2.8. Лабораторна робота №8 “Вивчення роботи мікросхем цап/ацп”

Мета роботи - Закріпити на практиці знання про роботу мікросхем ЦАП/АЦП в електронних схемах.

Прилади та матеріали

До складу лабораторної установки входить: лабораторна установка “ЦАП/АЦП”, програма “дослідження ЦАП/АЦП”.

Короткі теоретичні відомості і методичні вказівки

Цифро-аналогові перетворювачі (ЦАП, DAC - Digital-to-Analog Converter) і аналого-цифрові перетворювачі (АЦП, ADC - Analog-to-Digital Converter) головним чином застосовуються для сполучення цифрових пристроїв і систем із зовнішніми аналоговими сигналами, з реальним світом. При цьому АЦП перетворить аналогові сигнали у вхідні цифрові сигнали, що поступають на цифрові пристрої для подальшої обробки або зберігання, а ЦАП перетворить вихідні цифрові сигнали цифрових пристроїв в аналогові сигнали.

ЦАП і АЦП застосовуються у вимірювальній техніці (цифрові осцилографи, вольтметри, генератори сигналів і т. д.), в побутовій апаратурі (телевізори, музичні центри, автомобільна електроніка і т. д.), в комп'ютерній техніці (ввід і вивід звуку в комп'ютерах, відеомонітори, принтери і т. д.), в медичній техніці, в пристроях радіолокацій, в телефонії і в багатьох інших областях. При цьому вживання ЦАП і АЦП постійно розширяється у міру переходу від аналогових пристроїв до цифрових пристроїв.

Як ЦАП і АЦП звичайно застосовуються спеціалізовані мікросхеми, що випускаються багатьма вітчизняними і зарубіжними фірмами.

В загальному випадку мікросхему ЦАП можна представити у вигляді блоку (рисунок 8.1), що має декілька цифрових входів і один аналоговий вхід, а також аналоговий вихід.

Рисунок 8.1. Мікросхема ЦАП.

На цифрові входи ЦАП подається n-разрядный код N, на аналоговий вхід - опорна напруга Uon (інше поширене позначення - Uref) - Вихідним сигналом є напруга Uвих (інше позначення - Uo) або струм Івих (інше позначення - Іо). При цьому вихідний струм або вихідна напруга пропорційні вхідному коду і опорній напрузі. Для деяких мікросхем опорна напруга повинна мати строго заданий рівень, для інших допускається міняти його значення в широких межах, у тому числі і змінювати його полярність (позитивну на негативну і навпаки). ЦАП з великим діапазоном зміни опорної напруги називається помножуючим ЦАП, оскільки його можна легко використовувати для множення вхідного коду на будь-яку опорну напругу.

Окрім інформаційних сигналів мікросхеми ЦАП вимагають також підключення одного або двох джерел живлення і загального дроту. Звичайно цифрові входи ЦАП забезпечують сумісність із стандартними виходами мікросхем ТТЛ.

Мікросхеми АЦП виконують функцію, прямо протилежну функції ЦАП - перетворять вхідний аналоговий сигнал в послідовність цифрових кодів. В загальному випадку мікросхему АЦП можна представити у вигляді блоку, що має один аналоговий вхід, один або два входи для подачі опорної (зразкового) напруги, а також цифрові виходи для видачі коду, відповідного поточному значенню аналогового сигналу (рисунок 8.2).

Рисунок 8.2. Мікросхема АЦП.

Часто мікросхема АЦП має також входи для подачі тактового сигналу CLK, сигналу дозволу роботи CS і вихід для видачі сигналу RDY, вказуючого на готовність вихідного цифрового коду. На мікросхему подається одна або дві живлячі напруги. В цілому мікросхеми АЦП складніші, ніж мікросхеми ЦАП, їх різноманітність помітно більша, і тому сформулювати для них загальні принципи використання складніше.

Опорна напруга АЦП задає діапазон вхідної напруги, в якій проводиться перетворення. Вона може бути постійною або ж допускати зміну в деяких межах. Іноді передбачається подача на АЦП двох опорних напруг з різними знаками, тоді АЦП здатний працювати як з позитивними, так і з негативними вхідними напругами.

Вихідний цифровий код N (n-розрядний) однозначно відповідає рівню вхідної напруги. Код може приймати 2^п значень, тобто АЦП може розрізняти 2^п рівнів вхідної напруги. Кількість розрядів вихідного коду п є найважливішою характеристикою АЦП. У момент готовності вихідного коду видається сигнал закінчення перетворення RDY, по якому зовнішній пристрій може читати код N.

