5 семестр - МКіМПвСУ - Схемотехніка - Лабораторні - схемотехніка лаб - АЦП
Лабораторна робота № 8
Тема: аналого-цифрові (АЦП) та цифро-аналогові (ЦАП) перетворювачі.
Мета: вивчення принципів дії та дослідження роботи АЦП та ЦАП.
Обладнання: персональний комп'ютер, програмне забезпечення – Electronics Workbench 5.12.
Цифро-аналогові перетворювачі(ЦАП) служать перетворення інформації з цифрової форми в аналоговий сигнал – підсумовування струмів і напруг. ЦАП широко застосовується в різних пристроях автоматики для зв'язку цифрових ЕОМ з аналоговими елементами та системами. ЦАП перетворює цифровий двійковий код Q4Q3Q2Q1 в аналогову величину, зазвичай напруга Uвих. Роботу ЦАП можна описати такою формулою:
де e – напруга, що відповідає вазі молодшого розряду, Qi – значення i-го розряду двійкового коду (0 або 1). Наприклад, числу 1001 відповідає
Uвих=у*(1*1+0*2+0*4+1*8)=9*e,а числу 1100
Uвих=e*(0*1+0*2+1*4+1*8)=12*e.
Мал. 1. Схема спрощеного цифро-аналогового перетворювача.
Спрощена схема реалізації ЦАП представлена на рис. 1. У схемі i - й ключ замкнутий при Qi = 1, при Qi = 0 - розімкнуть. Регістри підібрані таким чином, що R>Rн. Еквівалентний опір обведеного пунктиром двополюсника Rек і опір навантаження Rн утворюють дільник напруги, тоді
Uвих = E*Rн/ (Rек+ Rн) E*Rн/Rек(2)
Провідність двополюсника 1 / Rек дорівнює сумі провідностей гілок (при Qi = 1 i - гілка включена, при Qi = 0 - відключена):
1 / Rек= Q1/ 8R + Q2>/ 4R + Q3/ 2R + Q4/R (3)
Підставивши (3) (2), отримуємо вираз, ідентичний (1)
Uвих = (8Е*Rн/R)*(Q1*1 + Q2*2 + Q3*4 + Q4*8 )
Вочевидь, що е = 8Е*Rн / R. Вибором е можна встановити необхідний масштаб аналогової величини.
Аналогово-цифрові перетворювачі. В інформаційних та керуючих системах частина (або вся) інформація від датчиків буває представлена в аналоговій формі. Для її введення в цифрові ЕОМ та цифровий керуючий пристрій широко застосовуються аналогово-цифрові перетворювачі (АЦП). У більшості випадків АЦП виконують перетворення вхідної напруги або струму на двійковий цифровий код. Існують різні типи АЦП. Ми зупинимося лише з тих типах, які отримали нині найбільшого поширення.
Мал. 2. Схема АЦП послідовного наближення
АЦП послідовного наближення (АЦППП).Структурна схема АЦППП наведена на рис. 2. Схема працює в такий спосіб. Вхідний аналоговий сигнал Uвх перед початком перетворення запам'ятовується схемою вибірки - зберігання ВХ, що необхідно, тому що в процесі перетворення потрібна зміна аналогового сигналу. Далі за командою "Пуск" за допомогою зсувного регістру послідовно в часі кожен тригер Ti, починаючи зі старшого розряду, переводить у положення 1 відповідний розряд ЦАП. Напруга U1 (або струм) з виходу ЦАП порівнюється з аналоговим вхідним сигналом за допомогою компаратора КП. Якщо U0 > U1, на виході компараторазберігається низький рівень і тригері зберігається одиниця, при U0 n – 1 компараторів з 2 n - 1 еталонними рівнями, утвореними дільниками з резисторів рівного опору. При цьому спрацьовують m молодших компараторів, що утворюють на виходах схем І не нормальний одиничний код, потім який за допомогою спеціального дешифратора ДШ перетворюється на двійковий вихідний сигнал.
Похибка АЦПП визначається неточністю та нестабільністю еталонної напруги, резистивного дільника та похибками компараторів. Значну роль можуть відігравати вхідні струми компараторів, якщо дільник недостатньо низькоомний. На рис. 3 наведено структурну схему АЦП паралельного типу.
Мал. 3. Схема АЦП паралельного типу.
Час перетворення складається з таких складових:
деtз,сх- Час затримки логічних схем; k - Число послідовно включених логічних схем.
При використанні компаратрів зі стробування АЦПП може бути без схеми ВХ. У цьому він забезпечує найбільше швидкодію проти будь-якими іншими АЦП.
Мал. 4. АЦП та ЦАП.
На рис. 4, показана схема перетворення аналогової величини (напруги) в цифровий код і зворотне проебразование цифрового коду в аналогову величину.
Завдання:
Використовуючи пакет Electronics Workbench спроектувати схему представлену малюнку 4, і провести аналіз зміни напруги, змінюючи частоту і амплітуду на вході АЦП, і навіть змінюючи частоту генератора прямокутних імпульсів.
Скласти звіт про виконання лабораторної роботи до якого включити схеми ЦАП та АЦП, часові діаграми роботи ЦАП та АЦП.
Дані для завдання:
DD1 – аналого-цифровий перетворювач; DD2 – цифро-аналоговийперетворювач; R1 - 15 ком; R2 - 5,1 ком; R3 - 3,3 ком; R4 - 3,3 кОм; R5 - 5,1 ком; R6 - 5,1 ком; DA1 – операційний підсилювач; HL1 HL8 – світлодіоди; E1 – джерело живлення змінного струму (амплітуда – 1,75В, частота – 5Гц); E2 - джерело живлення постійного струму 2,5В; E3 – опорне джерело постійного струму 5В; генератор прямокутних імпульсів (генератор синхроімпульсів) частотою 150 Гц, амплітудою 5В. Налаштування осцилографа: час/справ. (time base) – 0,02 ms/dev; канали А та В – 1 В/поділ. (1 V/dev).
Основні прийоми роботи в Electronics Workbench
Порядок проведення роботи з розробки принципової електричної схеми
Відкрийте Electronics Workbench.
Підготуйте новий файл для роботи. Для цього необхідно виконати такі операції з меню:File/NewтаFile/Save as. При виконанні операціїSave asбуде необхідно вказати ім'я файлу та каталог, у якому зберігатиметься схема.
Перенесіть необхідні елементи із заданої схеми на робочу область Electronics Workbench. Для цього необхідно вибрати розділ на панелі інструментів (Sources, Basic, Diodes, Transistors, Analog Ics, Mixed Ics, Digital Ics, Logic Gates, Digital, Indicators, Controls, Miscellaneous, Instruments), в якому знаходиться потрібний вам елемент, потім перенести його на робочу область (клацнути мишею потрібному елементі і, не відпускаючи кнопки, перенести у потрібне місце схеми). Workbench також надає можливість використовувати панель інструментівFavorites.Панель своя для кожного файлу схеми.
Орієнтовний вигляд панелі Favorites
Щоб додати до панелі елемента, потрібно клацнути його зображення на панелі правою кнопкою і вибрати Add to Favorites. Щоб прибрати з панелі Favorites, клацнути правою кнопкою елементна панелі Favorites та вибрати Remove from Favorites.
4. З'єднайте контакти елементів та розташуйте елементи в робочій області для отримання необхідної вам схеми. Для з'єднання двох контактів необхідно клацнути по одному з контактів основною кнопкою миші та , не відпускаючи клавішу, довести курсор до другого контакту.
Розглянемо ці дії у покроковому режимі:
Наведемо курсор миші на виведення елемента те щоб з'явилася чорна точка контакту.
Опустимо клавішу миші, і не відпускаючи її, проводимо провідник до елемента, з яким треба налагодити з'єднання.
Коли провідник досягне виведення іншого елемента, з'явиться точка контакту, тоді кнопку миші треба опустити.
Два елементи електрично з'єднані.
У разі потреби можна додати додаткові вузли (розгалуження). Для цього треба просто перетягнути елемент із панелі на місце провідника, де треба його розгалужити.
Елемент «Вузол ланцюга»
5.Проставте необхідні номінали та властивості кожному елементу. Для цього потрібно двічі клацнути мишею на елементі:
6.Коли схема зібрана і готова до запуску, натисніть кнопку живлення на панелі інструментів.
У разі серйозної помилки у схемі (замикання елемента живлення коротко, відсутність нульового потенціалу у схемі) буде видано попередження.
7.Зробіть аналіз схеми, використовуючи інструменти індикації. Виведення терміналу здійснюється подвійним натисканням клавіші миші на елементі:
У разі потреби можна скористатися кнопкою Pause.
8.За необхідності зробіть доступні аналізи в розділі меню Analysis.