Тема 3 цифро-аналогові та аналого-цифрові перетворювачі

Широке застосування цифрових елементів у пристроях обробки сигналів потребує відповідних елементів для переходу від початкового аналогового сигналу певної величини до відповідного їй цифрового еквіваленту, і, навпаки, від цифрових даних до пропорційних аналогових рівнів сигналів. Цю роль виконують перетворювачі — цифро-аналогові (ЦАП) та аналого-цифрові (АЦП).

У ЦАП як вхідний сигнал використовується двійковий код. Вихідним сигналом буде або струм, або напруга.

Цифро-аналогове перетворення — це складання еталонних значень струмів, або напруг, відповідних розрядів вхідного коду (складаються лише ті еталонні значення, в яких у відповідному розряді вхідного коду є лог. «1»). Для ЦАП вихідна напруга визначається так:

, (3.1)

де — коефіцієнт пропорційності, зазвичай дорівнює 1;

— опорна напруга;

— коефіцієнти двійкового коду (лог. «0» або лог. «1»), причому — це коефіцієнт при старшому розряді;

— кількість розрядів двійкового коду.

Наприклад, при В та вхідному 8-розрядному коді 00110110 на виході ЦАП буде отримана вихідна напруга:

Основними параметрами ЦАП є:

— кількість розрядів двійкового коду , кількість кодових комбінацій на вході ЦАП визначається як ;

— опорна напруга ;

— розрізнювальна здатність перетворювача — це мінімальний перепад напруги , який перетворювач здатен розрізнити, визначається так:

, (3.2)

для вищенаведеного прикладу ; іншими словами — це значення ваги молодшого розряду перетворювача; підвищення розрядності ЦАП веде до збільшення чутливості перетворювача;

— абсолютна похибка перетворення в кінцевій точці шкали — це відхилення вихідної напруги від розрахункової в кінцевій точці характеристики перетворення, вимірюється в одиницях молодшого значущого розряду (МЗР);

— нелінійність — максимальне відхилення вихідної напруги, що зростає, від прямої лінії, яка з’єднує точку нуля та точку з максимальним значенням вихідного сигналу;

— диференціальна нелінійність — максимальне відхилення різниці двох аналогових сигналів, які відповідають сусіднім кодам, від величини ;

— час встановлення — інтервал часу між подачею вхідного коду та досягненням вихідним сигналом усталеного значення; цей час визначає швидкодію ЦАП.

Зазвичай у ЦАП виконується перетворення вхідного коду в струм. Для перетворення вхідного коду в напругу у ЦАП додатково застосовують операційні підсилювачі.

Перетворення вхідного коду в струм виконується з використанням резистивної матриці. Резистивна матриця може мати різну структуру (із «зваженими» резисторами, або матриця з сіткою типу ). Найбільшого поширення набули матриці з сіткою типу .

У АЦП вхідним сигналом є аналоговий сигнал. Вихідним сигналом буде код, відповідний напрузі вхідного сигналу. У АЦП відбувається квантування вхідної напруги на скінченне число дискретних рівнів напруги, кожен з яких перетворюється у код.

— діапазон вхідної напруги (максимальний вхідний сигнал, який може бути перетворений АЦП).

Роздільна здатність АЦП визначається кількістю розрядів вихідного цифрового коду

(3.3)

і є вагою молодшого розряду, де — розрядність АЦП.

Наприклад, якщо максимальний вхідний сигнал становить В, а АЦП має 10 розрядів, то роздільна здатність такого АЦП становить:

В.

Аналого-цифрове перетворення — це складання еталонних значень напруг, поки вони не врівноважать вхідну напругу, і при такому складанні підраховується кількість еталонних значень напруг, що врівноважують вхідну напругу, підрахунок виконується двійковим лічильником з розрядністю вихідного коду АЦП, саме код, який буде створений лічильником, і відповідатиме вимірюваній вхідній напрузі.

Вхідна напруга може бути описана подібно до (3.1) з урахуванням (3.3). Наприклад, якщо при аналого-цифровому перетворенні отримано код: 1000100011, то очевидно можна записати:

де — коефіцієнти двійкового коду (лог. «0» або лог. «1»), причому — це коефіцієнт при старшому розряді;

— кількість розрядів двійкового коду.

Таким чином, вхідна напруга, яка утворила такий код, буде:

Іншими словами, для врівноваження вхідної напруги слід було скласти 547 еталонних напруг, де величина еталонної напруги становила 0,001 В.

Отже, вихідний код, який формує АЦП, може бути визначений так:

1) слід встановити, скільки еталонних напруг «вміщується» у вимірюваній напрузі

; (3.4)

2) отримане число перетворити у двійковий код.

АЦП має ще такі параметри.

