Таблица 2 - Таблица истинности микросхемы К155КП5
| ВХОДЫ | ВЫХОД 
| ||||||||||
| С | В | А | D0 | D1 | D2 | D3 | D4 | D5 | D6 | D7 | |
| 1/0 X X X X X X X | X 1/0 X X X X X X | X X 1/0 X X X X X | X X X 1/0 X X X X | X X X X 1/0 X X X | X X X X X 1/0 X X | X X X X X X 1/0 X | X X X X X X X 1/0 | 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 |
Таблица 3 - Таблица истинности микросхемы К155КП7
| ВХОДЫ | ВЫХОДЫ | ||||||||||||
| V | С | В | А | D0 | D1 | D2 | D3 | D4 | D5 | D6 | D7 | F | 
|
| … | X … | X … | X … | X 1/0 X … X | X X 1/0 … X | X X X … X | X X X … X | X X X … X | X X X … X | X X X … X | X X X … 1/0 | 1/0 1/0 … 1/0 | 0/1 0/1 … 0/1 |
Рисунок 10 - Условное изображение микросхемы К155КП1
Таблица 4 - Таблица истинности микросхемы К155КП1
| A | B | С | D | D0 | D1 | D2 | D3 | D4 | D5 | D6 | D7 | D8 | D9 | D10 | D11 | D12 | D13 | D14 | D15 | ВЫХОД
|
| … | … | . | . | 1/0 X X X … X X X X | X 1/0 X X … X X X X | X X 1/0 X … X X X X | X X X 1/0 … X X X X | … | … | … | … | … | … | … | … | X X X X … 1/0X X Х | X X X X … X 1/0 X Х | X X X X … X X 1/0 X | X X X X … X X X 1/0 | 0/1 0/1 0/1 0/1 … 0/1 0/1 0/1 0/1 |
Рисунок 11 - Мультиплексор вида 32:1 на основе двух микросхем К155КП1
Рисунок 12 - Микросхема К155КП2 в роли мультиплексора 8:1
Таблица 5 – Таблица истинности работы микросхемы К155КП2 в роли
мультиплексора 8:1
| ВХОДЫ | ВЫХОД F | ||
| С | В | А | |
| Х1 Х2 Х3 Х4 Х5 Х6 Х7 Х8 |
Рисунок 13 – а) условное изображение микросхемы К155КП2;
б) микросхема К155КП2 в роли двух независимых мультиплексоров
Рисунок 14 – Схема лабораторной установки для исследования мультиплексоров
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3
АНАЛОГОВО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Целью работы является изучение схем построения, характеристик АЦП, а также изучение серийно выпускаемых микросхем АЦП, применяемых в системах числового программного управления производственными и робототехническими комплексами.
ВВЕДЕНИЕ
В электронной аппаратуре одинаково широко используется сигналы, представленные как в виде непрерывных переменных, так и в виде дискретных двоичных сигналов. Для взаимодействия электронных устройств, обрабатывающих непрерывные (аналоговые сигналы с устройствами, оперирующими дискретными двоичными (цифровыми) сигналами, применяют цифро-аналоговые (ЦАП) и аналого-цифровые преобразователи (АЦП).
Распространение цифровой вычислительной техники, особенно активное в последние годы благодаря выпуску микропроцессорных БИС и однокристальных микро-ЭВМ, потребовало выпуска отечественной промышленностью БИС ЦАП и АЦП. Это объясняется тем, что большинство переменных информационных величин (ток, напряжение, скорость, температура, давление, освещенность и т.д.) представляется в аналоговой форме. Непосредственная обработка этих величин цифровыми устройствами невозможна без предварительного представления их в виде цифрового 
-разрядного слова. Эту операцию осуществляют АЦП. В свою очередь, для точного управления изменениями аналоговых величин по результатам обработки цифрового слова в микро-ЭВМ необходимо преобразовать цифровую информацию в аналоговую с помощью ЦАП.
ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АЦП
Система электрических параметров АЦП, отражающая особенности их построения и функционирования, объединяет несколько десятков параметров. Ниже приведены важнейшие из них, рекомендованные для включения в нормативно-техническую документацию.
1. Число разрядов 
- количество разрядов кода, связанного с аналоговой величиной, которое может вырабатывать АЦП. Под числом кодов для двоичных АЦП понимается двоичный логарифм максимального числа кодовых комбинаций на выходе АЦП.
2. Коэффициент преобразования 
- отношение приращения выходного сигнала к приращению входного сигнала.
3. Абсолютная погрешность преобразования в конечной точки шкалы 
- отклонение значения входного для напряжения (тока) от номинального значения, соответствующего конечной точке характеристики преобразования. Измеряется в единицах младшего разряда преобразования (МР). Иногда этот параметр называют мультипликативной погрешностью.
4. Напряжение смещения нуля на входе 
- приведенное ко входу напряжения, характеризуется отклонение начала характеристики АЦП от заданного значения. Измеряется в единицах МР.
5. Нелинейность АЦП 
- отклонение от оговоренной прямой линии точек характеристики преобразования, делящих пополам расстояние между средними значениями уровней квантования. Измеряется в процентах от значения диапазона входного сигнала или в единицах МР.
6. Дифференциальная нелинейность 
- отклонение разности 2-х аналоговых сигналов, соответствующих соседним кодам, от значения единицы МР. Измеряется в процентах от значения диапазона входного сигнала или в единицах МР.
7. Время преобразования 
- интервал времени от момента заданного изменения на входе АЦП до появления на его выходе устойчивого кода.
Существуют и другие, менее характерные для преобразователей параметры. В их числе: выходное напряжение высокого уровня 
; выходное напряжение низкого уровня 
; ток потребления 
; диапазон входного напряжения 
и некоторые другие.
СХЕМЫПОСТРОЕНИЯ АЦП
АЦП последовательного приближения
АЦП данного типа обладают относительно высокой точностью и достаточно высоким быстродействием.
Получив команду на выполнение преобразования от генератора тактов (рисунок 15), регистр последовательного приближения РПП устанавливает напряжение логической «1» в 1-м разряде ЦАП. Если при этом 
, то компаратор напряжения выдает в РПП команду остановить напряжение логической «1» на 1-м разряде ЦАП и подать логическую единицу на 2-й разряд ЦАП. Если после этого вновь , то компаратор напряжения выдает в РПП команду оставить напряжение логической «1» во 2-м разряде и подать логическую «1» на 3-й разряд. Если оказалось 
, то компаратор выдает в РПП команду установить во 2-м разряде логический «0» на 3-й разряд ЦАП подать логическую «1». Описанный алгоритм работы повторяется до 
-го разряда. Работа АЦП синхронизируется тактовым генератором. После тактов сравнения 
с 
на входе ЦАП получается - разрядный двоичный код, который является эквивалентом входного аналогового сигнала.
АЦП параллельного преобразования
Отличаются от АЦП последовательного приближения значительно большим быстродействием. Выпускаются с разрядностью от 4 до 8 бит. При большем числе разрядов АЦП становятся чрезмерно дорогими и громоздкими.
Основными элементами -разрядного АЦП являются 
компараторов. На один из входов каждого компаратора подается свое опорное напряжение, которое формируется внутренним резисторным делителем. Разность между опорными напряжениями 2-х ближайших компараторов равна 
. На другие входы компараторов подается входной сигнал. На выходах компараторов устанавливаются напряжения логический «0» или «1», соответствующие сигналам на входах компараторов в момент прихода тактового импульса. После окончания импульса опроса при помощи триггеров в компараторе хранится информация мгновенном значении входного сигнала, представленная на выходе (
) – разрядного слова. Дешифратор представляет это слово в виде двоичного -разрядного кода, затем эта дешифрированное слово записывается в выходной регистр. Время преобразования в таком АЦП определяется временем переключения компаратора и, следовательно, оно минимально возможное. Однако быстродействие достигается за счет значительных аппаратурных затрат и большого потребления энергии (рисунок 16).
