ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.07.2025
Просмотров: 281
Скачиваний: 0
появляется единица на выходе (n-1) разряда и сохраняется единица в старшем разряде. Если Uвх> Uвых, то при появлении единицы в (n-1) разряде РПП содержание предыдущего старшего разряда обнуляется. Так перебираются все разряды до самого младшего. После выполнения последнего n-го сравнения цикл формирования выходного кода заканчивается. Состояние РПП соответствует цифровому эквиваленту входного напряжения. В рассматриваемом АЦП время преобразования t постоянно и определяется числом разрядов n и тактовой частотой f ГТИ.
На рисунке 3.2 приведена блок-схема алгоритма работы АЦП последовательного приближения.
Рисунок 3.1 - Структурная схема АЦП последовательного приближения
Предположим, что на аналоговый вход подано напряжение 7В. РПП засылает «1» в самый старший разряд двоичного числа (в нашем случае – разряд восьмерок). Результат операции – 1000. Компаратор сравнивает двоичное число 1000 и цифровой эквивалент входного напряжения. В нашем случае «больше». Тогда РПП обнуляет разряд восьмерок и устанавливает «1» в разряд четверок. Результат операции (0100) через ЦАП пересылается на вход компаратора.
Компаратор далее отвечает на вопрос, сформулированный в блоке 4: «двоичное число 0100 больше или меньше цифрового эквивалента входного напряжения?» Ответ: «меньше». Регистр последовательного приближения засылает «1» в разряд двоек. Результат (0110) поступает назад к компаратору. Компаратор сравнивает двоичное число 0110 и цифровой эквивалент входного напряжения. Двоичное число 0110 меньше цифрового эквивалента входного напряжения (7В). РПП засылает «1» в самый младший разряд, т.е. в разряд
18
единиц. Окончательный результат: двоичное число 0111. Это и есть цифровой эквивалент входного напряжения 7В.
Рисунок 3.2 - Блок-схема алгоритма работы АЦП последовательного приближения
Исследуемый в лабораторной работе АЦП К1113ПВ1 предназначен для применения в электронной аппаратуре в составе блоков аналогового ввода. Микросхема выполняет функцию 10-разрядного АЦП однополярного или биполярного входного сигнала с представлением результатов преобразования в параллельном двоичном коде.
19
Рисунок 3.3 - Схема установки
3.2 Задание на выполнение работы
1)Изучить принцип действия АЦП последовательного приближения.
2)Собрать схему, изображенную на рисунке 3.3. Питание +15В к ДУ (потенциометрический датчик угла) подсоедините с помощью проводов.
3)Установить ДУ таким образом, чтобы его выходной потенциал был равен нулю. С помощью генератора одиночных импульсов ГОИ подайте управляющий импульс на АЦП и проверьте работоспособность схемы (тумблер S9 включен). Проделайте то же для нескольких ненулевых значений ДУ.
4)Плавно вращая ДУ и используя вольтметр для измерения выходного напряжения ДУ, постройте зависимость Uвых=f(α), где α – угол поворота (30° - 290°). Вместо ГОИ на управляющий вход подайте импульсы «1с». Для этого нужно установить соответствующую перемычку и включить тумблеры S9, S10.
Плавно вращая ДУ и используя вольтметр для измерения входного сигнала и показания семисегментного индикатора, составьте таблицу соответствия: входной сигнал – цифровое значение.
Сравните результаты, полученные при выполнении задания с данными, указанными в документации.
5)Включите в разрыв между Д8 и Д11 регистр Д13 с фильтром G1. На вход одновибратора подайте импульсы готовности данных (выв. 16) с АЦП Д8. Проделайте опыты 3, 4.
20
Таблица 3.1 -Датчик угла
Угол, 30 90 150 210 270 290
град
Uвых, В
Таблица 3.2 - АЦП
Цифрово |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
е |
||||||||||
значение |
||||||||||
Uвх, В |
3.3Порядок работы
1)Перед началом работы необходимо тщательно ознакомиться со схемой предстоящей работы.
2)Продумать, каким образом производить коммутацию между узлами схемы. После этого вычертить монтажную схему с указанием мест подключения перемычек, согласно которой будет производиться коммутация элементов.
