Цифро-аналоговий і аналого-цифровий перетворювачі

 

Цифро-аналогові і аналого-цифрові перетворювачі (ЦАП і АЦП) є основними елементами, що здійснюють перехід від цифрової форми інформаційного сигналу до аналогової і, навпаки, від аналогової до цифрової. Фізична інформація завжди має аналогову форму існування, а цифрова обробка цієї інформації сучасними засобами завжди вимагає цифрової форми подання цієї інформації.

Принцип роботи цифро аналогових перетворювачів заснований на наступному алгоритмі:

(1),

де U0 - величина опорного джерела напруги, - значення розрядів n-розрядного двійкового числа, причому - старший розряд, - молодший розряд.

Наприклад, при U₀ = 12,8 В двійковомуу числу 1000000 відповідає вихідна напруга ЦАП, рівна

,

тобто одиниці старшого розряду відповідає . Числу 000001, відповідає напруга . Ця напруга є величиною молодшого розряду Uм.р., тобто кроком зміни вихідної напруги.

Коду 111111 відповідає .

Загальна графічна залежність має вигляд ступеневої наростаючої напруги..

Якщо в часі змінювати код двійкового числа, то відповідно буде змінюватися напруга на виході ЦАП.

Структурна організація ЦАП зазвичай відповідає формулі 1. Вона складається з трьох основних блоків: 1 - вагової матриці і т.д., що здійснює розподіл напруги, яка є еталонною для перетворення; ключових схем,керуючих розрядними значеннями цифрового коду і суматора, що здійснює загальне підсумовування розрядних складових.

Аналого-цифрові перетворювачі призначені для перетворення аналогової напруги - постійної або змінюючоїся в часі в цифровий код. Існує багато схем побудови АЦП, які відрізняються принципом роботи, точністю, швидкодією. У лабораторній роботі досліджується одна з простих схем розгортуючого типу на основі цифро-аналогового перетворювача і компаратора.

Принцип дії схеми полягає у формуванні східчасто-мінливої напруги, яка порівнюється з вхідною вимірюваною напругою.

Код, який встановлюється в ЦАП при рівності вхідної вимірюваної напруги і вихідної напруги ЦАП, є результатом роботи всього АЦП. Перетворювачі даного типу мають малу швидкодію і є нестійкими при різких змінах вхідної аналогової напруги.

 

Мета роботи - ознайомитися з принципом побудови і логікою роботи ЦАП і АЦП, визначити основні параметри.

 

Опис досліджуваної схеми

 

Досліджувана схема (рис. 4.1) складається з двійкового лічильника СТ2, ключів, R-2R матриці, компаратора DA1, схеми управління (DD1, VD1-VD3, електронний ключ ЕК), джерела опорної напруги (ДОН) та індикаторів для візуалізації двійкового коду 2⁰ - 2⁵.

Перемикач П1 перемикає режими ЦАП, АЦП, а П2 встановлює лічильник СТ2 в нульовий стан.
При вимкненому П1 схема знаходиться в режимі ЦАП. Імпульси з генератора Г5-54 через замкнутий електронний ключ ЕК надходять на вхід двійкового лічильника СТ2. Вихідний код лічильника відображається індикаторами 2⁰ - 2⁵ і управляє ключами, які підключають резистори матриці R-2R до ДОН. Вихідний сигнал ЦАП (контрольна точка КТ4) спостерігаємо за допомогою осцилографа (циклічний режим) або заміряємо вольтметром (покроковий режим). Обнулення лічильника проводиться перемикачем П2.
Для переведення схеми в режим АЦП необхідно включити П1. При цьому електронний ключ ЕК управляється компаратором DA1.
На вхід АЦП (неінвертуючий вхід DA1) подається вхідний сигнал, на інвертуючий вхід - вихідна напруга R-2R матриці (контрольна точка КТ4 - вихід ЦАП). Якщо напруга на інвертуючому вході DA1 перевищить вхідну (неінвертуючий вхід) відбудеться переключення компаратора і розмикання ключа ЕК. При цьому АЦП перейде в режим зберігання. Вихідний код АЦП відображається індикаторами 2⁰-2⁵.
Схема управління формує імпульс скидання АЦП (контрольна точка КТ2), який отримується з вхідних імпульсів шляхом ділення на 2¹⁵. Імпульс скидання встановлює в нульовий стан лічильник СТ2. При цьому компаратор перемикається в початковий стан, замикається ключ ЕК і починається цикл перетворення.
Вихід компаратора підключений до контрольної точки КТ3. Вхідна напруга АЦП контролюється вольтметром в контрольній точці КТ1 і задається регулятором Uвх.

