close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

ZeatdinovFedina

код для вставкиСкачать
Министерство образования и науки российской федерации
Федеральное государственное автономное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
ЦИФРОАНАЛОГОВЫЕ
И АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Методические указания
к выполнению лабораторной работы
Санкт-Петербург
2012
Составители: С. И. Зиатдинов, А. А. Федина
Рецензент старший преподаватель Т. В. Семененко
Методические указания содержат описание лабораторной работы
по курсу «Аппаратные средства передачи информации». Рассматриваются вопросы построения и исследования характеристик цифроаналоговых и аналого-цифровых преобразователей информации.
Указания предназначены для студентов, обучающихся по специальности 230201 «Информационные системы и технологии».
Подготовлены кафедрой информационно-сетевых технологий и рекомендованы к изданию редакционно-издательским советом СанктПетербургского государственного университета аэрокосмического
приборостроения.
Редактор Л. А. Яковлева
Компьютерная верстка Н. Н. Караваевой
Сдано в набор 13.08.12. Подписано к печати 13.08.12. Формат 60×84 1/16.
Бумага офсетная. Усл.-изд. л. 1,4. Усл. печ. л. 1,3. Тираж 100 экз. Заказ № 507.
Редакционно-издательский центр ГУАП
190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67
© Санкт-Петербургский государственный
университет аэрокосмического
приборостроения (ГУАП), 2012
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
Цель работы: изучение и практическое исследование в среде
программного приложения MicroCap характеристик цифроанологовых и аналого-цифровых преобразователей сигналов.
1. Цифроаналоговые преобразователи
Широкое использование микропроцессоров, микроЭВМ и сигнальных процессоров в системах связи, обработки информации, в робототехнике, бытовой радиоэлектронной аппаратуре, управлении технологическими процессами, состояние которых в большинстве случаев характеризуется непрерывными функциями времени, выдвигает на первый
план проблему связи цифровых устройств обработки с объектами.
В связи с этим возникает необходимость разработки и использования устройств, обеспечивающих преобразование аналоговых сигналов в цифровые и цифровых в аналоговые. Такими устройствами
являются аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи
(АЦП и ЦАП соответственно).
Задача для цифроаналогового преобразования сводится к нахождению для каждого входного цифрового кода однозначно связанной с ним выходной величины. Основными характеристиками
ЦАП являются: статическая точность, быстродействие, динамический диапазон, которые взаимосвязаны друг с другом.
Статистическая точность ЦАП характеризуется, главным образом, инструментальной ошибкой, которая связана с погрешностью
настройки элементов ЦАП, их временной и температурной нестабильностью, а также изменением параметров внешних источников
питания и сигналов управления.
Быстродействие ЦАП характеризуется временем установления,
под которым понимается интервал времени между моментом поступления входного цифрового кода и моментом установления с заданной точностью выходного сигнала. Длительность времени установления зависит от разности значений кодов, последовательно
3
поступающих на вход преобразователя и от частотных свойств операционных усилителей на выходе ЦАП.
Динамический диапазон преобразования определяется отношением максимального значения выходной величины ЦАП к ее минимальному значению. Он измеряется количеством разрядов цифрового кода или децибелами.
На точность, быстродействие и динамический диапазон оказывает влияние метод преобразования цифрового кода в аналоговую
величину. В зависимости от используемого метода преобразования
различают параллельные, последовательные, с промежуточным
преобразованием и комбинированные ЦАП.
Наибольшее быстродействие при удовлетворительной точности
принадлежит ЦАП параллельного типа. Последовательные ЦАП
обеспечивают наивысшую точность преобразования. ЦАП с промежуточным преобразованием имеют высокую точность, но не являются быстродействующими.
