Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Синтез электронных цифровых устройств на основе логических модулей. Учебное пособие
.pdf
31
На рис. 4.4 DA1 – микросхема АЦП. Микросхема имеет восемь
входных каналов IN0…IN7, из которых используется только вход IN0.
На логических элементах DD1…DD4 выполнен формирователь сигналов управления. Сигнал «Start» используется для запуска преобразования, сигнал «Такт» представляет собой тактовые импульсы, задающие
работу АЦП и его длительность преобразования (для полного цикла
преобразования требуется N+1, то есть девять импульсов), сигнал «ОЕ»
разрешает работу АЦП. Наличие на входах АЦП логических элементов
DD1.2 – DD1.4 улучшает четкость срабатывания системы управления,
даже если входные сигналы не вполне соответствуют стандартным логическим уровням.
Логический элемент DD5 управляет светодиодом HL1, индицирующим конец преобразования «ЕОС». Этот сигнал может восприниматься компьютером, для того чтобы обозначить момент, когда пора
производить чтение выходного кода с АЦП. Микросхема DA2 – специализированная микросхема высокостабильного источника напряжения.
Совместно с операционным усилителем DA3 она является источником
опорного напряжения. Микросхема DD6 – преобразователь напряжения
для питания операционного усилителя.
Описание лабораторной установки
Лабораторная установка, схема которой приведена на рис. 4.5, содержит следующие блоки:
1. Блок SD134 – блок АЦП.
2. Блок 16002023 – тактовый генератор, вырабатывающий как им-
пульсы синхронизации, необходимые для работы АЦП, так и импульс
START.
3. Блок SD102 (два экземпляра) содержит четыре светодиода –
индикатора. Два блока дают восемь разрядов – один байт и служат для
индикации выходного кода АЦП. Левый блок индицирует старший полубайт, правый – младший полубайт. Отсчет двоичного числа ведется
как обычно: слева–направо. Светящийся светодиод означает единицу,
несветящийся означает ноль.
На вход АЦП подается регулируемое постоянное напряжение от
источника питания, которое измеряется цифровым вольтметром, включенным в режим измерения постоянного напряжения. Очень важно в
данном месте использовать цифровой вольтметр высокой точности, так
как с его помощью происходит поверка другого цифрового измерительного прибора – АЦП.
32
Рис. 4.5. Схема лабораторной установки
33
Последовательность выполнения работы
При проведении измерений могут возникнуть погрешности. Это,
во-первых, случайные погрешности и, во-вторых, погрешности, вызванные не идеальностью (собственными погрешностями) вольтметра и
АЦП. При этом требуется определить не только масштаб преобразования АЦП, но и величину его собственных погрешностей. То есть при
помощи аппаратуры, обладающей погрешностями, необходимо определить погрешность одного из узлов этой аппаратуры. Для того чтобы такая работа была выполнима, применяется статистический метод исследований: измерения производятся несколько раз с различными значениями, а затем результаты усредняются (или выбирается максимальное
значение). Точность результата при таком методе тем выше, чем больше произведено экспериментов.
1. Определение масштаба преобразования
Блоки устанавливаются на наборном поле стенда. Выводы, которыми блоки включаются в гнезда наборного поля, являются выводами
питания блоков. Они соединяются проводниками с внешним источником питания – источником постоянного напряжения 5 В. Соединения
внутри блоков производятся специальными тонкими проводниками,
оснащенными штекерами.
1.1. Включите питание установки.
1.2. Подайте на вход АЦП некоторое напряжение, у которого в пя-
ти старших разрядах установлены единицы.
1.3. Занесите в табл. 4.3 входное напряжение, измеряемое вольт-
метром, и выходной двоичный код АЦП.
1.4. Повторите пункты 1.2–1.3 несколько раз, каждый раз устанавливая на выходе новый другой код, пока все строки табл. 4.3 не окажутся заполненными.
Таблица 4.3
Параметры преобразования
Номер
измерения
Входное
напряжение, В
Выходной код
Масштаб М, В/ед.
