Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Синтез электронных цифровых устройств на основе логических модулей. Учебное пособие
.pdf
41
2. Величину опорного напряжения Uоп. Это специальное очень
точное и высокостабильное напряжение, вырабатываемое специальной
схемой внутри ЦАП. Оно необходимо для его работы: без источника
опорного напряжения ЦАП работать не может.
Выходное напряжение ЦАП формируется из опорного напряжения
и является его частью.
ЦАП выдает на выход часть опорного напряжения, причем ее величину можно регулировать. Минимальная часть опорного напряжения –
это квант напряжения ΔU. Входной код (число) показывает количество
квантов, которые нужно взять. Зная величину опорного напряжения
Uоп и разрядность ЦАП N, можно определить квант напряжения ΔU:
.
Тогда
.
2. Основные параметры ЦАП
Наиболее важными параметрами ЦАП являются следующие:
разрядность – число разрядов выходного двоичного кода (чем их
больше, тем обычно более мелкий шаг имеет выходное напряжение и
тем более точно его можно установить);
время преобразования – это длительность одного преобразова-
ния (измерения) (характеризует быстродействие преобразователя);
максимальное выходное напряжение;
погрешность преобразования;
напряжение и ток питания, потребляемая мощность;
величина создаваемых помех.
3. Типы ЦАП
Современная промышленность выпускает в виде интегральных
схем ЦАП различных типов. Тип ЦАП определяется его конструкцией
и принципом действия. В зависимости от типа ЦАП обладают различными параметрами, главными из которых являются их точность и
быстродействие, причем чем выше точность, тем быстродействие
обычно ниже (при одинаковой стоимости). Основные типы ЦАП и их
параметры приведены в табл. 5.1.
42
Таблица 5.1
Основные типы ЦАП
Тип ЦАП
Разрядность
Максимальное
быстродействие
Цена
Применение
Широтноимпульсный
модулятор (ШИМ)
3…8 бит
До тысячи
преобразований/сек
Очень
низкая
Очень низкая
точность,
управление
яркостью
освещения,
скоростью
вращения
двигателей
и т.п.
Взвешивающий
ЦАП
До 6 бит
До миллиона
преобразований/сек
Средняя
Применяется
очень редко,
вытеснен
схемой R-2R
Взвешивающий
ЦАП на основе
схемы R-2R
До 16 бит
До нескольких
Миллионов
преобразований/сек
Низкая-
средняя
Наиболее
популярный
ЦАП
ЦАП
предискретизации,
(дельта-сигма
ЦАП)
До 32 бит
До миллиона
преобразований/сек
Средняя-
высокая
Имеет
максимальную
разрядность
4. Принцип действия ЦАП взвешивания токов
Упрощенная схема ЦАП, действующего по принципу взвешивания
токов, показана на рис. 5.3.
Источник опорного напряжения (Uоп) подключен к группе резисторов, сопротивления каждого из которых в два раза больше, чем
у предыдущего. Ток, протекающий через каждый из резисторов, согласно закону Ома, получается в два раза меньше, чем ток, протекающий через предыдущий резистор: I; I/2; I/4; I/8 и т.д. Каждый из этих
токов при помощи своего переключателя S может быть направлен либо
в землю (тогда этот ток не используется), либо на вход специальной
электронной схемы преобразователя тока в напряжение. Эти переключатели на самом деле электронные и управляются входным двоичным
43
кодом. Число переключателей равно числу разрядов входного кода, и
каждый из разрядов кода управляет своим переключателем. Самый
старший двоичный разряд входного кода управляет самым большим
током, а самый младший разряд управляет самым маленьким током.
Рис. 5.3. ЦАП, действующий по принципу взвешивания токов
Если какой-либо разряд входного двоичного кода установлен в единицу, то соответствующий ему переключатель переключается, и его ток
поступает в преобразователь «ток-напряжение». Там он преобразуется
в напряжение (в некотором масштабе) и поступает на выход. Чем старше
включенный разряд, тем больше ток и больше выходное напряжение.