На практике наибольшее распространение получили параллельные ЦАП. В дальнейшем будут рассмотрены параллельные ЦАП типа «код – напряжение». Идея построения данного типа преобразователей состоит в нахождении для каждого входного цифрового кода N
однозначно связанной с ним выходной аналоговой величины u. Если
на вход ЦАП подается код N, то выходное напряжение будет равно
u=
Umax
N, Nmax
(1)
где Umax – максимальное значение выходного напряжения преобразователя, соответствующее максимальному значению кода Nmax.
В ЦАП наибольшее распространение получили двоичные коды,
для которых можно записать
α-1
N = a0 20 + à1 21 + ... + àα-1 2α-1 = å ai 2i ,
i=0
где ai –разрядный коэффициент, который может принимать значения 0 или 1. С учетом того, что максимальное значение кода из α
разрядов равно Nmax = 2α-1 , можно преобразовать уравнение (1):
α -1
2i
α -1
ai = å ui ai ,
α
i =0 2 -1
i =0
u = Umax å
(
)
где ui = Umax 2i / 2α -1 » Umax ki ; ki = 1 / 2α-i.
4
(2)
Выражение (2) показывает, что преобразование «код – напряжение» заключается в суммировании эталонных напряжений ui, пропорциональных весам ki разрядов ai входного цифрового кода.
Представим эталонные напряжения следующим образом ui = Rii.
α -1
Тогда выражение (2) примет вид u = R å ii ai = Riå , где R – эталонi =0
ное сопротивление; ii = Umax 2i / (2α -1)R – эталонный ток, соответствующий весу i-го разряда; iå – суммарный ток.
Таким образом, в основу принципа преобразования «код – напряжение» можно положить суммирование эталонных токов ii, которое, как правило, производится в операционном усилителе с напряжением на выходе, пропорциональным входному коду N.
В зависимости от вида источников эталонных токов ЦАП параллельного типа делятся на преобразователи с резистивными матрицами и с активными делителями опорных токов. ЦАП с резистивными матрицами подразделяются на преобразователи с весовыми
резисторами и с резистивной сеткой R-2R.
На рис. 1 приведена схема параллельного преобразователя «код –
напряжение» с резистивной матрицей на весовых резисторах, соUэ
a0
Кл0
a1
.
.
.
.
aα-1
Кл1
.
.
.
R0
i0
R1
i1
Клα-1
.
.
.
.
R
Rα-1
∆∞
iα-1
i∑
u
Рис. 1. Параллельный ЦАП с резистивной матрицей на весовых резисторах
5
противления которых Ri совместно с источником эталонного напряжения Uэ определяют эталонные токи.
Суммирование эталонных токов осуществляется в операционном усилителе. При этом сопротивления резисторов задаются следующим образом: Ri = 2R α-i-1. При появлении единицы в i-м разряде входного цифрового кода ключ Клi открывается и ток от источника эталонного напряжения Uэ через резистор Ri поступает на вход
операционного усилителя.
Основной недостаток рассмотренного ЦАП – широкий диапазон
номиналов сопротивлений резистивной матрицы.
Источниками погрешностей в ЦАП с весовыми резисторами являются операционный усилитель, источник эталонных напряжений, резистивная матрица и ключи.
Большое распространение получили цифроаналоговые преобразователи с резистивной матрицей (сеткой) R-2R, при использовании которой требуются резисторы только двух номиналов – R и 2R.
На рис. 2 показана схема такого ЦАП.
Uэ
αα
0
Кл0
0
α1
Кл1
.
.
.
.
αα–1
.
.
.
Клα-1
2R
2R
R
2R
.
.
.
.
2R
R
...
R
∆∞
2R
Рис. 2. Параллельный ЦАП с резистивной матрицей R–2R
6
При наличии на i-м входе ЦАП сигнала, соответствующего логической единице, ключ Клi открыт. Ток от источника эталонного напряжения Uэ подается в суммирующую точку операционного усилителя через сопротивление Ri. Его величина зависит от номера разряда i.
Сравнительный анализ показывает, что погрешности преобразователей с весовыми резисторами и резистивной матрицей аналогичны. Вместе с тем диапазон изменения токов в рассматриваемом
ЦАП значительно меньше, чем в ЦАП с весовыми резисторами.
