«Цифровой генератор прямоугольных импульсов»,
и сигналов на выходах функционального преобразователя
Контрольные вопросы
1. Какие устройства называются функциональными преобразователями?
2. Какие устройства можно отнести к функциональным преобразователям?
3. В чем заключается принцип действия функционального преобразователя на дешифраторе?
Лабораторная работа 8
аналого-цифровоЙ преобразователЬ
Цель работы: исследовать работу аналого-цифрового преобразователя.
Краткие теоретические сведения
Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) предназначены для преобразования аналоговой величины (напряжения, тока) в цифровой код.
К основным типам АЦП относятся следующие.
На рисунке 8.1, а показана функциональная схема последовательного АЦП. На один вход компаратора К поступает преобразуемое напряжение Uвх, на второй – напряжение пилообразной развертки с выхода ЦАП. В счетчике СТ2 при счете импульсов образуется линейно нарастающий код, который преобразуется с помощью ЦАП в линейно нарастающее (пилообразное) напряжение. В начале цикла преобразования счетчик устанавливают в нулевое состояние. Напряжение на выходе ЦАП равно нулю, при этом на выходе компаратора устанавливается напряжение логической 1. При подаче импульса разрешения «Строб» на счетчик начинается счет импульсов генератора тактовых импульсов (ГТИ), проходящих через открытый элемент И. При этом напряжение на выходе ЦАП линейно нарастает, пока не станет равным входному напряжению Uвх. В этот момент напряжение на выходе компаратора становится равным нулю, элемент И закрывается и счет импульсов в счетчике останавливается. Число, установившееся на счетчике, пропорционально Uвх и остается неизменным пока длится входной строб. После прекращения строба счетчик устанавливается в нуль и схема возвращается в исходное состояние. АЦП такого типа имеют низкое быстродействие, например, для получения 10 разрядов потребуется время 1024 тактов интервалов.
Более быстродействующими являются АЦП последовательного приближения (рис. 8.1, б), в которых в качестве регистра используется специальный регистр последовательных приближений [5]. После подачи импульса «Пуск» на выходе самого старшего разряда регистра появляется напряжение логической 1, следовательно, на выходе ЦАП появляется напряжение U1. Если это напряжение меньше Uвх, то включается логическая 1 на выходе следующего по счету разряда регистра, если больше, то «1» на выходе старшего разряда отменяется. Так, методом проб перебираются все разряды до самого младшего. На это требуется количество импульсов ГТИ всего в 2 раза больше, чем число разрядов. Самым быстродействующим является параллельный АЦП (рис. 8.1, в). Напряжение Uвх сравнивается в компараторах К с набором опорных напряжений, снимаемых с резистивного делителя. На тех компараторах, где Uвх больше, чем соответствующее напряжение с делителя, на выходе будет логическая 1, на остальных – логический 0. Шифратор (ШФ) преобразует цифровой код такого вида в двоичный. Быстродействие такого АЦП определяется в основном быстродействием компараторов и может быть до десятков наносекунд. Недостаток параллельного АЦП – аппаратурная сложность, определяемая числом компараторов, которое равно 2n, где n – число двоичных разрядов.
Уменьшение числа компараторов и сохранение высокого быстродействия достигаются в двухтактных схемах (рис. 8.1, г). АЦП1 преобразует в цифровой код информацию старших разрядов. Этот цифровой код преобразуется ЦАП в напряжение, которое вычитается из Uвх. Разность напряжений преобразуется АЦП2 в код младших разрядов. Например, оба АЦП – 4-разрядные (по 16 компараторов), всего потребуется 32 компаратора, а если строить АЦП параллельного типа на 8 разрядов, то потребуется 28 = 256 компараторов. Быстродействие такого АЦП несколько хуже (примерно в 2 раза), чем параллельного, но это окупается экономией числа компараторов.