Интегрирующие АЦП
Интегрирующие АЦП уступают по быстродействию преобразователям последовательного приближения. Вместе с тем они имеют явные преимущества: минимальное число необходимых точных элементов, высокую помехоустойчивость, отсутствие дифференциальной нелинейности, низкую стоимость.
Интегрирующий АЦП, как правило, состоит из 2-х преобразователей: преобразователя напряжения или тока в частоту или длительность импульсов и преобразователя частоты или длительности в код. Затем производят подсчет импульсов измеряемой частоты за известный промежуток времени или подсчет импульсов известной частоты, заполняющих измеряемый промежуток времени. Поэтому основные характеристики интегрирующих АЦП определяются свойствами применяемых преобразователей напряжение-частота (ПНЧ) или преобразователей напряжение-время (ПНВ).
СЕРИЙНО ВЫПУСКАЕМЫЕ МИКРОСХЕМЫАЦП
БИС К572ПВ1: Двенадцатиразрядный АЦП
Имеет выходные каскады с тремя состояниями (0, 1 и высокоимпедансное). Кодовые выводы АЦП могут использоваться не только для вывода, но и для ввода дискретных сигналов. Это позволяет использовать данную микросхему в качестве ЦАП. Данная микросхема не является законченным АЦП. Для использования ее в качестве АЦП последовательного приближения и БИС К572ПВ1 необходимо добавить компаратор, источник опорного напряжения и тактовый генератор (рисунок 17).
БИС К1108ПВ1 и К1113ПВ1
Эти микросхемы работают по принципу последовательного приближения. Обе микросхемы 10-разрядные. К1108ПВ1 может работать как в полном 10-разрядном режиме, так и в укороченном 8-разрядном. Кодовые выводы К1108ПВ1 могут быть приведены в высокоимпедансное состояние подачей логической «1» на вход 
. (рисунки 18, 19).
БИС К572ПВ3 и К572ПВ4
Данные микросхемы разработаны специально для получившего широкое распространение однобайтных микропроцессоров. АЦП К572ПВ3 обеспечивает преобразование в код суммы напряжений, подаваемых на входы А11 и А12. Восьмивходовый 8-разрядный АЦП К572ПВ4 представляет собой многоканальную систему сбора данных. Результаты преобразования записываются в ОЗУ объеме 8 однобайтовых слов. Каждому из 8-ми каналов соответствует своя область памяти, так, что после одного цикла работы в ОЗУ хранится информация по всем 8-и каналам.
Возможна работа по одному каналу. В этом случае в ОЗУ запоминаются коды, соответствующие 8-и последовательным значениям входного сигнала. Считывание информации из ОЗУ может осуществляться в произвольном порядке (рисунок 20).
БИС К1107ПВ1 и К1107ПВ2
АЦП К1107ПВ1 – шестиразрядный, К1107ПВ2 – восьмиразрядный, параллельного преобразования. Первый из них содержит 63 компаратора, второй – 255 компараторов. Вид двоичного кода определяется сигналами на входах V1 и V2. Возможна работа с прямым, обратным, дополнительным и обратным дополнительным кодами (рисунок 21).
ОПИСАНИЕ СХЕМЫИ РАБОТЫЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ
Схема лабораторная установка представляет собой цифровой вольтметр (рисунок 22). На элементах DA1 и DA2 собран преобразователь напряжения в частоту. Частота следования импульсов на выходе DA2 пропорциональна напряжению, приложенному ко входу «Изм». Элемент DD1.1 – ключ, который пропускает на выход 3 импульсы со входа 1 только при наличии логической «1» на входе 2. На элементах DD1.2, DD1.3 собран генератор, который определяет время счета. Число импульсов с выхода DD1.1 подсчитывается счетчиком на элементах DD2, DD3, которые управляют светодиодными индикаторами АЛС342Б. Транзисторы VT1…VT3 служат для согласования уровней работы логических и аналоговых микросхем.
