Выходное напряжение ЦАП определяется выражением

U_вых = (8Е R_н/R) · (Q₁ · 1 + Q₂ · 2 + Q₃ · 4 + Q₄ · 8).

Очевидно, что е = 8Е·R_н/R. Выбором е можно установить требуемый масштаб аналоговой величины.

2. Аналого-цифровые преобразователи. В информационных и управляющих системах часть или вся информация от датчиков бывает представлена в аналоговой форме. Для ее ввода в цифровые ЭВМ и цифровое управляющее устройство широко применяются аналого-цифровые преобразователи (АЦП). В большинстве случаев АЦП выполняют преобразование входного напряжения или тока в двоичный цифровой код.

Существуют различные типы АЦП. Рассмотрим те типы, которые получили в настоящее время наибольшее распространение.

2.1. АЦП последовательного приближения (АЦППП). Структурная схема АЦППП приведена на рисунке 5.2.

Рисунок 5.2 - Схема АЦП последовательного приближения

Схема работает следующим образом. Входной аналоговый сигнал Uвх перед началом преобразования запоминается схемой выборки – хранения ВХ, которая исключает изменение аналогового сигнала в процессе преобразования. Далее по команде “Пуск” с помощью сдвигового регистра последовательно во времени каждый триггер Ti, начиная со старшего разряда, переводит в положение 1 соответствующий разряд ЦАП. Напряжение U1 (или ток) с выхода ЦАП сравнивается с входным аналоговым сигналом с помощью компаратора КП. Если U0 ≥ U1, то на выходе компаратора сохраняется низкий уровень и в соответствующем триггере сохраняется единица, при U0 < U1 срабатывает компаратор и переводит триггер в положение 0. После окончания цикла на выходах триггеров получается двоичный код, соответствующий (при идеальных элементах) U0 с точностью до половины младшего разряда.

Погрешность АЦППП определяется неточностью ЦАП, зоной нечувствительности и смещением нуля компаратора, а также погрешностью схемы выборки – хранения.

Поскольку в такой схеме ошибка в каком – либо разряде в дальнейшем не корректируется, необходимо, чтобы время на «взвешивание» каждого разряда было достаточно для затухания переходного процесса до уровня, соответствующего половине младшего разряда, и чтобы компаратор успел сработать.

Время преобразования АЦП t _пр приблизительно равно

t _пр = n · t _у,

где t _у – время «взвешивания» разряда.

2.2. АЦП параллельного типа (АЦПП). Существенное уменьшение t_пр удается получить в АЦП параллельного типа. Здесь входная аналоговая величина сравнивается компараторами с (2ⁿ-1) эталонными уровнями, образованными делителями из резисторов равного сопротивления.

 При этом срабатывают младшие компараторы, образующие на выходах схем И-НЕ нормальный унитарный код, который затем с помощью специального дешифратора ДШ преобразуется в двоичный выходной сигнал.

Погрешность АЦПП определяется неточностью и нестабильностью эталонного напряжения, резистивного делителя и погрешностями компараторов.

Этот АЦП сложен в реализации, но обеспечивает наибольшее быстродействие по сравнению с любыми другими АЦП.

Рабочее задание

1. Используя среду моделирования, построить 8-разрядный ЦАП с весом младшего разряда, равным номеру рабочего места в мВ. Убедиться в его работоспособности, подключив на его входы генератор слов и светодиодные индикаторы.

2. Построить 7-разрядный ЦАП с увеличенным в два раза весом младшего разряда. Измерить вес младшего разряда.

3. Используя среду моделирования, построить модель АЦП последовательных приближений.

4. Определить, какие элементы выполняют функции компаратора, ЦАП и тактового генератора.

5. Установить входное напряжение U вх =0,01 В и опорное напряжение U о =10,24 В. Запустить АЦП и зарисовать осциллограммы на входе АЦП и выходе ЦАП. Измерить значения напряжений на выходе ЦАП и считать выходные коды на каждом шаге преобразования. Полученные результаты пояснить.

6. Установить U вх = 3,5 В и запустить АЦП. Считать выходной код АЦП. Пояснить осциллограммы на выходе ЦАП.

7. Увеличить в два раза частоту тактового генератора. Считать выходной код АЦП. Пояснить изменения в осциллограмме.

8. Установить U о = 5 В, U вх = 3,5 В и запустить АЦП. Считать выходной код АЦП. Пояснить осциллограммы на выходе ЦАП.

9. Выполнить индивидуальное задание.

10. Сделать выводы о проделанной работе.

Содержание отчета

1. Смоделированные схемы.

2. Осциллограммы в соответствии с пунктами рабочего задания.

3. Выводы по результатам исследований.

 

Контрольные вопросы

1. Как определить вес младшего разряда ЦАП?

2. Как подстроить ЦАП?

3. Достоинства и недостатки АЦП последовательных приближений.

4. Достоинства и недостатки параллельного АЦП.

5. Как подстроить АЦП?

6. Основные блоки параллельного АЦП.

7. Основные блоки АЦП последовательных приближений.

8. Объяснить осциллограммы в характерных точках АЦП последовательных приближений.

9. Как по осциллограмме на выходе ЦАП в АЦП последовательных приближений определить выходной код?

ЛИТЕРАТУРА

1. Клаассен К.Б. Основы измерений. Датчики и электронные приборы. Учебное пособие.- М.: ИД Интеллект, 2012. - 352с.

 2. Топильский В.Б. Микроэлектронные измерительные преобразователи. Учебное пособие.- М.: Пилот, 2012. - 493с.

3. Топильский В.Б. Схемотехника аналого-цифровых преобразователей. Учебное пособие. - М.: Техносфера, 2014. - 288с.

 

СОДЕРЖАНИЕ

Лабораторная работа №1. Интерфейсные схемы на операционных

усилителях……………………………………………………….…………3

Лабораторная работа №2. Измерительные выпрямители…………...…..6

Лабораторная работа №3. Мостовые преобразователи сопротивления..8

Лабораторная работа №4. Линеаризация датчиков

информации………………………………………………….………..…...11

Лабораторная работа №5. Цифро-аналоговые и аналого-цифровые

преобразователи………………………………………….……………….15

ЛИТЕРАТУРА………………………………………….………………....18

 

 

 

Учебно-методическое издание   Тихонов Владимир Александрович     Сборник лабораторных работ по дисциплине «Преобразователи первичной информации»   Технический редактор М.А. Андреев Корректор И.А. Казилина ________________________________________________________________________________________________________   Темплан издания филиала ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» в г. Смоленске, 2021 г., метод. Подписано в печать 00.10.2021. Печ. л. 1,25. ________________________________________________________________________________________________________   Издательский сектор филиала ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ»  в г. Смоленске 214013 г. Смоленск, Энергетический проезд, 1.                                  Ó Тихонов В.А., 2021.

Ó Филиал ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ»  в г. Смоленске, 2021.