Исследование аналого-цифрового преобразователя

Цель работы: исследование аналогово-цифрового преобразователя (АЦП).

1. Теоретическая часть

1.1 В основе построения АЦП лежит дискретизация непрерывного сигнала U(t), представляющая собой измерительное преобразование этого сигнала в последовательность его мгновенных значений Uд(кТу), соответствующих определенным моментам времени (кТц). В данном случае к принадлежит множеству к={1, 2, 3…N}, а Тц – шаг дискретизации. В общем случае взаимосвязь аналоговых и дискретных значений описывается следующей зависимостью

Uд(кТц)= ,

где U( ) – значение сигнала в момент времени , отмеченного выше множества;

- функция Дирака.

1.2 Дискретизация сигнала по времени выполняется либо с постоянным шагом Тц=const, либо с переменным шагом Тц=var. Независимо от принятого шага дискретизации в дискретном сигнале отсутствуют промежуточные значения между моментами , , поэтому в данном преобразовании необходимо восстановить все промежуточные значения с заданной погрешностью. В качестве восстанавливающего сигнала используются различные базисные функции с минимальной средней квадратической погрешностью.

1.3 По принципу действия АЦП делятся на последовательные, параллельные и последовательно-параллельные. При этом последовательную процедуру можно реализовать как развертывающего или следящего уравновешивания, так и последовательных приближений (поразрядного уравновешивания).

В данном макете использован АЦП с последовательным приближением.

Основной характеристикой АЦП является его передаточная характеристика N= f(Uвх).

2. Описание макета и порядок выполнения работы

2.1 В данной работе использована своя часть макета УСО, приведенного в предыдущей лабораторной работе (см. рис. 8.1). Выделение этой части производится с помощью соответствующей настройки УСО. В эту часть входят: АЦП, буфер DD1, вход D и выход В порта DD3, индикаторы канала В (Uн В), вход х1, клавиатура управления Р7 Р6…Р0 и кнопки управления «CS», «АВТ», А1, А0 и «ЗАП»(«WR»).

АЦП состоит из: устройства сравнения УС; генератора импульсов ГИ; регистра последовательного приближения РПП; цифро-аналогового преобразователя ЦАП. Принцип действия АЦП заключается в следующем. На один вход х1 УС подается преобразуемый аналоговый сигнал (напряжение Uвх), а на второй вход х2 этого устройства подается выходной сигнал (напряжение с выхода ЦАП). При включенной (нажатой) кнопке «АВТ» ГИ подает импульсы на вход х3 РПП. В этом регистре происходит накопление двоичной информации и на выходе его имеются различные двоичные коды, которые поступают на буфер DD1 и ЦАП, последний преобразует их в соответствующие аналоговые величины. Эти величины сравниваются в УС с входной величиной (Uвх) и при их равенстве УС выдает на УПП управляющий сигнал на отключение РПП и на индикаторах канала В (Uн В) через выход В порта DD3 должен идицироваться двоичный код, соответствующий величине входного аналогового сигнала Uвх.

2.2 Для работы АЦП необходима следующая настройка УСО, т.е. соответствующее выполнение команд (нажатие необходимых кнопок управления в определенной последовательности).

2.2.1 Записать в специальный регистр порта DD3 управляющее слово РУС (в полном соответствии с п.2.3.1 лабораторной работы №8).

2.2.2 Нажать кнопку А0 (А0=1), отжать кнопку А1 (А1=0), отжать кнопку «СS», т.е. подключаются выходы данных буфера DD1 ко входу порта DD3 и соответственно к индикаторам Uн В.

2.3 Исследование АЦП включает в себя снятие зависимости двоичного цифрового кода N ( ) на индикаторах Uн В от входного аналогового сигнала Uвх. Производится это следующим образом: нажимаем кнопку «АВТ», устанавливаем по цифровому вольтметру Uвх=0 (или близкое к нему – в крайнем левом положении ручки «Uвх» стенда), отжимаем кнопку «АВТ», нажимаем «WR», фиксируем по индикаторам Uн В двоичный код, в котором кнопке Р7 соответствует на индикаторе Uн В двоичный разряд 2⁷, Р6 → …Р0 → при условии условии свечения этих индикаторов, и нули – при отсутствии их свечения. Затем с помощью ручки Uвх и цифрового вольтметра устанавливаем Uвх=1В, нажимаем кнопку «АВТ» и отжимаем ее, фиксируем по индикаторам Uн В двоичный код и переводим его в десятичное число ДЧ. Итак, через 1В до 10 В снимаем значения Uвх, соответствующие им значения двоичного кода и десятичного числа, данные свести в таблицу и построить зависимость ДЧ= f (Uвх).

