Laboratorium Podstaw Elektroniki i Miernictwa
Badanie przetwornika C-A i A-C
Rok: Kierunek:	data wykonania ćwiczenia:	data oddania sprawozdania:	Wykonał:

Cel ćwiczenia:

- zbadanie binarnie ważonej metody w przetwarzaniu C-A (cyfrowo-analogowym);

- zbadanie metody porównawczej w przetwarzaniu A-C (analogowo-cyfrowym).

Teoria

W binarnie ważonej metodzie ( z wykorzystaniem drabiny rezystancyjnej) w konwersji C-A (cyfrowo-analogowej) jest wykorzystana sieć rezystorów o wartościach wzrastających dwukrotnie względem poprzedniego rezystora. Rezystory są połączone pomiędzy dodającym połączeniem wzmacniacza operacyjnego a wyjściami stopni licznika. Analogowe wyjście napięciowe konwertera C-A nie umożliwia ciągłej zmiany wartości napięcia, lecz skokowe, ustalone jego zmiany. Najmniejsza możliwa zmiana napięcia występuje wtedy, kiedy następuje zmiana 2⁰ bitów. 2⁰ jest najmniej znaczącym bitem (LSB). Każda wyższego rzędu zmiana bitów na analogowym wyjściu przetwornika powoduje dwukrotną zmianę wartości napięcia wyjściowego aż do bitu najwyższego rzędu, bitu nazywanego najbardziej znaczącym bitem (MSB). Dla przykładu, rozpatrując trzypoziomowy binarny licznik, którego maksymalna wartość stanu wynosi 1x2² +1x2¹ +1x2⁰ =7. Jeśli współczynnik skali wzmacniacza operacyjnego odpowiada zmianie 1 V, to każda zmiana wartości bitu powoduje zmianę wartości napięcia o 1 V. Dla powyższego przykładu maksymalna wartość na wyjściu przetwornika wynosi 7 V. Aby uzyskać wyższą rozdzielczość na wyjściu napięciowym liczba bitów powinna wzrastać przy jednoczesnym zmniejszaniu się wartości jednostkowej zmiany napięcia.

Jeśli wyjście przetwornika C-A jest połączone z wejściem wzmacniacza operacyjnego, połączonego jako komparator i jeśli nieznane analogowe napięcie jest dostarczane do drugiego wejścia wzmacniacza operacyjnego to napięcie wyjściowe ze wzmacniacza operacyjnego będzie zależne od różnicy polaryzacji napięciowej pomiędzy wyjściem wzmacniacza operacyjnego i nieznanego napięcia analogowego. Przez wyznaczenie stanu zliczania licznika, dla którego wyjście komparatora się zmienia, stanu zliczania równoważnemu wartości napięcia analogowego dla jednego bita, najmniej znaczący bit (LSB) może być wyznaczony. Ta metoda porównawcza z tego powodu może być użyta do konwersji analogowo - cyfrowej.

Wyposażenie stanowiska:

- oscyloskop cyfrowy, sprzężenie DC;

- generator fali prostokątnej (1 kHz lub pojedyncze wyzwolenie sygnałem +5 V);

- zasilacz prądu stałego + - 15 V i +5 V;

- układy scalone: 7404 (NOT), 7405 (NOT z otwartym kolektorem), 7490 (licznik dziesiętny), 741C (wzmacniacz operacyjny);

- rezystory: 1,5 kOhm, 2370 Ohm, 4350 Ohm, 4750 Ohm, 10,5 kOhm, 22,6 kOhm, 1 kOhm, 68 kOhm, potencjometr 500 Ohm;

- zestaw przełączników sygnałów.

Połączenia zasilacza stabilizowanego z układami:

7404 +5 V (pin 14), masa (pin 7)

7405 +5 V (pin 14), masa (pin 7)

7490 +5 V (pin 5), masa (pin 10)

741C +5 V (pin 11), masa (pin 6)

Przebieg ćwiczenia

1. Przetwornik cyfrowo-analogowy C-A - dekada BCD

Układ scalony 7490 jest licznikiem dziesiętnym, który zlicza, kiedy pin 2 i pin 3 układu są połączone z masą a kiedy są połączone z napięciem +5 V wtedy resetują licznik do wartości „zero”. Po ponownym przestawieniu pinów 2 i 3 do pozycji „masa” licznik binarny rozpoczyna zliczanie.