двоичный
десятичный
1
2
3
4
5
6
7
Средний масштаб Мсредн =
34
1.5. Переведите выходной двоичный код в соответствующий ему
десятичный и занесите в табл. 4.3.
1.6. Для каждого из измерений определите масштаб преобразования по формуле:
1.7. Вычистите среднее значение масштаба преобразования:
и занесите его в табл. 4.3.
1.8. Определите шаг квантования (квант напряжения). Он равен
масштабу преобразования:
Это значение и будет искомым параметром АЦП.
1.9. Определите значение опорного напряжения АЦП:
,
где N – число разрядов АЦП (N = 8).
1.10. Запишите формулу выходного кода АЦП для полученного
значения Uоп. Пример формулы выходного кода АЦП для значения
Uоп = 0,01014 вольт выглядит так:
.
2. Определение интегральной погрешности
2.1. Подавайте на вход АЦП напряжения, указанные в табл. 4.4.
При невозможности установить точное значение напряжения устанавливайте наиболее близкое к указанному значение, при этом обязательно
впишите правильное установленное значение входного напряжения в колонку Uвх в соответствующую строку таблицы. Для каждого из установленных значений входного напряжения заносите в таблицу соответствующий ему выходной двоичный код.
2.2. Переведите экспериментальный двоичный выходной код в десятичный и занесите в табл. 4.4.
35
Таблица 4.4
Параметры интегральной погрешности
Uвх, В
Выходной код
Погрешность,
ед.
Экспериментальный
Теоретический
десятичный
Двоичный
Десятичный
0,1
0,4
0,7
1
1,3
1,6
1,9
2,2
2,5
Максимальная погрешность =
2.3. Для каждого из измеренных входных напряжений вычислите
по формуле теоретический выходной код и занесите его в табл. 4.4.
2.4. Для каждого из измерений вычислите погрешность:
2.5. Среди вычисленных значений погрешности найдите максимальное значение и занесите его в табл. 4.4. Это и есть интегральная
погрешность АЦП.
Интегральная погрешность АЦП – это максимальное отклонение
реального выходного кода от того, который должен быть исходя из
принципа действия АЦП (формулы выходного кода).
3. Определение дифференциальной погрешности
3.1. Подайте на вход АЦП напряжение, указанное в первой строке
табл. 4.5 в колонке «Код 1».
3.2. Занесите получившийся двоичный код в табл. 4.5.
3.3. Увеличьте входное напряжение на величину ΔU, найденную
в п. 1.8. Получившееся значение напряжения занесите в табл. 4.5 в столбец «U2 = U1 + ΔU».
3.4. Занесите получившийся двоичный код в табл. 4.5 в колонку
«Код 2».
36
Таблица 4.5
Параметры дифференциальной погрешности
Код 1
Код 2
Разность
кодов
U1, В
двоичный
десятичный
U2 =
= U1+ΔU
двоичный
десятичный
0,2
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
Дифференциальная погрешность (максимальная разность) =
3.5. Повторите пункты 3.1–3.4 для всех строк табл. 4.5.
3.6. Переведите все двоичные коды в десятичные.
3.7. Вычислите разность кодов и занесите в табл. 4.5:
3.8. Среди вычисленных значений разности кодов найдите максимальное значение и занесите его в табл. 4.5. Это и есть дифференциальная погрешность АЦП.
Дифференциальная погрешность АЦП показывает, насколько мак-
симальный реальный шаг квантования больше ΔU.
4. Определение полной максимальной погрешности
Полная максимальная погрешность является геометрической сум-
мой погрешностей:
Получившаяся погрешность выражена в безразмерной величине –
единицах. Обычно погрешность выражают в количестве единиц МЗР:
Некоторые значения, вычисленные по этой формуле, приведены
в табл. 4.6, с помощью которой можно определить погрешность
∆преобразования по значениям Пмакс.
37
Таблица 4.6
Теоретические параметры полной погрешности
Пмакс, ед.
0 1 2 3 4 5 6 7 8
∆преобразования,
МЗР
0
0,5
1
1,5
2
2,5
2,5
2,5
3
Содержание отчета
1. Цель работы.
