Исследование цифро-аналоговых преобразователей с параллельным суммированием токов.
ЦАП с весовыми резисторами или с параллельным суммированием токов (рис. 1) содержит источник опорного напряжения Uоп, ключи X0, X1, X2 и X3, управляемые входным двоичным кодом, резисторы R1, R2, R3 и R4, включенные последовательно с ключами и суммирующий усилитель Оу.
Рис. 1. Схема цифро – аналогового преобразователя с параллельным суммированием токов.
Если разряд двоичного кода на входе ЦАП равен "1", то соответствующий переключатель подключает резистор к источнику опорного напряжения, если равен "0" – к "земле" (на схеме на вход ЦАП подано двоичное число (0011)). Сопротивление резисторов от младшего к старшим разрядам уменьшаются
R2 = R1/2, R3 = R2/2, R4 = R3/2 и т.д.
В результате величина (вес) тока, проходящего по каждому резистору, будет разным. Минимальный суммарный ток на выходе резисторной схемы будет при поступлении двоичного числа (0001) I0 = Uоп/R1. В результате на выходе Оу появится напряжение U1, равное минимальному шагу изменения выходного напряжения. Если на вход подать число 410 = (01002), то величина тока на выходе резисторной схемы будет равна I = Uоп/R3 = 4∙Uоп/R1 = 4∙I0 . Поэтому и величина напряжения U1 на выходе Оу будет в четыре раза больше.
Схема ЦАП с параллельным суммированием токов содержит минимальное число резисторов. Однако все резисторы имеют разное сопротивление, которое нужно получить с высокой точностью. Так, для 10-ти разрядного ЦАП точность подгонки резисторов должна быть 0.1%, что технологически выполнить чрезвычайно сложно. Поэтому схема ЦАП с параллельным суммированием токов применяется лишь при малом числе двоичных разрядов.
1.2.1. Исследование цифро-аналоговых преобразователей с параллельным суммированием токов средствами САПР.
Задача исследования: определить минимальный шаг изменения выходного напряжения, построить характеристики вход – выход для идеального и реального ЦАП, провести их сравнительный анализ.
1. Запустите при помощи ярлыка на рабочем столе Windows программу Electronics Workbench. Выберете в меню Files команду Open. В появившемся диалоговом окне откройте папку 0646/ПТ_646_21, а в ней файл Z21_01.ewb, в котором представлена схема экспериментального исследования ЦАП с параллельным суммированием токов и идеальным ОУ.
2. Запустите процесс моделирования при помощи выключателя в правом верхнем углу экрана.
а) Определение минимального шага изменения выходного напряжения.
3. Подайте на вход ЦАП при помощи переключателей, управляемых клавишами А, B, C и D, двоичное число (0001)2. Младшему разряду Х0 соответствует клавиша А. Вольтметр, подключенный к выходу ОУ, покажет напряжение, соответствующее минимальному шагу. Запишите результат в Отчет.
б) Построение характеристики вход – выход для идеального ЦАП.
4. Подайте на вход ЦАП последовательность двоичных чисел и запишите показания вольтметра в первый столбец Таблицы 1 в Отчете.
Таблица 1.
Сравнение характеристик вход – выход идеального и реального ЦАП.
| N | Двоичное число | Выходное напряжение идеального ЦАП | Выходное напряжение реального ЦАП |
5. Выберете в меню Files команду Open. В появившемся диалоговом окне откройте файл Z21_01_1.ewb, в котором представлена схема экспериментального исследования ЦАП с параллельным суммированием токов и реальным ОУ LM 1875.
6. Запустите процесс моделирования при помощи выключателя в правом верхнем углу экрана.
в) Определение напряжения смещения нуля.
7.Подайте на вход схемы двоичное число (0000)2 . Запишите показания вольтметра во вторую графу Таблицы 1 в Отчете.
г) Определение минимального шага изменения выходного напряжения.
8. Подайте на вход ЦАП двоичное число (0001)2. Младшему разряду Х0 соответствует клавиша А. Запишите показание вольтметра во вторую строку второго столбца Таблицы 1 в Отчете. Найдите разность напряжений, измеренных в экспериментах г) и в). Это напряжение, соответствующее минимальному шагу. Запишите результат в Отчет.
д) Построение характеристики вход – выход для реального ЦАП.
9. Подайте на вход ЦАП последовательность двоичных чисел и запишите показания вольтметра во второй столбец Таблицы 1 в Отчете.