Schemat 1. Przetwornik cyfrowo-analogowy C-A - dekada BCD

Połączyć układ pomiarowy według połączeń przedstawionych na schemacie 1. Zwrócić uwagę na ustawienie wstępne oscyloskopu jak i też zasilaczy stabilizowanych. Połączenie układów scalonych wykonać na podstawie schematu układów dołączonego do ćwiczenia.

1.Ustawić generator fali prostokątnej na częstotliwość 1000 Hz i obserwować odpowiedź z układu wzmacniacza operacyjnego na ekranie oscyloskopu. Na wyjściu układu powinien pojawić się przebieg w postaci schodkowej malejącej, dziewięciostopniowej o jednakowej wysokości stopni.

2. Ustawić podstawę czasu oscyloskopu, tak, aby na ekranie widoczne były dwa „schodki” przebiegu.

3. Ustawić potencjometr 500 Ohm w taki sposób, aby górna krawędź przebiegu „schodkowego” była na poziomie 0 V.

4. Zmienić formę pracy generatora fali prostokątnej do pracy z pojedynczym impulsem. Zresetować licznik dziesiętny 7490 przez połączenie pinów 2 i 3 do napięcia +5 V , a następie powrócić do pozycji „masa”. Zmienić wyzwalanie „triggera” oscyloskopu na wyzwalanie wewnętrzne.

5. Mierzyć napięcie wyjściowe z przetwornika C-A (741C, pin 10) stosując pojedyncze wyzwolenia generatora fali prostokątnej, a wyniki pomiarów zapisać w Tabeli 1.

6. Przełączyć generator fali prostokątnej, aby generował sygnał o częstotliwości 1000 Hz a w oscyloskopie Trigger ustawić w pozycji EXT NEG. Zmienić tak generator podstawy czasu oscyloskopu, aby cały sygnał był widoczny na ekranie oscyloskopu. Obserwowany sygnał naszkicować na Rys 1 A.

Tabela 1.

impuls Vout (V) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Dziesiętny przebieg „schodkowy” Rys 1A Rys 1 B

2. Zmiana współczynnika skali

Zmienić rezystor Rf na wartość 2730 Ohm. Powinniśmy wtedy otrzymać wartość najmniej znaczącego bitu LSB =0.5 V. Naszkicować otrzymany przebieg na Rys 1B. Dodatkowo na rysunkach (Rys 1A i 1B) zaznaczyć jaki współczynnik skali otrzymaliśmy i wartość rezystancji Rf .

3. Efekt „otwarcia” w przetworniku C-A

Zmienić rezystor Rf na wartość 4750 Ohm. Otworzyć połączenia przedstawione poniżej pomiędzy „pinami” połączonych układów. Zaobserwować otrzymane przebiegi na ekranie oscyloskopu i naszkicować w odpowiednich pozycjach na Rys 2.

1. układ 7404 pin 2 i 7405 pin 1
2⁰ . Rys 2.1

2. układ 7404 pin 4 i 7405 pin 3
2¹ . Rys 2.2

3. układ 7404 pin 6 i 7405 pin 5
2² . Rys 2.3

Rys 2.1 Rys 2.2 Rys 2.3

4. Efekt błędu dokładności rezystancji

Zbocznikuj rezystor 10.5 kOhm na „drabinie” rezystancyjnej z rezystorem 68 kOhm
10 %. Otrzymany przebieg naszkicuj na Rys 3.1. Na Rys 3.2 naszkicuj przebieg otrzymany z ekranu oscyloskopu bez rezystora bocznikującego 68 kOhm.

Rys. 3.1 Rys 3.2

PRZETWARZANIE ANALOGOWO- CYFROWE

- przetwarzanie analogowo-cyfrowe - metoda porównawcza

W tej części ćwiczenia wykorzystamy układ przedstawiony na Schemacie 1 z dodatkowym układem komparatora Rys.4.

Rys.4 Przetwarzanie A-C - metoda porównawcza

1. Zmienić tryb pracy generatora fali prostokątnej to trybu pojedynczego impulsu. Zresetować licznik do wartości zero. Ustawić potencjometr dołączony do pinu 5 wzmacniacza operacyjnego w układzie komparatora w taki sposób, aby otrzymać wartości napięcia, mierzone poprzez oscyloskop według wartości podanych w tabeli 2 (linia pierwsza).

2. Kontrolować (ustawiać) napięcie wyjściowe wzmacniacza operacyjnego komparatora poprzez podawanie pojedynczych impulsów z generatora fali prostokątnej do licznika dziesiętnego, a następnie dokonać pomiaru napięcia na odpowiednich pinach układu 7405. Zmianę wartości napięcia na „pinie” 5 układu komparatora dokonywać za każdym razem po zresetowaniu układu licznika.

