Аналоговые интерфейсы ЭВМ / Лаб 2
.doc
2. Лабораторная работа N 2.
"ЦАП на сетке R-2R"
Теория.
Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) находят широкое применение в системотехнике для преобразования информации, представленной в цифровой форме, в информацию, представленную в аналоговой форме (например, уровнем напряжения, тока, частотой сигнала, сдвигом фазы между опорным и вспомогательным сигналами одной частоты и т.д.). Наибольшее распространение получили ЦАП, преобразующие двоичный код в напряжение, сокращенно ПКН (преобразователи "код-напряжение"), поэтому в общетехнической литературе под ЦАП часто понимается именно ПКН, а никакой-либо другой тип ЦАП.
В вычислительной технике ЦАП часто используются в устройствах сопряжения ЦВМ с объектом управления (УСО) для передачи управляющего воздействия на объект в форме непрерывного аналогового сигнала, а также в устройствах речевого (акустического) вывода информации из ЦВМ.
Основой многих ЦАП типа "код-напряжение" или "код-ток" служит сетка R-2R с набором аналоговых ключей, управляемых значениями двоичных разрядов преобразуемого кода. Электрическая схема одного из вариантов такого ЦАП, включающая в себя операционный усилитель для преобразования суммы входных токов в пропорциональный сигнал напряжения, приведена на рис.1.
Стрелками с написанной рядом буквой ai условно обозначены входы управления соответствующих аналоговых ключей Si.
Сетка R-2R обладает следующим интересным свойством. Например, если ее разорвать в точке A0 и проанализировать сопротивление нижней части сетки относительно "земли" (т.е. относительно шины нулевого потенциала), то окажется, что это сопротивление практически не зависит от положения переключателя S0 и равно R.
Соответствующий фрагмент сетки R-2R изображен на рис.2.
При верхнем положении аналогового переключателя S0 резистор 2R подключен к инвертирующему входу операционного усилителя AD1, потенциал которого (Uвх-) поддерживается благодаря отрицательной обратной связи на близком к нулю уровне. При нижнем положении переключателя S0 резистор 2R подключен непосредственно к "земле" (рис.2) . Таким образом, точка A0 оказывается соединенной с близкими к нулю потенциалами через два параллельно включенных резистора 2R, т.е. сопротивление точки A0 относительно "земли" оказывается равным R.
Если рассмотреть аналогичную точку A1, заменив нижний фрагмент сетки R-2R (от точки A0 вниз) его эквивалентным сопротивлением, то получим схему, приведенную на рис.3, повторяющую по сути дела схему на рис.2.
Рассуждая аналогично, приходим к выводу, что сопротивление точки A1 относительно "земли" тоже равно R. Те же самые рассуждения позволяют доказать, что нижние фрагменты сетки R-2R, отсекаемые точками Ai, ..., An-1, An, также равны R, и, следовательно, потребляемый от источника опорного напряжения Uоп ток не зависит от состояния переключателей S0, S1, ..., Sn-1, Sn, поскольку сопротивление точки An относительно "земли" всегда равно R.
С другой стороны ток I1, втекающий через точку A0 во фрагмент сетки R-2R, изображенной на рис.2, делится, как ясно из схемы, на два одинаковых тока: I0+I0=I1. В свою очередь, ток I2 (см. рис.3) также делится на два одинаковых тока: I1=0, 5 х I2, и т.д., вплоть до тока In+1 = In +In.
То есть через горизонтальные сопротивления 2R и ключи Sj протекают взвешенные" в соответствии с весами двоичных j-тых разрядов токи: через ключ S1 ток I1 c "весом" I1 = I0 х 2; через ключ S2 ток I2 с "весом" I2 = I0 х 4; через ключ Sn ток In c "весом" In = I0 х (2 в степени n) .
Входной двоичный код ЦАП можно записать как сумму произведений значений j-того двоичного разряда (1 или 0) на два в j-ой степени.
При верхнем положении ключа Sj, т.е. при единичном значении соответствующего двоичного разряда входного кода Nвх, соответствующий ток Ij поступает на инвертирующий вход усилителя AD1, при нижнем нет. Таким образом, сумма токов I, поступающих на инвертирующий вход AD1, определяется аналогичным выражением, то есть суммой произведений токов I0 на значение соответствующего j-того разряда кода Nвх и на два в степени j.