Определите:
- Абсолютную погрешность преобразования, определяемую в конечной точке m = 15 δUвых. Она равна разности выходных напряжений идеального и реального ЦАПов.
- Нелинейность преобразования δL. Она равна максимальной разности выходных напряжений для идеального и реального ЦАП в промежуточной точке
Запишите результаты в Отчет.
Исследование цифро-аналоговых преобразователей с последовательным суммированием токов. Вариант №1.
ЦАПс последовательным суммированием токов содержат резисторы только двух номиналов: R и 2R. Технология изготовления таких ЦАП проще и поэтому они находят широкое применение. Схема ЦАП с последовательным суммированием токов (ЦАП лестничного типа) представлена на рис. 2.
3 2 1 0
Рис. 2. Схема цифро – аналогового преобразователя с последовательным суммированием током.
Если разряд двоичного кода на входе ЦАП равен "1", то соответствующий переключатель подключает резистор к источнику опорного напряжения, если равен "0" – к "земле" (на схеме на вход ЦАП подано двоичное число (1100)).
Принцип работы матрицы R-2R этого варианта ЦАП состоит в следующем ( на схеме резисторы R – R5, R6, R7 (по 10 кОм), резисторы 2R – R1, R2, R3, R4 и R8 (по 20 кОм)). Если ключ Х0 подключен к "земле", то суммарное сопротивление между узлом схемы "0" и "землей" равно сопротивлению двух параллельно соединенных резисторов R1 и R8. Это сопротивление равно Rэ = R = 10 кОм. Аналогично сопротивление между узлом "1" и "землей” равно сопротивлению двух параллельных цепей : R2 и R5 + Rэ , то есть также равно R = 10 кОм. Аналогично получаем такой же результат и для остальных узлов "2" и "3". Когда на вход ЦАП поступает двоичное число, то соответствующие ветви матрицы сопротивлений включаются параллельно и токи, соответствующие двоичным разрядам с "1" получают веса, аналогичные весам двоичных разрядов в ЦАПе с параллельным суммированием токов.
Напряжение на выходе ЦАП с последовательным суммированием токов находится по формуле
В этой формуле буквами (L, K, J и I) обозначены "0" или "1" двоичного числа (L K J I)2, поступающего на вход ЦАП (младший разряд справа).
ЦАП с последовательным суммированием токов значительно технологичнее Цап с параллельным суммированием токов. Это связано с тем, что в его схеме применяются резисторы двух номиналов R и 2R (Roc всегда можно сделать равным R). Поэтому этот тип ЦАП нашел самое широкое распространение.
1.3.1. Исследование цифро-аналоговых преобразователей с последовательным суммированием токов средствами САПР. Вариант №1.
Задача исследования: определить минимальный шаг изменения выходного напряжения, построить характеристики вход – выход для идеального и реального ЦАП, провести их сравнительный анализ.
1. Выберете в меню Files команду Open. В появившемся диалоговом окне откройте файл Z21_02.ewb, в котором представлена схема экспериментального исследования ЦАП с последовательным суммированием токов и идеальным ОУ.
2. Запустите процесс моделирования при помощи выключателя в правом верхнем углу экрана.
а) Определение минимального шага изменения выходного напряжения.
3. Подайте на вход ЦАП при помощи переключателей, управляемых клавишами А, B, C и D, двоичное число (0001)2. Младшему разряду Х0 соответствует клавиша А. Вольтметр, подключенный к выходу ОУ, покажет напряжение, соответствующее минимальному шагу. Запишите результат в Отчет.
б) Построение характеристики вход – выход для идеального ЦАП.
4. Подайте на вход ЦАП последовательность двоичных чисел и запишите показания вольтметра в первый столбец Таблицы 2 в Отчете.
Таблица 2.
Сравнение характеристик вход – выход идеального и реального ЦАП.
| N | Двоичное число | Выходное напряжение идеального ЦАП | Выходное напряжение реального ЦАП |
5. Выберете в меню Files команду Open. В появившемся диалоговом окне откройте файл Z21_02_1.ewb, в котором представлена схема экспериментального исследования ЦАП с параллельным суммированием токов и реальным ОУ LM 841.
6. Запустите процесс моделирования при помощи выключателя в правом верхнем углу экрана.
в) Определение напряжения смещения нуля.
7. Подайте на вход схемы двоичное число (0000)2 . Запишите показания вольтметра во вторую графу Таблицы 1 в Отчете.