Недостатками ЦАП с резистивной матрицей R-2R являются
трудности подгонки резисторов R и 2R, погрешность исполнения
которых должна превышать 10-4 величины номинала, и уменьшение быстродействия матрицы при коммутации ключей.
Цифроаналоговые преобразователи состоят их цифровых и аналоговых элементов. Цифровые элементы служат для управления
процессом преобразования. Аналоговые элементы формируют эталонные напряжения и токи, осуществляют выработку и хранение
аналоговых напряжений. Широкое распространение в ЦАП имеют
цифровые схемы серий К100, К133, К134, К155, К530, К500 и др.
2. Аналого-цифровые преобразователи
АЦП решают задачи однозначного преобразования аналогового
сигнала в цифровой код. Выбор метода построения АЦП определяет его основные параметры: точность, быстродействие и динамический диапазон преобразования.
Точность преобразования характеризуется погрешностями квантования и инструментальной ошибкой. Погрешность квантования
является методической, так как она вызвана погрешностью квантования величины u по уровню ∆ = u - Mq , где M – числовой эквивалент преобразуемой величины; q – шаг квантования; Mq – уровень
квантования, соответствующий аналоговой величине u.
Инструментальная погрешность является аппаратной. Она состоит из погрешности настройки, временной нестабильности, температурной погрешности и зависит от изменения параметров внешних источников питания.
Динамические погрешности связаны со временем преобразования и периодом квантования. Время преобразования – временной
интервал от момента начала преобразования до момента получения
цифрового кода. Период квантования – интервал времени между
двумя последовательными преобразованиями.
7
Динамический диапазон преобразования определяется отношением максимального значения входной величины к минимальному
значению. Для АЦП динамический диапазон преобразования измеряется количеством разрядов цифрового кода или децибелами.
В зависимости от выбранного метода преобразования аналоговой величины в цифровой код различают последовательные, параллельные, с промежуточным преобразованием и комбинированным
АЦП. Наибольшую точность имеют последовательные АЦП. Однако им присуще значительное время преобразования. Минимальное
время преобразования обеспечивают параллельные и комбинированные АЦП при удовлетворительной точности преобразования.
Далее рассматриваются последовательные и параллельные АЦП,
имеющие наибольшее распространение в цифроаналоговых системах.
Последовательные аналого-цифровые преобразователи. Последовательные АЦП нашли наиболее широкое распространение благодаря хорошим показателям точности, быстродействия и аппаратным затратам, обеспечивающим эти характеристики.
Различают последовательные АЦП четырех типов: последовательного приближения, со ступенчатым пилообразным напряжением, следящего и конвейерного типа.
Алгоритм работы АЦП последовательного приближения сводится к последовательному сравнению входного напряжения с эталонными напряжениями, пропорциональными весу разряда. На первом шаге происходит сравнение входного напряжения uвх с эталонным напряжением старшего разряда uэα–1. При этом, если uвх < uэα–1,
то на следующем шаге входное напряжение сравнивается с эталонным напряжением предыдущего разряда uэα–2.В противном случае,
когда uвх > uэα–1, на следующем шаге входные напряжения сравниваются с суммой эталонных напряжений uýα-1 + uýα-2 и т. д. Этот
алгоритм реализуется в АЦП, схема которого приведена на рис. 3.
В состав АЦП входят: α – разрядный сдвигающий регистр; R-S –
триггеры T0 –Tα–1; амплитудный компаратор К; генератор тактовых
импульсов ГТИ.
Принцип действия данного АЦП заключается в следующем.
В исходном состоянии сдвигающий регистр и все триггеры R-S сброшены. В результате на выходе ЦАП – нулевое напряжение.
В момент времени t0 по команде «Пуск» логическая единица записывается в старший разряд сдвигающего регистра и в единичное
состояние устанавливается R-S – триггер Tα–1, соответствующий
старшему разряду. При этом на выходе ЦАП появляется эталонное
8
Параллельный ЦАП
d0
uК
. . .
d1
dα-1
. . . . .