На рис. 5.3 входной код равен 0110. Следовательно, первый и четвертый переключатели отключаются и пропускают ток на землю, а второй и третий переключатели пропускают ток на вход преобразователя
«ток-напряжение». Суммарный ток будет равен:
Учитывая, что
получаем
.
44
Коэффициент преобразования тока в напряжение равен , то есть:
.
Тогда в рассматриваемом примере выходное напряжение будет
равно
.
Сравним полученное значение с теоретическим, полученным из
принципа действия ЦАП. В нашем примере ЦАП четырехразрядный,
следовательно, N = 4. Входной код в двоичной системе счисления равен
0110, в десятичной системе это равно 6. Тогда
.
Таким образом, доказано, что данная схема является ЦАП.
Достоинством преобразователя такого типа является простота, высокая точность и быстродействие. Недостаток – необходимо изготавливать N высокоточных резисторов разных сопротивлений. Причем значения сопротивления должны различаться на очень большую величину.
Нужную точность изготовления таких резисторов обеспечить очень
трудно.
Поэтому в настоящее время применяются разновидности ЦАП такого принципа действия, в которых токи, различающиеся между собой
в два раза, формируются специальной схемой, называемой R-2R матрицей, содержащей резисторы только двух номиналов: R и 2R, изготовить
которые гораздо проще.
5. Погрешности ЦАП
Как и любое измерительное устройство, ЦАП обладает погрешностями. Действие двух основных погрешностей показано на рис. 5.4.
Интегральная погрешность показывает общую нелинейность преобразования, когда для малых значений выходного напряжения может
быть один масштаб преобразования, а для больших значений выходного напряжения другой масштаб. Интегральная погрешность позволяет
оценить, на сколько меняется масштаб преобразования для малых и
больших значений входного кода.
45
Рис. 5.4. Основные погрешности ЦАП
Дифференциальная погрешность показывает среднюю величину
неодинаковости кванта напряжения ΔU («ступеньки» преобразования).
Совместно эти две погрешности определяют полную максимальную погрешность ЦАП. Величину погрешности ЦАП выражают в относительных единицах – количестве значений МЗР. Например, в паспорте указана погрешность Р = 3 МЗР. Если квант напряжения составляет ΔU = 0,05 В, тогда абсолютная погрешность для входного напряжения в вольтах определяется следующим образом:
.
Следует учитывать, что указанное в паспорте значение погрешности учитывает только свойства самого ЦАП, неточность и нестабильность источника опорного напряжения Uоп дает дополнительную погрешность.
6. Принципиальная электрическая схема ЦАП
Принципиальная электрическая схема ЦАП представлено на рис. 5.5.
DA1 – микросхема ЦАП. На микросхеме DA2 собран преобразователь
тока в напряжение. Микросхема DA4 – специализированная микросхема высокостабильного источника напряжения. Совместно с операционным усилителем DA5 она является источником опорного напряжения.
Микросхема DА3 – преобразователь напряжения для питания операционного усилителя.
46
Рис.
5.5. Принципиальная электрическая схема
ЦАП
47
Описание лабораторной установки
Схема лабораторной установки приведена на рис. 5.6. Лабораторная установка содержит следующие блоки:
1. Блок SD135 – блок ЦАП.
2. Блок SD101 (два экземпляра) содержит по четыре переключателя. Два блока дают восемь разрядов – один байт и служат для задания
входного кода ЦАП. Левый блок задает старший полубайт, правый –
младший полубайт. Отсчет двоичного числа ведется как обычно: слеванаправо. Светящийся светодиод означает единицу, несветящийся – ноль.
Рис. 5.6. Схема лабораторной установки
Напряжение на выходе ЦАП 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
прибора.
48
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.
Последовательность выполнения работы
При проведении измерений в данной лабораторной работе, возникают погрешности. Это, во-первых, случайные погрешности. Вовторых, погрешности, вызванные не идеальностью (собственными погрешностями) вольтметра и ЦАП. При этом требуется определить не
только масштаб преобразования ЦАП, но и величину его собственных
погрешностей. То есть при помощи аппаратуры, обладающей погрешностями, необходимо определить погрешность одного из узлов этой
аппаратуры. Для выполнения такой работы 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. В данной работе производится лишь необходимый минимум экспериментов.
