Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Схемотехника дискретных устройств. Исследование цифро-аналоговых преобразователей. Методические указания к лабораторным работам
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра электропривода
СХЕМОТЕХНИКА ДИСКРЕТНЫХ УСТРОЙСТВ.
ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИФРОАНАЛОГОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Методические указания к лабораторным работам
Составитель А.М. БАШЛЫКОВ
Липецк
Липецкий государственный технический университет
2014
УДК 621.38(07)
Б335
Рецензент - д-р техн. наук, В.Н. Мещеряков
Башлыков, А.М.
Б335 Схемотехника дискретных устройств. Исследование цифро-
аналоговых преобразователей [Текст]: методические указания к лабораторным работам/ сост. А.М. Башлыков. - Липецк: Изд-во Липецкого государственного технического университета, 2014. - 20 с.
Методические указания предназначены для студентов направлений
«Электроэнергетика и электротехника» (профиль «Электропривод и автоматика
промышленных установок и технологических комплексов») и «Мехатроника и
робототехника», а также для студентов смежных специальностей.
Содержат описание выполнения лабораторных работ по дисциплине
«Схемотехника дискретных устройств» на стенде НТЦ-02.05.1.
Методические указания составлены с использованием материалов, предоставленных заводом-изготовителем стенда НТЦ-02.05.1 «Электроника»
Ил. 10. Библиогр.: 4 назв.
© ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный
технический университет», 2014.
© Башлыков А.М., 2014.
Принятые сокращения
3
ЦАП – цифроаналоговый преобразователь;
АЦП – аналогово-цифровой преобразователь;
ДК – десятичный код;
БИС – большая интегральная схема;
КМОП – комплементарная структура металл-оксид-полупроводник (технология
построения электронных схем);
ГЛИН – генератор линейно изменяющегося напряжения;
ГТИ – генератора тактовых импульсов;
РПП – регистр последовательного приближения.
Техника безопасности при проведении лабораторных работ
1. При эксплуатации стенда НТЦ-02.05.1 необходимо соблюдать "Прави-
ла технической эксплуатации электроустановок потребителей" и "Правила техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей".
2. Стенд НТЦ-02.05.1 эксплуатировать в помещении без повышенной
опасности по степени поражения электрическим током.
3. Включение питания стенда и выполнение работ производить только
после разрешения преподавателя.
4. Сборку электрических схем для проведения лабораторной работы, тех-
ническое обслуживание производить при отключенном питании стенда.
5. Корпус стенда должен быть заземлен. Сопротивление контура заземле-
ния не более 4 Ом.
6. При замене предохранителя или перед вскрытием задней крышки не-
обходимо отключить стенд от питающей сети.
Лабораторная работа №1
4
ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИФРОАНАЛОГОВЫХ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Цели работы
Изучение принципов построения цифроаналоговых преобразователей
(ЦАП); исследование этих преобразователей на дискретных элементах; приобретение навыков по их применению.
Теоретические сведения
В электронной аппаратуре широко используются как непрерывные (аналоговые), так и дискретные (цифровые) сигналы. Для взаимодействия устройств, обрабатывающих аналоговые сигналы, с цифровыми устройствами
служат цифроаналоговые (ЦАП) и аналого-цифровые (АЦП) преобразователи.
ЦАП иногда называют преобразователями код-аналог, поскольку входной цифровой сигнал представляется в каком-либо коде, чаще всего в двоичном. Построение ЦАП основано на суммировании напряжений или токов, пропорциональных весам разрядов. Мгновенное напряжение на выходе ЦАП пропорционально весу входного кода (его десятичному эквиваленту). Смена входных кодов вызывает изменение выходного напряжения ЦАП. Выходной сигнал преобразователя с суммированием напряжений является суммой напряжений, каждое
из которых определяется единицей в соответствующем разряде входного кода.
Значения этих напряжений относятся как веса единиц разрядов входного кода.
Если от единицы в первом (младшем) разряде появляется составляющая выходного напряжения 2
0
U1 = U1, то единицы в третьем разряде – 22U1 и т. д.
