Исследование цифро-аналоговых преобразователей с параллельным суммированием токов.

ЦАП с весовыми резисторами или с параллельным суммированием токов (рис. 1) содержит источник опорного напряжения Uоп, ключи X0, X1, X2 и X3, управляемые входным двоичным кодом, резисторы R1, R2, R3 и R4, включенные последовательно с ключами и суммирующий усилитель Оу.

Рис. 1. Схема цифро – аналогового преобразователя с параллельным суммированием токов.

Если разряд двоичного кода на входе ЦАП равен "1", то соответствующий переключатель подключает резистор к источнику опорного напряжения, если равен "0" – к "земле" (на схеме на вход ЦАП подано двоичное число (0011)). Сопротивление резисторов от младшего к старшим разрядам уменьшаются

R2 = R1/2, R3 = R2/2, R4 = R3/2 и т.д.

В результате величина (вес) тока, проходящего по каждому резистору, будет разным. Минимальный суммарный ток на выходе резисторной схемы будет при поступлении двоичного числа (0001) I₀ = Uоп/R1. В результате на выходе Оу появится напряжение U1, равное минимальному шагу изменения выходного напряжения. Если на вход подать число 4₁₀ = (0100₂), то величина тока на выходе резисторной схемы будет равна I = Uоп/R3 = 4∙Uоп/R1 = 4∙I₀. Поэтому и величина напряжения U1 на выходе Оу будет в четыре раза больше.

Схема ЦАП с параллельным суммированием токов содержит минимальное число резисторов. Однако все резисторы имеют разное сопротивление, которое нужно получить с высокой точностью. Так, для 10-ти разрядного ЦАП точность подгонки резисторов должна быть 0.1%, что технологически выполнить чрезвычайно сложно. Поэтому схема ЦАП с параллельным суммированием токов применяется лишь при малом числе двоичных разрядов.

1.2.1. Исследование цифро-аналоговых преобразователей с параллельным суммированием токов средствами САПР.

Задача исследования: определить минимальный шаг изменения выходного напряжения, построить характеристики вход – выход для идеального и реального ЦАП, провести их сравнительный анализ.

1. Запустите при помощи ярлыка на рабочем столе Windows программу Electronics Workbench. Выберете в меню Files команду Open. В появившемся диалоговом окне откройте папку 0646/ПТ_646_21, а в ней файл Z21_01.ewb, в котором представлена схема экспериментального исследования ЦАП с параллельным суммированием токов и идеальным ОУ.

2. Запустите процесс моделирования при помощи выключателя в правом верхнем углу экрана.

а) Определение минимального шага изменения выходного напряжения.

3. Подайте на вход ЦАП при помощи переключателей, управляемых клавишами А, B, C и D, двоичное число (0001)₂. Младшему разряду Х0 соответствует клавиша А. Вольтметр, подключенный к выходу ОУ, покажет напряжение, соответствующее минимальному шагу. Запишите результат в Отчет.

б) Построение характеристики вход – выход для идеального ЦАП.

4. Подайте на вход ЦАП последовательность двоичных чисел и запишите показания вольтметра в первый столбец Таблицы 1 в Отчете.

Таблица 1.

Сравнение характеристик вход – выход идеального и реального ЦАП.

5. Выберете в меню Files команду Open. В появившемся диалоговом окне откройте файл Z21_01_1.ewb, в котором представлена схема экспериментального исследования ЦАП с параллельным суммированием токов и реальным ОУ LM 1875.

6. Запустите процесс моделирования при помощи выключателя в правом верхнем углу экрана.

в) Определение напряжения смещения нуля.

Исследование цифро-аналоговых преобразователей с последовательным суммированием токов. Вариант №1.

ЦАПс последовательным суммированием токов содержат резисторы только двух номиналов: R и 2R. Технология изготовления таких ЦАП проще и поэтому они находят широкое применение. Схема ЦАП с последовательным суммированием токов (ЦАП лестничного типа) представлена на рис. 2.

3 2 1 0

Рис. 2. Схема цифро – аналогового преобразователя с последовательным суммированием током.

Если разряд двоичного кода на входе ЦАП равен "1", то соответствующий переключатель подключает резистор к источнику опорного напряжения, если равен "0" – к "земле" (на схеме на вход ЦАП подано двоичное число (1100)).

Принцип работы матрицы R-2R этого варианта ЦАП состоит в следующем (на схеме резисторы R – R5, R6, R7 (по 10 кОм), резисторы 2R – R1, R2, R3, R4 и R8 (по 20 кОм)). Если ключ Х0 подключен к "земле", то суммарное сопротивление между узлом схемы "0" и "землей" равно сопротивлению двух параллельно соединенных резисторов R1 и R8. Это сопротивление равно R_э = R = 10 кОм. Аналогично сопротивление между узлом "1" и "землей” равно сопротивлению двух параллельных цепей: R2 и R5 + R_э, то есть также равно R = 10 кОм. Аналогично получаем такой же результат и для остальных узлов "2" и "3". Когда на вход ЦАП поступает двоичное число, то соответствующие ветви матрицы сопротивлений включаются параллельно и токи, соответствующие двоичным разрядам с "1" получают веса, аналогичные весам двоичных разрядов в ЦАПе с параллельным суммированием токов.

Напряжение на выходе ЦАП с последовательным суммированием токов находится по формуле

В этой формуле буквами (L, K, J и I) обозначены "0" или "1" двоичного числа (L K J I)₂, поступающего на вход ЦАП (младший разряд справа).