1. Определение масштаба преобразования.
1.1. Включите питание установки.
1.2. Подайте на вход ЦАП код, указанный в табл. 5.2, и занесите
в таблицу соответствующие значения выходного напряжения.
Таблица 5.2
Параметры преобразования
Номер
измерения
Входной код
двоичный
Входной код
десятичный
Выходное
напряжение,
Uвых, В
Масштаб
преобразования,
В/ед.
1
1 1 1 1 1 1 1 1
255
2
1 1 1 1 1 1 1 0
254
3
1 1 1 1 1 1 0 1
253
4
1 1 1 1 1 1 0 0
252
5
1 1 1 1 1 1 0 1
253
6
1 1 1 1 1 1 1 0
254
7
1 1 1 1 1 1 1 1
255
Среднее значение
масштаба
49
1.3. Для каждого измерения определите масштаб преобразования:
.
1.4. Определите среднее значение масштаба преобразования и за-
несите его в табл. 5.2. Это значение будет равно шагу квантования:
.
1.5. Определите величину опорного напряжения:
.
1.6. Запишите формулу выходного напряжения. Пример формулы
для выражения Uоп = 2,555 В выглядит следующим образом:
.
2. Определение интегральной погрешности
2.1. Подайте на вход ЦАП коды, указанные в табл. 5.3. Для каждо-
го из установленных кодов заносите в таблицу соответствующее ему
выходное напряжение.
2.2. Для каждого из кодов вычислите по формуле теоретическое
значение выходного напряжения и занесите его в табл. 5.3.
2.3. Для каждого из измерений вычислите погрешность:
.
2.4. Среди вычисленных значений погрешности найдите макси-
мальное значение и занесите его в табл. 5.3. Это и есть интегральная
погрешность ЦАП.
Интегральная погрешность ЦАП – это максимальное отклонение
реального выходного напряжения от того, которое должно быть исходя
из принципа действия ЦАП (полученного по формуле выходного
напряжения).
50
Таблица 5.3
Параметры интегральной погрешности
Входной код
Uвых
экспериментальная
, В
Uвых
теоретическая
, В
U погрешн,
В
десятичный
двоичный
38
0 0 1 0 0 1 1 0
74
0 1 0 0 1 0 1 0
110
0 1 1 0 1 1 1 0
146
1 0 0 1 0 0 1 0
182
1 0 1 1 0 1 1 0
218
1 1 0 1 1 0 1 0
254
1 1 1 1 1 1 1 0
Максимальное по модулю Uпогрешн.макс =
3. Определение дифференциальной погрешности
3.1. Для первого опыта, указанного в табл. 5.4, задайте на входе
Код1 и занесите в таблицу соответствующее выходное напряжение
Uвых1. Затем задайте на входе Код2 и занесите в таблицу соответствующее выходное напряжение Uвых2.
3.2. Повторите п. 3.1. для всех опытов.
3.3. Для каждого из опытов определите разность напряжений:
.
3.4. Среди вычисленных значений ∆ найдите максимальное значе-
ние и занесите его в табл. 5.4. Это и есть дифференциальная погрешность ЦАП.
Дифференциальная погрешность АЦП показывает, насколько мак-
симальный реальный шаг квантования больше ΔU.
Таблица 5.4
Параметры дифференциальной погрешности
Код 1
Uвых1, В
Код 2
Uвых2, В
Uдиф, В
0 0 1 0 0 1 1 0
0 0 1 0 0 1 1 1
0 1 0 0 1 0 1 0
0 1 0 0 1 0 1 1
0 1 1 0 1 1 1 0
0 1 1 0 1 1 1 1
1 0 0 1 0 0 1 0
1 0 0 1 0 0 1 1
1 0 1 1 0 1 1 0
1 0 1 1 0 1 1 1
1 1 0 1 1 0 1 0
1 1 0 1 1 0 1 1
1 1 1 1 1 1 1 0
1 1 1 1 1 1 1 1
Максимальное Uдиф.макс =
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]