В последнее время большое распространение получил способ аналого-цифрового преобразования с использованием сигма-дельта-модуляторов. В этом способе обеспечивается гораздо более высокая разрядность (16-24) и высокое отношение сигнал/шум. Ведущей фирмой по разработке таких устройств является Analog Devices.
Аналого-цифровые сигма-дельта-преобразования содержат два основных этапа: сигма-дельта-модуляцию и цифровое преобразование сигма-дельта-модулированного сигнала. Сигма-дельта-модулятор представляет собой преобразователь напряжения–частота, который синхронизован тактовой частотой fт . Его выходной сигнал представляет собой последовательность единичных и нулевых посылок, длительность которых t = 1/fт , а общая частота следования – fт .
Основными параметрами АЦП является разрядность и время установления. Как правило, параллельные АЦП имеют невысокую разрядность: 6 и 8, а время установления составляет 0,02 мкс. АЦП последовательных приближений имеют более высокую разрядность: 10 или 12, но их время установления составляет, например, 0,9 мкс. Кроме того, микросхемы АЦП различаются по виду цифровых микросхем, к которым их можно подключить (ТТЛ, МОП, ЭСЛ).
а)
б)
Рис. 8.1. Принципиальные электрические схемы АЦП:
а – последовательного; б – последовательного приближения;
в – параллельного; г – двухтактного
в)
г)
Рис. 8.1. Продолжение
Описание лабораторного стенда и методические указания
Параллельный АЦП может быть построен по схеме, приведенной на рис. 8.2. Входное напряжение, которое может изменяться в диапазоне от нуля до напряжения источника питания (Uп), представляется на выходах преобразователя в параллельном дополнительном двоичном коде [5].
Для нормальной работы АЦП инверторы-компараторы должны переключаться при напряжении на их входах, равном Uп /2, а выходные напряжения компараторов в устойчивых состояниях должны быть близки к нулю и Uп . Кроме того, компараторы должны обладать высоким входным и низким выходным сопротивлениями.
Перечисленным требованиям удовлетворяют большинство современных ОУ, инвертирующие входы которых подключены к потенциалу Uп /2.
В качестве основы для АЦП можно использовать четверенные КМОП логические элементы «И-НЕ» или «ИЛИ-НЕ». Входное сопротивление такого АЦП около 22 кОм, а время преобразования – не более 300 нс.
Порядок выполнения работы
1. Собрать схему измерений согласно рис. 8.3.
2. Подать напряжение питания с БП 1 (+9 В).
3. Включить БП 2. Плавно вращая ручку потенциометра, изменять величину входного напряжения на входе АЦП (0…+9 В), при этом визуально наблюдать, как изменяется код на выходе с помощью светодиодов, расположенных на верхней крышке лабораторного стенда. Свечение светодиода означает наличие логической единицы на соответствующем разряде, отсутствие свечения – логического нуля.
4. Установить БП 2 в положение «0» В. Изменяя напряжение от 0 до +9 В с шагом 1 В, контролировать с помощью осциллографа значение кода на выходе (клеммы 4А – 7А). Данные занести в табл. 8.1. Примечание: при контроле сигнала осциллографа на одном из разрядов, светодиод этого разряда гаснет (в случае наличия на нем логической 1).
Содержание отчета
1. Наименование и цель работы.
2. Схемы последовательного и параллельного АЦП.
3. Таблицы, графики и эпюры напряжений.
4. Основные параметры.
5. Выводы по результатам лабораторной работы.
Рис. 8.2. Принципиальная электрическая схема параллельного АЦП:
на схеме обозначено: 1А, 1Б – 8Б – общий; 2А – +9 В; 3А – 0…9 В
Рис. 8.3. Структурная схема измерений:
БП 1, БП 2 – источники питания; АЦП – аналого-цифровой
преобразователь; осциллограф
8.1. Значения кодовых сигналов на выходе АЦП
| Uвх, В | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
| 20 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 |
| 21 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 |
| 22 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 23 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
Контрольные вопросы
1. Для чего предназначены аналого-цифровые преобразователи?