2. Структурная схема АЦП.
3. Графики, иллюстрирующие основные погрешности АЦП.
4. Таблицы 4.1–4.5 с результатами измерений.
5. Вычисления необходимых величин.
6. Таблица 4.7 с основными параметрами АЦП.
Таблица 4.7
Основные параметры АЦП TI ADC0808
Uоп, В
ΔU, В
Формула
выходного кода
Погрешности, МЗР
интегральная
дифференциальная
полная
Контрольные вопросы
1. Для чего предназначен АЦП?
2. Какой код на выходе АЦП?
3. Что такое квантование по уровню?
4. Что такое квант напряжения?
5. Как найти неизвестное входное напряжение АЦП по выходному
коду?
6. Для чего нужно опорное напряжение?
7. Как определить величину кванта напряжения?
8. Какое максимальное напряжение может измерять АЦП, если
Uоп = 3 В?
9. Какие основные параметры АЦП вам известны?
10. Какие основные типы современных АЦП?
11. Каковы основные параметры микросхем АЦП последователь-
ного приближения?
12. В чем состоит принцип действия АЦП последовательного при-
ближения?
38
13. Для чего нужны импульсы синхронизации?
14. Сколько синхроимпульсов требуется для одного преобразова-
ния?
15. Как определить скорость (или длительность) преобразования,
зная частоту тактовых импульсов?
16. В чем состоят основные погрешности АЦП?
17. Какой метод исследования применяется для определения пара-
метров АЦП и почему?
18. Какова минимальная длительность преобразования исследо-
ванного АЦП?
19. Как определяется масштаб преобразования?
20. Чем отличается масштаб преобразования и квант напряжения?
21. Одинаковым ли получился масштаб предобразования в различ-
ных опытах?
22. Какие значения масштаба преобразования и кванта напряжения
имеет исследованный АЦП?
23. Запишите формулу выходного кода исследованного АЦП.
24. Чему равно входное напряжение АЦП, если десятичный вы-
ходной код равен 187?
25. Чему равны погрешности исследованного АЦП?
26. Равна ли полная максимальная погрешность указанному в пас-
порте значению 1,5 МЗР? Если не равна, объясните почему.
39
Лабораторно-практическая работа № 5
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ
ЦИФРО-АНАЛОГОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
Цели работы
1. Ознакомление с работой реальной микросхемы цифроаналогово-
го преобразователя (ЦАП).
2. Определение экспериментально основных параметров ЦАП,
необходимых для его практического применения.
Содержание работы
1. Изучение принципа действия и конструкции ЦАП.
2. Ознакомление со схемой включения ЦАП.
3. Экспериментальное определение масштаба преобразования ЦАП.
4. Экспериментальное определение величины основных погрешно-
стей ЦАП.
Подготовка к выполнению работы
1. Назначение ЦАП
ЦАП преобразует входной двоичный цифровой код в выходное
электрическое напряжение постоянного тока (рис. 5.1). Это напряжение
появляется на выходе ЦАП и его можно использовать. Фактически это
управляемый источник напряжения, выдающий напряжение в некотором масштабе. ЦАП применяют для создания напряжения требуемой
величины при формировании электрических сигналов при помощи
микропроцессора.
Входной код принимает только целые значения. Поэтому функция
преобразования является ступенчатой – выходное напряжение округляется до определенной величины ΔU. Такое округление называется
квантованием по уровню, а сама величина ΔU – шагом квантования или
квантом напряжения (это величина «ступеньки» на рис. 5.2). Выходное
напряжение равно величине ступеньки, умноженной на количество
включенных ступенек. Количество включенных ступенек равно коду
(числу) на входе ЦАП:
.
40
Рис. 5.1. Структурная схема ЦАП
Рис. 5.2. Квантование по уровню в ЦАП
Величина кванта напряжения ΔU определяется из масштаба преоб-
разования. Для этого необходимо знать два основных параметра ЦАП:
1. Разрядность ЦАП – число разрядов N двоичного числа, обозна-
чающего входной код.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]