К
uВХ
S
R
упр.
ГТИ
с
d0
S
T0
R
d1
Сдвигающий регистр
.
T1
.
S
...
.
...
aα-1
a1
a0
Выходной
код
Tα-1
R
dα-1
“1”
«Пуск»
Рис. 3. АЦП последовательного приближения
выражение uэα–1, которое в компараторе сравнивается с входным
напряжением uвх. Если uвх< uэα–1, срабатывает компаратор и триггер Tα–1 сбрасывается. В противном случае триггер Tα–1 остается
в единичном состоянии.
Далее под действием очередного импульса генератора тактовых импульсов логическая единица передвигается на α-2-й разряд,
в единичном состоянии устанавливается триггер Tα–2, и процесс
сравнения входного напряжения и напряжения с выхода ЦАП повторяется.
Таким образом, за α тактов на выходах триггеров T0, .., Tα–1 устанавливается код результата преобразования.
Точность АЦП определяется, в основном, погрешностью ЦАП
и чувствительностью используемого компаратора. Время преобразования определяется числом разрядов АЦП и тактовой частотой.
Оно постоянно для любого значения входного сигнала uвх. Полное
время преобразования включает в себя также время установки преобразователя в исходное состояние и время синхронизации момента
запуска t0 с началом такта.
Частота импульсов генератора выбирается такой, чтобы в каждом такте происходило установление выходного напряжения ЦАП
с заданной точностью и полное срабатывание амплитудного компаратора.
Широкое распространение получили АЦП последовательного
типа со ступенчатым пилообразным напряжением. В них совмеща9
ются функции сдвигающего регистра и блока триггеров в едином
узле. Алгоритм работы АЦП со ступенчатым пилообразным напряжением основан на сравнении с выходным сигналом ступенчатого
пилообразного напряжения, формируемого на выходе ЦАП. Схема
такого АЦП показана на рис. 4.
В состав АЦП входят параллельный ЦАП, суммирующий двоичный счетчик, генератор тактовых импульсов ГТИ и амплитудный компаратор К.
В исходном состоянии счетчик сброшен, на всех его выходах логический нуль и на выходе ЦАП нулевое напряжение.
С началом преобразования в момент t0 по команде «Пуск» счетчик начинает подсчитывать импульсы, поступающее с генератора
тактовых импульсов.
В результате на выходе счетчика формируется линейно нарастающий двоичный код, который в ЦАП преобразуется в ступенчато
нарастающее напряжение (рис. 5).
Параллельный ЦАП
d0
uК
d1
. . .
dα-1
. . .
К
.
.
.
uВХ
Упр.
ГТИ
с
d0
d1
. . .
aα-1
a1
a0
Выходной
код
dα-1
Суммирующий счетчик
«Пуск»
Рис. 4. АЦП со ступенчатым пилообразным напряжением
u
uВХ
uК
0
t0 «Пуск»
t
Рис. 5. Временные диаграммы работы АЦП
10
В момент, когда выходное напряжение uк ЦАП оказывается
больше входного напряжения uвх, компаратор срабатывает и запирает счетный вход счетчика. На выходах счетчика устанавливается
код, являющийся цифровым эквивалентом входного напряжения.
Точность преобразования определяется ценой единицы младшего разряда ЦАП. При этом время преобразования зависит от величины преобразуемого напряжения uвх.
С целью уменьшения времени преобразования необходимо увеличивать частоту следования тактовых импульсов. Однако частота следования тактовых импульсов ограничивается быстродействием ЦАП
и счетчика. Одним из путей повышения быстродействия АЦП является применение переменной частоты следования тактовых импульсов.
Сначала используется повышенная частота следования импульсов.
При малом значении разности между преобразуемым и ступенчатым
напряжением частота следования тактовых импульсов понижается.