3)Сборку схемы производить при отключенной питающей цепи. После чего обратиться к преподавателю за разрешением на проведение лабораторной работы.
3.4 Требования к отчету
Отчет по данной работе должен содержать:
1)цель работы;
2)структурную схему АЦП последовательного приближения;
3)схему цифровой системы, реализующей преобразование аналогового напряжения в цифровое значение;
4)заполненные таблицы.
3.5Контрольные вопросы
1)Назовите типы существующих аналого-цифровых преобразователей.
2)Какой из перечисленных типов АЦП является более быстродействующим?
3)Какие операции выполняет РПП и от чего зависит их характер?
4)Какие функции выполняет компаратор?
5)В чем преимущество АЦП последовательного приближения?
6)Приведите структурную схему цифровых измерительных устройств, работающих с аналоговыми датчиками.
4 Лабораторная работа №12 Применение интегральных схем
Цель работы: Изучить принцип действия и исследовать работу интегральных инвертирующих усилителей и компараторов сигналов.
21
4.1 Общие сведения
Операционные усилители (ОУ) в интегральном исполнении широко применяются для построения сложных функциональных схем.
Современные ОУ характеризуются высоким входным сопротивлением, низким выходным сопротивлением и изменяющимся в широких пределах коэффициентом усиления по напряжению, величину которого можно установить внешними резисторами. Условное графическое обозначение ОУ показано на рисунке 4.1, а. Видно, что ОУ имеет два входа. Верхний вход называется инвертирующим входом, второй вход называется неинвертирующим входом. Справа показан выход усилителя.
Рисунок 4.1 - Операционный усилитель а – условное обозначение; б – два резистора, используемые для установки
требуемого значения коэффициента усиления по напряжению
Операционный усилитель почти никогда не используется сам по себе. Обычно к нему добавляются резисторы, как показано на рисунке 4.1, б, для установки требуемого значения коэффициента усиления по напряжению. Резистор Rвх называется входным резистором. РезисторRос называется резистором обратной связи. Коэффициент усиления по напряжению для такого усилителя находится с помощью формулы
R
K u R ос . (4.1)
вх
Коэффициент усиления по напряжению можно также рассчитать с помощью формулы
K u |
U вых |
. |
(4.2) |
|
U вх |
||||
Предположим, что Rвх =1 кОм и Rос =10 кОм, тогда коэффициент усиления будет равен 10.
Если, например, входное напряжение равно 0,5 В, то выходное напряжение будет равно 5 В.
Поскольку используется инвертирующий вход усилителя, постольку, строго говоря, выходное напряжение равно –5 В. Таким образом, коэффициент
22
усиления ОУ очень просто задать, выбрав соответствующее отношение сопротивлений входного резистора к резистору обратной связи.
Компаратором называется схема для сравнения двух напряжений (рисунок 4.2).
Основой компараторов является операционный усилитель.
Рисунок 4.2 - Структурная схема компаратора напряжений и временная диаграмма его работы
На неинвертирующий вход подается неизменное по величине напряжение, называемое опорным Uоп . На инвертирующий вход подается изменяющееся во времени напряжение Uвх .
В схеме компаратора используется свойство ОУ изменять полярность выходного напряжения в зависимости от знака разности напряжений на входах. Поясним это на примере временной диаграммы (рисунок 4.2). В интервале времени 0 t1 , Uоп Uвх это значит, что потенциал неинвертирующего входа выше, чем инвертирующего. Следовательно, Uвых совпадает по фазе с Uоп (Uвых 0) и устанавливается на уровне напряжения питания ОУ. В момент времени t t1 , когда Uвх Uоп потенциал инвертирующего входа выше неинвертирующего Uвых 0, т.е. отстает по фазе от Uвх на 1800 и устанавливается на уровне -UП . Изменение полярности выходного напряжения происходит в момент времени t1 , когда Uвх UОП . Поскольку коэффициент усиления ОУ достаточно высок в момент сравнения Uвх и Uоп из–за шумов возможно многократное переключение выходного напряжения ОУ. Чтобы исключить такой режим в характеристике компаратора искусственно создают гистерезис (рисунок 4.3).