Управляється робота АЦП тактовим сигналом CLK, який задає частоту перетворення, тобто частоту видачі вихідних кодів. Гранична тактова частота - другий найважливіший параметр АЦП. В деяких мікросхемах є вбудований генератор тактових сигналів, тому до їх виводів підключається кварцовий генератор або конденсатор, задаючий частоту перетворення. Сигнал CS дозволяє роботу мікросхеми.

Точність ЦАП визначається значенням абсолютної погрішності приладу, нелінійністю і диференційною нелінійністю.

Абсолютна погрішність представляє відхилення значення вихідної напруги (струму) від номінальної розрахункової, відповідної кінцевій точці характеристики перетворення. Абсолютна погрішність звичайно вимірюється в одиницях молодшого значущого розряду (МР).

Нелінійність dL характеризує ідентичність мінімальних приростів вихідного сигналу у всьому діапазоні перетворення і визначається як найбільше відхилення вихідного сигналу від прямої лінії абсолютної точності, проведеної через нуль і точку максимального значення вихідного сигналу.

Диференціальна нелінійність d LD характеризує ідентичність сусідніх приростів сигналу. Її визначають як мінімальну різницю погрішності нелінійності двох сусідніх квантів у вихідному сигналі.

Час встановлення – це інтервал часу від подачі вхідного коду до встановлення вихідного сигналу в задані межі.

Максимальна частота перетворення – це найбільша частота дискретизації, при якій параметр ЦАП відповідає заданому значенню.

В навчально лабораторному комплексі АЦП побудований на мікросхемах DA1 (ЦАП 572ПА1) і DA2 компаратор з ТТЛ виходом. Стан компаратора можна прочитати на виводі 12 LPT-порту ПК, про закінчення циклу перетворення також свідчить свічення світлодіода HL1. Вимірювана напруга знімається з резистивного подільника. Обертаючи ручку потенціометра R1 можна змінювати вимірювану напругу.

В схемі АЦП лабораторного стенду використовується мікросхема помножуючого ЦАП типу К572ПА1 ( рисунок 8.3). Дана мікросхема є універсальною структурною ланкою для побудови мікроелектронних ЦАП, АЦП і керованих подільників струму.

Рисунок 2 – Мікросхема К572ПА1

Завдяки малій споживаній потужності, достатньо високій швидкодії, невеликим габаритам ЦАП К572ПА1 знаходить широке застосування в різній апаратурі. Мікросхема ЦАП К572ПА1 призначена для перетворення 10-розрядного прямого паралельного двійкового коду на цифрових входах в струм на аналоговому виході, який пропорційний значенням коду і опорної напруги. Для роботи в режимі з виходом по напрузі до ІС ЦАП К572ПА1 підключаться зовнішнє джерело опорної напруги (ДОН) і операційний підсилювач (ОП) з метою створення негативного зворотного зв'язку, що працює в режимі підсумовування струмів.

Нумерація і призначення виводів мікросхеми: 1 – аналоговий вихід 1; 2 – аналоговий вихід 2; 3 – загальний вивід; 4 – цифровий вхід 1 (СР); 5 – 12 – цифрові входи 2 – 9; 13 – цифровий вхід 10 (МР); 14 – напруга джерела живлення; 15 – опорна напруга; 16 – вивід резистора зворотного зв'язку.

Структура лабораторного стенду приведена на рисунку 8.4

Рисунок 8.4. Структура лабораторного стенду

• LPT-порт ПК – призначений для управління апаратною частиною стенду;

• Буферний регістр – призначений для підсилення сигналів LPT-порту ПК і запобіганню пошкодження порту при пробої мікросхеми ЦАП;

• Джерело опорної напруги – призначене для вводу опорної напруги при роботі схеми в режимі АЦП;

• Компаратор – призначений для порівняння опорної напруги і напруги і напруги на виході ЦАП при роботі схеми в режимі АЦП;

• Блок сповіщення – призначений для індикації результатів порівняння напруг і передачі сигналів в програму управління

• Вимірювальний пристрій – призначений для вимірюванні рівнів напруги на виході ЦАП;

Схема працює наступним чином. Двійковий код, який необхідно подати на ЦАП, видається програмою управління через LPT-порт ПК, до якого підключений буферний регістр, який працює в режимі формувача. Вихідна напруга з ЦАП подається на аналоговий компаратор, де порівнюється з опорною напругою, яка задається користувачем.

При співпадінні напруг на вході компаратора, спрацьовує блок сповіщення, який за допомогою світлової індикації, а також спеціальними програмними засобами сповіщає користувача про дану ситуацію. Виміряти напругу на виході ЦАП можна завдяки вимірювальному пристрою, яким може бути звичайний мультиметр або осцилограф.

Вигляд плати лабораторної установки показано на рисунку 8.5.

Рисунок 8.5 Вигляд плати лабораторної установки. Схема розміщення елементів стенду

Х1 – Інтерфейс паралельного порту LPT для підключення стенду до ПК;

Х2 – Роз’єм для підключення зовнішнього джерела вхідного сигналу (1-[+5В];2-[U_вх];3-[GND]);

Х3,Х4 – Роз’єми для підключення зовнішніх вимірювальних пристроїв, для вимірювання сигналу із ЦАП;

Х5 – Роз’єм для підключення зовнішнього вимірювального пристрою, для вимірювання аналогового сигналу із резистивного подільника R1;

HL1 – світлодіодний індикатор процесу вимірювання;

J1 – Преремичка під’єднання сигналу Strobe LPT (1– Strobe; 2–GND);

J2 – Перемичка підключення лінії вхідного аналогового сигналу (1-U_вх [X2];2–U_вх [R1]);

R1 – Потенціометр подільника вхідного аналогового сигналу;

X6 – Роз’єм для підключення живлення стенду.

Для виконання лабораторної роботи використовується програма “дослідження ЦАП/АЦП”

Рисунок 8.6. Головна форма програми для дослідження роботи ЦАП/АЦП

Хід роботи

ПІДГОТОВКА ДО РОБОТИ

Вивчити принцип роботи, параметри, характеристики, схеми включення і можливості застосування інтегральних мікросхем (IMC) ЦАП/АЦП. Вивчити основні характеристики мікросхем ЦАП/АЦП.

Замалювати у звіт його графічне зображення мікросхеми К572ПА1 та призначення її виводів.

ПРОВЕДЕННЯ ДОСЛІДЖЕНЬ

1. Встановити плату для дослідження ЦАП/АЦП в роз’єм LPT-порту ПК (Х1);

2. Підключити вимірювальні прилади: осцилограф – X4; мультиметр – X5;

3. Під’єднати живлення до плати (ввімкнути роз’єм Х6 в спеціальне гніздо живлення на задній стінці корпуса ПК);

4. Запустити програму DAC_ADC.exe з каталогу D:\LAB\DAC_ADC;

Виконується в лабораторії

1. Записати в таблицю 8.1 значень аналогової величини і цифровий код, який її відповідає (у вказаних системах числення), отримане внаслідок вимірювання вхідної напруги методом, вказаним у варіанті виконання таблиця 8.2. [задається викладачем].

Таблиця 8.1. Результати вимірювання

№ вар.	Метод вимірювання			№ вар.	Метод вимірювання
	порозрядне врівноваження		половинних наближень		порозрядне врівноваження		половинних наближень
1	+			9	+
2		+		10		+
3		+		11		+
4		+		12	+
5	+			13		+
6	+			14	+
7		+		15	+
8	+			16		+

Таблиця 8.2. Результати вимірювань

№ п/п	Вхідна напруга	Кодування
	Uвх	bin	hex	dec
1
2
.
.
.
10

По результатах вимірювання, намалювати графік зміни аналогового сигналу.

2. Зобразити на осцилографі аналоговий сигнал, форму якого задає викладач. Для цього необхідно у таблицю, що розміщена на формі програми, ввести кодові комбінації (десяткові числа), по яких, відповідно, буде формуватись аналоговий сигнал на виході ЦАП (роз’єм Х4 на платі стенду.) Значення амплітуди сигналу у відповідних часових проміжках і відповідні їм кодові комбінації занести у таблицю. По даним таблиці зобразити графік.

Завершення виконання лабораторної роботи

3. Закрити програму DAC_ADC.exe;

4. Від’єднати живлення від плати стенду;

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ

1. Чинники, які впливають на точність ЦАП? Поняття дискретності, квантування, роздільна здатність; Напруга зміщення нуля;

2. Методи і типи АЦП;

3. Статичні параметри АЦП;

4. Динамічні параметри АЦП;

5. Час перетворення, час затримки запуску, час циклу перетворення, максимальна частота перетворення;