Час перетворення – інтервал часу між сигналом «Запуск перетворення» та появою на виході АЦП відповідного коду і називається періодом дискретизації - .

Абсолютна похибка перетворення у кінцевій точці – відхилення значення напруги від номінального значення в останній точці характеристики перетворення.

Нелінійність та диференціальна нелінійність , які визначаються за відношенням до вхідного сигналу аналогічно визначенню цих величин для ЦАП.

За своєю будовою АЦП поділяються на два типи: з застосуванням ЦАП та без нього. АЦП з застосуванням ЦАП — це АЦП послідовного наближення, АЦП послідовного підрахунку з подвійним інтегруванням, АЦП без застосування ЦАП — це АЦП паралельної дії. Існують також комбіновані АЦП.

Принцип дії АЦП послідовного наближення такий. Аналоговий сигнал, що вимірюється, подається на перший вхід аналогового компаратора. На другий вхід цього ж компаратора подається аналоговий сигнал з виходу вбудованого ЦАП. Входи вбудованого ЦАП підключені до виходу лічильника. Лічильник починає рахувати вхідні імпульси після приходу сигналу «Запуск перетворення» і формує зростаючу цифрову послідовність на вході ЦАП, який перетворює вхідні коди в аналоговий сигнал. Як уже зазначалось, цей аналоговий сигнал надходить на другий вхід аналогового компаратора. У той момент часу, коли аналогові сигнали на обох входах компаратора зрівняються, компаратор сформує (на своєму виході) відповідний сигнал, який заборонить подальшу роботу лічильника і дозволить зафіксувати код, досягнутий на виходах лічильника, це і буде код, який відповідатиме напрузі на вході АЦП. Цей код записується у вихідний регістр.

Принцип діє АЦП послідовного підрахунку такий. Вхідна напруга врівноважується сумою однакових і мінімальних за величиною еталонів напруги. Момент врівноваження визначається компаратором, а кількість еталонів підраховується лічильником. Одним з різновидів АЦП послідовного підрахунку є АЦП з подвійним інтегруванням. У цих АЦП вхідна напруга перетворюється у часовий інтервал, який відображається у вигляді двійкового коду: , де b – розрядність АЦП (лічильника АЦП). Основні елементи такого АЦП — це інтегратор і лічильник. В АЦП вхідна та еталонна напруги по черзі подаються на вхід інтегратора, при цьому підраховується час заряду і розряду конденсатора.

Принцип роботи АЦП паралельної дії такий. Є еталонів напруг (формуються за допомогою резистивного подільника), є така сама кількість аналогових компараторів. Всі еталонні напруги подаються на відповідний компаратор, на інші входи компараторів подається вимірюваний сигнал. Спрацьовують лише ті компаратори, у яких за допомогою кодоперетворювача формується відповідний код.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №7

ДОСЛІДЖЕННЯ ЦИФРО-АНАЛОГОВИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ

7.1 Мета роботи

Дослідження роботи цифро-аналогового перетворювача.

7.2 Підготовка до виконання роботи

Характерним представником цифро-аналогових перетворювачів з підсумовуванням струмів, відповідно до поданого коду, є мікросхема десятирозрядного ЦАП 572ПА2, що перемножує. Цей перетворювач побудований на основі резистивної матриці з набором електронних ключів, кількість яких дорівнює кількості розрядів вхідного коду. Струм на виході ЦАП залежить від стану електронних ключів, який визначається вхідним кодом. Коли у коді є лог. «1», то відповідний ключ замкнуто, якщо лог. «0», то ключ розімкнено. Сумарний струм від замкнених ключів подається на вхід зовнішнього операційного підсилювача, у коло зворотного зв’язку якого підключено резистор , що знаходиться у корпусі ЦАП 572ПА2, його величина становить 10 кОм.

Цей ЦАП має диференціальну нелінійність не більше 1% від повної шкали, час встановлення 5 мкс, (може бути довільної форми та полярності), . Безпосереднє підключення мікросхеми ЦАП до мікросхем ТТЛ можливе, коли для живлення ЦАП використовується напруга живлення .

Увага! Незадіяні входи мікросхеми мають бути підключені до лог. «0».

7.3 Порядок виконання роботи

7.3.1 Вивчити макет для дослідження мікросхеми 572ПА1 (рис. 3.1).

Рисунок 3.1 — Вид макета для дослідження ЦАП

Умовне графічне зображення ЦАП К572ПА1 наведено на рис. 3.2.

На макеті до виходів ЦАП підключено операційний підсилювач (ОП), вихід якого виведено на гніздо. Вісім входів ЦАП D9-D2 підключено до відповідних гнізд (див. рис. 3.1), два молодших вхідних розряди D1, D0 підключено до лог. «0» (отже, ЦАП працюватиме як 8-розрядний). Вхід для підключення опорної напруги також виведено на окреме гніздо. Для живлення ЦАП використовується напруга +5 В.