2.3.1 Снять осциллограммы цикла преобразования АЦП, используя два канала осциллографа С1-93 при отжатых кнопках коммутатора. Для этого нажать кнопку «АВТ», установить АЦП в рабочий режим преобразования аналогового сигнала Uвх в цифровой код. Соединить проводниками гнезда «Y1(I)» и х2 (выход ЦАП), гнезда Y3(I) и х3 (выход ГИ). Осциллограммы выходов ЦАП и ГИ снять для двух значений входных сигналов, установив ручкой «Uвх» значения 1В и –8В (гнездо х1). Измерить частоту тактовых импульсов ГИ и время преобразования на выходе ЦАП.

3. Содержание отчета

3.1 Схема макета УСО (рис.8.1).

3.2 Порядок настройки УСО на исследование АЦП.

3.3 Табличные данные экспериментов, графические зависимости и осциллограммы преобразования АЦП.

3.4 Выводы по работе.

4. Контрольные вопросы

4.1 Приведите наиболее распространенные принципы и схемы построения АЦП.

4.2 Назовите области применения АЦП.

Лабораторная работа № 10

Исследование мультивибратора на транзисторах

Цель: проанализировать схемотехническое построение мультивибратора на транзисторах, теоретически рассчитать и экспериментально определить значение динамических параметров при различных значениях элементной базы.

1. Теоретическая часть

М ультивибраторы (МВ) являются генераторами релаксационных колебаний. В импульсной и цифровой схемотехнике они широко применяются для получения импульсов прямоугольной формы.

Существует большое разнообразие принципов построения МВ и их схемотехнических решений. Наиболее часто для построения МВ применяются двухкаскадные транзисторные ключи, охваченные положительной обратной связью ПОС, элементами которой являются RC-цепочки.

МВ могут работать в одном из трех режимов: автоколебаний; ждущем (заторможенном) и синхронизации (деления частоты). В данной лабораторной работе рассматривается первый режим работы МВ, для которого характерны два состояния квазиравновесия. Во время этих состояний происходят относительно медленные изменения токов и напряжений в выходных и управляющих цепях МВ. Квазирезонансные состояния заканчиваются лавинообразным изменением токов и напряжений в этих цепях.

Для создания автоколебательного режима работы, рассмотренного выше двухкаскадного транзисторного ключа, охваченного ПОС, необходимо выполнение двух условий возбуждения:

баланс амплитуд:

, (10.1)

баланс фаз:

, (10.2)

где К_кi – коэффициент передачи I-го ключа;

К_посі – коэффициент перчачи j-й ПОС;

- фазовый сдвиг соответственно і-го ключа и j-ой ПОС;

n – коэффициент фазового сдвига, значения которого принадлежат множеству К={0,1,2…}.

Условия самовозбуждения рассмотренного МВ должны выполняться не на одной частоте, как в генераторах гармонических колебаний, а в широком диапазоне частот f ( ).

На рис.10.1 приведено схемотехническое представление исследуемого МВ, который включает в себя: два транзисторных ключа (VT1, R_k1 и VT2, R_k2 ) и две цепочки ПОС (C1, R1 и C2, R2). Если оба ключа и их ПОС идентичны, то есть соответствующие элементы совершенно одинаковы (VT1 VT2, R_k1 и R_k2 , С1 и С2, R1 и R2), то получим симметричный МВ, у которого значения напряжения на выходе ключей U_k1=U_k2, длительность импульса t_u равна длительности паузы t_u . Изменение значения одного или нескольких элементов схемы нарушает симметрию МВ и приводит к нарушению отмеченных выше равенств (U_k1 U_k2; t_и t_п), но при сохранении условий самовозбуждения автоколебательный режим сохраняется.

Рисунок 10.1. – Принципиальная схема МВ на транзисторах