Алгоритм работы АЦП следящего типа основан на сравнении
преобразуемого напряжения uвх с выходным напряжением uк ЦАП
и изменении кода в ЦАП в зависимости от результата сравнения до
тех пор, пока напряжение uвх не будет компенсировано напряжением uк. Этот алгоритм реализуется схемой, показанной на рис. 6.
В состав АЦП входят параллельный АЦП, реверсивный счетчик,
генератор тактовых импульсов ГТИ и амплитудный компаратор К.
Реверсивный счетчик выполняет суммирование или вычитание
импульсов генератора. В зависимости от величины разности напряжений на входе компаратора ЦАП находится в одном из двух режимов: поиска или слежения.
Параллельный ЦАП
d0
uК
d1
. . .
dα-1
. . .
К
.
.
.
uВХ
±
ГТИ
с
d0
d1
. . .
aα-1
a1
a0
Выходной
код
dα-1
Реверсивный счетчик
«Пуск»
Рис. 6. Последовательный АЦП следящего типа
11
uВХ
+Uэ
R
+
_
R
+
Д1
_
R
К1
К2
&
&
1
..
.
.
.
.
R
+
_
R
2
+
_
Кm/2
.
.
.
&
2
.
.
.
.
2α-1
2α-1
Кm/2+1
Д2
R
+
.
.
.
_
+
R
_
+
Кm-1
Кm
R
– Uэ
Рис. 7. Параллельный АЦП
12
.
.
.
.
Выходной
код
aα-1
aЗН
_
...
21
.
.
.
.
КЗН
a0
a1
20
.
.
.
.
R
2
R
CD
В исходном состоянии счетчик сброшен, напряжение на выходе
ЦАП равно нулю и выходным сигналом компаратора счетчик включен в режим суммирования. С началом преобразования по команде
«Пуск» счетчик начинает считать тактовые импульсы. В результате на выходе ЦАП появляется ступенчато нарастающее напряжение uк. Идет процесс «поиска» входного напряжения uвх. В момент
времени, когда напряжение с выхода ЦАП uк становится больше
входного напряжения uвх, компаратор срабатывает и переключает
счетчик в режим вычитания. При этом режим поиска заканчивается
и начинается режим слежения.
Если из рассмотрения исключить время поиска и рассматривать
лишь режим слежения, то данный АЦП является самым быстродействующим из представленных последовательных АЦП. Следует отметить, что время преобразования в АЦП следящего типа непостоянно.
Параллельные аналого-цифровые преобразователи. В данном
типе АЦП входное напряжение одновременно сравнивается с помощью 2α – 1 компараторов с 2α – 1 эталонными напряжениями. Код,
образовавшийся в результате срабатывания компараторов, преобразуется в двоичный код специальным шифратором.
Схема параллельного АЦП биполярного входного напряжения
показана на рис. 7.
В состав АЦП входят два резистивных делителя Д1 и Д2,
m = 2(2α -1) амплитудных компараторов К1, .., Кm, m/2 схем
2-И-НЕ, шифратор CD, компаратор знака кода Кзн.
С помощью резистивных делителей Д1 и Д2, состоящих из 2α последовательно включенных резисторов эталонных напряжений +Uэ
и –Uэ весь диапазон измерения входного напряжения разбит на
m = 2(2α -1) уровней.
Компараторы К1, .., Кm/2 срабатывают, если входное напряжение uвх меньше напряжения, снимаемого на компараторы с соответствующих резисторов делителя Д1. Компараторы К(m/2+1), .., Кm включены обратной полярностью и срабатывают, если входное напряжение uвх больше соответствующих напряжений, снимаемых с резисторов делителя Д2. Следовательно, при подаче на вход АЦП некоторого положительного напряжения на выходах компараторов К1, ..,
Кm/2 образуется код n1 = 111…11…00…0, компараторы К(m/2+1), .., Кm
срабатывают все, и на их выходах устанавливается код n2 = 11…11.