Рисунок 3.2 — Умовне графічне зображення ЦАП 572ПА1

7.3.2 Скласти схему для дослідження ЦАП (рис. 3.3). Під час дослідження ЦАП у статиці до входу лічильника підключається кнопка з антидеренчальним пристроєм і до виходу ЦАП з ОП підключається вольтметр. При дослідженні ЦАП у динаміці до входу лічильника підключається тактовий генератор і до виходу ЦАП з ОП підключається осцилограф.

Рисунок 3.3 — Структурна схема пристрою при дослідженні ЦАП

7.3.3 Дослідити роботу ЦАП у статиці. Скласти схему для дослідження ЦАП у статиці (рис. 3.4). До виходу ЦАП підключити вольтметр. Встановити і подати на ЦАП задану викладачем величину опорної напруги. Подавати на вхід лічильника одиночні імпульси і фіксувати вольтметром величину вихідної напруги. Дані вимірювань для 10 вхідних кодів занести до табл. 3.1. Побудувати характеристику цифро-аналогового перетворення.

7.3.4 Дослідити роботу ЦАП у динаміці. Скласти схему (рис. 3.5) для дослідження ЦАП у динаміці. До виходу ЦАП з ОП підключити осцилограф.

Таблиця 3.1 — Результати дослідження ЦАП у статиці для В

Вхідний код								Вихідна напруга
D9	D8	D7	D6	D5	D4	D3	D2

Рисунок 3.4 — Схема для дослідження ЦАП у статиці

Рисунок 3.5 — Схема для дослідження ЦАП у динаміці

Спостерігати та зарисувати осцилограму. Величину опорної напруги встановити таку, як у п. 7.3.3. Дані занести до табл. 3.2. Змінити опорну напругу і зарисувати другу осцилограму. За (3.2) визначити роздільну здатність ЦАП при двох різних значеннях опорної напруги. Осцилограми та дані розрахунків занести до табл. 3.2. Зробити висновки.

Таблиця 3.2 — Результати дослідження ЦАП у динаміці

Величина опорної напруги	Осцилограма	Роздільна здатність

7.4 Зміст звіту

У звіті наводять:

— назву роботи;

— мету роботи;

— умовне графічне зображення ЦАП;

— схему дослідження ЦАП у динаміці;

— результати досліджень за пп. 7.3.3 - 7.3.4;

— висновки.

7.5 Контрольні запитання

1. Яку функцію призначені виконувати ЦАП?

2. Які основні параметри ЦАП?

3. Що таке роздільна здатність ЦАП?

4. Що таке розрядність ЦАП?

5. Як визначається нелінійність ЦАП?

6. У чому відмінність між нелінійністю і диференціальною нелінійністю ЦАП?

7. Як працює ЦАП, що перемножує?

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №8

ДОСЛІДЖЕННЯ АНАЛОГО-ЦИФРОВИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ

8.1 Мета роботи

Дослідження роботи аналого-цифрового перетворювача.

8.2 Підготовка до виконання роботи

Представником аналого-цифрових перетворювачів послідовно-паралельної дії є мікросхема 1-канального 8-розрядного АЦП AD7822 (Analog Devices). Структура цього АЦП наведена на рис. 3.6.

Рисунок 3.6 — Структурна схема АЦП AD7822

Цей АЦП має час перетворення 420 нс; напругу живлення 3В±10% або 5В±10%; діапазон вхідних сигналів 0÷2В при напрузі живлення 3В, або 0÷2,5В при напрузі живлення 5В; внутрішнє джерело опорної напруги 2,5В; напруга зміщення 1,25В.

До інформаційного виходу АЦП на макеті підключено індикаторний світлодіод.

8.3 Порядок виконання роботи

8.3.1 Визначити роздільну здатність досліджуваного АЦП за (3.2).

8.3.2 Вивчити макет для дослідження мікросхеми АЦП AD78922 (рис.3.1).

Умовне графічне зображення АЦП AD7822 наведено на рис. 3.7. Графіки роботи мікросхеми АЦП у часі подано на рис. 3.8.

