Принцип действия и схема исследуемой цепи

Инженерно-производственный центр «Учебная техника»

ОСНОВЫ ЦИФРОВОЙ ТЕХНИКИ

Руководство по выполнению базовых экспериментов

ОЦТ.002 РБЭ (920.1)

Основы цифровой техники: Руководство по выполнению базовых экспериментов - ОЦТ.002 РБЭ (920.1) / И.Л. Красногорцев; под ред. П.Н. Сенигова. - Челябинск: ИПЦ «Учебная техника», 2008. - 69 с.

Представлены перечни используемой при выполнении базовых экспериментов аппаратуры, схемы электрические соединений, а также указания по проведению базовых экспериментов, иллюстрирующих принцип действия цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей.

Руководство предназначено для использования при подготовке к проведению лабораторных работ в учреждениях начального, среднего и высшего профессионального образования.

ã ИПЦ «Учебная техника», 2008

Содержание

Содержание.. 3

Введение.. 4

Перечень аппаратуры, используемой в экспериментах.. 5

1. Описание набора миниблоков (600.11.1) для испытания типовых схем
ЦАП и АЦП.. 6

2. Тестирование цифро-аналоговых преобразователей.. 8

2.1. Испытание цифро-аналогового преобразователя с выходом по току.. 8

2.2. Испытание цифро-аналогового преобразователя с выходом по
напряжению.... 17

2.3. Испытание схемы сравнения кодов.. 26

2.4. Испытание широтно-импульсного модулятора.. 32

3. Сборка и тестирование аналого-цифровых преобразователей.. 38

3.1. Испытание аналогового компаратора.. 38

3.2. Испытание аналого-цифрового преобразователя развертывающего
преобразования.. 44

3.3. Испытание аналого-цифрового преобразователя следящего
преобразования.. 52

3.4. Испытание аналого-цифрового преобразователя
последовательного приближения.. 60

Введение

В настоящем руководстве описаны базовые эксперименты, выполняемые с использованием дополнительного набора миниблоков (600.11.1) и комплекта типового лабораторного оборудования «Основы цифровой техники». Набор миниблоков позволяет собрать и испытать простейшие четырехразрядные цифро-аналоговые (ЦАП) и аналого-цифровые преобразователи (АЦП).

Комплект предназначен для проведения лабораторных работ в учреждениях начального, среднего и высшего профессионального образования

Комплект может быть также использован на семинарах и курсах повышения квалификации электротехнического персонала предприятий и организаций.

Аппаратная часть комплекта выполнена по блочному (модульному) принципу и содержит:

- спроектированные с учебными целями блок испытания цифровых устройств;

- набор миниблоков с логическими элементами;

- набор миниблоков для моделирования ЦАП и АЦП;

- мультиметр;

- однофазный источник питания;

- настольную раму для установки необходимых в экспериментах функциональных блоков.

Питание комплекта осуществляется от однофазной электрической сети напряжением 220 В с нейтральным и защитным проводниками.

Потребляемая мощность В×А, не более…………………………... 30

Габариты (длина/ ширина / высота), мм………………………..600´300´500

Масса, кг, не более……………………………………………….. 10

Методическая часть комплекта включает настоящее руководство как материалы для подготовки к проведению лабораторных работ.

Комплекту типового лабораторного оборудования «Основы цифровой техники» присущи следующие качества.

УНИВЕРСАЛЬНОСТЬ, которая выражается в возможности воспроизведения не только базовых экспериментов, но и исследования произвольных логических схем.

ГИБКОСТЬ, которая обеспечивается возможностью компоновки требуемой конфигурации комплекта сообразно с задачами каждого конкретного эксперимента.

НАГЛЯДНОСТЬ результатов моделирования, обеспечиваемая подключением индикаторов логических сигналов к любой точке цепи.

НАДЁЖНОСТЬ, достигаемая за счет малой мощности силовых элементов, защитой электрических цепей от эксплуатационных коротких замыканий и неумелого обращения.

ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТЬ, которая обеспечена выполнением элементов классом защиты от поражения электрическим током I и III, а также применением устройства защитного отключения.

КОМПАКТНОСТЬ, которая обеспечена малой установленной мощностью элементов и использованием только требуемых для данного эксперимента блоков и приборов.

РЕМОНТОПРИГОДНОСТЬ, которая обеспечена установкой исследуемых логических микросхем в панели, позволяющие легко заменить микросхему, в случае выхода ее из строя.

СОВРЕМЕННЫЙ ДИЗАЙН комплекта с учетом требований эргономики, инженерной психологии и эстетики.

Перечень аппаратуры, используемой в экспериментах

Количество аппаратуры определённого типа, используемой в конкретных экспериментах, приведено в таблице.

1. Описание набора миниблоков (600.11.1)
для испытания типовых схем ЦАП и АЦП

Комплект миниблоков 600.11.1 предназначен для изучения принципов работы и тестирования наиболее распространенных видов ЦАП и АЦП, с использованием комплекта типового лабораторного оборудования «Основы цифровой техники».

Общий вид спереди набора миниблоков приведен на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Общий вид набора миниблоков.

1 – Миниблок, содержащий цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Микросхема TLC7524. Из 8 двоичных разрядов ЦАП используются 4 старших.

2 – Миниблок, содержащий схему сравнения 2 четырехразрядных двоичных чисел. Микросхема КР1564СП1 (74HC85).

3 – Миниблок, содержащий компаратор с гистерезисом и операционный усилитель. Микросхема MC33202.