Рисунок 4.1

Домашнє завдання

1. Вивчити принцип дії, логіку роботи і параметри ЦАП, АЦП
(Г.И. Волович «Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств», 2007; В.И. Зубчук, В.П. Сигорский, А.Н. Шкуро «Справочник по цифровой схемотехнике», 1990; О.М. Лебедєв, О.І. Ладик «Цифрова схемотехніка», 2004, с.281-309)
2. Накреслити тимчасові діаграми ЦАП і АЦП, що пояснюють їх роботу.

Робоче завдання

 

1. Включити живлення стенду кнопкою «МЕРЕЖА».
2. Перемикачем лабораторних робіт, який знаходиться на задній панелі стенда «Імпульс-М», включити роботу «ЛАБ 4». Вихід генератора підключити до входу «Ген» на задній панелі стенда. Встановити частоту генерації f = 22 кГц, тривалість імпульсу t_и = 20мкс. Вольтметр підключити до точки КТ4 паралельно осцилографу.
3. Дослідження цифроаналогового перетворювача.
3.1.Установіть генератор в режим «Ручная синхронизация», вольтметр підключити до контрольної точки КТ4.
3.2.Перемикачі П1 і П2 стенда встановити в віджатий стан (вимкнений).
3.3. Встановити нульовий стан лічильника шляхом короткочасного натискання перемикача П2.
3.4 Здійснити послідовний запуск генератора кнопкою ручної синхронізації. При цьому після кожного натискання необхідно вимірювати вихідну напругу (КТ4) за допомогою цифрового вольтметра. Результати вимірювань внести в таблицю 4.1.
3.5. За результатами вимірювань виконати розрахунки диференціальної і інтегральної нелінійності перетворювача.
3.6. Перевести схему ЦАП в циклічний режим шляхом перемикання генератора Г5-54 в режим автоматичної синхронізації. Підключити замість вольтметра осцилограф до контрольної точки КТ4 (синхронізація осцилографа контрольною точкою КТ2). Замалювати вихідний сигнал ЦАП в контрольній точці КТ4. За допомогою осцилографа визначити:
а) час установки першого ступеня вихідного сигналу ЦАП;
б) часу скидання ЦАП.
4. Дослідження аналого-цифрового перетворювача.
4.1. Переключити стенд в режим АЦП. Для цього:
П1 - включити в положення нажате «вкл.»;
П2 - в положення віджате «викл.»;
4.2. Встановити частоту генератора 22 КГц і тривалість імпульсу t_и = 20мкс.
4.3. Підключити вольтметр до контрольної точки КТ1.
4.4. За допомогою регулювання «UвхВ» на стенді послідовно встановлювати напруга від 0 до 3,5 В з кроком 0,5 В. При цьому необхідно вимірювати напругу вольтметром на кожному кроці і фіксувати вихідний код за цифровими розрядними індикаторами (на стенді нижній індикатор - молодший розряд, верхній - старший). Двійковий код необхідно переводити в десятковий.
4.5. Результати вимірювань внести в таблицю 4.2 і побудувати графік вихідного чисельного значення коду від вхідної напруги.
4.6.Визначіть інтегральну і максимальну диференціальну нелінійність перетворення.
4.7. Встановити Uвх = 3.6В. Синхронізувати осцилограф контрольною точкою КТ2. Зняти і побудувати часові діаграми роботи АЦП (контрольні точки КТ2, КТ3, КТ4).Провести вимірювання часу установки вихідного коду.

