Методические указания к лабораторной работе №4 Новосибирск

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Физический факультет Кафедра радиофизики ПРАКТИКУМ ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи

Методические указания к лабораторной работе № 4

Новосибирск 2010

Лабораторная работа посвящена продолжению изучения цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей, начатых в «Лабораторной работе № 8» практикума РЭЛ. В методических указаниях более подробно описываются основные типы ЦАП и АЦП, объясняется принцип их работы, описываются параметры, характеризующие качество работы преобразователей.

В задачу студента входит написание программы в среде LabWindows/CVI, определяющей параметры неточных ЦАП и АЦП с помощью более точных устройств.

Составитель Е. А. Бехтенев Рецензент А. М. Батраков

Ответственная за выпуск О. А. Тенекеджи Издание подготовлено в рамках реализации Программы развития государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Новосибирский государственный университет» на 2009–2018 годы.

© Новосибирский государственный университет, 2010

Назначение АЦП и ЦАП

Современные физические исследования требуют создания сложных экспериментальных установок. Количество учитываемых и регистрируемых системой управления аналоговых параметров исчисляется тысячами. Оперировать такими огромными объёмами информации можно только с помощью компьютеров, использующих цифровой формат данных. Перевод аналоговых данных в цифровой формат, т. е. собственно процедура измерения, осуществляется с помощью электронных устройств, называемых аналого-цифровыми преобразователями – АЦП.

Для управления экспериментальной установкой необходимы также устройства, выполняющие обратную операцию – генерирование аналоговых сигналов, соответствующих кодам, полученным от управляющего компьютера. Эти сигналы подаются далее на исполнительные элементы установки. Такие устройства называются цифро-аналоговыми преобразователями (ЦАП).

Исследователь, проектирующий установку, должен хорошо понимать требования к ошибкам измерения аналоговых сигналов и точности воздействия на её элементы, что и определяет качество измерения и управления и, как следствие, – успех всей работы. В этой связи изучение ЦАП и АЦП, определяющих это качество, и осознание их свойств – важный элемент при подготовке и проведении физического эксперимента.

Основные характеристики цифро-аналоговых преобразователей

Основные свойства цифро-аналогового преобразователя описывает его ха­рактеристика преобразова­ния. Характеристика преобразования (иногда её назы­вают передаточной функцией) – это зависимость между величиной сигнала на выходе ЦАПа и подан­ным на вход кодом. Гра­фическое представ­ление этой функции для про­стейшего, идеального, однополярного 3‑разрядного ЦАПа пока­зано на рис. 1. По оси Y откладываются значения выходного сигнала, а по Х – данные на входе.

Данные на вход посту­пают в виде двоичного кода, который может иметь различные фор­маты (см. табл. 1).

Рис. 1. Передаточная функция идеального однополярного 3-разрядного (N=3) ЦАПа

Как правило, выход­ным сигналом является напряжение или ток, хотя уст­ройство, регули­рующее, напри­мер, частоту следования импульсов на выходе или задержку выход­ного импульса в зависи­мости от кода, тоже мо­жет быть названо цифро-аналоговым пре­образователем.

Рис. 2. Передаточная функция идеального биполярного 3-разрядного ЦАПа

Количество выход­ных уровней, отстоящих друг от друга на один элемен­тарный шаг, задаётся разрядностью ЦАПа. Например, для 3‑раз­рядного преобразователя (см. рис. 1) выходной сигнал при­нимает 23 значений (от 0 до 7). Величина элементарного шага называется весом младшего разряда, или квантом преобра­зования (LSB – Least Signifi­cant Bit – в англоязычном на­писании). Шкала выходного сигнала (FS – Full Scale) определяется как FS = LSB·2N . Обращаем вни­мание, что для N-разрядного двоичного кода максималь­ное число равно 2N -1, т. е. шкала на 1 квант больше.

Довольно часто цифро-аналоговые преобразователи должны выдавать биполярный, т. е. как положительный, так и отрицательный, сигнал на выходе. В этом случае характеристика преоб­разования приобретает показанный на рис. 2 вид. Нетрудно увидеть, что старший разряд слова данных определяет полярность, а остальные N-1 разрядов – величину сигнала. Показанный на рисунке формат слова данных называется смещённым двоичным кодом . Заметное количество ЦАПов «понимают» именно такую кодировку данных. Возможны и другие форматы кодирования, из которых наиболее применяемым является дополнительный код , так как целые числа в компьютере представлены именно в этом коде (см. табл. 1 и рис. 3).

Таблица 1

Форматы двоичных кодов на примере 4-разрядного ЦАП