2. Какие существуют типы АЦП?
3. Какое АЦП считается наиболее быстродействующим?
4. Чем определяется быстродействие АЦП?
5. В чем заключается недостаток АЦП параллельного действия?
Лабораторная работа 9
цифроаналоговЫЙ преобразователЬ
Цель работы: изучить принцип действия цифроаналогового преобразователя, исследовать зависимость выходного напряжения от цифрового кода.
Краткие теоретические сведения
Цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи являются устройствами сопряжения аналоговой (усилители, фильтры и др.) и цифровой аппаратуры. От их характеристик во многом зависят параметры всей аппаратуры цифровой обработки сигналов.
Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) предназначены для преобразования цифровых кодов в аналоговые величины – напряжение, ток, сопротивление. Построение ЦАП основано на суммировании напряжений и токов, пропорциональных весам двоичных разрядов. В двоичном коде вес от разряда к разряду изменяется вдвое. На рисунке 9.1 показаны две наиболее распространенные схемы суммирования токов: параллельная (рис. 9.1, а) и последовательная (рис. 9.1, б). В схеме (рис. 9.1, а) ключи S1…S n открываются, если соответствующий разряд кода равен логической 1, при этом опорное напряжение Uоп подается на соответствующий резистор. Сопротивления резисторов от старших разрядов к младшим прогрессивно увеличиваются в 2 раза [5].
Недостаток этой схемы – это необходимость подбирать резисторы с высокой точностью. Например, при 10-разрядном коде точность резисторов должна достигать 0,1%. Поэтому такую схему применяют лишь при малом числе двоичных разрядов.
Описание лабораторного стенда и методические указания
В схеме (рис. 9.1, б) ключи S1…S n имеют более сложную структуру. При логической 1 на входе какого-либо разряда соответствующий резистор подключен к напряжению Uоп , при логическом 0 – к общему проводу. Но зато в этой схеме используют резисторы только двух номиналов R и 2R. Естественно, требования к точности этих резисторов намного меньше. Поэтому все современные микросхемы ЦАП строят по этой схеме [5].
Если есть возможность изменять напряжение Uоп , то образуется разновидность ЦАП, называемая «перемножающий ЦАП». Поскольку выходное напряжение ЦАП прямо пропорционально опорному напряжению Uоп , то изменение Uоп эквивалентно умножению его значения на значение цифрового кода. Такие схемы ЦАП имеют широкое применение в схемах обработки сигналов.
Основными параметрами ЦАП являются разрядность и время установления, под которым подразумевается время, прошедшее с момента появления сигнала двоичного разряда до полной установки выходного напряжения. Отечественные микросхемы ЦАП имеют разрядность от 6 (К1118ПА3) до 16 (К427ПА2). Время установления колеблется от 0,005 мкс (5 нс) для микросхемы КС1118ПА6А до 30 мкс (К427ПА1). Кроме того, микросхемы ЦАП различаются по классу цифровых микросхем, к которым они подключаются. Большинство микросхем ЦАП рассчитаны на работу с микросхемами ТТЛ и КМОП. Есть ЦАП, работающие только с микросхемами ТТЛ (К1108ПА1), только с микросхемами ЭСЛ (К1118ПА1) или микросхемами ЭСЛ и ТТЛ (К1118ПА2). Различают микросхемы ЦАП также по количеству и номенклатуре источников питания.
а)
б)
Рис. 9.1. Принципиальные электрические схемы суммирования токов:
а – параллельная; б – последовательная
Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с принципиальной схемой лабораторного стенда для изучения действия ЦАП (приведенной на рис. 9.2 или лабораторном стенде).
2. Подключить питание к выводам 1А, 2А и 3А (2А – +12В, 3А – -12 В, 1А – общий). Не допускать отсутствие какого-либо напряжения (+12 В или -12 В).
