Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы микроэлектроники. Практикум
.pdf
Лабораторная работа № 6
Исследование ЦАП и АЦП
Цель работы: ознакомиться с работой ЦАП и АЦП разной
разрядности в униполярном и биполярном режимах функционирования. Исследовать влияние варьирования частоты дискретизации и уровня опорного напряжения на работу ЦАП и АЦП.
Краткие теоретические сведения:
Аналого-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые (ЦАП) преобразователи служат связующими звеньями между аналоговыми и
цифровыми электронными устройствами. АЦП преобразует сигналы первичных датчиков (положения, температуры, освещённости и т. д.) в цифровой код, доступный для регистрации и обработки цифровым устройствам (например, процессору). ЦАП решает обратную задачу, преобразуя цифровой код, поступающий
от цифровых устройств, в аналоговое управляющее воздействие
или в аналоговый регистрирующий сигнал.
В ходе операции цифро-аналогового преобразования поступающий на вход ЦАП код N (как правило, двоичный) преобразуется им в пропорциональный аналоговый сигнал по закону
D → А = N ∙ ΔА ± δА, где ΔА – шаг квантования (аналоговый
эквивалент единицы младшего разряда двоичного кода числа N),
δА – погрешность преобразования.
Выходной сигнал ЦАП определяется по формуле:
6
,
где k – коэффициент пропорциональности, А0 – опорный (эталонный) сигнал; а1, а2, … аn – коэффициенты двоичных разрядов; n – число разрядов.
Максимально возможное напряжение на выходе ЦАП не может быть выше опорного. Большинство микросхем ЦАП может
работать как в униполярном, так и в биполярном режиме. При работе в униполярном режиме выходное напряжение может иметь
только один знак, при этом один из входов опорного сигнала за-
41
6
земляется. При работе в биполярном режиме нулевое напряжение на выходе появляется при входном коде, соответствующем
середине диапазона преобразования. Мéньшим значениям будет
соответствовать отрицательный, а бÓльшим значениям – положительный знак выходного напряжения.
Зависимость выходного напряжения от входного кода ЦАП
называется его передаточной характеристикой, которая в идеале
должна иметь линейный вид (см. рис. 1а).
а)
Рис. 1. Идеальная передаточная характеристика 3-разрядного
униполярного ЦАП (а); идеальная передаточная характеристика
униполярного 3-разрядного АЦП со смещением на -1/2 LSB (б)
АЦП – устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код по закону A → D = N ± δN, где δN – погрешность преобразования. Как правило, закон преобразования
является линейным, входной сигнал представляет собой напряжение или ток, а выходной код является двоичным. Зависимость
выходного кода от входного напряжения АЦП называется его
передаточной характеристикой (по сути, это зеркальное отображение передаточной характеристики ЦАП). Для снижения погрешности преобразования передаточную характеристику АЦП
обычно смещают влево на половину единицы младшего разряда
(см. рис. 1б). Выходной сигнал АЦП определяется по формуле:
N = A/ΔА, где ΔА – шаг квантования, соответствующий величине
единицы младшего разряда.
Аналоговый сигнал является непрерывной функцией времени,
в АЦП он преобразуется в последовательность цифровых значе-
42
б)
ний. Сам процесс преобразования включает в себя три основные
операции: дискретизацию, квантование и кодирование. Операция
дискретизации (см. рис. 2а) эквивалентна мгновенной фиксации
выборки из непрерывного сигнала S(t) в моменты времени t = nТ,
после чего образуется последовательность выборочных значений
{(S(nT)}. Реально эта операция осуществляется специальными
устройствами выборки-хранения (УВХ), быстродействие которых конечно, но мы для простоты будем считать, что отсчёт производится мгновенно.
а)
6
б)
Рис. 2. Дискретизация аналогового сигнала (а); квантование
аналогового сигнала (б)
При кодировании каждому квантованному уровню ставится в
соответствие определённый код (как правило, двоичный). Зависимость выходного кода АЦП от входного напряжения называется передаточной характеристикой преобразования. Поскольку
ЦАП и АЦП представляют собой взаимно обратные преобразования, их работу можно характеризовать сходными основными
параметрами:
43
6
U1
VDAC8
D0D1D2D3D4D5D6
D7
Output
Vref+
Vref-
V1
5 V
J1
Key = 1
J2
Key = 2
J3
Key = 3
J4
Key = 4
X1
2.5 V
X2
2.5 V
X3
2.5 V
X4
2.5 V
U2
DC 10MOhm
0.000
V
+
-
V2
0.2 V
1. Максимально допустимое входное (выходное) напряжение.
2. Шаг квантования (величина единицы младшего разряда).
3. Динамический диапазон сигналов (выраженное в дБ отно-
шение максимального сигнала к минимально регистрируемому).
4. Разрядность (число двоичных разрядов) n = log2N, где
N – максимальное число кодовых комбинаций на входе (выходе)
устройства.