Таким образом, при подаче на вход «Изм» измеряемого напряжения, на выходе DA2 появляется последовательность импульсов. На выходе DD1.1 в это время присутствует логическая «1». При нажатии на кнопку «измерения» формируются положительный импульс, длительность которого определяется элементами C2, R, на входе 2 DD1.1 появляется логическая «1» и импульсы, которые появляются на выходе DD1.1 поступают на вход счетчика. Счетчик подсчитывает импульс и выдает их число на индикатор. Параметры схемы (частота импульсов на выходе DA2 и длительности импульса на выходе DD1.3) подобраны таким образом, что число импульсов соответствует величине приложенного напряжения (рисунок 22).
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ
1. Изучить правила безопасности при работе на стенде.
2. Изучить схему лабораторного стенда.
3. Подключить прибор к сети и тумблером «Сеть» подать напряжение на схему АЦП.
4. Кнопкой «Сб» сбросить показания цифровой индикации.
5. При установке по вольтметру величины измеряемого напряжения, нажать кнопку «Изм» и снять показание цифровой индикации, соответствующее данной величине напряжения.
6. Нажатием кнопки «Сб» сбросить показания цифровой индикации.
7. Регулятором «Уст» последовательно устанавливать по вольтметру величины измеряемого постоянного напряжения от 0 до 10 В.
8. Рассчитать коэффициент преобразования 
и нелинейности АЦП для каждой измеряемой точки.
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
1. Цель работы.
2. Схема АЦП и краткое пояснение принципа его работы.
3. Временные диаграммы работы АЦП.
4. Результаты расчетов коэффициента преобразования и нелинейности АЦП для каждой измеряемой точки.
5. Выводы по работе.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Назначение АЦП и их применение в устройствах ЧПУ.
2. Основные технические характеристики АЦП.
3. Схемы построения АЦП.
4. Серийно выпускаемые микросхемы АЦП.
5. Принцип действия схемы АЦП в лабораторной установке.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Алексеенко А.Г., Коломбед Е.А., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых микросхем. – 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1985.
2. Майоров С.А., Кириллов В.В., Приблуди А.А. Введение в микро-ЭВМ.- Л.: Машиностроение, 1988.
3. Потемкин И.С. Функциональные узлы цифровой автоматики. - М.: Энергоатомиздат, 1988.
РПП – регистр последовательного приближения
Рисунок 15 – Упрощенная структура АЦП последовательного приближения
Рисунок 16 – Упрощенная структура АЦП параллельного преобразования
Рисунок 17 – Схема включения микросхемы К572ПВ1
Рисунок 18 – Схема включения Рисунок 19 – Схема включения
микросхемы К1108ПВ1 микросхемы К1113ПВ1
Рисунок 20 – Схема включения микросхемы К572ПВ3 и К572ПВ4
Рисунок 21 – Схема включения микросхем К1107ПВ1 и К1107ПВ2
Рисунок 22 – Схема лабораторной установки для изучения АЦП
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4
ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Изучить основные схемы построения и технические характеристики цифро-аналоговых преобразователей.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЦИФРО-АНАЛОГОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ
Преобразователи информации, в которых выполняются аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразования электрических сигналов (напряжения и тока) являются необходимой составной частью автоматизированных и автоматических систем управления. Обработка и хранение информации в УВМ и системах ЧПУ оборудованием осуществляется, как правило, в цифровом виде. В то же время большинство датчиков и исполнительных устройств (регуляторов, электроприводов) имеют информацию в аналоговой форме. Таким образом, цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) и аналого-цифровые (АЦП) осуществляют связь между аналоговыми и цифровыми частями систем управления.
При цифро-аналоговом преобразовании цифровой код однозначно преобразуется в выходную аналоговую величину.
Входным сигналом при цифро-аналоговом преобразовании является n-разрядное двоичное число.
(1)
где аi – двоичная цифра (0 или 1) в i-ом разряде кода числа N.