На выходах логических схем 2-И-НЕ образуется нормальный единичный код 000…00…11…1, являющийся инверсией кода n1.
Если входное напряжение отрицательное, то на выходах логических схем 2-И-НЕ образуется такой же нормальный единичный код.
13
Шифратор CD преобразует нормальные единичные коды в двоичные коды. Знак преобразуемой величины задается напряжением
с выхода компаратора знака Кзн. В рассматриваемой схеме отрицательным значениям входного напряжения соответствует aзн = 1, положительным – aзн = 0.
Точность АЦП определяется точностью выполнения делителей
Д1 и Д2, зависит от погрешностей источников эталонных напряжений и компараторов. Быстродействие параллельных АЦП определяется временем срабатывания компараторов и задержкой распространения сигнала в логических схемах.
Аналого-цифровые преобразователи состоят из цифровых и аналоговых узлов. Цифровые узлы осуществляют управление процессом преобразования в соответствии с принятым алгоритмом.
Для их реализации можно использовать любые микросхемы серий
К133, К155 и др. Аналоговые узлы генерируют высокостабильные
эталонные напряжения, реализуют операции сравнения уровней,
вычитают аналоговые сигналы и т. д.
Для построения аналоговых частей можно использовать интегральные микросхемы серий К228, К240, К252, К265.
В настоящее время преобразование с допустимой погрешностью
0,05–0,1% (10–12 двоичных разрядов) обеспечено широкой номенклатурой серийных монолитных микросхем, отличающихся быстродействием и функциональными возможностями.
В этом классе выпускаются:
– преобразователи малого быстродействия с временем установления 5–10 мкс для ЦАП и временем преобразования 5–10 мкс на разряд для АЦП последовательного приближения серий (К572 и К594);
– преобразователи среднего быстродействия с временем установления 0,5–1,0 мкс для ЦАП (К1108ПА1) и временем преобразования
10–20 мкс для АЦП последовательного приближения (К113ПВ1);
– быстродействующие преобразователи с временем установления
100 нс для ЦАП и временем преобразования 1 мкс для АЦП последовательного приближения (К1108ПВ1);
– сверхбыстродействующие преобразователи – параллельные
АЦП с временем преобразования, равным десяткам наносекунд (6и 8-разрядные АЦП серии К1107, 10-разрядные АЦП МР7685 фирмы «Микро-Пауер»; США).
Средства подключения к вычислительным системам (микропроцессорам или микроЭВМ) часто включаются в состав микросхем
АЦП и ЦАП. Многие ЦАП содержат буферные регистры, а АЦП –
шинные формирователи с тремя состояниями, управляемые стан14
дартными сигналами обмена по шинам управления и адреса («чтение», «запись», «адрес»), и узлы синхронизации обмена, обеспечивающие прием и генерацию сигналов запуска и готовности.
При отсутствии подобных блоков микросхем АЦП и ЦАП сопрягаются с микропроцессорами и микроЭВМ через параллельные
адаптеры и порты ввода-вывода.
Сведения о характеристиках ЦАП (табл. 1) и АЦП (табл. 2), выпускаемых отечественной промышленностью, приведены ниже.
В таблицах приняты следующие условные сокращения: δ – дифференциальная нелинейность; tуст – время установления (интервал
времени от подачи входного кода до момента, когда выходной сигнал достигнет установившегося значения с заданной погрешностью
– обычно ±0,5 МР), он определяет общее быстродействие ЦАП; ед.
МР – единица младшего разряда; tпрб – время преобразования. При
этом под дифференциальной нелинейностью понимают максимальное отклонение разности двух аналоговых сигналов, соответствующих кодам, от значения младшего разряда (МР).