ЦАП с последовательным суммированием токов значительно технологичнее Цап с параллельным суммированием токов. Это связано с тем, что в его схеме применяются резисторы двух номиналов R и 2R (R_oc всегда можно сделать равным R). Поэтому этот тип ЦАП нашел самое широкое распространение.

1.3.1. Исследование цифро-аналоговых преобразователей с последовательным суммированием токов средствами САПР. Вариант №1.

Задача исследования: определить минимальный шаг изменения выходного напряжения, построить характеристики вход – выход для идеального и реального ЦАП, провести их сравнительный анализ.

1. Выберете в меню Files команду Open. В появившемся диалоговом окне откройте файл Z21_02.ewb, в котором представлена схема экспериментального исследования ЦАП с последовательным суммированием токов и идеальным ОУ.

2. Запустите процесс моделирования при помощи выключателя в правом верхнем углу экрана.

а) Определение минимального шага изменения выходного напряжения.

3. Подайте на вход ЦАП при помощи переключателей, управляемых клавишами А, B, C и D, двоичное число (0001)₂. Младшему разряду Х0 соответствует клавиша А. Вольтметр, подключенный к выходу ОУ, покажет напряжение, соответствующее минимальному шагу. Запишите результат в Отчет.

б) Построение характеристики вход – выход для идеального ЦАП.

4. Подайте на вход ЦАП последовательность двоичных чисел и запишите показания вольтметра в первый столбец Таблицы 2 в Отчете.

Таблица 2.

Сравнение характеристик вход – выход идеального и реального ЦАП.

5. Выберете в меню Files команду Open. В появившемся диалоговом окне откройте файл Z21_02_1.ewb, в котором представлена схема экспериментального исследования ЦАП с параллельным суммированием токов и реальным ОУ LM 841.

6. Запустите процесс моделирования при помощи выключателя в правом верхнем углу экрана.

в) Определение напряжения смещения нуля.

Исследование цифро-аналогового преобразователя с последовательным суммированием токов. Вариант №2.

Изучим работу ЦАП, в котором в качестве коммутирующего устройства используется двоично – десятичный счетчик 74160 (К155ИЕ9) (рис. 3).

Рис. 3. Схема ЦАП с последовательным суммированием токов и управлением от счетчика К155ИЕ9.

Роль ключей, управляющих матрицей резисторов R-2R,в этой схеме выполняют выходные каскады счетчика, подающие на входы матрицы напряжения высокого и низкого уровней в стандарте ТТЛ. Поэтому в этом варианте ЦАП отсутствует источник опорного напряжения.

После включения схемы на вход синхронизации счетчика начинают поступать импульсы от генератора прямоугольных импульсов . Состояние счетчика выводится на семисегментный индикатор. Выходное напряжение с ЦАП и синхроимпульсы выводятся на экран двухлучевого осциллографа (рис. 4).

Рис. 4. Осциллограмма выходного напряжения ЦАП (черная) и синхроимпульсов (красная). Масштаб для выходного напряжения – 1 В/дел., масштаб по оси времени – 1 с/дел.

Из осциллограммы видно, что переключение счетчика (и ЦАП) происходит по заднему фронту синхроимпульсов. Эта осциллограмма с учетом масштабов по осям позволяет измерить минимальный шаг изменения выходного напряжения и время установления выходного напряжения.

1.4.1. Исследование цифро-аналоговых преобразователей с последовательным суммированием токов средствами САПР. Вариант №2.

1. Выберете в меню Files команду Open. В появившемся диалоговом окне откройте файл Z21_03.ewb, в котором представлена схема экспериментального исследования ЦАП с последовательным суммированием токов и идеальным ОУ.

2. Откройте изображение осциллографа, два раза щелкнув мышкой по его пиктограмме.

3. Запустите процесс моделирования при помощи выключателя в правом верхнем углу экрана. Зарисуйте форму импульса выходного напряжения в Отчет.

Определение минимального шага изменения выходного напряжения при помощи осциллографа программы Electronics Workbench. По осциллограмме выходного напряжения определите минимальный шаг. Для этого передвиньте при помощи мышки красный (1) и синий (2) визиры на экране осциллографа на две соседние площадки осциллограммы выходного напряжения (рис. 5) по их пиктограммам.

Рис. 5. Измерения при помощи осциллографа программы Electronics Workbench.

Показания в окнах:

Т1 = 1.31 с – время развертки до красного визира 1,

VA1 = 0.00 В – напряжение в точке пересечения красного визира 1 и осциллограммы канала А (красного),

VB1 = - 0.6249986 В - напряжение в точке пересечения красного визира 1 и осциллограммы канала В (черного)

T2, VA2 и VB2 – те же величины для синего визира 2.

Т2 – Т1 = 0.5 с – время развертки между синим и красным визирами,

VA2 – VA1 = 0.00 – разность напряжений в точках пересечения синего и красного визиров с осциллограммой канала А.

VВ2 – VВ1 = - 0.3124993 В – разность напряжений в точках пересечения синего и красного визиров с осциллограммой канала В.

Показания в правом окне осциллографа позволяют определить минимальный шаг изменения выходного напряжения ΔU_вых = VВ2 – VВ1 = - 0.313 В.

4. Остановите процесс моделирования при помощи выключателя.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: