Схема для тестирования АЦП следящего преобразования на наборном поле блока испытания цифровых устройств А1

Измеряемое напряжение в диапазоне от 0 до +5 В задается переменным резистором, подключенным к шинам питания (миниблок 5, рис. 1, набор 600.11.1).

Измеряемое напряжение сравнивается компаратором (3, рис. 1, набор 600.11.1) с напряжением ЦАП (1, рис. 1, набор 600.11.1). Состояние выхода компаратора отображается индикатором логических уровней.

В качестве опорного напряжения ЦАП используется напряжение питания .

Напряжение ЦАП изменяется вместе с изменением содержимого двоичного счетчика от 0 В (счетчик ) до максимальной величины В (счетчик ). Шаг изменения напряжения ЦАП равен В. Эти величины определяют, соответственно, диапазон измерения и разрешающую способность испытываемого АЦП.

Тактовые импульсы поступают на суммирующий (+1) или вычитающий (-1) входы двоичного счетчика (4, рис. 1, набор 600.11.1) через два логических элемента И-НЕ (из набора 600.11). Выбор входа счетчика, на который поступают импульсы, определяется состоянием компаратора на предыдущем интервале. Это состояние фиксируется и сохраняется D-триггером (миниблок из набора 600.11).

Состояние счетчика отображают светодиоды миниблока индикаторов (набор 600.11). Индикатор 0 – младший разряд двоичного числа, 3 – старший.

Не используемые входы элементов подключены к шинам питания «0 В» или через резистор к «+5 В» (вспомогательный миниблок для подключения входов микросхем к шинам питания из набора 600.11).

Тактовые импульсы могут задаваться вручную от кнопки источника логических сигналов (оба показанных штрих-пунктиром провода подключены к гнезду кнопки) или от генератора (оба показанных пунктиром провода подключены к гнезду «1 Гц»).

Работа схемы.

1. На инвертирующем входе компаратора переменным резистором установлено некоторое измеряемое напряжение, отличное от 0 и меньшее максимального напряжения ЦАП.

2. Предположим, что после включения счетчик находится в некотором произвольном состоянии между и .

3. Выход ЦАП задает на неинвертирующем входе компаратора некоторое напряжение, соответствующее состоянию счетчика. Если это напряжение ниже измеряемого, то на выходе компаратора 0. Этот сигнал после инвертирования триггером Шмидта (т. е. равный 1) будет записан в D-триггер по нарастающему фронту тактового импульса. Если напряжение ЦАП выше измеряемого, то в D-триггер будет записан 0. Выходной сигнал компаратора отображает индикатор логических уровней.

4. Единичный сигнал на одном из выходов D-триггера поступает на вход одного из элементов И-НЕ.

5. Если в D-триггер записана 1 этот сигнал появляется на прямом выходе триггера и разблокирует верхний (по схеме) элемент И-НЕ. Тактовые импульсы проходят на суммирующий вход счетчика. По спадающему фронту тактового импульса содержимое счетчика увеличивается на 1, напряжение ЦАП возрастает, приближаясь к измеряемому.

6. Если в D-триггер записан 0, сигнал 1 появляется на инверсном выходе триггера (обозначен кружком) и разблокирует нижний (по схеме) элемент И-НЕ. Тактовые импульсы проходят на вычитающий вход счетчика. По спадающему фронту тактового импульса содержимое счетчика уменьшается на 1, напряжение ЦАП снижается, приближаясь к измеряемому.

7. Когда на одном из тактов напряжение ЦАП перейдет через уровень измеряемого напряжения выход компаратора сменит значение на противоположное, изменится состояние D-триггера, тактовые импульсы будут перенаправлены на другой вход счетчика. Сменится направление изменения содержимого счетчика. На следующем такте процесс повторится. Младший разряд двоичного числа на выходе АЦП при каждом тактовом импульсе будет увеличиваться или уменьшаться на 1, совершая колебания около уровня измеряемого напряжения.

8. При изменении уровня измеряемого напряжения колебания прекратятся, и напряжение ЦАП начнет изменяться вслед за измеряемым напряжением, пока не достигнет его нового уровня.