Рисунок 3.7 — Умовне графічне зображення АЦП AD7822

Рисунок 3.8 — Графіки роботи мікросхеми АЦП AD7822 у часі

8.3.3 Скласти схему для дослідження АЦП у статиці (рис. 3.9). Кнопку 3 із антидеренчальним пристроєм використати з інших макетів стенду. Ручка регулювання величини постійної напруги перед початком дослідження має знаходитись у крайньому лівому положенні. Підключити живлення макету. Використовуючи графіки роботи мікросхеми АЦП у часі (рис. 3.8), дослідити роботу АЦП, формуючи за допомогою кнопок 1-3 вхідні управляючі сигнали. Дослідження провести для різних значень вхідної напруги. Дані вимірювань для 10 значень вхідної напруги занести до табл. 3.3. Визначити теоретично за (3.3) значення кодів для заданої вхідної напруги та порівняти з отриманими кодами при дослідженні АЦП, зробити висновки.

Рисунок 3.9 — Структурна схема для дослідження АЦП

Таблиця 3.3 — Результати дослідження АЦП у статиці

Вхідна напруга

Отриманий код під час вимірювань

Теоретично розрахований код

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

8.3.4 Дослідити одночасну роботу ЦАП та АЦП. Слід скласти схему для дослідження ЦАП у статиці (рис. 3.4), подати на ЦАП , вихід ЦАП підключити до входу АЦП замість джерела постійної напруги (рис. 3.9). Для 5 значень вхідного коду для ЦАП зафіксувати відповідні значення вихідного коду АЦП. Дані вимірювань занести до табл. 3.4. Зробити висновки.

Таблиця 3.4 — Порівняння характеристик перетворення ЦАП і АЦП

Вхідний код ЦАП

Вихідний код АЦП

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

8.4 Зміст звіту

У звіті наводять:

— назву роботи;

— мету роботи;

— умовне графічне зображення АЦП;

— графіки роботи АЦП у часі;

— структурну схему для дослідження АЦП;

— результати досліджень за пп. 8.3.1, 8.3.3, 8.3.4;

— висновки.

7.5 Контрольні запитання

1. Яку функцію призначені виконувати АЦП?

2. Які є різновиди АЦП?

3. Які основні параметри АЦП?

4. Що таке дискретизація АЦП?

5. Як визначається роздільна здатність АЦП?

6. Що визначає час дискретизації АЦП?

РЕКОМЕНДОВАНА ЛІТЕРАТУРА

1. Лебедєв О.М., Ладик О.І. Цифрова схемотехніка: Навчал. посібник. – К.:Арістей, 2005 – 247 с.

2. А.П. Оксанич, С.Е. Притчин, О.В.Вашерук. Компю’терна електроніка. Частина 2.: Навчал. посібник. – Х.:ТОВ „Компанія СМІТ”, 2006. – 256 с.

3. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника. – СПб.: БХВ-Перебург, 2001. – 528 с.

4. Б.Г. Федорков, В.А. Телец. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 320 с.

5. Лебедев О.Н. Микросхемы памяти и их применение. – М.: Радио и связь, 1990. – 160 с. (Массовая радиобиблиотека. Вып. 1152) .

6. Вениаминов В.Н., Лебедев О.Н., Мирошниченко А.И. Микросхемы и их применение: Справ. пособие. – М.: Радио и связь, 1989. –240 с.

7. Применение интегральных микросхем в электронной вычислительной технике: Справочник/ Под ред. Б.Н. Файзулаева, Б.В. Тарабрина. – М.: Радио и связь, 1987. – 384 с.

8. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. — М.: Мир, 1982. — 512 с.

9. Новиков Ю.В. Введение в цифровую схемотехнику. — М: Интернет-Университет Информационных Технологий; БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. – 343 с.

Додаток А

ДОВІДКОВІ ДАНІ

Умовне графічне зображення мікросхеми 555 ЛР11

Додаток Б

ДОВІДКОВІ ДАНІ

Б.1 Умовне графічне зображення мікросхеми 561 КП2

Б.2 Внутрішня структура мікросхеми 561 КП2

Навчальне видання

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

до лабораторних робіт з дисципліни

„ЦИФРОВА СХЕМОТЕХНІКА”

для студентів денної та заочної форм навчання спеціальностей

6.050801 — Мікро- та наноелектроніка

6.050802 — Електронні пристрої та системи

6.050902 — Радіоелектронні апарати

6.051004 — Оптотехніка

6.051402 — Біомедична інженерія

Упорядник Скляр Ольга Ігорівна

Відповідальний випусковий А.І. Бих

Редактор О.Г. Троценко

Комп’ютерна верстка О.А. Чурсіна

План 2008 (друге півріччя), поз. 55

Підп.до друку 16.07.08. Формат 60х84 1/16. Спосіб друку – ризографія.

Умов. друк. арк. 4,2. Облік–вид. арк. 3,8. Тираж 150 прим.

Зам. №1-55. Ціна договірна

ХНУРЕ Україна. 61166, Харків, просп. Леніна, 14

Віддруковано в навчально-науковому

видавничо-поліграфічному центрі ХНУРЕ