Ширина петли гистерезиса Cp должна превышать уровень шума и определяется из выражения вида:
C |
U |
R1 |
(U |
U |
), |
(4.3) |
||||||
p |
вх |
R1 R2 |
вых max |
вых min |
||||||||
23
Рисунок 4.3
Такие схемы можно использовать для преобразования формы сигнала, получения прямоугольных импульсов и т. п.
4.2 Задание на выполнение работы
1) На основе ОУ А1 соберите схему инвертирующегося усилителя. Исследуйте ее работу (рисунок 4.4).
Рисунок 4.4 – Схема инвертирующего усилителя
Рисунок 4.5 –Схема компаратора напряжений
24
2)На основе А1 постройте компаратор напряжений. Поясните назначение всех элементов схемы, исследуйте его работу (рисунок 4.5).
3)Разработайте схему выключения света при возрастании освещенности. Испытайте ее (рисунок 4.6).
Рисунок 4.6 – Схема выключения света при возрастании освещенности
4.3 Порядок работы
1)Перед началом работы необходимо продумать, каким образом производить коммутацию между узлами схемы, разобраться в их назначении. После этого вычертить монтажную схему с указанием мест подключения перемычек, согласно которой будет производиться коммутация элементов.
2)Сборку схем производить при отключенной питающей цепи. После чего обратиться к преподавателю за разрешением на проведение лабораторной работы.
3)Для исследования работы ОУ и компаратора напряжений используйте измерительные приборы, имеющиеся на стенде.
4.4 Требования к отчету
Отчет по данной работе должен содержать:
1)цель работы;
2)схему ОУ и результаты ее исследования;
3)схему компаратора напряжений и результаты ее исследования;
4)схему выключения света при возрастании освещенности с использованием компаратора напряжений СА2.
4.5 Контрольные вопросы
1)Сколько входов и выходов у операционного усилителя?
2)Как определяется коэффициент усиления по напряжению?
25
3)Найдите коэффициент усиления по напряжению ОУ в схеме на рисункн 4.1.б, если Rвх = 1 кОм и Rос = 20 кОм
4)Чему будет равно выходное напряжение того же ОУ, если входное напряжение равно 0,2В?
5)Из чего можно собрать компаратор напряжений?
6)Для чего в схеме компаратора напряжений используется стабилитрон?
7)Какие сигналы сравнивает компаратор в схеме АЦП?
5 Лабораторная работа №13 Аналоговое измерение температуры и преобразование результатов измерения в цифровой сигнал
Цель работы: Изучить метод измерения аналоговых сигналов при помощи операционных усилителей. Ознакомиться с методами преобразования аналогового сигнала в цифровой сигнал.
5.1 Общие сведения
Основной функцией датчика является преобразование входной величины любой физической природы в величину на выходе, более удобную для контроля, регулирования или управления.
Непосредственно использовать выходной сигнал датчика для воздействия на последующие элементы автоматической системы не всегда возможно.
Преобразование выходной величины датчика в удобный для последующего использования и измерения вид осуществляется в измерительных схемах. Входной величиной измерительной схемы являются переменное сопротивление или напряжение. Из большого разнообразия измерительных схем наиболее широко используются мостовые, дифференциальные и компенсационные.
Мостовые схемы применяют преимущественно совместно с датчиками, работа которых основана на изменении сопротивления. Дифференциальные схемы применяют при необходимости сравнения двух величин. Компенсационные схемы используются при измерении малых ЭДС.
С развитием интегральной схемотехники все большее распространение получают измерительные схемы на основе операционного усилителя ОУ.
Этому соответствуют такие его качественные характеристики как возможность обеспечения постоянного коэффициента усиления, малые смещения и дрейфы входных и выходных сигналов, малые выходные сопротивления и большое входное сопротивление.
Большинство технологических величин являются по своим свойствам аналоговыми величинами. Они определяются и представляются в форме, пригодной для соответствующей обработки сигнала с помощью аналоговых измерительных устройств. Для сопряжения аналоговых величин с цифровыми устройствами осуществляют дискретизацию и кодирование непрерывных сигналов. Под дискретизацией понимается преобразование непрерывных
26