5. Быстродействие – максимальный интервал времени от момента запуска до достижения результата.
6. Абсолютная погрешность преобразования.
7. Нелинейность преобразования.
Ход работы:
Исследование работы ЦАП
1. Запустите программу Multisim. Соберите на рабочем столе
схему, соответствующую рис. 3. Установите значение опорного напряжения V2, соответствующее номеру N вашего варианта. Расчёт
опорного напряжения произвести по формуле: V2 = 0,2 + 0,3·N.
Указание: Нужная модель ЦАП находится в разделе Place
Mixed в каталоге ADC_DAC под именем VDAC. Для организации работы восьмиразрядного ЦАП в режиме четырёхразрядного
входы младших разрядов D0…D3 не используются.
44
Рис. 3. Схема четырёхразрядного ЦАП с униполярным выходом
2. Включите моделирование. Последовательно изменяя с по-
U1
VDAC8
D0
D1D2D3
D4
D5D6D7
Output
Vref+
Vref-
V1
1 V
V2
5 V
J1
Key = 1
J2
Key = 2
J3
Key = 3
J4
Key = 4
J5
Key = 5
J6
Key = 6
J7
Key = 7
J8
Key = 8
U2
DC 10MOhm
0.078
V
+
-
мощью ключей коды на входе ЦАП, на основании результатов
виртуального эксперимента заполните таблицу 1.
Указание:U
брать с точностью до третьего знака после за-
вых
пятой.
Таблица1
Зависимость выходного напряжения четырёхразрядного ЦАП
с униполярным выходом от входного кода
6
Двоичный код Десятичный код U
вых
, В
0000 0
0001 1
0010 2
… …
1111 15
3. Постройте диаграмму зависимости выходного напряжения
ЦАП от входного десятичного кода. Определите диапазон вы-
ходного напряжения и величину h единицы младшего разряда
(ЕМР) ЦАП.
4. Откройте схему ЦАП_2 (см. рис. 4). Установите значение
опорного напряжения V1, соответствующее номеру N вашего варианта, как и в схеме рис. 3.
Рис. 4. Схема восьмиразрядного ЦАП с униполярным выходом
45
6
U1
VDAC8
D0D1D2D3D4D5D6
D7
Output
Vref+
Vref-
V1
2 V
V2
2 V
J1
Key = 1
J2
Key = 2
J3
Key = 3
J4
Key = 4
J5
Key = 5
J6
Key = 6
J7
Key = 7
J8
Key = 8
U2
DC 10MOhm
-1.766
V
+
-
V3
5 V
5. Включите моделирование. Действуя аналогично предыдущему заданию, заполните таблицу 2.
Указание:U
Зависимость выходного напряжения восьмиразрядного ЦАП
Двоичный код Десятичный код U
0000 0000 0
0000 0111 7
0000 1111 15
0001 1111 …
0011 1111 …
0111 1111 …
1111 1111 255
1010 1000 …
0010 0000 …
0001 0011 …
6. По результатам эксперимента постройте диаграмму зависи-
мости выходного напряжения ЦАП от входного десятичного кода.
7. Загрузите схему ЦАП с биполярным выходом ЦАП_5
(см. рис. 5).
брать с точностью до четырёх значащих цифр.
вых
с униполярным выходом от входного кода
Таблица2
, мВ
вых
Рис. 5. Схема восьмиразрядного ЦАП с биполярным выходом
8. Последовательно изменяя с помощью ключей коды на входе ЦАП, на основании результатов виртуального эксперимента
заполните таблицу 3.
46
6
V1
5 V
U4
ADC
Vin
Vref+
Vref-
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
SOC EOC
X1
2.5 V
X2
2.5 V
X3
2.5 V
X4
2.5 V
X5
2.5 V
X6
2.5 V
X7
2.5 V
X8
2.5 V
U2
500 Hz
V2
2 V
Указание:U
брать с точностью до третьего знака после за-
вых
пятой.
Определите величину h единицы младшего разряда (ЕМР)
ЦАП.
Таблица3
Зависимость выходного напряжения восьмиразрядного ЦАП
с биполярным выходом от входного кода
Двоичный код Десятичный код U
, В (со знаком!)
вых
0000 0000
0000 1111
0001 1110
0101 1111
0111 1111
1001 1100
1100 0011
1110 1000
1111 1111
Исследование работы АЦП
1. Соберите на рабочем столе схему, соответствующую рис. 6.
Установите величину опорного напряжения 10 В.
Указание: Нужная модель АЦП находится в разделе Place
Mixed в каталоге ADC_DAC под именем ADC.
Рис. 6. Схема униполярного АЦП
2. Изменяя входное напряжение АЦП, выполните необходимые измерения и заполните таблицу 4. По полученным данным
постройте диаграмму зависимости выходного кода АЦП от величины входного напряжения.
