ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ

Сила воли ведет к действию, а позитивные действия формируют позитивное отношение

Как определить диапазон голоса - ваш вокал

Игровые автоматы с быстрым выводом

Как цель узнает о ваших желаниях прежде, чем вы начнете действовать. Как компании прогнозируют привычки и манипулируют ими

Целительная привычка

Как самому избавиться от обидчивости

Противоречивые взгляды на качества, присущие мужчинам

Тренинг уверенности в себе

Вкуснейший "Салат из свеклы с чесноком"

Натюрморт и его изобразительные возможности

Применение, как принимать мумие? Мумие для волос, лица, при переломах, при кровотечении и т.д.

Как научиться брать на себя ответственность

Зачем нужны границы в отношениях с детьми?

Световозвращающие элементы на детской одежде

Как победить свой возраст? Восемь уникальных способов, которые помогут достичь долголетия

Как слышать голос Бога

Классификация ожирения по ИМТ (ВОЗ)

Глава 3. Завет мужчины с женщиной

Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.

Отёска стен и прирубка косяков - Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.

Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) - В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.

Инвертирующий (масштабный) усилитель

Лабораторная работа 1

Цифроаналоговый преобразователь(ЦАП)

На основе операционного усилителя

Цель работы

1. Ознакомиться с основами функционирования операционных усилителей (ОУ) и простейших схем на их основе.

2. Ознакомиться с основами функционирования ЦАП

3. Приобрести практические навыки построения и анализа ЦАП.

Понятия о ЦАП и АЦП

Цифровые ЭВМ принимают и выдают информацию в цифровом виде. Как правило, информация первичных преобразователей (сигналов датчиков) представляется в аналоговой форме, в виде уровней напряжений. Исполнительные устройства (электродвигатели, электромагниты), предназначенные для автоматического управления технологическими процессами, реагируют также на уровни напряжения или тока. Для преобразования информации из цифровой формы в аналоговую применяют цифроаналоговые преобразователи(ЦАП), а для обратного преобразования аналогоцифровые преобразователи(АЦП).

Как правило, ЦАП и АЦП в своем составе имеют операционный усилитель.

Общие сведения об операционных усилителях

Операционные усилители представляют собой широкий класс аналоговых микросхем, которые позволяют производить усиление аналоговых сигналов, придавать им различную форму, складывать и вычитать сигналы, производить операции дифференцирования и интегрирования, создавать источники стабильного напряжения и генераторы колебаний различной формы.

Операционный усилитель (ОУ) – это многокаскадный транзисторный усилитель, выполненный в виде микросхемы и имеющий огромный коэффициент усиления напряжения Ко.

На рис.1 дано схемное обозначение операционного усилителя.

Входной каскад его выполняется в виде дифференциального усилителя, так что

операционный усилитель имеет два входа: неинвертирующий U₊ и инвертирующий U _-. . Разность входных напряжений U_д = U₊ – U _-. является разностным входным напряжением или напряжением дифференциального сигнала.

Рис.1. Схемное обозначение операционного усилителя

Помимо схемного обозначения ОУ показанного на рис. 1, в литературе можно встретить и другие обозначения ОУ (рис. 2).

Рис.2

На принципиальных схемах ОУ обычно изображают только их входные и выходные клеммы.

Основные схемы включения ОУ

В основе анализа схем на операционных усилителях лежат два следующих предположения. Входы ОУ не потребляют тока и имеют очень большое сопротивление.

Основываясь на этих предположениях, проведём анализ простейших усилительных схем на ОУ.

Инвертирующий (масштабный) усилитель

Схема усилителя показана на рис.3. Неинвертирующий вход заземлен. Входной сигнал подан на инвертирующий вход.

Определим коэффициент передачи по напряжению усилителя К=Uвых/Uвх.

Рис.3. Инвертирующий (масштабный) усилитель

Так как неинвертирующий вход ОУ заземлен, и разность напряжений между входами U = U_вых / Ко пренебрежимо мала, то инвертирующий вход тоже имеет нулевой потенциал относительно земли.

Поэтому: I_вх = U_вх / R1.

Так как входы идеального ОУ не потребляют тока, то:

I_ос = I_вх = U_вх / R1.

Выходное напряжение, то есть напряжение на выходном выводе относительно общей шины, можно найти как падение напряжения от тока Iос на резисторе R2, т. е.:

U_вых = – Iос R2 = – Uвх R2 / R1.

Отсюда коэффициент передачи инвертирующего усилителя:

К = Uвых / Uвх = – R2/R1.

Входное сопротивление инвертирующего усилителя Rвх= R1. Выходное сопротивление практически равно 0.

Сумматор

Схема сумматора (рис.4) предназначена для формирования

Рис.4

напряжения, равного усиленной алгебраической сумме нескольких входных сигналов, т.е. он выполняет математическую операцию суммирования нескольких сигналов. При этом выходной сигнал дополнительно инвертируется.

В результате, сигнал на выходе сумматора можно рассчитать в соответствии с выражением:

Uвых= -Uвх1 R0 /R1 -Uвх2 R0 /R2 -Uвх3 R0 /R3 -… -Uвхn R0 /Rn .

ЦАП на основе ОУ

Принцип действия простейшего ЦАП поясняет схема на рис.5.

Рис.5

Основу ЦАП составляет матрица резисторов, подключаемых ко вхо­ду операционного усилителя ключами, которые управляются двоичным кодом (например, параллельным кодом регистра или счет­чика).

Коэффициенты передачи К= - Uвых/Uоппо входам 2°, 2¹, 2² и 2³ равны соответственно:

Ко =R1Zo/Ro, K1 =2R1Z1/Ro, K2 =4R1Z2/Ro, K3 =8R1Z3/Ro

где Zo – Z3 числа, принимающие значения 0 или 1 в зависимости от положения соответствующих ключей.

Выходное напряжение ЦАП определяется суммой:

Uвых= -Uoп (Ko+K1 +K2+K3) = - UопR1/Ro (Zo +2Z1+4Z2+8Z3)

Таким образом, четырехразрядный двоичный код преобразуется в уровень U_вых в диапазоне от 0 до 15ΔU, где ΔU — шаг кванто­вания.

Для уменьшения по­грешности квантования необхо­димо увеличивать число двоич­ных разрядов ЦАП.

Приведенная схема ЦАП имеет по крайней мере два недо­статка. Во-первых, к резисторам стар­ших разрядов предъявляются жесткие требования по точности и стабильно­сти.

Во-вторых, нагрузка источника Uоп изменяется в зависимости от положения ключей, что требует применения источника с малым внутренним сопротивлением для ослабления влияния этого сопротивления на U_on при разных токах нагрузки.

От перечисленных недостатков свободна схема ЦАП, показанная на рис. 6.

Рис.6

В ней используют ключи, которые подсоединяют резисторы 2R либо ко входу суммирования операционного усилителя, либо к земле. При этом токи через резисторы 2R не изменяются. Резисторы соединены в матрицу типа R—2R, имеющую постоянное входное сопротивление со стороны источника U равное R независимо от положения ключей. Коэффициент передачи напря­жения между соседними узловыми точками матрицы равен 0,5. Тогда для входа суммирования усилителя можно записать:

a3 I3 +a2I2 + a1I1 + a0I0 = -Uвых/R0

или выражая все токи через ток I3:

a3I3 +a2I3/2 +a1I3/4 +a0I3/8 = -Uвых/R0

Из этого выражения, с учетом i3 =U/2R получим, что выходное напряжение ЦАП определяется выражением:

Uвых= - UR0/16R (a0 +2a1+4a2+8a3) (1)

Задание 1