Tabela 2.

	Pin 5 układu wzmacniacza operacyjnego komparatora [V]	Pomiary napięcia na układzie 7405 po zmianie napięcia na wyjściu wzmacniacza operacyjnego układu komparatora (czułość odchylania pionowego oscyloskopu 1 V/div)
				Napięcia na „pinach” układu 7405
				Pin 8	Pin 6	Pin 4	Pin 2
1	-0.5
2	-1.5
3	-2.5
4	-3.5
5	-4.5
6	-5.5
7	-6.5
8	-7.5
9	-8.5

- ograniczenia rozdzielczości przetwornika analogowo-cyfrowego

a) ustawić potencjometrem (pinie 5) napięcie = -2.5 V na wejściu wzmacniacza operacyjnego komparatora. Zresetować licznik do wartości zero.

b) zwiększać napięcie (o większej wartości ujemnej) do czasu zmiany wartości napięcia na wyjściu wzmacniacza operacyjnego. Odczytać wartość napięcia na pinie 5 wzmacniacza operacyjnego komparatora. V = ........... .

c) zastosować dodatkowy impuls na wejście licznika dziesiętnego. To powinno spowodować zmianę napięcia na wyjściu wzmacniacza operacyjnego komparatora. Teraz zwiększać napięcie (o większej wartości ujemnej) do czasu zmiany wartości napięcia na wyjściu wzmacniacza operacyjnego. Odczytać wartość napięcia na pinie 5 wzmacniacza operacyjnego komparatora. V = ........... .

d) zmienić wyzwalanie generatora fali prostokątnej z pojedynczego impulsu na częstotliwość 1000 Hz oraz przełączyć Trigger oscyloskopu na EXT TRIG NEG. Sprawdzić napięcie na pinie 4 wzmacniacza operacyjnego komparatora czy jest o wartości 9 V malejącej „drabinki” przebiegu. Zmieniać nastawienie potencjometru (Rys. 4) i monitorować napięcie na wyjściu wzmacniacza operacyjnego (Rys. 4). Podać napięcie Vmax i Vmin obserwowanych przebiegów.

e) naszkicować otrzymany przebieg na ekranie oscyloskopu dla napięcia na pinie 5 (Rys. 4) = -3.5 V i -4.5 V. Zaznaczyć skalę czasową oraz opisać przebiegi.

OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW.

Używając notacji Boolowskiej wypełnić Tabelę 3, odpowiednio do stanów napięciowych zapisanych w Tabeli 2.

	Pin 5 układu wzmacniacza operacyjnego komparatora [V]	Pomiary napięcia na układzie 7405 po zmianie napięcia na wyjściu wzmacniacza operacyjnego układu komparatora (czułość odchylania pionowego oscyloskopu 1 V/div)
				Napięcia na „pinach” układu 7405
				Pin 8	Pin 6	Pin 4	Pin 2
1	-0.5
2	-1.5
3	-2.5
4	-3.5
5	-4.5
6	-5.5
7	-6.5
8	-7.5
9	-8.5

1. w oparciu o wartości zapisane w Tabeli 1 oraz w oparciu o otrzymane wykresy Rys. 1A i Rys. 1B podać jaką wartość napięciową posiada bit LSB przy danych wartościach rezystora Rf.

2. w oparciu o wartości zapisane w Tabeli 1 oraz w oparciu o otrzymane wykresy Rys. 1A i Rys. 1B podać jaką wartość napięciową posiada bit MSB przy danych wartościach rezystora Rf.

3. Przetwornik cyfrowo-analogowy przedstawiony na schemacie 1. posiada „drabinkę” napięciową czterostopniową. Dla pierwszej zastosowanej wartości rezystora Rf rozdzielczość układu jest niewystarczająca. Aby zwiększyć rozdzielczość układu dodano piąty stopień. Jaka wartość rezystancji powinna być zastosowana w drabince i jaka będzie nowa wartość LSB.

4. Co się stanie, jeśli będziemy zmniejszać wartość LSB poprzez zmiany rezystancji drabinki celem otrzymania lepszej rozdzielczości?

5. Jaki efekt wywoła wprowadzenie niewłaściwego rezystora do „drabinki” rezystorowej na precyzję przetwornika C-A (porównać Rys 3.1 i Rys. 3.2 z Rys 1A).

---