Перечень аппаратуры

Указания по проведению эксперимента

• Убедитесь, что устройства, используемые в эксперименте, отключены от сети электропитания.
• Соедините аппаратуру в соответствии со схемой электропитания.
• Соберите исследуемую цепь на наборном поле блока испытания цифровых устройств А1. Указания по подключению проводов показанных штрих-пунктиром/пунктиром даны ниже.
• Включите устройство защитного отключения и автоматический выключатель в однофазном источнике питания G1.
• Включите выключатель «СЕТЬ» блока испытания цифровых устройств А1.
• Протестируйте работу схемы. При необходимости изменения исследуемой схемы отключите выключатель «СЕТЬ» блока испытания цифровых устройств А1, измените схему, включите выключатель «СЕТЬ».

Тестирование АЦП.

• Подключите входы тактовых импульсов элементов И-НЕ и вход С D-триггера к гнезду кнопки источника логических сигналов (провода показанные штрих-пунктиром на схеме испытания АЦП).
• Измерьте мультиметром напряжение питания цепи (напряжение между гнездами «0 В» и «+5 В» на миниблоке переменного резистора).
• Вычислите шаг изменения напряжения на выходе четырехразрядного ЦАП и максимальное напряжение на выходе ЦАП .
• Установите переменным резистором некоторое измеряемое напряжение , не превышающее . Для контроля подключите мультиметр к гнезду «0 В» и к гнезду подвижного контакта переменного резистора.
• Вычислите ожидаемые двоичные числа на выходе АЦП после измерения . Результат в десятичной системе счисления . На индикаторе АЦП результат измерения будет переключаться между двумя целыми числами – ближайшим большим и ближайшим меньшим . Переведите полученные целые числа из десятичной системы счисления в двоичную.
• Подключите мультиметр к гнездам «0 В» и «U» миниблока ЦАП.
• Нажатием на кнопку источника логических сигналов задайте тактовый импульс. Убедитесь в изменении содержимого счетчика и приближении напряжения на выходе ЦАП к измеряемому. Продолжайте подавать тактовые импульсы до момента переключения выходного сигнала компаратора (переключение светодиодов индикатора логических уровней). Инвертированный триггером Шмидта сигнал компаратора сохраняется в D-триггере. Переключение D-триггера через элементы И-НЕ перенаправляет тактовые импульсы с суммирующего на вычитающий вход счетчика.
• Убедитесь, что при следующем тактовом импульсе изменится направление счета импульсов, и содержимое счетчика измениться на 1. Напряжение ЦАП вновь пересечет уровень , компаратор переключится, и следующий тактовый импульс поступит на суммирующий вход счетчика. В дальнейшем переключения будут повторяться при каждом тактовом импульсе – АЦП перейдет в режим слежения за . Двоичное число на индикаторе АЦП будет переключаться между двумя целыми – меньшим и большим .
• Переключите тактовые импульсы от гнезда кнопки к гнезду «1 Гц» генератора импульсов (провода показанные пунктиром на схеме испытания АЦП).
• Переменным резистором установите несколько произвольных значений напряжения и убедитесь, что АЦП отслеживает эти изменения. Измерьте величины испытываемым АЦП и мультиметром. Для определения результата измерения АЦП используйте формулу

,

где - значение напряжения в вольтах по показаниям АЦП;

- шаг изменения напряжения на выходе ЦАП ( - напряжение питания);

, - максимальное и минимальное значения на индикаторе АЦП,
переведенные в десятичную систему счисления. При расчете полагается, что
измеренное напряжение равно среднему из этих величин.

Сравните результаты измерения напряжения мультиметром и АЦП.

• По завершении работы отключите выключатель «СЕТЬ» блока испытания цифровых устройств А1 и автоматический выключатель в однофазном источнике питания G1.

3.4. Испытание аналого-цифрового преобразователя
последовательного приближения

- Принцип действия и схема исследуемой цепи

- Схемы электрические соединений

- Перечень аппаратуры

- Указания по проведению эксперимента