Процесс цифро-аналогового преобразования описывается выражением:
, (2)
где 
- выходной аналоговый сигнал – результат цифро-аналогового преобразования;
- оператор, характеризующий операции, которые выполняются над преобразуемым кодом числа N.
При линейном цифро-аналоговом преобразовании, которое применяется для систем управления с УВМ, оператор может быть представлен в виде операции умножения числа N на постоянный множитель. Тогда (2) можно записать:
, (3)
где 
- коэффициент пропорциональности, определяющий масштабирование аналоговых величин, значения которых пропорциональны весам разрядов преобразуемого кода. Суммирование производится параллельно во времени.
Структурная схема ЦАП с параллельным весовым преобразованием показана на рисунке 23.
Регистр преобразуемого кода служит для хранения кода числа, подлежащего преобразованию. Выходные сигналы этого регистра управляют элементами блока подключения эталонных сигналов, с помощью которых весовые эталонные сигналы подключаются к соответствующим входам суммирующей схемы. Эта схема производит суммирование подключенных сигналов и формирует выходной аналоговый сигнал (напряжения или тока), который, как правило, усиливается по мощности и подаётся на вход исполнительного устройства объекта управления.
В реальных ЦАП соотношение (3) выполняется неточно. Это отражено на графике рисунке 24 в виде вертикальных отрезков прямых, заключённых между штриховыми линиями. Это означает, что выходной сигнал 
принимает значения в пределах:
, (7)
Для правильной работы ЦАП необходимо, чтобы выполнялось условие:
(8)
В противном случае нарушается однозначное соответствие между преобразуемыми кодами и значениями выходного сигнала.
ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦИФРО-АНАЛОГОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Основными характеристиками ЦАП, которые определяют возможность его применения для тех или иных целей являются:
1. разрешающая способность преобразователя;
2. статическая точность преобразования;
3. коэффициент линейности преобразователя;
4. время установления выходного сигнала.
Разрешающая способность ЦАП (
) определяется как величина, обратная числу выходных уравнений ЦАП, т.е.
(9)
где n – число разрядов преобразуемого двоичного кода.
Статическая точность ЦАП равна максимальной приведенной погрешности преобразования 
, которая определяется при 
как максимальное значение выражения:
, (10)
где 
- значение реального аналогового сигнала на выходе ЦАП, при преобразовании кода, эквивалентного числу N; ном – номинальное (расчётное) значение выходного сигнала ЦАП, соответствующее идеальному преобразованию кода числа N; 
- номинальное (расчётное) значение максимального выходного сигнала ЦАП, соответствующее идеальному преобразованию кода максимального числа 
,
Приведённая погрешность ЦАП обычно выражается в процентах.
Выходная статическая характеристика ЦАП приведена на рисунке 25, где обозначено: 1 - идеальная характеристика; 2 - реальная характеристика, которая для наглядности представлена плавной линией. Сдвиг нулевого уровня 
имеет из-за наличия остаточных напряжений или токов в ключевых элементах схемы ЦАП. Отключение при максимальном значении преобразуемого числа 
происходит из-за отменения общего источника эталонного напряжения или тока, а также из-за отклонения коэффициента усиления выходного усилителя.
Коэффициент нелинейности ЦАП (рисунок 25) определяется по формуле
, (2)
- максимальное и минимальное значение выходного сигнала ЦАП, соответствующее преобразуемым кодам, эквивалентным числам 
.
Источниками нелинейности являются отклонения величин сопротивлений резисторов суммирующей схемы от номинальных значений, нелинейность выходного усилителя, сопротивления нагрузки и т.д.
Приведенные характеристики определяют установившийся режим работы ЦАП и являются статическими.
Из динамических характеристик следует обратить внимание на время установления выходного сигнала ЦАП, которое определяется временем между моментом изменения преобразуемого кода и моментом достижения выходным сигналом преобразователя значения, отличающегося от установившегося значения выходного сигнала не более чем на величину допустимой погрешности преобразования.
