3775

31

ницы»; что на выходе ЦАП? Для обработки данных заполните табл. 3. С целью упрощения задачи можно ограничиться начальными и конечными значениями входного двоичного кода.

Таблица 3

Теоретические значения выходных напряжений, соответствующих различным комбинациям входного двоичного кода можно определить по формуле (1.2) при этом k=1, UREF=10.24В. Подставив эти значения получим:

UORN=10.24(а1 2-1+а2 2-2+а3 2-3+а4 2-4+а5 2-5…а10 2-10), В.

Для упрощения расчетов можно воспользоваться табл. 2 (третьей колонкой).

Максимум амплитуды выходного напряжения определяется по фор-

муле (1.1.), в которой Uпш= UREF=10.24В, т.е : max=10.24(1-2-10), В.

А так называемый шаг квантования h, т.е. расчетное приращение выходного напряжения при изменении входного кода на единицу младшего разряда:

h = UREF = 10.24 , B,

2n 210

обобщая получим:

3.5. Измените полярность UREF. Как изменится выходное напряжение? Измените величину UREF, что произойдет с UORN в этом случае?

3.6.Подключите к выходу ЦАП (КТ.13) осциллограф. Установите небольшую разрядность ЦАП (например соединив КТ16 с КТ4максимальный код 111). Включите генератор G. Добившись хорошей синхронизации можно увидеть ступенчато изменяющееся выходное напряжение. Сделайте вывод о работе ЦАП в динамическом режиме. Частоту генератора можно менять в широких приделах. Как влияет частота на вид выходного напряжения?

При работе в динамическом режиме цифровой вольтметр следует отключить от контрольных точек стенда, либо подключить к контрольной точке КТ12.

3.7.На основании полученных данных следует построить характеристику преобразователя в координатах код-напряжение. И определить некоторые параметры ЦАП.

Рис. 6 К определению параметров ЦАП: 1 – оговоренная прямая линия

2 – действительная характеристика преобразования

1.Абсолютная погрешность преобразования в конечной точке шкалы

δпш- это отклонение выходного напряжения от расчетного в конечной точке характеристики преобразования (рис. 6). Абсолютная погрешность измеряется в единицах младшего разряда (МР) или процентах от максимального выходного напряжения.

2.Нелинейность δл- это максимальное отклонение нарастающего выходного напряжения от прямой линии, соединяющей точки нуля и максимального выходного сигнала.

3.Дифференциальная нелинейность δлд- максимальное отклонение разности двух аналоговых сигналов, соответствующим соседним кодам, от величины МР.

33

3.8. Например, было установлено UREF= +15В, расчетные значения: шаг квантования h= UREF/210 = 15/1024 = -0,0146B, напряжение в конечной

точке шкалы UORN max = UREF (1-2-10) = 5(1-2-10) = -14,985B

В результате проведения опыта было получено значение UORN max = - 13,8В (“код все единицы”).

Абсолютная погрешность преобразования в конечной точке шкалы в

данном случае будет δпш = (14,985 −13,8) 100 = 7,9%. 14,985

Паспортное значение величины δпш для ИМС К572ПА1 равно δпш =

±3% от полной шкалы при напряжении питания Uсс = 15В. Полученное значение отличается от паспортной величины из-за того, что для согласования по входам с ТТЛИС счетчика напряжение питания было принято +5В, последнее обстоятельство и повлекло за собой ухудшение точностных характеристик преобразователя.

4.Контрольные вопросы

1.В чем заключается сущность цифро-аналогово преобразования?

2.Как будет работать ЦАП, если вход UREF соединить с общей шиной, т.е. подать на него ОВ? Подкрепите свой ответ какой либо формулой.

3.На входе 8-разрядного ЦАП код 01011001, величина опорного напряжения UREF = +17В (К=1). Какое значение напряжения будет при этом на выходе? Предполагается, что ЦАП имеет идеальную характеристику.

4.Какими основными параметрами характеризуются микросхемы

ЦАП?

5.Что такое разрядность ЦАП?

6.Почему не достижимо значение так называемой «полной шкалы»? На какую величину максимальное выходное напряжение будет всегда

меньше Uпш?

7.Почему в качестве величины UREF в пункте 3.3. принято именно

10,24В?

8.В чем основное назначение операционного усилителя, подключаемого к выходу микросхемы ЦАП?

9.От чего зависит полярность выходного напряжения?

10.Какие аналоговые исполнительные механизмы можно было бы подключить к выходу ЦАП, при работе его в системе автоматического управления?

Приложение 3.

1.В случае отклонения выходного напряжения ЦАП от значения 0,000В при входном коде «все нули» необходимо произвести балансировку ОУ. С помощью шлицевой отвертки , вращая потенциометр, расположенный на лицевой панели стенда под услов-

34

ным изображением ОУ, необходимо добиться требуемых показаний вольтметра.

2.С течением времени может потребоваться калибровка встроенного цифрового вольтметра. Эта операция может потребоваться при

возникновении погрешностей в показаниях прибора.

Для проведения калибровки следует, прогрев прибор в течении минимум 15 минут, снять красное защитное стекло (следует нажать пальцами с боков крышки и снять ее на себя), поставить переключатель диапазона на значение 0…1,999В. и подать на вход вольтметра напряжение 0,999В от образцового источника. Вращением движка подстроечного сопротивления, расположенного в левой верхней части прибора над индикаторами, следует установить красную защитную крышку на место.

