = 3 В и четырехразрядном АЦП квант преобразования будет равен:

Тогда теоретическое значение OUT[3..0] для U_VIN = 0,08 В:

Рис. 4. График экспериментальной и теоретически рассчитанной зависимости результата преобразования АЦП от входного напряжения схемы

Для исследования процесса подбора выходного напряжения ЦАП под управлением РПП на потенциометре было установлено такое напряжение, чтобы показания схемы составили OUT[3..0] = D (номер варианта – 14). При этом входное напряжение U_VIN составило 2,96 В, что соответствует ожидаемому.

Осциллограмма, на которой виден процесс подбора напряжения в цепи DAC_OUT, показана на рис. 5.

4

3

2

1

0

0

VIN

DAC_OUT

CMP

START

0

0

2

1

Рис. 5. Процесс подбора напряжения на выходе ЦАП с тем, чтобы оно оказалось близко к входному

На осциллограмме можно выделить следующие шаги.

0. Результат предыдущего преобразования переносится в регистр DD11 и устанавливается старший бит DAC3, остальные – сбрасываются.

1. Выходное напряжение U_{DAC_OUT} оказывается меньше входного, что соответствует логическому уровню CMP = 0, поэтому бит DAC3 сохраняется установленным. Устанавливается бит DAC2.

2. Выходное напряжение U_{DAC_OUT} оказывается меньше входного, что соответствует логическому уровню CMP = 0, поэтому бит DAC2 сохраняется установленным. Устанавливается бит DAC1.

3. Выходное напряжение U_{DAC_OUT} оказывается меньше входного, что соответствует логическому уровню CMP = U_П, поэтому бит DAC1 сохраняется установленным. Устанавливается бит DAC0.

4. Выходное напряжение UDAC_OUT оказывается больше входного, поэтому бит DAC0 сбрасывается.

Аналогичное поведение схемы наблюдалось при медленном вращении ручки потенциометра. Это отражает алгоритм работы РПП, который заключается в следующем: с помощью блока триггеров и компаратора побирается наиболее близкое значение напряжения, соответствующее числу от 0 до 15, методом половинного деления.

Выводы

В лабораторной работе мы исследовали цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) на основе резисторной матрицы R-2R, собрали и исследовали схему аналого-цифрового преобразователя (АЦП), использующего такой ЦАП в своем составе. Схема АЦП работает под управлением регистра последовательных приближений, собираемого на кольцевом счетчике, группе JK-триггеров и регистре хранения результатов преобразований.