г) Определение минимального шага изменения выходного напряжения.
8. Подайте на вход ЦАП двоичное число (0001)2. Младшему разряду Х0 соответствует клавиша А. Запишите показание вольтметра во вторую строку второго столбца Таблицы 1 в Отчете. Найдите разность напряжений, измеренных в экспериментах г) и в). Это напряжение, соответствующее минимальному шагу. Запишите результат в Отчет.
д) Построение характеристики вход – выход для реального ЦАП.
9. Подайте на вход ЦАП последовательность двоичных чисел и запишите показания вольтметра во второй столбец Таблицы 1 в Отчете.
Определите:
- Абсолютную погрешность преобразования, определяемую в конечной точке m = 15 δUвых. Она равна разности выходных напряжений идеального и реального ЦАП.
- Нелинейность преобразования δL. Она равна максимальной разности выходных напряжений для идеального и реального ЦАП в промежуточной точке
Запишите результаты в Отчет.
Исследование цифро-аналогового преобразователя с последовательным суммированием токов. Вариант №2.
Изучим работу ЦАП, в котором в качестве коммутирующего устройства используется двоично – десятичный счетчик 74160 (К155ИЕ9) (рис. 3).
Рис. 3. Схема ЦАП с последовательным суммированием токов и управлением от счетчика К155ИЕ9.
Роль ключей, управляющих матрицей резисторов R-2R,в этой схеме выполняют выходные каскады счетчика, подающие на входы матрицы напряжения высокого и низкого уровней в стандарте ТТЛ. Поэтому в этом варианте ЦАП отсутствует источник опорного напряжения.
После включения схемы на вход синхронизации счетчика начинают поступать импульсы от генератора прямоугольных импульсов 
. Состояние счетчика выводится на семисегментный индикатор. Выходное напряжение с ЦАП и синхроимпульсы выводятся на экран двухлучевого осциллографа (рис. 4).
Рис. 4. Осциллограмма выходного напряжения ЦАП (черная) и синхроимпульсов (красная). Масштаб для выходного напряжения – 1 В/дел., масштаб по оси времени – 1 с/дел.
Из осциллограммы видно, что переключение счетчика (и ЦАП) происходит по заднему фронту синхроимпульсов. Эта осциллограмма с учетом масштабов по осям позволяет измерить минимальный шаг изменения выходного напряжения и время установления выходного напряжения.
1.4.1. Исследование цифро-аналоговых преобразователей с последовательным суммированием токов средствами САПР. Вариант №2.
1. Выберете в меню Files команду Open. В появившемся диалоговом окне откройте файл Z21_03.ewb, в котором представлена схема экспериментального исследования ЦАП с последовательным суммированием токов и идеальным ОУ.
2. Откройте изображение осциллографа, два раза щелкнув мышкой по его пиктограмме.
3. Запустите процесс моделирования при помощи выключателя в правом верхнем углу экрана. Зарисуйте форму импульса выходного напряжения в Отчет.
Определение минимального шага изменения выходного напряжения при помощи осциллографа программы Electronics Workbench. По осциллограмме выходного напряжения определите минимальный шаг. Для этого передвиньте при помощи мышки красный (1) и синий (2) визиры на экране осциллографа на две соседние площадки осциллограммы выходного напряжения (рис. 5) по их пиктограммам.
Рис. 5. Измерения при помощи осциллографа программы Electronics Workbench.
Показания в окнах:
Т1 = 1.31 с – время развертки до красного визира 1,
VA1 = 0.00 В – напряжение в точке пересечения красного визира 1 и осциллограммы канала А (красного),
VB1 = - 0.6249986 В - напряжение в точке пересечения красного визира 1 и осциллограммы канала В (черного)
T2, VA2 и VB2 – те же величины для синего визира 2.
Т2 – Т1 = 0.5 с – время развертки между синим и красным визирами,
VA2 – VA1 = 0.00 – разность напряжений в точках пересечения синего и красного визиров с осциллограммой канала А.
VВ2 – VВ1 = - 0.3124993 В – разность напряжений в точках пересечения синего и красного визиров с осциллограммой канала В.
Показания в правом окне осциллографа позволяют определить минимальный шаг изменения выходного напряжения ΔUвых = VВ2 – VВ1 = - 0.313 В.
4. Остановите процесс моделирования при помощи выключателя.
Дата добавления: 2015-09-25; просмотров: 1660;