При большом входном сопротивлении усилителя AD1 можно считать, что ток Iвх = 0. Согласно закону Кирхгофа для узла "B" и закону Ома для цепи Roc:
I Iос = 0
Uвх Uвых Uвых
I = --------= -----(2)
Roc Roc
Uвых = I * Rос, где ток I прямо пропорционален входному двоичному коду Nвх.
Следовательно, ЦАП реализует линейную зависимость между входным двоичным кодом и выходным напряжением.
Микросхема КР572ПВ1 содержит сетку R-2R на 12 двоичных разрядов, ключи S0... S11, входы управления, которыми 0... 11 являются входами цифрового кода ЦАП, резистор Roc и ряд дополнительных вспомогательных резисторов. Источник опорного напряжения и операционный усилитель AD1 должны подключаться к микросхеме КР572ПВ1 как внешние элементы.
Методика.
Обязательно прочитайте этот раздел до конца, прежде чем Вы попытаетесь что-либо сделать.
Перед началом работы обязательно ознакомьтесь с теоретическим материалом, приведенном в разделе "Теория" (вызывается нажатием клавиш <Alt>+<T>) . После этого полезно попытаться ответить на контрольные вопросы, приведенные в соответствующем разделе (вызываются клавишами <Alt>+<Q>) .В зависимости от типа вопросов отвечать нужно либо путем выбора правильного ответа из подмножества приведенных ответов, нажимая для переключения варианта выбора (подсвеченный текст) на клавишу <Tab> и для выбора ответа на клавишу <Enter>, либо путем ввода конкретного значения или слова, дающего верный ответ. При этом ведется подсчет верных и неверных ответов без показа итога. (Эти данные станут, видимы на следующем этапе работы, когда Вы начнете создавать структурную схему установки). Неверный ответ сопровождается звуковым сигналом без перехода к следующему вопросу. Правильный ответ автоматически вызывает следующий вопрос.
Для выполнения работы войдите в окно выполнения с помощью клавиш <Alt>+<E> или через основное меню (по F10) . На экране должно появиться изображение основных узлов исследуемой подсистемы аналогового интерфейса.
Создайте функциональную схему установки, указав необходимые соединения источников и приемников сигналов в выделенных строках ввода внизу экрана. Для переключения окон ввода используется клавиша <Tab>. Названия сигналов приводите полностью и теми буквами, которые использованы в изображениях блоков (как правило, латинские). Если названия источников и приемников соединяемых цепей заданы по Вашему мнению правильно нажмите <Enter>. Старайтесь не ошибаться, поскольку машина ведет подсчет сделанных Вами ошибок, суммируя их с ошибками, сделанными при ответах на вопросы. Двухкоординатный графопостроитель выводит результаты эксперимента на экран Вашего дисплея таким образом, что координата Х всегда расположена горизонтально и значения по этой координате увеличиваются слева направо, а координата Y расположена вертикально и значения по ней увеличиваются СНИЗУ ВВЕРХ.
Если функциональная схема собрана полностью, на экране появится соответствующее сообщение, после чего, нажав ОДИН РАЗ <ENTER>, полученную структурную схему можно перерисовать или распечатать для отчета и перейти в окно установки параметров еще одним нажатием клавиши <Enter> при подсвеченной клавише "Выход" на дисплее. При "сборке" схемы обратите внимание на точку К1, которую для получения работоспособной установки следует также подключить к соответствующему источнику сигналов.
ВАША ЦЕЛЬ В ЭТОЙ РАБОТЕ: определить условия, при которых достигается максимальная точность преобразования цифрового кода, подаваемого на цифровые входы ЦАП, в аналоговый сигнал напряжения, снимаемый с выхода дифференциального операционного усилителя типа КР140УД8, подключенного к токовому выходу ЦАП. При проведении экспериментов следует иметь в виду, что на изображаемые на экране графики накладываются погрешности преобразования, как самого ЦАП, так и системы измерения параметра Y для двухкоординатного графопостроителя, которые при больших разрядностях ЦАП могут слегка "размывать" реальную картину зависимости напряжения от входного кода. С учетом этого обстоятельства попытайтесь также найти условия, при которых весь тракт преобразования-измерения работает наиболее стабильно, то есть обеспечивает наименьшее "размывание" зависимости выходного напряжения от входного кода. Помимо этого, определите теоретически и из полученных графиков "вес" в милливольтах единицы младшего значащего разряда ЦАП при различных значения числа разрядов (от 6 до 11 двоичных разрядов) и с учетом того, что величина опорного напряжения во всех случаях постоянна и равна -9.216 В, а каждая точка графика соответствует в точности одному значению входного кода. Увеличение входного кода всегда идет ровно на единицу.
