Исследование аналого-цифрового и цифрового преобразователей

Исследование аналого-цифрового и цифрового преобразователей

Цель работы: изучить принципы работы АЦП и ЦАП, исследовать характеристики АЦП и ЦАП.

1. Краткие теоретические сведения

Аналого-цифровые преобразователи предназначены для преобразования непрерывных (аналоговых) сигналов в дискретные (цифровые), которые могут использоваться в системах передачи данных, микропроцессорных устройствах и ЭВМ, цифровых измерительных системах и т. п.

Цифроаналоговые преобразователи осуществляют преобразование цифрового сигнала в аналоговый, который может применяться в целях управления различного рода регуляторами, графическими построителями и другими устройствами непрерывного действия. В принципе ЦАП выполняет функцию восстановления аналогового сигнала из цифрового.

Существует множество типов ЦАП и АЦП. В настоящей работе исследуются аналого-цифровой преобразователь, основанный на методе поразрядного кодирования, когда аналоговая величина преобразуется в пропорциональное количество импульсов, а затем в параллельный двоичный код 8421, и цифроаналоговый преобразователь с резистивной сеткой (аттенюатором R-2R), осуществляющий преобразование дискретного сигнала, задаваемого импульсной последовательностью, в непрерывный.

Принцип работы ЦАП заключается в следующем.

Дискретный сигнал, заданный последовательностью с числом импульсов, пропорциональным значению исследуемого параметра, поступает на вход двоичного счётчика (в данной работе четырёхразрядного — ИМО К155ИЕ5 D1) и преобразуется в параллельный код 8421, получаемый на выходах этого счётчика. Потенциалы с выходов подаются на сетку R-2R и создают падение напряжения на выходном сопротивлении ЦАП 2R, пропорциональное двоичному числу, записанному в счётчик. Это и есть аналоговая величина, полученная из дискретной с помощью цифроаналогового преобразователя.

Принцип построения АЦП следующий.

Аналоговый сигнал подаётся на один из входов компаратора D3, устанавливая таким образом порог его срабатывания. На другой вход компаратора поступает сигнал с выхода аттенюатора R-2R. В случае, когда этот сигнал меньше аналоговой величины, на вход 3 триггера Т (D1) подаётся высокий потенциал и триггер может работать в счётном режиме, принимая импульсы от генератора импульсной последовательности и преобразуя вместе со счётчиком число импульсов в параллельный код 8421. Потенциалы с выходов счётчика поступают на резистивную сетку R-2R, преобразуются в аналоговый сигнал, подаваемый далее на второй вход компаратора D3. До тех пор, пока этот сигнал не будет равен значению порога срабатывания компаратора, происходит наращивание содержимого счётчика. Как только сигнал, снимаемый с выхода аттенюатора, будет равен величине порога компаратора, а значит преобразуемому аналоговому сигналу, компаратор переводит триггер в устойчивое состояние и счет импульсов прекращается. Цифровой код 8421 со счётчика подаётся на преобразователь двоичного кода в код семисегментного индикатора, и на индикаторе высветится число, представляющее аналоговую величину в цифровой форме.

аналоговый цифровой преобразователь сигнал Рисунок 1 — схема АЦП Рисунок 2 — схема ЦАП.

2. Исследование ЦАП

Р_ЦАП = | U_ц — U₀ |, (2.1)

где U_ц = U_{мл. р} N — приведенное показание цифрового индикатора;

U_{мл. р} = - цена младшего разряда счетчика;

U_max — максимальное значение выходного напряжения;

N — показания индикатора;

U_0 — показания вольтметра.

Таблица 2.1 — Значения выходных напряжений ЦАП

Рисунок 2.1 — График зависимости показаний индикатора от значения выходного напряжения Рисунок 2.2 — График зависимости Р_ЦАП = f (U_ц)

Разряд счетчика, вносящий наибольшую погрешность: 0.

Рисунок 2.3 — Осциллограмма выходного напряжения ЦАП

3. Исследование АЦП

Таблица 3.1 — Значения выходных напряжений АЦП

Рисунок 3.1 — График зависимости показаний индикатора от значения выходного напряжения Рисунок 3.2 — График зависимости Р_АЦП = f (U_ц)

Разряд счетчика, вносящий наибольшую погрешность: 0.

4. Ответы на контрольные вопросы

1. Какую функцию в схемах АЦП и ЦАП выполняет счетчик?

Счетчик выполняет роль преобразователя кода. Преобразует число из одинарной системы (последовательность счетных импульсов, количество которых пропорционально измеряемому напряжению для АЦП и выходному напряжению для ЦАП) исчисления в код 8421.

2. Как выглядит схема замещения сетки R-2R при высоком потенциале на одном из выходов счетчика?

Рисунок 1 — схема сетки R — 2R.

Рисунок 2 — схема замещения сетки R — 2R.

3. Как определить значение выходного напряжения ЦАП?

Для того чтобы определить выходную величину ЦАП необходимо число соответствующее кодовой комбинации на входе преобразователя умножить на цену младшего разряда. Цена младшего разряда определяется как отношение max напряжения на выходе ЦАП к числу комбинаций без единицы.

4. Как можно повысить точность преобразования? Надо увеличить число разрядов входного кода для ЦАП и выходного кода для АЦП.

5. Как объяснить форму выходного напряжения ЦАП при работе в автоматическом режиме? Зависимость напряжения на выходе ЦАП от времени носит ступенчатый характер, объясняется это тем, что количество комбинаций входного кода ограниченно. Комбинации поступают на вход с равномерным шагом. В момент смены комбинации происходит резкий скачок напряжения. В промежутках значение выходного напряжения остается неизменным.