Przetworniki cyfrowo-analogowe C-A CELE ĆWICZEŃ PODSTAWY TEORETYCZNE

Transkrypt

1 Przetworniki cyfrowo-analogowe C-A CELE ĆWICZEŃ Zrozumienie zasady działania przetwornika cyfrowo-analogowego. Poznanie podstawowych parametrów i działania układu DAC0800. Poznanie sposobu generacji symetrycznego i niesymetrycznego sygnału analogowego na wyjściu układu DAC0800. PODSTAWY TEORETYCZNE Przetworniki cyfrowo-analogowe C/A (ang. D/A digital to analog; DAC digital to analog converter) są używane do przekształcania sygnałów cyfrowych, które są transmitowane na odległość, odczytywanych z urządzeń pamięciowych lub będących wynikami obliczeń komputerowych, na sygnały analogowe do sterowania i kontroli, zobrazowania na ekranie lub do dalszej obróbki analogowej. Zasada pracy przetwornika C/A W skrócie, przetworniki C/A są urządzeniami, przez które systemy cyfrowe komunikują się z otaczającym je środowiskiem. Przetworniki C/A przekształcają stan wejść cyfrowych na analogowy sygnał napięciowy lub prądowy na wyjściu. Symbol graficzny 4-bitowego przetwornika cyfrowoanalogowego pokazano na rysunku 10-1(a). Wejścia cyfrowe przetwornika są z reguły sterowane wyjściem rejestru systemu cyfrowego. Na rysunku 10-1(b) pokazano tablice prawdy 4-bitowego przetwornika C/A. Każde cyfrowe słowo wejściowe generuje na wyjściu układu dyskretną wartość analogową. Zakres wyjściowy przetwornika obejmuje 16 (24) różnych wartości napięcia wyjściowego (wliczając w to wartość 0V), odpowiadających jeden do jednego stanom na wejściu układu. 1

2 Rysunek 10-2 przedstawia schemat blokowy przetwornika C/A. W skład układu przetwornika wchodzi precyzyjne źródło napięcia odniesienia, zespół cyfrowo sterowanych przełączników, obwód rezystorowy i wzmacniacz operacyjny. Każdy rezystor w obwodzie rezystorowym jest podłączony do przełącznika sterowanego cyfrowo, który przyłącza rezystor do napięcia odniesienia Vref. Drugi koniec każdego rezystora połączony jest z wejściem sumującym wzmacniacza operacyjnego. Stan wejścia cyfrowego decyduje o stanie przełączników, a wzmacniacz operacyjny przekształca prąd wyjściowy przetwornika Iout na napięcie Vout. Obwód rezystorowy jest głównym układem w obwodzie przetwornika C/A. Najpopularniejsze są dwa rodzaje tych obwodów: sieć rezystorów wagowych i sieć drabinkowa R-2R. W obwodzie z rezystorami wagowymi wartość każdego rezystora sumacyjnego jest odwrotnie proporcjonalna do wagi bitu uruchamiającego szeregowy klucz przełącznikowy. Zaletą tej metody jest prostota konstrukcji i szybkość działania przetwornika, natomiast istotną wadą są trudności przy budowie przetworników C/A o wyższych rozdzielczościach, gdyż wymagany jest szeroki zakres wartości rezystorów, a dla rezystancji o dużych wartościach pojawiają się problemy ze stabilnością temperaturową i szybkością przełączania układu przetwornika. Jeżeli taki obwód rezystancyjny ma być dodatkowo wbudowany w układ scalony, to rozwiązanie to jest całkowicie niepraktyczne. Zaletą z kolei sieci drabinkowej R-2R jest to, że do jej realizacji potrzebne są tylko dwie wartości (R i 2R) rezystancji, co znakomicie upraszcza dobór rezystorów i dopasowanie obwodu. Na rysunku 10-3 pokazano rezystancyjny obwód drabinkowy R-2R 4-bitowego przetwornika C/A. W skład obwodu wchodzą rezystory szeregowe R i rezystory bocznikujące 2R. Analizując układ drabinkowy można zauważyć, że rezystancja widziana na prawo od punktów A, B, C i D wynosi 2R, zatem rezystancja wejściowa układu drabinkowego dla napięcia odniesienia jest równa R. Korzystając z tej właściwości obwodu, można łatwo obliczyć prąd wyjściowy na podstawie poniższych zależności: I = Vref / R ID = I / 2 IC = ID / 2 = I / 4 IB = IC / 2 = I / 8 IA = IB / 2 = I / 16 gdzie zmienne D3, D2, D1 i D0 przyjmują wartość 0 lub 1 w zależności od położenia odpowiadających im przełączników. Waga bitów wejściowych 2

3 W przetworniku C/A każdy bit słowa wejściowego ma swoją wagę, która jest wartością napięcia wyjściowego, gdy bit przyjmuje stan 1. Rozważmy teraz 4-bitowy przetwornik C/A z rys. 10-1(a). Jeżeli D 0 = 1 a D 1 = D 2 = D 3 = 0, to na napięcie analogowe na wyjściu układu wyniesie 1V, co jest wagą bitu D 0. Podobnie możemy znaleźć wagi bitów D 1, D 2 i D 3, które wynoszą odpowiednio 2V, 4V i 8V. Aby obliczyć napięcie wyjściowe, wystarczy po prostu zsumować wagi aktywnych bitów wejściowych. Przykładowo, jeżeli na wyjściu mamy uzyskać napięcie Vout = = 7V, to na wejście należy podać słowo Rozdzielczość i skok napięcia wyjściowego Rozdzielczość przetwornika C/A jest definiowana jako najmniejsza możliwa zmiana analogowego napięcia wyjściowego, gdy wartość na wejściu cyfrowym zmienia się o jedną jednostkę. Jest to zwykle waga najmniej znaczącego bitu wejściowego (LSB). Zgodnie z tabelą prawdy z rysunku 10-1(b) napięcie wyjściowe Vout rośnie o 1V przy każdym zwiększeniu o 1 liczby na wejściu cyfrowym. Zatem rozdzielczość tego przetwornika C/A wynosi 1V. Rozdzielczość jest nazywana także skokiem napięcia wyjściowego. Rozważmy krzywą schodkową 4-bitowego przetwornika cyfrowo-analogowego z rysunku Napięcie wyjściowe zwiększa się o 1V przy jednostkowym wzroście liczby wejściowej. Wysokość schodka charakterystyki (różnica miedzy sąsiednimi poziomami napięcia wyjściowego) jest równa 1V. Scalony przetwornik cyfrowo-analogowy typu DAC0800 Układ DAC0800 jest tanim monolitycznym 8- bitowym przetwornikiem C/A zwierającym źródło napięcia odniesienia, rezystorowy obwód drabinkowy R-2R i układ kluczy tranzystorowych. Rysunek 10-5 przedstawia układ jego wyprowadzeń. Układ DAC0800 wymaga zasilania ±4,5V do ±18V. Przy napięciu zasilania ±5VDC układ rozprasza 33mW mocy, a jego czas reakcji wynosi około 85ns. Dzięki komplementarnym wyjściom Iout (pin 4) i Iout (pin 2) przetwornik pracować może zarówno z wyjściem symetrycznym, jak i niesymetrycznym. Na rysunku 10-6 pokazano schemat elektryczny przetwornika C/A z niesymetrycznym wyjściem napięciowym opartego na układzie DAC0800 i wzmacniaczu operacyjnym LA741. Wyprowadzenie Vref(-) jest podłączone do masy przez rezystor R2., natomiast źródło dodatniego napięcia odniesienia +5V jest podłączone do wejścia Vref(+) przez rezystor szeregowy R1, stad prąd odniesienia płynący przez rezystor R1 może być wyznaczony z zależności: (10.1) Korzystając z równania (10-1), można obliczyć prąd wyjściowy I out układu: 3

4 Prąd wyjściowy Iout układu jest następnie przetwarzany na napięcie wyjściowe we wzmacniaczu operacyjnym LA741. W takiej sytuacji napięcie wyjściowe Vout opisuje zależność: Na rysunku 10-7 przedstawiono obwód przetwornika DAC0800 z napięciowym wyjściem symetrycznym. Wyprowadzenie Iout (pin 2) jest połączone z nieodwracającym wejściem wzmacniacza LA741 zamiast z ziemią, jak na rysunku Napięcie wyjściowe wzmacniacza operacyjnego można obliczyć z równania: Gdzie są komplementarnymi wyjściami prądowymi Z definicji prąd wyjściowy pełnego zakresu może, być wyrażony jako, zatem:. Podstawiając teraz zależność (10-5) do równania (10-4), otrzymujemy: 4