Перед завершением работы зарисуйте одну из наиболее интересных с Вашей точки зрения диаграмм и приложите ее к отчету с интерпретацией событий в соответствии с программой эксперимента и установленными параметрами.
Выход из любого раздела окна выполнения по <Esc>.
Окончание работы нажатием клавиш <Alt>+<F3>. Для справок по оформлению отчета и по литературе см. добавочный раздел "Дополнение" (вызывается нажатием клавиш <Alt>+<A>) или по F10.
Завершение работы и выход из оболочки по <Alt>+<X> ПОСЛЕ закрытия окон построения диаграмм, установки параметров и сборки функциональной схемы.
ВНИМАНИЕ! Не спешите приступать к выполнению работы, сначала тщательно проработайте теоретический раздел, выпишите необходимые для расчетов формулы, составьте предполагаемую схему для проведения эксперимента, ответьте на контрольные вопросы и только после этого входите в окно выполнения (Alt-E) . Помните, что из окна выполнения работы справочная информация недоступна! Вам придется сначала закрыть окно выполнения, и только потом можно будет открывать окна со справочной информацией (т.е. с теоретическим, методическим и дополнительным материалом). Новое открытие окна выполнения фактически означает начало работы с нуля.
Список контрольных вопросов с ответами.
1. Для чего могут использоваться ЦАП?
- для организации режима ПДП
- для сопряжения с контроллерами видеотерминалов
- для вывода аналоговых сигналов из ЦВМ
- для записи/чтения информации в аналоговое ЗУ
- для ввода аналоговой информации в ЦВМ
2. Чем определяется знак выходного напряжения на выходе ЦАП типа К572ПВ1?
- величиной сопротивления обратной связи
- знаком опорного напряжения
- типом используемого операционного усилителя
- величиной входного кода
- смещением нуля ДОУ
3. Сколько различных номиналов резисторов содержит сетка R-2R?
2
4. Какова зависимость величины выходного сигнала от входного кода для идеального ЦАП?
- линейная
- прямо-пропорциональная
- квадратичная
- экспоненциальная
- нелинейная
5. В чем обычно измеряется точность преобразования в ЦАП?
- в % от полной шкалы @ в единицах младшего значащего разряда
- в "разбросе" кодов преобразования
- в вольтах
- в милливольтах
6. Возможно ли в ЦАП не сетке R-2R разнополярное выходное напряжение (да/нет)?
да
7. Что нужно добавить к однополярному ЦАП на сетке R-2R, чтобы получить двухполярный?
- переключатель кодов
- преобразователь кодов
- цепь смещения выходного напряжения
- к выходу подключить аналоговый инвертор
- к выходу подключить компаратор?
8. К какому из перечисленных типов ЦАП можно отнести ЦАП на сетке R-2R?
- к функциональным
- к ЦАП последовательного действия
- к комбинированным
- к множительным
- к параметрическим
9. Каковы основные источники статических (постоянных) погрешностей в ИС ЦАП на сетке R-2R?
- шумы во входных цифровых сигналах
- неточность сопротивлений сетки
- импульсные помехи при работе аналоговых ключей
- сопротивление замкнутых аналоговых ключей
- погрешность уровней входных цифровых сигналов
10. Можно ли на сетке R-2R сделать схему умножения аналогового сигнала на цифровой код?
да
Дополнительная информация.
Требования к отчету по лабораторной работе.
Отчет должен содержать:
1. Постановку задачи.
2. Структурную схему установки.
3. Условия проведения эксперимента.
4. Рассчеты.
5. Результаты эксперимента.
Литература:
1. Федорков Б. Г., Телец В. А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. М.: Энергоатомиздат, 1990, с.7-60, 129-138.
2. Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC. Пер. с англ./Под ред. У. Томпкинса и Дж. Уэбстера. М.: "Мир", 1992, с.182-188.
3. Гутников В. С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л.: Энергоатомиздат, Ленинг. отдел-е, 1988, с.233-239.
4. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Т.2.-М.: "Мир", 1984.