Таблица 1
Тип
микросхемы
Число двоичных
разрядов
δ, %
(ед. МР)
tуст,
мкс
Технология
К427ПА1
К427ПА2
К427ПА3
К427ПА4
К572ПА1
(А-Г)
К572ПА2
(А-В)
К594ПА1
К1108ПА1
(А,Б)
К1108ПА2
К1108ПА3
К1113ПА1
К1118ПА1
К1118ПА2
(А,Б)
К1118ПА3
(А,Б)
К1118ПА4
КМ11488ПА1
15
16
16
16
10
±0,006
±0,001
±0,0015
±0,0015
±0,1
30
5
10
20
5
КМДП,бипол.
То же
»
»
КМДП
12
±0,025
15
То же
12
12
±0,012
±0,024
3,5
0,4
Биполярные
То же
8
6
12
8
10
±0,2
±0,006
±0,25
±0,75
±0,1
1,5
0,1
2,5
0,02
0,08
»
»
»
»
»
8
±0,5
0,005
»
10
10
±0,35
±0,75
0,03
1
»
»
15
Таблица 2
Тип
микросхемы
Число двоичных
разрядов
δ,%
(ед. МР)
tуст,
мкс
Технология
К572ПВ1
(А-В)
К572ПВ2
(А-В)
КР572ПВ3
К572ПВ4
К1107ПВ1
К1107ПВ2
К1107ПВ3
К1107ПВ4
К1107ПВ5
М1107ПВ5
(А-В)
К1108ПВ1
(А,Б)
К1108ПВ2
К1113ПВ1
КМ1126ПВ1
12
±0,1
170
КМДП
(3,5)
±0,15
300
То же
8
8
6
8
6
8
6
6
±0,75
±0,5
±0,5
±1
±0,5
±0,5
±0,75
±0,75
7,5
25
0,1
0,1
0,02
0,03
0,02
0,02
»
»
Бипол.
То же
»
»
»
»
10
±0,75
1,0
»
12
10
8
±1
±0,5
±0,75
0,9
25
30
»
»
»
3. Порядок выполенения лабораторной работы
3.1. Моделирование в среде microcap
цифроаналоговых преобразователей
Для исследования цифроаналоговых преобразователей двоичного кода в напряжение необходимо в среде MicroCap собрать схемы
четырехразрядных ЦАП с резистивной матрицей на весовых резисторах и с резистивной матрицей типа R-2R, которые показаны
на рис. 8.
В данных устройствах для исключения влияния нагрузки на работу преобразователей использованы повторители сигнала на операционном усилителе типа 140ud7.
Ко входам преобразователей необходимо подключить источники
постоянного тока, напряжения которых будут принимать значения
0В (логический ноль) и 5В (логическая единица). Далее запустить
программу исследования ЦАП и, перебирая все возможные комбинации входных сигналов, измерить выходные сигналы ЦАП. Результаты измерений для каждого ЦАП в отдельности занести в табл. 3.
16
Рис. 8. Параллельные ЦАП: а – с резистивной матрицей
на весовых резисторах; б – с резистивной матрицей R-2R
Таблица 3
U1
U2
U3
U4
Uвых
17
3.2. Моделирование аналого-цифровых преобразователей
в среде MicroCap
Ранее отмечалось, что АЦП делятся на последовательные и параллельные. На рис. 9 в среде MicroCap приведена схема восьмиразрядного последовательного АЦП со ступенчатым пилообразным напряжением.
В состав АЦП входят компаратор X7 типа AD8564AD, два 4-разрядных двоичных суммирующих счетчика СТ типа К555IE5, параллельный ЦАП с резистивной матрицей на весовых резисторах
R1–R8, операционный усилитель типа 140ud7, генератор тактовых
импульсов Х9 с периодом повторения импульсов Т = 800 нс и электронный ключ на логическом элементе 2-И типа К155LI1.
Входное напряжение, подлежащее преобразованию в цифровую
форму, подается на неинвертирующий вход (+) компаратора Х7.
В данном случае это постоянное напряжение источника V1. На инвертирующий вход компаратора (-) поступает напряжение обратной
связи с выхода операционного усилителя Х1.
Рис. 9. Последовательный АЦП
со ступенчатым пилообразным напряжением
18
Если входное напряжение больше напряжения обратной связи, то на выходе компаратора Х7 присутствует напряжение высокого уровня. В результате импульсы генератора Х9 через элемент
И проходят на вход счетчика. При этом на выходах счетчика 0р–7р
формируется двоичный линейно нарастающий код, который параллельным ЦАП преобразуется в ступенчато нарастающее напряжение. Данное напряжение после операционного усилителя Х1 поступает на инвертирующий вход компаратора Х7.
В момент времени, когда нарастающее напряжение обратной связи становится больше входного напряжения, срабатывает компаратор. Напряжение на его выходе падает практически до нуля и тем
самым прекращается прохождение импульсов через элемент И.
На этом процесс преобразования заканчивается. Сформировавшийся на выходах счетчика двоичный код является цифровым аналогом входного напряжения.
В процессе исследования последовательного АЦП необходимо
в среде MicroCap собрать схему, изображенную на рис. 9. Затем
запустить программу на решение и зарисовать временные реализации в контрольных точках рис. 9.
Рис. 10. АЦП параллельного типа
19
На рис. 10 показан в среде MicroCap двухразрядный АЦП параллельного типа.
В состав АЦП входят резистивный делитель напряжения R17–
R20, три компаратора типа AD8564AD, инверторы типа К155LN1,
2-входовые конъюнкторы типа K155LI1 и 2-входовые элементы
ИЛИ типа К155LL1. Логические элементы образуют шифратор,
который выходные напряжения компараторов преобразует в двоичный код. Делители напряжения создают опорные напряжения
uоп1 = 1,25 В; uоп2 = 2,5 В и uоп3 = 3,75 В.
При подаче на АЦП входного напряжения uвх срабатывают те
компараторы, для которых входной сигнал больше напряжения,
снимаемого с резисторов делителя. В результате на выходах компараторов могут появиться логические комбинации напряжений: 0,
0, 0 – при uвх < uоп1; 0, 0, 5 В – при uоп1 < uвх < uоп2; 0, 5 В, 5 В – при
uоп2 < uвх < uоп3; 5 В, 5 В, 5 В – uвх > uоп3. Полученные логические
комбинации шифратором преобразуются в соответствующий двоичный код на выходах d0, d1.
В процессе исследования параллельного АЦП необходимо в среде MicroCap собрать схему, изображенную на рис. 10, затем запустить программу на решение и, изменяя уровень входного сигнала
(напряжение источника питания V1), фиксировать выходной код
преобразователя. Результаты измерений занести в табл. 4
Таблица 4
Uвх, В
20
d0
d1
4. Содержание отчета
1. Титульный лист.
2. Цель работы.
3. Электронные модели исследуемых устройств.
4. Таблицы с результатами практических исследований.
5. Статические характеристики ЦАП и АЦП.
5. Контрольные вопросы
1. Назначение ЦАП и АЦП.
2. Электронные модели исследуемых устройств.
4. Принцип работы ЦАП и АЦП.
5. Основные характеристики ЦАП и АЦП.
Рекомендуемая литература
Зиатдинов С. И., Осипов Л. А. Проектирование специализированных вычислителей цифровой обработки сигналов: учеб. пособие. Спб.: ГУАП, 2006.
21
Содержание
Лабораторная работа.................................................... 1. Цифроаналоговые преобразователи ........................ 2. Аналого-цифровые преобразователи........................ 3. Порядок выполенения лабораторной работы............. 3.1. Моделирование в среде microcap цифроаналоговых
преобразователей............................................ 3.2. Моделирование аналого-цифровых преобразователей в среде MicroCap........................................ 4. Содержание отчета................................................ 5. Контрольные вопросы........................................... Рекомендуемая литература....................................... 22
3
3
7
16
16
18
21
21
21
Для заметок
23
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
3
Размер файла
1 537 Кб
Теги
zeatdinovfedina
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа