Цифро-аналоговый преобразователь

1. Собрать схему четырехразрядного (для гр. 1) или пятиразрядного (для гр. 2) цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), построенного на основе цепочки R-2R.

Например, схема трехразрядного ЦАП показана на рис. 1. Три входных двоичных сигнала управляют переключателями 0, 1,2. Положение переключателей, показанное на схеме, соответствует подаче на усилитель напряжения, соответствующего шагу квантования D.

Сопротивление резистора (2 кОм) в цепи обратной связи операционного усилителя (ОУ) равно сопротивлению в поперечной ветви цепочки R-2R. Поэтому коэффициент передачи усилителя равен 1 и выходное напряжение ЦАП будет также равно шагу квантования D. Величина шага квантования зависит от опорного напряжения Е₀ и от числа звеньев в цепочке R-2R. Шаг квантования равен D = 40N мВ для гр. 1 и D = 20N мВ для гр. 2. Рассчитать и установить опорное напряжение Е₀.

2.Подключая на выходе ЦАП осциллограф (или мультиметр) и коммутируя переключатели, измерить величину шага квантования D, и максимальную величину выходного напряжения ЦАП U_max. Проверить равенства D=D_э и U_max=(2⁴-1)D(гр. 1) или U_max=(2⁵-1)D (гр. 2). Занести в таблицу увеличивающиеся по величине входные двоичные коды и соответствующие им выходные напряжения (измерить первые 5...6 значений, начиная с нулевого напряжения, и 2...3 значения меньших или равных U_max). Построить ступенчатый график зависимости выходного напряжения от входного кода (от 0 до U_max).

3.Для измерения быстродействия ЦАП включить в схему вместо идеального ОУ реальный ОУ, например, LM741 из библиотеки 1m7хх.Установить все переключатели так, чтобы на вход ОУ напряжение не поступало. Заменить переключатель 0 на переключатель с задержкой времени (Time-Delay Switch), установив для последнего время включенного состояния (Time on) 1,5...2 мкс и время выключенного состояния (Time off) 0,5 мкс. Измерить и зарисовать возникающий на выходе ЦАП искаженный импульс напряжения. Определить и записать длительность переднего фронта импульса. Эта длительность примерно равна основному динамическому параметру ЦАП — времени установления выходного напряжения t_уст- В исследуемой схеме время t_уст в основном определяется быстродействием операционного усилителя.

4*. Исследовать влияние погрешности изготовления резисторов цепочки R-2R и других элементов ЦАП на шаг квантования.

4.1*. Расчет методом Монте-Карло. Восстановить схему ЦАП: включить в схему обычный переключатель. Установить все переключатели схемы в положение, при котором на выходе ЦАП возникает наибольшее напряжение. Используя меню Analysis/Monte Carlo, получить статистику, описывающую разброс значений выходного напряжения. При этом число испытаний (Number of runs) установить не менее 10, разброс параметров элементов (Tolerance) задать равным 5% (такая погрешность задается для элементов современной аппаратуры на интегральных микросхемах), выбрать гауссовское распределение и правильно указать номер выходного узла ЦАП. Расчет провести в режиме DC. Максимальное значение погрешности выходного напряжения определяет один из параметров ЦАП — абсолютную погрешность.

4.2*. Расчет на наихудший случай. Установить на выходе ЦАП напряжение, равное шагу квантования. Используя меню Analysis/Worst Case, получить наименьшее и наибольшее значение шага квантования. При этом разброс параметров элементов (Tolerance) задать равным 5%, выбрать расчет на максимум, а затем на минимум значения и правильно указать номер выходного узла ЦАП. Расчет провести в режиме DC. Разность между максимальной и минимальной величиной напряжения часто определяет другой параметр ЦАП — его дифференциальную нелинейность.

5*. Подключить параллельно резистору в цепи обратной связи ОУ конденсатор. В этом случае усилитель одновременно является фильтром низких частот (активный фильтр). Определить минимальную емкость конденсатора, при которой в выходном сигнале при изменении входного кода будут практически отсутствовать ступеньки напряжения.

6*. Заменяя каждый переключатель в схеме рис. 1 двумя переключателями, управляемыми напряжениями, составить новую схему ЦАП с управлением сигналами, поступающими от генератора логических уровней. Получить на выходе ЦАП пилообразное (треугольное) напряжение.