Исследование аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразователей

Каналообразующие устройства

Лабораторная работа № 4

Исследование аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразователей

Цель работы: изучить назначение,  принцип действия и основные харак-теристики аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразователей (АЦП и ЦАП) для обработки данных в КОУ.

Необходимое оборудование:  лабораторный макет, осциллограф, набор проводников.

Время 4 часа.

Теоретические сведения

Данные преобразователи занимают особое место в устройствах обработки сигналов современных КОУ. Это объясняется тем, что основная обработка данных выполняется цифровыми устройствами, а входные сигналы, как правило, имеют аналоговую форму. На выходе цифровых устройств для удобства восприятия информации ее также часто необходимо иметь в аналоговом виде.

АЦП предназначены для преобразования аналоговых величин в цифровой код. В них происходит дискретизация по времени и квантование по уровню входного сигнала с одновременным преобразованием уровня в код.

ЦАП выполняют обратную операцию – дискретизированные по времени и квантованные по уровню данные цифрового кода они преобразуют в аналоговые величины, непрерывные во времени и принимающие несчетное множество значений.

Хотя разработаны и широко используются АЦП и ЦАП для работы с разнообразными входными (выходными) величинами - током, мощностью, фазой частотой, временем и т.д. - наибольшее распространение получили преобразователи напряжение – код и код – напряжение. Поэтому в данной работе рассматриваются именно такие АЦП и ЦАП.

Для АЦП и ЦАП могут использоваться различные коды (позиционный, унитарный, код Грея, с фиксированной или плавающей запятой и т.д.). Самое существенное отличие состоит в форме представления кода – параллельный или последовательный. В работе используются АЦП и ЦАП с последовательным двоичным кодом, с числом разрядов n, выбираемых переключателем из ряда 3-5. Этот код на  временной развертке для  n = 4  выглядит так:

Рис.4.1. Временная зависимость последовательного [pic 1]

 четырехразрядного двоичного кода

Здесь τ - длительность элемента последовательного кода;

Тпр – период преобразования АЦП;

fпр – частота преобразования, fпр=1/Tпр.

Ясно, что nτ < Tпр. Для наблюдения последовательного кода и считывания его числовых значений с помощью осциллографа необходимо использовать режим внешней синхронизации осциллографа. Сигнал внешней синхронизации следует подавать с выхода S(kΔt), на котором присутствуют короткие импульсы, следующие с периодом Тпр на вход синхронизации осциллографа.

Главной характеристикой любого АЦП является зависимость числового значения его выходного кода А от величины входного напряжения, так называемая характеристика преобразования, показанная на рис.4.2. [pic 2][pic 3]

Рис. 4.2. Характеристики преобразования АЦП

Всего уровней квантования m = 2n, при n = 3, m = 23 = 8. Расстояние между соседними уровнями квантования Ui-1 и Ui называется шагом квантования hi.

Существуют АЦП с равномерным и неравномерным шагом квантования. В нашем случае (см. рис. 4.2а) h = const, т.е. шаг равномерный и легко вычислить напряжение, считанное АЦП: Uацп=Аh. Прямая линия показывает характеристику идеального преобразования с h→0. Среднее значение реальной характеристики (точки) отличается от идеальной и имеет систематическое занижение на величину h/2, т.е. выходной  код А является смещенной оценкой Uвх. Для устранения этого недостатка достаточно сдвинуть входное напряжение, подаваемое на АЦП на h/2, т.е. U /вх = Uвх + h/2 или при вычислении напряжения использовать формулу Uацп=А(h+1/2). Ошибка между Uацп и Uвх  ΔU в этом случае изменяется по пилообразному закону в диапазоне - h/2…+ h/2.