10.3. Задание на проведение исследований

1. Исследуйте работу счетчика в режимах суммирования и вычитания, для этого подавайте счетные импульсы с генератора сигналов на входы CP_U и CP_D соответственно (рис. 10.2), при этом на вход сброса MR должен быть подан низкий уровень сигнала, а на инверсный вход разрешения параллельной загрузки PL – высокий. Определите момент появления сигнала на выхо-

Рис. 10.2. Универсальный счетчик 74HC193

дах переполнения счетчика TC_U и TC_D. Определите коэффициент пересчета данного счетчика.

2. Исследуйте возможность загрузки данных в счетчик. Для разрешения загрузки числа с входов D0…D3 на выходы Q0…Q3 необходимо подать низкий уровень на вход сброса MR и на инверсный вход PL.

3. Используя необходимые логические элементы, получите коэффициент счета заданный преподавателем.

10.4. Содержание отчета

Отчет должен содержать исследуемые схемы, тактовые диаграммы работы счетчика, выводы.

10.5. Вопросы для самопроверки

1. Каким образом с помощью двоично-десятичных счетчиков можно обеспечить подсчет до 1000 импульсов?

2. На каких элементах реализуются универсальные счетчики?

3. Каким образом с помощью двух счетчиков можно реализовать общий коэффициент счета 60?

4. Возможно ли использование исследуемого в данной работе счетчика в качестве регистра?

Лабораторная работа №11

ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ЦАП И АЦП

Цели работы – ознакомление с устройством, техническими характеристиками и применением интегральных цап ad557 и ацп ad7819.

11.1. Исходные данные

1. В лабораторной работе используются интегральные ЦАП AD557 и АЦП AD7819. Справочные данные на оба этих элемента приведены в приложении.

2. Для питания микросхем следует использовать стабилизированное напряжение U_п = +5 В.

3. При исследовании ЦАП входной двоичный код задается путем подачи постоянных уровней лог. 0 или лог. 1 на соответствующие цифровые входы микросхемы AD557. Выходное напряжение ЦАП контролируется с помощью мультиметра.

4. При исследовании АЦП входное напряжение подается с источника питания, двоичный выходной код снимается с соответствующих цифровых выводов микросхемы AD7819. Выходной код контролируется с помощью светодиодов подключенных к выходам АЦП.

11.2. Основные теоретические сведения

Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) преобразуют входной цифровой код в пропорциональный его значению уровень выходного аналогового сигнала. Наиболее распространенными являются ЦАП с входным цифровым кодом в виде параллельного двоичного кода и с выходным аналоговым сигналом в виде напряжения.

ЦАП широко используются в автоматизированных системах управления, в контрольно-измерительной аппаратуре, в робототехнике, в цифровых системах связи, а также в качестве составного узла нескольких видов аналого-цифровых преобразователей (АЦП).

В большинстве современных ЦАП входной код сначала преобразуется в эталонные токи, соответствующие относительному “весу” каждого из установленных двоичных разрядов, которые суммируются на инвертирующем входе операционного усилителя и далее преобразуются в выходное напряжение U_вых. Наиболее распространенной схемой преобразователя код–эталонные токи является резистивная матрица, содержащая прецизионные резисторы двух номинальных значений R и 2R (матрица R–2R), а также токовые КМДП-ключи (VT) и входные усилители-инверторы (УИ) (рис. 11.1).

В соответствии с двоичным b-разрядным кодом, подаваемым на цифровые входы D0–D(b–1), входные усилители-инверторы создают управляющие напряжения на затворах транзисторов VT в каждой из вертикальных ветвей резистивной матрицы таким образом, что лог. 1 коммутирует резистор 2R на вход операционного усилителя DA, а лог. 0 присоединяет этот резистор к “земле”. В этом случае через все элементы матрицы протекает практически неизменный ток независимо от входного двоичного кода, что обеспечивает неизменность теплового режима ЦАП.

Матрица R–2R обеспечивает “весовые” соотношения токов ветвей, кратные степеням числа 2. Например, ток ветви, управляемой разрядом D(b–1), при воздействии лог. 1 равен U_оп/2R. В следующих ветвях эти токи будут равны U_оп/4R, U_оп/8R и т. д. В ветви, соответствующей самому младшему разряду D0, значение тока составит U_оп/2^bR. В результате, общий ток, втекающий в точку виртуального нуля, находящуюся на инвертирующем входе операционного усилителя, и вытекающий далее из нее через сопротивление обратной связи R_о.с к выходу усилителя DA, определяется выражением:

I = (U_оп /R) (a_b–12^–1 + a_b–22^–2 + a_b–32^–3 + ··· + a₀2^–b),

где a₀, …, a_b–3, a_b–2, a_b–1 – численные коэффициенты, равные 0 или 1, указывающие на наличие лог. 1 или лог. 0 в соответствующих разрядах b-разрядного входного двоичного кода D0–D(b–1).

Аналоговое напряжение U_вых на выходе инвертирующего усилителя DA в приведенной структурной схеме (рис. 11.1) будет следующим:

U_вых = – I R_о.с = – (U_оп R_о.с /R) (a_b–12^–1 + a_b–22^–2 + a_b–32^–3 + ··· + a₀2^–b). (11.1)

Для повышения температурной стабильности выходного напряжения резистор R_о.с расположен на общем кристалле вместе с матрицей R–2R.

В исследуемом 8-разрядном ЦАП AD557 окончательное выражение для выходного напряжения имеет вид:

U_вых = U_оп (a₇2⁷/256 + a₆2⁶/256 + … + a₀2⁰/256) = U_оп N/256, (11.2)

где N – десятичное число, представленное входным двоичным кодом.

К числу основных показателей, характеризующих точность ЦАП, относятся: разрешение, шаг квантования, погрешность смещения нуля, погрешность коэффициента передачи, дифференциальная нелинейность, нелинейность.

Разрешением ЦАП принято называть количество разрядов (b) входного двоичного кода.

Шагом квантования (h) называют расчетное приращение выходного напряжения ЦАП при изменении входного кода на единицу младшего разряда (1 МР). Из формулы (11.1) для двух кодов, отличающихся на единицу младшего разряда, получим:

h = U_оп R_о.с /R(2^b – 1). (11.3)

Для исследуемого типа ЦАП формула (11.3) приводится к простому выражению: h = U_оп /255.

Погрешность смещения нуля (δ_OFF) – смещение выходного напряжения ЦАП относительно нуля в начальной точке преобразования. Эту составляющую погрешности удается компенсировать путем балансировки нуля в выходном усилителе ЦАП.

Погрешность коэффициента передачи, или погрешность наклона (δ_G) – смещение выходного напряжения ЦАП относительно значения U_оп в конечной точке преобразования. Данная составляющая погрешности возникает из-за отличия наклона передаточной характеристики от идеального значения и может быть практически устранена путем коррекции коэффициента усиления выходного усилителя ЦАП.

Нелинейностью, или интегральной нелинейностью (δ_L) называется максимальное отклонение реальной характеристики ЦАП от теоретической прямой, соединяющей нулевое и максимальное значения выходного сигнала. Значение δ_L выражается в долях или единицах МР, а также в процентах от полной шкалы. Подстройкой δ_L не компенсируется.

Дифференциальной нелинейностью преобразования (δ_LD) называется отклонение шага преобразования ЦАП от идеального, который должен точно соответствовать 1 МР. Обычно δ_LD выражают в долях 1 МР, реже – в процентах от полной шкалы преобразования. Данная составляющая погрешности в основном обусловлена разбросом параметров матрицы R–2R и не может быть скорректирована путем подстройки.

Структурная схема исследуемого ЦАП приведена на рис. 11.2. Основные параметры и расшифровка обозначений выводов микросхемы ЦАП приведены в приложении.

Рис. 11.2. Структурная схема ЦАП AD557

Существует три основных типа аналого-цифровых преобразователей: последовательных приближений, параллельного преобразования и двойного интегрирования. Все они имеют свои достоинства и недостатки, поэтому в каждом конкретном случае в зависимости от предъявляемых требований используется тот или иной тип АЦП.

В АЦП последовательных приближений, которые обладают сравнительно высоким быстродействием и точностью, преобразуемый аналоговый сигнал последовательно сравнивается с весовыми значениями напряжений, которые соответствуют весовым коэффициентам разрядов.

В АЦП параллельного преобразования входной аналоговый сигнал одновременно (параллельно) сравнивается с (2n - 1) градациями опорного напряжения, образуемыми резистивным делителем. Получаемый результат сравнения преобразуется в параллельный n-разрядный двоичный код. Такие АЦП обладают максимальным быстродействием.

В АЦП с двойным интегрированием на первом этапе происходит интегрирование входного аналогового сигнала за определенный промежуток времени. Затем осуществляется интегрирование противоположного по знаку известного постоянного напряжения и фиксируется интервал времени, за который выходное напряжение станет равным нулю, путем подсчета импульсов, следующих с известной частотой. Зафиксированное счетчиком число импульсов представляется в виде кода.

В АЦП входным сигналом является аналоговое напряжение Uвх, а выходным – соответствующий этому значению b-разрядный цифровой код (D0– Db–1). Точность АЦП характеризуется теми же параметрами, что и для ЦАП. В настоящей лабораторной работе исследуется АЦП последовательных приближений (АЦП поразрядного уравновешивания) (рис. 11.3).

Рис. 11.3. Структурная схема АЦП AD7819