3. Подключить выход ЦАП (вывод 4А) к цифровому вольтметру.
4. Изменяя положение переключателей S1 – S4, поочередно задать двоичные коды от 0 до 16, и фиксируя при этом показание вольтметра.
5. Полученные данные занести в табл. 9.1 экспериментальных данных и построить зависимость выходного напряжения от цифрового кода.
Рис. 9.2. Принципиальная электрическая схема ЦАП
На схеме обозначено: 1А, 1Б – 8Б – общий; 2А – +Uпит(+12 В);
3А – -Uпит (-12 В); 4А – выход.
Пример заполнения экспериментальных данных приведен в табл. 9.2.
9.1. Экспериментальные данные ЦАП
| Десятичное число | Двоичный код | Выходное напряжение Uвых, В |
| 0 | 0000 | |
| 1 | 0001 | |
| 2 | 0010 | |
| 3 | 0011 | |
| 4 | 0100 | |
| 5 | 0101 | |
| 6 | 0110 | |
| 7 | 0111 | |
| 8 | 1000 | |
| 9 | 1001 | |
| 10 | 1010 | |
| 11 | 1011 | |
| 12 | 1100 | |
| 13 | 1101 | |
| 14 | 1110 | |
| 15 | 1111 |
9.2. Экспериментальные данные ЦАП (пример заполнения)
| Десятичное число | Двоичный код | Выходное напряжение Uвых, В |
| 0 | 0000 | 0 |
| 1 | 0001 | 0,7 |
| 2 | 0010 | 1,33 |
| 3 | 0011 | 2,02 |
| 4 | 0100 | 2,6 |
| 5 | 0101 | 3,29 |
| 6 | 0110 | 3,9 |
| 7 | 0111 | 4,6 |
| 8 | 1000 | 5,22 |
| 9 | 1001 | 5,91 |
| 10 | 1010 | 6,53 |
| 11 | 1011 | 7,23 |
| 12 | 1100 | 7,81 |
| 13 | 1101 | 8,50 |
| 14 | 1110 | 9,13 |
| 15 | 1111 | 9,83 |
Пример построения графика зависимости выходного напряжения от набираемого цифрового кода показан на рис. 9.3.
Рис. 9.3. Зависимость U вых от цифрового кода
Содержание отчета
1. Наименование и цель лабораторной работы.
2. Таблица экспериментальных данных.
3. График зависимости выходного напряжения от цифрового кода.
4. Выводы о полученных результатах лабораторной работы.
Контрольные вопросы
1. Для чего служат цифроаналоговые преобразователи?
2. В чем преимущества и недостатки последовательной и параллельной схем суммирования токов?
3. Какие основные параметры ЦАП?
4. Какой принцип положен в основу построения ЦАП?
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Изучение учебного пособия и выполнение лабораторных работ по исследованию аналоговых, импульсных и цифровых устройств позволят студентам приобрести теоретические и практические знания, навыки и применить их при проектировании радиоэлектронных средств.
Практическая реализация полученных знаний при освоении дисциплины «Схемотехника электронных средств» в лабораторных работах при определении передаточных характеристик усилителя мощности, устройств на операционных усилителях, при исследовании амплитудно-частотных характеристик активного RC-фильтра и усилительных каскадов на ОУ, а также изучение принципов действия цифрового генератора, функционального преобразователя и аналого-цифрового и цифроаналогового преобразователей способствуют применению приобретенных знаний при анализе и синтезе радиоэлектронных средств, развитию творческого потенциала на пути усовершенствования и создания новых электронных приборов и устройств.
Приобретение практических навыков по проведению экспериментальных исследований аналоговых и цифровых устройств при проведении лабораторных работ, применение современной измерительной аппаратуры, методов анализа и систематизации научно-технической информации по тематике исследования, использование достижений отечественной и зарубежной науки, техники и технологии позволят студентам получать новые результаты в схемотехнике электронных средств.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Опадчий, Ю. Ф. Аналоговая и цифровая электроника : учебник для вузов / Ю. Ф. Опадчий, О. П. Глудкин, А. И. Гуров. – М. : Радио и связь, 2002. – 768 с. : ил.