5 Zespół Szkół Mechanicznych w Namysłowie Eksploatacja urządzeń elektronicznych Temat ćwiczenia: Przetworniki cyfrowo-analogowe C-A Imię i nazwisko Nr ćw 02 Data wykonania Klasa 3TZ Grupa Zespół OCENY Samoocena Wykonanie Ogólna CEL ĆWICZENIA: WYMAGANE WYPOSAŻENIE 1. Moduł KL-92001, moduł KL-94001, multimetr cyfowy, Odpowiedz na pytania 1. Biorąc pod uwagę wagę każdego bitu, oblicz napięcie wyjściowe układu z rysunku 10-6, jeżeli stan wejścia jest równy Porównać układy z wyjściem niesymetrycznym i symetrycznym pod kątem zakresu wyjściowego i wielkości skoku wartości wyjściowej. 3. Na podstawie wyników z tabeli 10-2 omów zależność miedzy Iout i I. Ćwiczenie 10-1 Przetwornik DAC0800 z wyjściem niesymetrycznym 1. W module KL zlokalizować obwód przetwornika cyfrowo-analogowego DAC0800 z wyjściem niesymetrycznym. Wpiąć zwieracz do punktu J1, aby połączyć wyjście Iout (pin 4) układu DAC0800 z wejściem wzmacniacza operacyjnego LA741 (pin 2). 2. Obliczyć i wpisać do tabeli 10-1 wartość skoku napięcia wyjściowego (rozdzielczość) przetwornika. 3. Przełącznikami od D0 do D7 ustawić słowo wejściowe na ( 0 = GND; 1 = +5V) 4. Wykorzystując równania (10-2) i (10-3) obliczyć i zanotować w tabeli 10-1 prąd wyjściowy Iout i napięcie wyjściowe Vout przetwornika. 5. Usunąć zwieracz z punktu J1. Zmierzyć prąd Iout, włączając multimetr miedzy wyjście układu DAC0800 i wejście układu LA741. Wyniki zanotować w tabeli Odłączyć multimetr i ponownie wpiąć zwieracz do punktu J1. Zmierzyć multimetrem napięcie Vout na wyjściu wzmacniacza operacyjnego (O/P) i wyniki zanotować w tabeli Zgodnie z kodami wejściowymi wyszczególnionymi w tabeli 10-1 zmieniać położenie kluczy D0 do D7 i dla każdego słowa wejściowego powtórzyć punkty 5 i 6 ćwiczenia. Wyniki wpisać do tabeli Tabela 10-1 Skok wielkości wyjściowej = Wejście cyfrowe Wyjście analogowe V out (V) I out ma Obliczone Zmierzony Obliczone Zmierzony D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D Ćwiczenie 10-2 Przetwornik DAC0800 z wyjściem symetrycznym 1. W module KL zlokalizować obwód przetwornika cyfrowo-analogowego DAC0800 z wyjściem symetrycznym. Wpiąć zwieracze do punktów J1 i J2. 2. Obliczyć i wpisać do tabeli 10-2 wartość skoku napięcia wyjściowego (rozdzielczość) przetwornika. 3. Przełącznikami od D0 do D7 ustawić słowo wejściowe na ( 0 = GND; 1 = +5V) 5

6 4. Wykorzystując równania (10-2) i (10-6), obliczyć i zanotować w tabeli 10-2 wartości napięcia wyjściowego Vout przetwornika. 5. Za pomocą multimetru zmierzyć napięcie wyjściowe Vout układu. Wynik pomiaru zanotować w tabeli Usunąć zwieracz z punktu J1. Zmierzyć prąd Iout, włączając multimetr miedzy gniazda węzła J1. Wynik pomiaru zanotować w tabeli Usunąć zwieracz z punktu J2 i wpiąć go do punktu J1. Zmierzyć prąd Iout, włączając multimetr miedzy gniazda węzła J2. Wynik pomiaru zanotować w tabeli Obliczyć wartość sumy Iout i Iout i wynik obliczenia wpisać do tabeli Zgodnie z kodami wejściowymi wyszczególnionymi w tabeli 10-2 zmieniać położenie kluczy D0 do D7 i dla każdego słowa wejściowego powtórzyć punkty 5 do 8 ćwiczenia. Wyniki wpisać do tabeli Tabela 10-2 Skok wielkości wyjściowej = Wejście cyfrowe Wyjście analogowe Obliczone Zmierzony D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 V out V V out V I out ma I I I WNIOSKI I SPOSTRZEŻENIA 6