Тестирование цифро-аналоговых преобразователей

Лабораторная работа № 10

Тестирование цифро-аналоговых преобразователей

При выполнении работы используются следующие модули: «ЦАП и АЦП», «Мультиметры», «Миллиамперметры», а также двухканальный осциллограф.

Модуль содержит:

• цифро-аналоговый преобразователь в виде резисторной матрицы R-2R;

• R1=R2=R3=R4=R5=R6=10 кОм;

• R7=R8=R9=R10= 20 кОм;

• тумблеры-переключатели для задания двоичного кода – 4 шт;

• операционный усилитель, суммирующий сигнал с резисторной матрицы;

• восьмиразрядный аналого-цифровой преобразователь;

• индикаторы состояния выходов аналого-цифрового преобразователя в виде светодиодов;

• регулируемые источники напряжения с уровнем 5 В– 2 шт.

Подавая на вход Uirn напряжение от 0 до 5 В, на выходах из АЦП на индикаторах появится цифровой сигнал. Подача напряжения на модуль осуществляется с помощью соединительного девятижильного кабеля com-com напряжением 5В / –15В/+15В от модуля питания с тыльной стороны.

Студент должен знать:

• основные схемы ЦАП;

• таблицу истинности для них;

уметь:

• строить таблицу истинности для ЦАП.

Теоретическая часть:

В эксперименте определяются характеристики цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) с выходом по току, выполненного на основе резистивной матрицы R-2R.

Схема, поясняющая принцип действия ЦАП, приведена на рис. 16.1.1.

Рис. 16.1.1. Упрощённая схема ЦАП R-2R с выходом по току

Матрица R-2R состоит из одинаковых звеньев (пунктир на рис. 16.1.1.), включающих два резистора. Сопротивления этих резисторов отличаются в 2 раза (R и 2R). Разрядность ЦАП определяется числом последовательно включённых звеньев. Серийно выпускаются микросхемы ЦАП с 8, 10, 12, 14 или 16 двоичными разрядами. В матрицу поступает постоянный ток Iот источника. Выходной сигнал ЦАП – ток миллиамперметра PA1 – изменяется в зависимости от положения переключателей S1…S4. Буквы в кавычках на рис.16.1.1 обозначают одноимённые клеммы на лицевой панели модуля.

Рассмотрим принцип действия ЦАП. Токи в резисторах матрицы R-2R не зависят от положения переключателей S1…S4. Действительно, резисторы R1, R3, R5, R7 всегда подключены к общему проводу цепи: в положении переключателей «0» – напрямую, в положении переключателей «1» – через миллиамперметр PA1 (выход ЦАП), с сопротивлением, близким к 0.

Другая особенность матрицы резисторов R-2R – одинаковое входное сопротивление любого звена матрицы, независимо от числа включённых справа от него звеньев (рис.16.1.1). Действительно, если разорвать цепь в узле 3, входное сопротивление звена R6, R7 вместе с R8, относительно узла 3 (рис. 16.1.1) равно:

.

Сопротивление включено параллельно R5, т.е. входное сопротивление звена R4, R5 относительно узла 2 также составит 2R. Аналогичные расчеты можно распространить на любое число последовательно включенных звеньев R-2R. Из сказанного следует, что входное сопротивление матрицы резисторов относительно узла 1 неизменно и равно R. В этом случае входной ток матрицы резисторов .

В узле 1 входной ток I резистивной матрицы разделится поровну между сопротивлением R1=2R и входным сопротивлением оставшейся части матрицы (R2 и т.д.), также равным 2R. Таким образом, токи в R1 и R2 будут равны . Переключатель S1 направляет ток R1 или непосредственно на общий провод (положение «0»), или на выход ЦАП (миллиамперметр PA1) в положении «1».

В свою очередь ток R2 в узле 2 вновь разделится на равные части: токи R3 и R4 равны . Переключатель S2 в положении «1» направит этот ток на выход ЦАП.

Очевидно, что каждое последующее звено продолжит деление его входного тока на 2, а переключатель этого звена будет подключать к выходу ЦАП ток равный , где n – номер ключа, считая от входа матрицы резисторов (S1, S2, … на рис. 16.1.1).

В схеме на рис. 16.1.1 коммутируемые ключами токи составляют S1 –, S4 –, S3 –, S4 –. Полный ток на выходе ЦАП (ток PA1) будет определяться суммой токов ключей, находящихся в положении «1», т.е. выходной ток будет пропорционален двоичному числу, соответствующему положению переключателей. При этом S1 соответствует самому старшему разряду (вес–), а S4 – самому младшему с наименьшим весом . Если все переключатели установить в положение «0» (двоичное число ) ток на выходе преобразователя равен 0. Наибольшее значение выходного тока будет соответствовать двоичному числу и составит

.

В общем случае преобразователя с n двоичными разрядами выходной сигнал будет изменяться от 0 до с шагом . Если переключатели ЦАП установлены в положение, соответствующее двоичному числу N, то выходной ток преобразователя составит . Полученное соотношение показывает, что рассматриваемый преобразователь можно использовать в режиме «перемножающего ЦАП» – выходной сигнал определяется произведением входного тока на двоичный код числа на цифровых входах.

Из приведённых выше рассуждений следует, что для работы рассматриваемого ЦАП необходимо точное отношение сопротивлений R и 2R, а их абсолютная величина не имеет существенного значения. Это требование нетрудно реализовать при выполнении ЦАП в виде интегральной схемы.

Практическая часть:

В работе испытывается ЦАП на основе матрицы R-2r. Вход «U» может подключаться к напряжению питания или непосредственно, или через делитель напряжения (переменный резистор). Выходной ток (гнездо «I») измеряется миллиамперметром (мультиметром) на пределе «1 мА». При испытании определяется зависимость выходного тока от кода двоичного числа, установленного на входе преобразователя. По результатам испытаний необходимо оценить погрешность цифро-аналогового преобразования, обусловленную неидеальностью схемы и сопротивлением миллиамперметра отличным от 0 (100 Ом на пределе 1 мА).

1. Убедитесь, что устройства, используемые в эксперименте, отключены от сети электропитания.

2. Соберите исследуемую логическую цепь на модуле.

3. Включите выключатель «Питание» блока испытания цифровых устройств.

4. Протестируйте работу схемы ЦАП R-2R с выходом по току. При необходимости изменения исследуемой схемы отключите выключатель «Питание» блока испытания цифровых устройств «ЦАП и АЦП», измените схему, включите выключатель «Питание».

5. По результатам тестирования заполните таблицу истинности для заданной логической функции.

6. По результатам тестирования заполните таблицы истинности для схем на модуле «ЦАП и АЦП».

7. При тестировании схемы с регулируемым опорным напряжением установите его величину 0…5 В.

8. Протестируйте работу схемы. При необходимости изменения исследуемой схемы отключите выключатель «питание» блока испытания цифровых устройств А1, измените схему, включите выключатель «Питание».

9. По результатам тестирования заполните таблицу:

1. По завершении работы отключите выключатель «Питание».

Контрольные вопросы:

1. Дайте определение ЦАП и АЦП.

2. Изобразите и опишите упрощённую схему ЦАП R-2R с выходом по току.

3. Объясните принцип действия ЦАП.

Содержание отчета.

1.Наименование и цель лабораторной работы.

2.Ответы на контрольные вопросы

3. Заполненную таблицу истинности для схем на модуле «ЦАП и АЦП»по результатам тестирования

3.Выводы по результатам исследований