 

Таблиця 4.1

К-ть імп.
U,В

 

 

Таблиця 4.2

Uвх, В		0.5	1.0	1.5	2.0	2.5	3.0	3.5
Код АЦП

 

 

 

 

Висновки

 

 

Контрольні питання

1. Для чого призначені ЦАП, АЦП.
2 Параметри ЦАП (статичні і динамічні).
3. Параметри АЦП (статичні і динамічні).
4. У яких пристроях застосовуються ЦАП і АЦП.

 

Лабораторна робота № 5

КОМБІНАЦІЙНІ ЕЛЕМЕНТИ

Комбінаційними логічними елементами називають функціональні вузли електронної техніки, що реалізують функції алгебри логіки так, що стан їх виходів однозначно визначається комбінацією вхідних сигналів і не залежить від попереднього стану даного елемента.
Комбінаційні логічні елементи (ЛЕ) є складовою частиною сучасної цифрової схемотехніки. Сполучення комбінаційних ЛЕ використовується для побудови послідовних функціональних вузлів, тобто вузлів з пам'яттю, стан виходів яких залежить не тільки від комбінації вхідних сигналів на даному такті функціонування, але і від стану пристрою на попередньому такті..

З точки зору схемотехніки ЛЕ описуються двома множинами параметрів і характеристик: логічними і електричними, між якими немає чіткої межі. До логічних елементів відносять реалізовану ЛЕ функцію алгебри логіки, рівні нуля U⁰ і одиниці U⁰₁ на вході U⁰₁, U¹₁ і виході U⁰₂, U¹₂ ЛЕ, тривалість затримки поширення сигналу t_зт.п., тривалість фронту наростання t⁰¹_ф і спаду t¹⁰_ф вихідного сигналу. До електричних характеристик ЛЕ відносять сімейство вхідних, передавальних і вихідних характеристик з урахуванням впливу напруги джерела живлення, температури навколишнього середовища, а також енергетичні параметри ЛЕ: споживану енергію в стані логічного 0 і 1 на виході.

Мета роботи – ознайомитися з логікою роботи логічних елементів типу І-НІ, АБО-НІ, ВИКЛЮЧАЮЧЕ-АБО, І-АБО-НІ і виміряти динамічні параметри.

Опис досліджуваної схеми

 

На малюнку 5.1 представлені досліджувані схеми комбінаційних елементів. Елемент DD1.1реалізує функцію І-НІ, елемент DD2.1 - функцію АБО-НІ, елемент DD3.1 -ВИКЛЮЧАЮЧЕ-АБО, елемент DD4.1 – функцію 2І-АБО-НІ. Перемикачі П1 - П5 задають вхідні сигнали логічних елементів. В контрольних точках КТ2 - КТ5 спостерігаємо вихідні сигнали.

 

Малюнок 5.1

Домашнє завдання

1. Вивчити принцип роботи комбінаційних ЛЕ типу І-НІ, АБО-НІ, ВИКЛЮЧАЄ-АБО, І-АБО-НІ (В.М. Рябенький, В.Я. Жуйков, В.Д. Гулий «Цифрова схемотехніка», 2009; В.И. Зубчук, В.П. Сигорский, А.Н. Шкуро «Справочник по цифровой схемотехнике», 1990; Ерофеев Ю.Н. «Основы импульсной техники», 1979; Преснухин Л.В., Воробьева Н.В., Шишкевич Д.А. «Расчет элементов цифровых устройств», 1982)

2. Скласти таблиці істинності для ЛЕ DD1.1,DD2.1, DD3.1, DD4.1 для наведених на малюнку 5.1 вхідних змінних.

3. Привести основні статичні і динамічні довідкові параметри досліджуваних ЛЕ.