35

Приложение 2 к лаб. работе № 4

36

Лабораторная работа № 5 Аналогово-цифровые преобразователи

Цель работы: ознакомление с принципом работы аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) последовательного приближения (поразрядного кодирования).

1. Краткие теоретические сведения

Под аналого-цифровыми преобразователями (АЦП) понимают устройства, позволяющие осуществить переход от информации в аналоговой форме к информации в цифровой форме. Эти преобразователи широко используются для ввода в ЭВМ аналоговых данных, при цифровом измерении аналоговых сигналов, для перехода к цифровым сигналам в системах автоматического регулирования и управления. Вместе с ЦАП рассматриваемые преобразователи используются в микропроцессорных устройствах.

В микроэлектронных АЦП входным сигналом является напряжение, выходным - соответствующее ему значение цифрового кода. В преобразователях происходит квантование входного напряжения на конечное число дискретных уровней.

Состав АЦП (в отличие от ЦАП) может изменяться в значительной степени в зависимости от метода преобразования и способа его реализации. Наибольшее распространение получили АЦП последовательного приближения, последовательного счета с двойным интегрированием и преобразователи считывания (параллельного действия).

Принцип действия АЦП последовательного приближения (поразрядного кодирования) заключается в следующем. Имеется набор эталонов напряжения, пропорциональных по значению степени числа 2, которые сравниваются с аналоговой величиной (т.е. с входным напряжением). Сравнение начинается с эталона старшего разряда. В зависимости от результата этого сравнения формируется значение старшего разряда выходного кода. Если эталон больше входной величины, то в старшем разряде ставится 0. Затем входная величина уравновешивается следующим по значению эталоном. Если эталон равен или меньше входной величины, то в старшем разряде выходного кода ставится 1 и в дальнейшем уравновешивается разность между входной величиной и первым эталоном и т.д.

Преобразователь последовательных приближений содержит ЦАП, компаратор напряжения или тока, генератор тактовых импульсов, сдвиговый регистр, управляющую логическую цепь и выходной регистр (рис. 1).

38

Погрешность преобразователя зависит от ошибок ЦАП и чувствительности компаратора.

Промышленностью выпускаются АЦП последовательных приближений: К572 ПВ1, К572 ПВЗ, К572 ПВ4 ,К1108 ПВ1, К1113 ПВ1.

2. Краткое описание лабораторного стенда

Лабораторный стенд "АЦП последовательного приближения" представляет собой настольный автономный блок, имеющий на передней панели функциональную схему с органами изменения параметров, устройствами индикации и встроенными измерительными приборами. Главный выключатель стенда расположен с правой стороны блока, на тыльной стороне расположены сетевые предохранители, ввод сетевого шнура и клемма заземления.

Перед началом работы необходимо убедиться в надежном заземлении блока.

Стенд позволяет ознакомиться с принципом действия и внутренней структурой АЦП последовательного приближения. Основными элементами АПЦ являются регистр последовательных приближений DD1 и 10-разрядный ЦАП DD2, функции сравнения двух величин напряжения выполняет компаратор DА1. С правой стороны функциональной схемы размещены два цифровых вольтметра, позволяющих осуществлять одновременное измерение двух уровней сигналов: входного (Uх) и снимаемого с выхода ЦАП (UORN ). По первому прибору (PU1) также устанавливается величина опорного напряжения (UREF) для ЦАП перед началом работы.

Кроме описанных элементов, функциональная схема включает в себя: внешний источник опорного напряжения (ИОН), генератор тактовых импульсов (ГТИ), источник входного сигнала с плавной установкой уровня их, кнопки управления регистром и переключателя выбора режима работы стенда.

Стенд может работать в двух режимах: ручном и автоматическом. В первом случае счетные импульсы на входе регистра подаются от кнопки SВ2, состояние входных линий ЦАП контролируется по индикаторам HL3 –HL1З, результат работы компаратора - по индикатору HL2, завершения цикла преобразования - по индикатору HL1 (прил.1)

Регистр последовательных приближений имеет вход С для тактовых импульсов, вход D для сигналов запоминаемой информации, вход сброса S. Работу микросхемы иллюстрируют временные диаграммы сигналов на входах и выходах, приведенных на рис.2

При уровне лог. О на входе S по спаду очередного отрицательного тактового импульса (О) триггеры регистра устанавливаются в начальное состояние: на выходе 10 появляется уровень лог. О, на выходах 1-9 -уровень лог. 1. На выходе окончания преобразования Р также возникает уровень лог.1. Такое состояние регистра сохраняется до тех пор, пока на входе S присутствует уровень лог.0.

39

Приложение 3 к лаб. работе № 5

40

После поступления уровня лог. 1 на вход S спад первого же тактового импульса (1) записывает в триггер регистра с выходом 10 информацию с выхода D (имеет значение уровень до спада тактового импульса), устанавливает на выходе 9 уровень лог. О, а на выходах 1-8 и Р остается уровень лог. 1. Так как в данном случае на вход D воздействует лог. 1, то на выходе 10 появляется такой же уровень. Спад следующего тактового импульса (2) записывает информацию с входа D (так же уровень лог. 1) в триггер с выходом 9 и устанавливает на выходе 8 уровень лог.0 и т.д. Таким образом на выходах регистра поочередно появляется уровень лог. О, а затем информация с входа D.

Рис. 2 Временные диаграммы работы стенда