СХЕМЫЦИФРО-АНАЛОГОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Схема ЦАП с эталонным источником тока. Схема ЦАП с параллельным суммированием весовых токов приведена на рисунок 26. ЦАП имеет n источников тока 
и n переключающих элементов 
, которые управляются выходными сигналами 
регистра, в котором хранится двоичный код преобразующего числа N. Количество одновременно включенных каналов зависит от того, в каких разрядах кода числа N имеются единицы, т.е. какие из сигналов имеют единичные уровни.
Выходные токи 
источников тока определяются зависимостью
(12)
где к – номер разряда преобразуемого кода; 
- наименьшее значение эталонного тока, являющегося выходным сигналом источника тока, соответствующий младшему разряду преобразуемого кода.
Следовательно, выходной сигнал тока определяется выражением
(13)
где 
-цифра K -ого разряда преобразуемого двоичного кода числа N.
Если к выходу преобразователя присоединено сопротивление Rн (выходное сопротивление какого-либо устройства), то напряжение преобразователя определяется по формуле:
(14)
Точность работы такого ЦАП определяется характеристиками источников тока и переключающих элементов.
Недостатком рассмотренной схемы ЦАП является необходимость использования различных по величине тока эталонных источников тока, представляющих собой сложные полупроводниковые устройства.
Схема ЦАП с источником напряжения и весовой резисторной схемой. Преобразователь (рисунок 27) содержит резисторный делитель 
и переключатели напряжения , управляемые сигналами , являющимися выходными сигналами регистра, в котором хранится n- разрядный код преобразуемого числа N.
Переключатель nk подключает резистор Rk либо к источнику эталонного напряжения Ek, либо к земле, когда уровень этого сигнала нулевой.
Сопротивление разрядных резисторов имеют следующие величины
(15)
где k - номер разряда преобразуемого кода, который принимает значения 1,2,…,n; R - сопротивление резистора старшего разряда.
Пренебрегая внутренним сопротивлением источника Eэ и падением напряжения переключателей, можно определить выходное сопротивление преобразователя
. (16)
Если 
, то 
.
Выходное напряжение преобразователя вычисляется по известной формуле
, (17)
где ак – значение цифры К -ого разряда преобразуемого двоичного кода.
Так как.
, (18)
то, учитывая (15)
(19)
При Rн=2n-1R эта формула принимает вид
(20)
Источниками погрешности в таком ЦАП являются:
нестабильность источника Ек;
отклонения сопротивлений резисторов и сопротивления нагрузки от расчетных значений;
неидеальные характеристики ключей.
ЦАП с одним эталонным источником напряжения и резисторным делителем типа R-2R. В такой схеме преобразователя каждый разряд содержит два резистора Rk и R(r-1)k и переключатель напряжения Пк (рисунок 28). Сопротивление всех резисторов Rk равны 2R, а сопротивления резисторов R(r-1)k – R. Переключатель напряжения каждого разряда подключает вывод резистора Rk к источнику эталонного напряжения Ек, при единичном уровне сигнала Тк ,, являющегося выходом триггера К- ого разряда регистра, в котором хранится n –разрядный двоичный код преобразуемого числа N. При нулевом уровне сигнала Тк резистор Rk подключается на землю.
При Rн=R схема становится симметричной и ее сопротивление равно 2R/3.
В данной схеме ЦАП, по сравнению со схемой рисунке 27 применено вдвое больше резисторов. Однако это резисторы имеют только два номинала R и 2R, а суммарное сопротивление всех резисторов равно (3n+1)R.
Наличие резисторов только двух номиналов является большим преимуществом особенно при тонкопленочной технологии, так как это позволяет значительно точнее выдерживать соотношение между резисторами.
Схема ЦАП с усилителем постоянного тока. Операционный усилитель в режиме сумматора позволяет осуществлять преобразование цифрового кода в напряжение. Для этого на его входе включаются весовые сопротивления, согласно рисунка 29.
При большом входном сопротивлении усилителя можно записать:
(21)
на основании закона Кирхгофа
(22)
и
(23)
где Uвх – напряжение на входе усилителя.