47
6
V1
5 V
U4
ADC
Vin
Vref+
Vref-
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
SOC EOC
X1
2.5 V
X2
2.5 V
X3
2.5 V
X4
2.5 V
X5
2.5 V
X6
2.5 V
X7
2.5 V
X8
2.5 V
U2
500 Hz
V2
5 V
V3
2 V
V4
4 V
J1
Key = Space
Результаты аналого-цифрового преобразования
при опорном напряжении 10 В
Uвх, мВ 120 470 500 1300 3300 4500
Двоичный код
Десятичный
код
3. Для заданного опорного напряжении 10 В рассчитайте и запишите величину h шага квантования АЦП с точностью до трёх
значащих цифр. Пользуясь расчётной величиной h, вычислите и
запишите десятичный код АЦП для входного напряжения 3 В.
Выполните виртуальный эксперимент для U
его результат в двоичном и десятичном коде.
4. Установите величину опорного напряжении 5 В и повторите действия, указанные в пункте 2. Результаты оформите в виде
таблицы 4а, аналогичной таблице 4.
5. Для заданного опорного напряжении 5 В повторите действия, указанные в пункте 3.
6. Измените собранную схему в соответствии с рис. 7. Установите величину опорных напряжений источников V1 и V2 в соответствии с номером N вашего варианта: V1=V2 = 1 + 0,3·N.
7. С помощью ключа подсоедините ко входу АЦП источник ОТРИЦАТЕЛЬНОГО напряжения V3. Изменяя входное напряжение
АЦП, выполните необходимые измерения и заполните таблицу 5.
= 3 В и запишите
вх
Таблица4
48
Рис. 7. Схема биполярного АЦП
Таблица5
Результаты аналого-цифрового преобразования
при отрицательном знаке входного напряжения
Uвх, мВ -120 -470 -500 -750 -1000 -1200
Прямой
двоичный код
Десятичный
код
прям. дв. кода
Инверсный
двоичный код
Десятичный
код
инверс. дв.
кода
8. С помощью ключа подсоедините ко входу АЦП источник
ПОЛОЖИТЕЛЬНОГО напряжения V4. Изменяя входное напряжение АЦП, выполните необходимые измерения и заполните таблицу 6.
Таблица6
Результаты аналого-цифрового преобразования
при положительном знаке входного напряжения
Uвх, мВ 120 470 500 750 1000 1200
Двоичный код
Десятичный
код
6
Исследование совместной работы ЦАП и АЦП
Прежде всего, дадим необходимые пояснения. Во всех ранее реализованных экспериментах входные сигналы (коды или
напряжения) были статичны. Рассмотрим случай (см. схему на
рис. 8), когда на вход АЦП воздействует меняющийся со временем сигнал функционального генератора (в нашем случае линейно нарастающее напряжение). Входной сигнал с частотой, соответствующей частоте дискретизации, преобразуется АЦП в параллельный цифровой код, поступающий на логический анализатор, который позволяет отследить изменения этого кода со временем. Одновременно с помощью ЦАП код АЦП преобразуется в
49
6
V1
10 V
U1
VDAC8
D0D1D2D3D4
D5D6D7
Output
Vref+
Vref-
U4
ADC
Vin
Vref+
Vref-
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
SOC EOC
XFG1
XSC1
A
B
Ext Trig
+
+
_
_+_
XLA1
CQT
1
F
U2
200 Hz
J1
Key = 1
R1
1kΩ
C1
100pF
V2
10 V
аналоговый сигнал (напряжение), который непосредственно или
через фильтр подаётся на вход «В» двухлучевого осциллографа.
При этом на вход «А» осциллографа поступает исходный сигнал
функционального генератора, что позволяет в динамическом режиме одновременно наблюдать на экране осциллографа как исходный сигнал, так и результат его последовательной обработки
АЦП и ЦАП. Обратите внимание на согласованность разрешающей способности АЦП и ЦАП (они подключены к источникам
опорного напряжения одинаковой величины). Перейдём к выполнению заданий.
1. Загрузите схему АЦП_ЦАП_3 (см. рис. 8).
Рис. 8. Схема последовательной обработки сигнала
униполярным АЦП и ЦАП.
2. Установите параметры функционального генератора: форма сигнала – треугольная, частота – 20 Гц, коэффициент заполнения – 99 %, амплитуду и величину смещения установите одинакового уровня, вычисляемого в Вольтах по формуле: V = 1+0,2·N,
где N – номер варианта.
3. Установите параметры тактовых импульсов: частота –
200 Гц, коэффициент заполнения – 5 %.
4. Установите ключ, соединяющий выход ЦАП с осциллографом, в верхнее по схеме положение. Включите моделирование и
выберите такие параметры развёртки, чтобы наблюдать на экране
1…2 периода сигнала. Обратите внимание на наличие выбросов
напряжения в моменты смены кода. Скопируйте изображение
экрана осциллографа для отчёта.
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]