 

Робоче завдання

 

1. Включити живлення стенду кнопкою «Мережа».
2. Перемикачем лабораторних робіт, який знаходиться на задній панелі стенда «Дискрет-М», включити лабораторну роботу«ЛАБ 5».
3. Встановити на генераторі Г5-54 частоту проходження імпульсів f = 1 кГц, основний імпульс (ОІ) позитивної полярності амплітудою 5В, тривалістю t_і = 100 мкс і затримкою t_зт = 0 мкс щодо синхроімпульса (СІ) позитивної полярності амплітудою 5В подати на роз'єм Ген.1. Використовувати зовнішню синхронізацію осцилографа від генератора Г5-54.
4. Дослідити ЛЕ І-НІ (DD1.1). Зняти і побудувати часові діаграми. Визначити тривалість фронту наростання t⁰¹_ф і спаду t¹⁰_ф.
5. Дослідити ЛЕ АБО-НІ (DD2.1). Зняти і побудувати часові діаграми. Визначити тривалість фронту наростання t⁰¹_ф і спаду t¹⁰_ф.
6. Дослідити ЛЕ ВИКЛЮЧАЄ АБО (DD3.1).Зняти і побудувати часові діаграми. Визначити тривалість фронту наростання t01ф і спаду t10ф.
7. Дослідити ЛЕ І-АБО-НІ (DD4.1). Зняти і побудувати часові діаграми. Визначити тривалість фронту наростання t⁰¹_ф і спаду t¹⁰_ф.

Висновки

 

Контрольні питання

 

1. Поясніть принцип роботи ЛЕ і приведіть його принципову схему.
2. Від чого залежить швидкодія комбінаційнихЛЕ.
3. Як впливає на параметри ЛЕ температура навколишнього середовища.

4. Поясніть, при яких положеннях перемикачів П1-П5 прямокутний вхідний імпульс з'являється на виходах ЛЕ.

 

Лабораторна робота № 6

 

КОМБІНАЦІЙНІ ПРИСТРОЇ

Комбінаційні інтегральні мікросхеми (КІМ) - пристрої, у яких відсутні елементи пам'яті, а вихідні сигнали визначаються тільки комбінацією вхідних сигналів у даний моментчасу. До комбінаційних пристроїв відносяться: логічні схеми І-Ні (ЛА), АБО-НІ (ЛЕ), І (ЛИ), АБО (ЛЛ), НІ (ЛН), І-АБО-НІ (ЛР);дешифратори (ИД); перетворювачі кодів (ПР);суматори (ИМ); мультиплексори (КП); схеми порівняння (СА) та інші.

Дешифратори - пристрої, призначені для перетворення двійкового n-розрядного коду в комбінацію керуючих сигналів. В залежності від розрядності дешифруючого коду і функціональних можливостей логічних інтегральних схем дешифратор можна виконати на основі одноступеневої (лінійної) і багатоступеневої схеми дешифрування. Серед багатоступеневих схем можна виділити прямокутні (матричні) і піраміїдальні схеми побудови дешифраторів. Дешифратори широко використовуються в пристроях виводу інформації та управління.
Перетворювачі кодів - пристрої, які здійснюють перетворення числової інформації з однієї двійкової форми в іншу.
Мультиплексор - комутатор логічних сигналів, що забезпечує передачу інформації, яка надходить з кількох вхідних ліній зв'язку на одну вихідну лінію. Вхідну лінію вибирають відповідно до поступаючого адресного коду. При наявності m адресних входів можна реалізувати M = 2^m комбінацій адресних сигналів, кожна з яких забезпечує вибір однієї з М вхідних ліній.
Демультиплексор - комутатор логічних сигналів, що забезпечує передачу інформації, що надходить по одному входу, і направляє в одну з вихідних ліній відповідно з адресою.

Мета роботи – дослідити принцип роботи дешифраторів, перетворювачів кодів, мультиплексорів і демультиплексорів.