2. Вайсбурд, Ф. И. Электронные приборы и усилители / Ф. И. Вайсбурд, Г. А. Панаев, Б. Н. Савельев. – изд. 4-е, стер. – М. : КомКнига, 2007. – 480 с.
3. Смирнов, Ю. А. Основы микроэлектроники и микропроцессорной техники [Электронный ресурс] : учебное пособие / Ю. А. Смирнов, С. В. Соколов, Е. В. Титов. – Изд-во «Лань». – 2013 г. – 496 с. – Режим доступа : https://e.lanbook.com/reader/book/12948/#1 . – Загл. с экрана.
4. Новиков, Ю. В. Основы микропроцессорной техники [Электронный ресурс] : учебное пособие / Ю. В. Новиков, П. К. Скоробогатов. – 2016. – 406 с. – Режим доступа : http://www.iprbookshop.ru/52207.html. – Загл. с экрана.
5. Портала, О. Н. Цифровая электроника / О. Н. Портала. – Изд. 2-е, доп. – СПб. : Наука и Техника, 2001. – 224 с. : ил.
6. Селиванова, З. М. Схемотехника электронных средств [Электронный ресурс] : учебное пособие по курсовому проектированию / З. М. Селиванова. – Тамбов : Изд-во ФГБОУ ВО «ТГТУ», 2017.
ПРИЛОЖЕНИЕ А
ТИТУЛЬНЫЙ ЛИСТ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Тамбовский государственный технический университет»
Институт: Энергетики, приборостроения и радиоэлектроники
Кафедра: Конструирование радиоэлектронных и микропроцессорных систем
Дисциплина: Схемотехника электронных средств
ОТЧЕТ
по лабораторной работе
тема работы: ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
номер лабораторного стенда (или вариант задания)_________________
использованная учебно-методическая литература:
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Выполнил
/ / группа ___________
подпись дата инициалы, фамилия
Проверил
/ / /
подпись дата инициалы, фамилия
Тамбов 2018 г.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Лабораторная работа 1
ИЗУЧЕНИЕ ХАрактеристик усилителя мощности НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ
Лабораторная работа 2
ИЗУЧЕНИЕ УСИЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ НА базе ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ
Лабораторная работа 3
Исследование ИМПУЛЬСНЫХ СХЕМ на ОСНОВЕ операционного усилителя
Лабораторная работа 4
АКТИВНЫЙ RC-ФИЛЬТР НА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ
Лабораторная работа 5
ИЗУЧЕНИЕ логических ЦИФРОВЫХ устройств
Лабораторная работа 6
цифровой генератор периодического сигнала
Лабораторная работа 7
функциональнЫЙ преобразователь на ОСНОВЕ дешифраторА
Лабораторная работа 8
аналого-цифровОЙ преобразователЬ
Лабораторная работа 9
цифроаналоговЫЙ преобразователЬ
Заключение
Список литературы
Приложение
Учебное электронное мультимедийное издание
Селиванова Зоя Михайловна
СХЕМОТЕХНИКА
ЭЛЕКТРОННЫХ
СРЕДСТВ
Учебное пособие
Редактор Л. В. Комбарова
Дизайн, структура, навигация
Обложка, упаковка, тиражирование И. В. Евсеевой
ISBN 978-5-8265-1899-1
| Подписано к использованию 11.05.2018. Тираж 50 шт. Заказ № 140 Издательско-полиграфический центр ФГБОУ ВО «ТГТУ» 392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106, к. 14 Телефон (4752) 63-81-08 E-mail: izdatelstvo@admin.tstu.ru |
Дата: 2019-07-30, просмотров: 434.
