новая папка 1 / 302149

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра электропривода

СХЕМОТЕХНИКА ДИСКРЕТНЫХ УСТРОЙСТВ. ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИФРОАНАЛОГОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Методические указания к лабораторным работам

Составитель А.М. БАШЛЫКОВ

Липецк Липецкий государственный технический университет

2014

Принятые сокращения

ЦАП – цифроаналоговый преобразователь; АЦП – аналогово-цифровой преобразователь; ДК – десятичный код; БИС – большая интегральная схема;

КМОП – комплементарная структура металл-оксид-полупроводник (технология построения электронных схем); ГЛИН – генератор линейно изменяющегося напряжения; ГТИ – генератора тактовых импульсов;

РПП – регистр последовательного приближения.

Техника безопасности при проведении лабораторных работ

1.При эксплуатации стенда НТЦ-02.05.1 необходимо соблюдать "Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей" и "Правила техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей".

2.Стенд НТЦ-02.05.1 эксплуатировать в помещении без повышенной опасности по степени поражения электрическим током.

3.Включение питания стенда и выполнение работ производить только после разрешения преподавателя.

4.Сборку электрических схем для проведения лабораторной работы, техническое обслуживание производить при отключенном питании стенда.

5.Корпус стенда должен быть заземлен. Сопротивление контура заземления не более 4 Ом.

6.При замене предохранителя или перед вскрытием задней крышки необходимо отключить стенд от питающей сети.

3

гического О или логической 1. Выходное напряжение определяется выражением

Uвых = − (I1 + I2 + In)Roc,

где In, In-1,.., Ii - токи, втекающие в точку А через резисторы R, 2R, 4R,..., 2n-1R при наличии напряжения U = 1 на том или ином входе; n - число разрядов двоичного кода.

Рис. 1.1. ЦАП с двоично-взвешенными резисторами и суммированием токов Преобразовав это выражение, получим

Uвых = − U1*Rос/(R2n-1)*(an*2n-1 + an-1 *2n-2 +...+ ai*20),

где записанная в скобках сумма представляет собой десятичный эквивалент входного ДК. Поскольку U1*Rос/(R2n-1) = const = K, то выходное напряжение пропорционально весу действующего на входе кода.

Сопротивление резистора R1 должно соответствовать выражению

1/R1 = 1/R + 1/2R + 1/4R +...+ 1/ (2n-1R) + 1/Rос.

Недостатком рассмотренной схемы является необходимость тщательного подбора резисторов, а также трудность выдержать их в рабочем диапазоне температур, что особенно сказывается при большом числе разрядов входного кода. Кроме того, значение U1вх должно быть одинаковым для всех входных разрядов.

Указанных недостатков во многом лишена схема ЦАП с резистивной матрицей R-2R (рис. 1.2.), содержащая резисторы только двух номиналов.

5

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Входная цифровая информация, поступающая в параллельном ДК, записывается в параллельный регистр на RS триггерах Ti - Tn. К резисторам 2R матрицы через ключи SAi1 и SAi0 подводятся напряжения U = U оп либо U = 0 (земля) в зависимости от наличия 1 либо 0 в определенном разряде тригг еров регистра. Если к одному из резисторов 2R (например, Rr) подводится напряжение Uon (в первом разряде записана 1 и открыт ключ SA11), а левые выводы других резисторов 2R матрицы связаны с землей через открытые ключи SA (в этих разрядах записаны нули), то полное сопротивление между любой из точек А, Б, В, и землей равно R. Напряжение в точке Г относительно земли:

UГ = Uоп * R/(2R + R) = 1/3 * Uоп.

Рис. 1.2. ЦАП с резистивной матрицей R-2R

Из этого выражения следует, что при переходе от узла Г к узлу, находящемуся ближе к выходу схемы, напряжение

UГ = 1/3 * Uоп

каждый раз уменьшается вдвое. Тогда выходное напряжение, обусловленное наличием единиц в нескольких разрядах входного ДК, определяется сложением

6

напряжений от каждой единицы в соответствующем разряде, т.е. пропорционально весу кода на входе ЦАП:

Uвых = (Uоп/3*2n-1)*(an*2n-1 + an-i*2n-2 +...+ a2*21 + a1*20).

ВЦАП в интегральном исполнении широко используется принцип суммирования токов на элементах матрицы R-2R. БИС ЦАП изготавливают по биполярной и КМОП-технологии. Первая имеет более высокое быстродействие, а вторая - меньшее потребление мощности. Как правило, БИС ЦАП содержит резистивную матрицу типа R-2R, набор токовых ключей, реализующих коэффициенты двоичных разрядов, и согласующие элементы. Для преобразования суммарного выходного тока ЦАП в уровни выходного напряжения используются внешние ОУ, не входящие в БИС.

Внастоящее время выпускается несколько типов ЦАП в интегральном исполнении. Среди них широко используются ЦАП 572-й КМОП серии, а также быстродействующие серии 1118. Основная схема включения ЦАП К572ПА1 приведена на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Основная схема включения ЦАП К572ПА1 Преобразователь К572ПА1 содержит резистивную матрицу типа R-2R

(R = 10к), которая через токовые ключи соединяется с инвертирующим входом внешнего ОУ. Внутри ЦАП имеется резистор Rос = 10к, включенный в цепь ООС ОУ.

Рассмотренный преобразователь называют перемножающим, потому что выходное напряжение определяется произведением значения опорного сигнала Uоп на значение входного цифрового кода. Его особенностью является широкий диапазон изменения опорного сигнала (до +-17В при Еп = +-17В). Входное на-

7

пряжение может быть однополярным или двухполярным. Это зависит от вида опорного напряжения и входного кода. При проектировании ЦАП важное значение имеет выбор ОУ, параметры которого при использовании совместно с К572ПА1 должны соответствовать условиям:

IвхОУ < Uоп/(R*2n+1); Uсм << Uоп/2n; КОУ >> 2n+1.

Подготовка к работе

1.Изучить принцип построения и работы ЦАП на дискретных элементах

ив интегральном исполнении.

2.Изобразить временные диаграммы, поясняющие преобразование двоичного кода в выходной аналоговый сигнал в ЦАП с двоично-взвешенными резисторами.

3.По заданным значениям резисторов и заданному преподавателем двоичному коду рассчитать выходное напряжение для ЦАП, изображенного на рис. 1.4. прил. 1.

4.Нарисовать исследуемую схему ЦАП.

5.Ознакомиться с порядком сборки и исследования схемы на стенде.

План работы

1.Собрать схему ЦАП, представленную на рис. 1.4. прил. 1., запитать ОУ двухполярным источником питания, а цифровые микросхемы - источником +5В. На входе «С» счетчика должна быть логическая «1».

2.Обнулить счетчик, подав на вход R уровень логической «1» кратковременным нажатием кнопки S3.

3.Подавая на вход «+1» счетчика одиночные импульсы с помощью кнопки S2, снять зависимость выходного напряжения ЦАП от двоичного кода. Измерение Uвых ЦАП производится вольтметром на выходе ОУ. Двоичный код определяется с помощью индикаторов Н4-Н7.

4.По полученной характеристике определить погрешности ЦАП: погрешность полной шкалы.

8

5.Снять с помощью осциллографа временные диаграммы и зарисовать их, выполнив рекомендации п.п. 2 и 3.

6.Задать на входе ЦАП заданный преподавателем код и записать его в счетчик кратковременной подачей на вход «С» логического «0» и замерить выходное напряжение. Сравнить полученное значение с рассчитанным ранее и сделать выводы.

7.Сравнить результаты практического исследования схемы ЦАП с теоретическими и сделать выводы.

Контрольные вопросы

1.Пояснить принцип работы ЦАП.

2.Каковы особенности работы ЦАП с двоично-взвешенными резисторами и суммированием токов.

3.Пояснить работу ЦАП с использованием матрицы типа R-2R и особенности его работы.

4.Пояснить порядок расчета выходного напряжения в ЦАП с двоичновзвешенными резисторами.

5.Пояснить порядок расчета выходного напряжения в ЦАП типа R-2R.

6.Назвать особенности применения ЦАП в интегральном исполнении.

7.Назвать и дать пояснения основным параметрам ЦАП.

9

Лабораторная работа №2

ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Цели работы

Изучение принципов построения АЦП; исследование этих преобразователей на дискретных элементах; приобретение навыков по их применению.

Теоретические сведения Аналого-цифровые преобразователи на дискретных элементах.

Схема АЦП зависит от метода преобразования и способа его реализации. Можно выделить следующие методы построения АЦП:

-временного преобразования;

-последовательного счета;

-последовательного приближения;

-параллельного преобразования.

В схеме временного преобразования (рис. 2.1.) значению аналогового входного напряжения Uвх ставится в соответствие временной интервал, длительность которого пропорциональна Uвх. Этот интервал заполняется импульсами стабильной частоты, количество которых и является цифровым эквивалентом преобразуемого напряжения.

10