Одним из наиболее простых является ЦАП с двоично-взвешенными резисторами и суммированием токов (рис. 1.1.). Схема реализована в виде инвертирующего сумматора на ОУ. Число входов преобразователя (количество параллельно включенных резисторов) равно числу разрядов поступающего параллельного двоичного кода. На каждом входе имеются напряжения U
= Ui Б, соответствующие наличию в разрядах входного двоичного кода ло-
U
вxi
= ОБ или
вxi
гического О или логической 1. Выходное напряжение определяется выраже-
5
нием
U
= − (I1 + I2 + In)Roc,
вых
где In, I
,.., Ii - токи, втекающие в точку А через резисторы R, 2R, 4R,..., 2
n-1
n-1
R
при наличии напряжения U = 1 на том или ином входе; n - число разрядов двоичного кода.
Рис. 1.1. ЦАП с двоично-взвешенными резисторами и суммированием токов
Преобразовав это выражение, получим
U
= − U1*Rос/(R2
вых
n-1
)*(an*2
n-1
+ a
n-1
n-2
*2
+...+ ai*20),
где записанная в скобках сумма представляет собой десятичный эквивалент
входного ДК. Поскольку U1*R
ос
/(R2
n-1
) = const = K, то выходное напряжение
пропорционально весу действующего на входе кода.
Сопротивление резистора R1 должно соответствовать выражению
1/R1 = 1/R + 1/2R + 1/4R +.. .+ 1/ (2
n-1
R) + 1/Rос.
Недостатком рассмотренной схемы является необходимость тщательного
подбора резисторов, а также трудность выдержать их в рабочем диапазоне температур, что особенно сказывается при большом числе разрядов входного кода.
Кроме того, значение U1
должно быть одинаковым для всех входных разря-
вх
дов.
Указанных недостатков во многом лишена схема ЦАП с резистивной
матрицей R-2R (рис. 1.2.), содержащая резисторы только двух номиналов.
Входная цифровая информация, поступающая в параллельном ДК, запи-
6
сывается в параллельный регистр на RS триггерах T
рицы через ключи SAi1 и SAi0 подводятся напряжения U = U
- Tn. К резисторам 2R мат-
i
либо U = 0
оп
(земля) в зависимости от наличия 1 либо 0 в определенном разряде триггеров
регистра. Если к одному из резисторов 2R (например, R
ние U
(в первом разряде записана 1 и открыт ключ SA11), а левые выводы
on
) подводится напряже-
r
других резисторов 2R матрицы связаны с землей через открытые ключи SA (в
этих разрядах записаны нули), то полное сопротивление между любой из точек
А, Б, В, и землей равно R. Напряжение в точке Г относительно земли:
U
= Uоп * R/(2R + R) = 1/3 * Uоп.
Г
Рис. 1.2. ЦАП с резистивной матрицей R-2R
Из этого выражения следует, что при переходе от узла Г к узлу, находящемуся ближе к выходу схемы, напряжение
U
= 1/3 * Uоп
Г
каждый раз уменьшается вдвое. Тогда выходное напряжение, обусловленное
наличием единиц в нескольких разрядах входного ДК, определяется сложением
напряжений от каждой единицы в соответствующем разряде, т.е. пропорцио-
7
нально весу кода на входе ЦАП:
U
= (Uоп/3*2
вых
n-1
)*(an*2
n-1
+ a
n-i
n-2
*2
+...+ a2*21 + a1*20).
В ЦАП в интегральном исполнении широко используется принцип суммирования токов на элементах матрицы R-2R. БИС ЦАП изготавливают по биполярной и КМОП-технологии. Первая имеет более высокое быстродействие, а
вторая - меньшее потребление мощности. Как правило, БИС ЦАП содержит резистивную матрицу типа R-2R, набор токовых ключей, реализующих коэффициенты двоичных разрядов, и согласующие элементы. Для преобразования
суммарного выходного тока ЦАП в уровни выходного напряжения используются внешние ОУ, не входящие в БИС.
В настоящее время выпускается несколько типов ЦАП в интегральном
исполнении. Среди них широко используются ЦАП 572-й КМОП серии, а также быстродействующие серии 1118. Основная схема включения ЦАП К572ПА1
приведена на рис. 1.3.
Рис. 1.3. Основная схема включения ЦАП К572ПА1
Преобразователь К572ПА1 содержит резистивную матрицу типа R-2R
(R = 10к), которая через токовые ключи соединяется с инвертирующим входом
внешнего ОУ. Внутри ЦАП имеется резистор R
= 10к, включенный в цепь
ос
ООС ОУ.
Рассмотренный преобразователь называют перемножающим, потому что
выходное напряжение определяется произведением значения опорного сигнала
U
на значение входного цифрового кода. Его особенностью является широкий
оп
диапазон изменения опорного сигнала (до +-17В при Е
= +-17В). Входное на-
п
пряжение может быть однополярным или двухполярным. Это зависит от вида
8
опорного напряжения и входного кода. При проектировании ЦАП важное значение имеет выбор ОУ, параметры которого при использовании совместно с
К572ПА1 должны соответствовать условиям:
I
< Uоп/(R*2
вхОУ
n+1
); Uсм << Uоп/2n; КОУ >> 2
n+1
.
Подготовка к работе
1. Изучить принцип построения и работы ЦАП на дискретных элементах
и в интегральном исполнении.
2. Изобразить временные диаграммы, поясняющие преобразование дво-
ичного кода в выходной аналоговый сигнал в ЦАП с двоично-взвешенными резисторами.
3. По заданным значениям резисторов и заданному преподавателем двоичному коду рассчитать выходное напряжение для ЦАП, изображенного на
рис. 1.4. прил. 1.
4. Нарисовать исследуемую схему ЦАП.
5. Ознакомиться с порядком сборки и исследования схемы на стенде.
План работы
1. Собрать схему ЦАП, представленную на рис. 1.4. прил. 1., запитать
ОУ двухполярным источником питания, а цифровые микросхемы - источником
+5В. На входе «С» счетчика должна быть логическая «1».
2. Обнулить счетчик, подав на вход R уровень логической «1» кратковременным нажатием кнопки S3.
3. Подавая на вход «+1» счетчика одиночные импульсы с помощью
кнопки S2, снять зависимость выходного напряжения ЦАП от двоичного кода.
Измерение U
ЦАП производится вольтметром на выходе ОУ. Двоичный код
вых
определяется с помощью индикаторов Н4-Н7.
4. По полученной характеристике определить погрешности ЦАП: погрешность полной шкалы.
5. Снять с помощью осциллографа временные диаграммы и зарисовать
9
их, выполнив рекомендации п.п. 2 и 3.
6. Задать на входе ЦАП заданный преподавателем код и записать его в
счетчик кратковременной подачей на вход «С» логического «0» и замерить выходное напряжение. Сравнить полученное значение с рассчитанным ранее и
сделать выводы.
7. Сравнить результаты практического исследования схемы ЦАП с теоретическими и сделать выводы.
Контрольные вопросы
1. Пояснить принцип работы ЦАП.
2. Каковы особенности работы ЦАП с двоично-взвешенными резисто-
рами и суммированием токов.
3. Пояснить работу ЦАП с использованием матрицы типа R-2R и осо-
бенности его работы.
4. Пояснить порядок расчета выходного напряжения в ЦАП с двоичновзвешенными резисторами.
5. Пояснить порядок расчета выходного напряжения в ЦАП типа R-2R.
6. Назвать особенности применения ЦАП в интегральном исполнении.
7. Назвать и дать пояснения основным параметрам ЦАП.
Лабораторная работа №2
10
ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Цели работы
Изучение принципов построения АЦП; исследование этих преобразова-
телей на дискретных элементах; приобретение навыков по их применению.
Теоретические сведения
Аналого-цифровые преобразователи на дискретных элементах.
Схема АЦП зависит от метода преобразования и способа его реализации.
Можно выделить следующие методы построения АЦП:
- временного преобразования;
- последовательного счета;
- последовательного приближения;
- параллельного преобразования.
В схеме временного преобразования (рис. 2.1.) значению аналогового
входного напряжения U
тельность которого пропорциональна U
ставится в соответствие временной интервал, дли-
вх
. Этот интервал заполняется импуль-
вх
сами стабильной частоты, количество которых и является цифровым эквивалентом преобразуемого напряжения.
а б
Рис. 2.1. АЦП временного преобразования
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]