4 – Миниблок, содержащий двоичный реверсивный счетчик. Микросхема КР1533ИЕ7 (74ALS193).

5 – Миниблок с переменным резистором 1 кОм. На лицевую панель миниблока выведены клеммы, подключенные к шинам питания «0 В» и «+5 В».

6 – Миниблок, содержащий два резистора с R=100 кОм и два конденсатора
C=5,6 мкФ. Клеммы «0 В» подключены к общему проводу источника питания.

7 – Миниблок, содержащий регистр последовательных приближений (РПП). Реализован на микроконтроллере ATtiny24.

Комплект типового лабораторного оборудования «Основы цифровой техники» подробно описан в:

Основы цифровой техники: Руководство по выполнению базовых экспериментов - ОЦТ.001 РБЭ (920) / И.Л. Красногорцев; под ред. П.Н. Сенигова. - Челябинск: ИПЦ «Учебная техника», 2006. - 97 с.

2. Тестирование цифро-аналоговых преобразователей

2.1. Испытание цифро-аналогового преобразователя
с выходом по току

- Принцип действия и схема исследуемой цепи

- Схемы электрические соединений

- Перечень аппаратуры

- Указания по проведению эксперимента

Принцип действия и схема исследуемой цепи

В эксперименте определяются характеристики цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) с выходом по току, выполненного на основе резистивной матрицы R-2R (миниблок 1, рис. 1).

Схема, поясняющая принцип действия ЦАП, приведена на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Упрощенная схема ЦАП R-2R с выходом по току.

Матрица R-2R состоит из одинаковых звеньев (пунктир на рис. 2.1.), включающих 2 резистора. Сопротивления этих резисторов отличаются в 2 раза (R и 2R). Разрядность ЦАП определяется числом последовательно включенных звеньев. Серийно выпускаются микросхемы ЦАП с 8, 10, 12, 14 или 16 двоичными разрядами. В матрицу поступает постоянный ток I от источника. Выходной сигнал ЦАП – ток миллиамперметра PA1 – изменяется в зависимости от положения переключателей S1…S4. Буквы в кавычках на рис.2.1 обозначают одноименные клеммы на лицевой панели миниблока.

Рассмотрим принцип действия ЦАП.

Обратите внимание, что токи в резисторах матрицы R-2R не зависят от положения переключателей S1…S4. Действительно, резисторы R1, R3, R5, R7 всегда подключены к общему проводу цепи: в положении переключателей «0» – напрямую, в положении переключателей «1» – через миллиамперметр PA1 (выход ЦАП), с сопротивлением близким к 0.

Другая особенность матрицы резисторов R-2R – одинаковое входное сопротивление любого звена матрицы, независимо от числа включенных справа от него звеньев (по рис.2.1). Действительно, если разорвать цепь в узле 3, входное сопротивление звена R6, R7 вместе с R8, относительно узла 3 (рис. 2.1.) равно

.

Сопротивление включено параллельно R5, т. е. входное сопротивление звена R4, R5 относительно узла 2 также составит 2R. Аналогичные расчеты можно распространить на любое число последовательно включенных звеньев R-2R. Из сказанного следует, что входное сопротивление матрицы резисторов относительно узла 1 неизменно и равно R. В этом случае входной ток матрицы резисторов .

В узле 1 входной ток I резистивной матрицы разделится поровну между сопротивлением R1=2R и входным сопротивлением оставшейся части матрицы
(R2 и т. д.), также равным 2R. Таким образом, токи в R1 и R2 будут равны . Переключатель S1 направляет ток R1 или непосредственно на общий провод (положение «0»), или на выход ЦАП (миллиамперметр PA1) в положении «1».

В свою очередь ток R2 в узле 2 вновь разделится на равные части: токи R3 и R4 равны . Переключатель S2 в положении «1» направит этот ток на выход ЦАП.

Очевидно, что каждое последующее звено продолжит деление его входного тока на 2, а переключатель этого звена будет подключать к выходу ЦАП ток равный , где n – номер ключа, считая от входа матрицы резисторов (S1, S2, … на рис. 2.1).

В схеме на рис. 2.1 коммутируемые ключами токи составляют S1 - , S4 - , S3 - , S4 - . Полный ток на выходе ЦАП (ток PA1) будет определяться суммой токов ключей, находящихся в положении «1», т. е. выходной ток будет пропорционален двоичному числу, соответствующему положению переключателей. При этом S1 соответствует самому старшему разряду (вес - ), а S4 – самому младшему с наименьшим весом . Если все переключатели установить в положение «0» (двоичное число ) ток на выходе преобразователя равен 0. Наибольшее значение выходного тока будет соответствовать двоичному числу и составит

.

В общем случае преобразователя с n двоичными разрядами выходной сигнал будет изменяться от 0 до с шагом . Если переключатели ЦАП установлены в положение, соответствующее двоичному числу N, то выходной ток преобразователя составит . Полученное соотношение показывает, что рассматриваемый преобразователь можно использовать в режиме «перемножающего ЦАП» - выходной сигнал определяется произведением входного тока на двоичный код числа на цифровых входах.

Из приведенных выше рассуждений следует, что для работы рассматриваемого ЦАП необходимо точное отношение сопротивлений R и 2R, а их абсолютная величина не имеет существенного значения. Это требование нетрудно реализовать при выполнении ЦАП в виде интегральной схемы.

Схемы электрические соединений