Исследование цифро-аналоговых преобразователей

Цель работы:

Изучение принципов построения цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП); исследование этих преобразователей на дискретных элементах; приобретение навыков по их применению.

16.1. Теоретические сведения.

В электронной аппаратуре широко используются как непрерывные (аналоговые), так и дискретные (цифровые) сигналы. Для взаимодействия устройств, обрабатывающих аналоговые сигналы, с цифровыми устройствами служат цифро-аналоговые (ЦАП) и аналого-цифровые (АЦП) преобразователи.

ЦАП иногда называют преобразователями код-аналог, поскольку

входной цифровой сигнал представляется в каком-либо коде, чаще

всего в двоичном. Построение ЦАП основано на суммировании напряжений или токов, пропорциональных весам разрядов. Мгновенное напряжение на выходе ЦАП пропорционально весу входного кода (его десятичному эквиваленту). Смена входных кодов вызывает изменение выходного напряжения ЦАП. Выходной сигнал преобразователя с суммированием напряжений является суммой напряжений, каждое из которых определяется единицей в соответствующем разряде входного кода. Значения этих напряжений относятся как веса единиц разрядов входного кода. Если от единицы в первом (младшем) разряде появляется составляющая выходного напряжения 2⁰U1 = U1, то единицы в третьем разряде – 2⁰U1 и т. д.

Одним из наиболее простых является ЦАП с двоично взвешенными резисторами и суммированием токов (рис. 16.1.). Схема реализована в виде инвертирующего сумматора на ОУ. Число входов преобразователя (количество параллельно включенных резисторов) равно числу разрядов поступающего параллельного двоичного кода. На каждом входе имеются напряжения Uвxi = ОБ или Uвxi = Ui Б, соответствующие наличию в разрядах входного двоичного кода логического 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,..., 2^n-1R при наличии напряжения U = 1 на том или ином входе;

n - число разрядов двоичного кода.

Рис. 16.1.

Преобразовав это выражение получим:

Uвых = -U1*Rос/(R2^n-1)*(a_n*2^n-1 + a_n-1 *2^n-2 +...+ a_i*2⁰,

Где записанная в скобках сумма представляет собой десятичный эквивалент входного ДК. Поскольку U1Rос/R2^n-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/(2^n-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. 16.2.), содержащая резисторы только двух номиналов.

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 = Uоп либо U = 0 (земля) в зависимости от наличия 1 либо 0 в определенном разряде триггеров регистра. Если к одному из

Рис. 16.2.

резисторов 2R (например, Rr) подводится напряжение Uоп (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.

Из этого выражения следует, что при переходе от узла Г к Узлу, находящимся 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 напряжений от каждой единицы в соответствующем разряде, т.е. пропорционально весу кода на входе ЦАП:

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

В ЦАП 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.

В настоящее 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. 16.3.

Рис. 16.3.

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 напряжение 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.

16.2. Подготовка к работе.

16.2.1. Изучить принцип построения и работы ЦАП на дискретных элементах и в интегральном исполнении.

16.2.2. Изобразить временные диаграммы, поясняющие преобразование двоичного кода в выходной аналоговый сигнал в ЦАП с двоично взвешенным резисторами.

16.2.3. По заданным значениям резисторов и заданному преподавателем двоичному коду рассчитать выходное напряжение для ЦАП, изображенному на рис. 16.4. Приложение 1.

16.2.4. Нарисовать исследуемую схему ЦАП.

16.2.5. Ознакомиться с порядком сборки и исследования схемы

на стенде.

16.3. План работы.

16.3.1. Собрать схему ЦАП, представленную на рис. 16.4. Приложение 1., запитать ОУ двухполярным источником питания, а цифровые микросхемы - источником +5В. На входе «С» счетчика должна быть логическая «1».

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

16.3.3. 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.

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

16.3.5. Снять с помощью осциллографа временные диаграммы и зарисовать их, выполнив рекомендации п.п. 16.3.2 и 16.3.3.

16.3.6. 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.

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

1 6.4. Контрольные вопросы.

16.4.1. Пояснить принцип работы ЦАП.

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

16.4.3. Пояснить работу ЦАП с использованием матрицы типа

R-2R и особенности его работы.

16.4.4. Пояснить порядок расчета выходного напряжения в ЦАП

с двоично взвешенными резисторами.

16.4.5. Пояснить порядок расчета выходного напряжения в ЦАП

типа R-2R.

16.4.6. Назовите особенности применения ЦАП в интегральном

исполнении.

16.4.7. Назовите и дайте пояснения основным параметрам ЦАП.

17. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N17

Дата добавления: 2015-03-29