Penukaran Digital-ke-Analog

Jadi Gini.. Pengakuan Si Pelakor Viral (WTF) | By D.A.C Rapp (Jun 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Penukaran Digital-ke-Analog

Litar Digital


soalan 1

Jika isyarat termodulat (PWM) denyut nadi dihantar ke litar penyepadu pasif dari litar yang mampu kedua-dua penyumberan dan tenggelam semasa (seperti halnya dengan peringkat keluaran MOSFET), output akan menjadi voltan DC (dengan beberapa riak):

Tentukan hubungan antara kitaran tugas isyarat PWM dan output voltan DC oleh penyepadu. Apakah ini mencadangkan mengenai PWM sebagai cara untuk menyampaikan maklumat, seperti data analog dari peranti pengukur "# 1"> Menerangkan jawapan Sembunyikan jawapan

Terdapat perhubungan langsung berkadar antara kitaran duti dan voltan keluaran DC dalam litar ini, membolehkan isyarat PWM untuk mewakili data analog.

Soalan susulan # 1: mengapa penting bahawa litar yang menjana isyarat PWM untuk penyepadu dapat kedua-dua sumber dan tenggelam semasa?

Soalan susulan # 2: apa yang perlu dilakukan untuk mengurangkan volum riak pada output integrator?

Nota:

Walaupun tidak sukar untuk pelajar membezakan hubungan antara kitaran duti dan voltan keluaran DC, penerapan perhubungan ini dengan komunikasi data mungkin sukar bagi sesetengah pelajar memahami, terutama mereka sendiri. Perlu dijelaskan lanjut mengenai bahagian anda.

Contoh yang baik dari prinsip ini yang digunakan ialah penjanaan voltan analog dengan litar digital 1-bit. Teknik ini berguna dalam sistem mikrokontroler di mana pelabuhan output mungkin terhad, dengan syarat voltan riak (atau sambutan lambat) tidak menjadi masalah.

Soalan 2

Terangkan maksud tujuan penukar digital-ke-analog, atau litar DAC, dengan kata-kata anda sendiri.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Takrifan yang paling asas untuk peranti ini harus jelas: litar yang mengambil input digital dan menghasilkan output analog. Apa yang saya cari adalah sesuatu yang kurang jelas. Dalam kata-kata anda sendiri, jelaskan apa yang dimaksudkan untuk litar untuk mempunyai "input digital" dan "output analog". Anda boleh memberi contoh litar seperti itu jika anda merasa lebih mudah untuk menjawab soalan dalam konteks.

Nota:

Sumber-sumber maklumat berlimpah yang dapat diteliti oleh pelajar anda. Pastikan anda meminta mereka menjawab secara khusus, menjelaskan apa yang dimaksudkan untuk litar untuk mempunyai "input digital" dan "output analog".

Soalan 3

Terangkan bagaimana litar penukar digital-ke-analog (DAC) sepatutnya berfungsi:

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Saya akan membiarkan anda memikirkan operasi litar ini sendiri!

Nota:

Persoalan ini adalah kajian semula teori op-amp yang baik, terutamanya untuk pelajar yang mungkin tidak mempelajari penguat operasi dalam seketika.

Soalan 4

Jenis rangkaian perintang yang dikenali sebagai tangga R-2R sering digunakan dalam litar penukaran digital-ke-analog:

Apabila semua switch di tangga R-2R berada di kedudukan "tanah", rangkaian itu mempunyai harta yang sangat menarik tanpa mengira saiznya. Menganalisis rintangan setara Thévenin (seperti yang dilihat dari terminal keluaran) rangkaian tangga R-2R yang berikut, kemudian mengulas mengenai hasil yang anda perolehi:

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Adakah anda benar-benar fikir saya akan melakukan semua kerja untuk anda dan hanya memberi anda jawapan "nota tersembunyi"> Nota:

Jawapannya tidak sukar diperoleh jika anda menggunakan rintangan setara Thévenin untuk model bahagian kiri setiap rangkaian R-2R berturut-turut apabila mereka menjadi lebih kompleks! Mereka pelajar yang tidak mengambil langkah penyelesaian masalah ini akan ditakdirkan untuk melakukan banyak perhitungan siri-selari!

Soalan 5

Apabila hanya bit paling ketara (MSB) rangkaian rintang tangga R-2R diaktifkan (semua bit lain tidak aktif, suis mereka menyambung ke tanah), voltan keluaran akan sama, tidak kira berapa bit rangkaian mempunyai:

Terangkan mengapa magnitud voltan keluaran ini tidak bergantung kepada bilangan bit (bahagian) dalam rangkaian tangga R-2R.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

V keluar = Ref


2

Nota:

Kunci untuk memahami jawapan ialah menerapkan teorem Thévenin ke bahagian "tidak aktif" rangkaian. Di sini, sifat unik impedans keluaran tetap bagi rangkaian R-2R menghasilkan ciri yang berguna apabila digunakan pada litar DAC.

Soalan 6

Teorem Thévenin adalah alat yang berkuasa untuk menganalisis rangkaian tangga R-2R. Ambil contoh rangkaian empat bahagian ini di mana "sedikit" yang paling penting akan diaktifkan, sementara semua "bit" yang lain tidak aktif (beralih ke tanah):

Sekiranya kita membekalkan semua bahagian di sebelah kiri bahagian yang diaktifkan, menggantikannya dengan rintangan tunggal ke tanah, kita melihat rangkaian menjadi lebih mudah:

Terangkan bagaimana kami boleh menerapkan teorem Thévenin sekali lagi ke bahagian yang berlorek litar seterusnya (dipermudahkan dari litar terdahulu yang ditunjukkan di atas) untuk mempermudahnya lebih lagi, mendapatkan keputusan akhir untuk V keluar :

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Sebaik sahaja anda sampai ke tahap ini, penyelesaian untuk V keluar dari segi ref pada V adalah remeh:

Nota:

Pelajar mungkin tidak menyedari bahawa ia adalah sah untuk menggunakan teorem Thévenin untuk penyelesaian masalah litar. Anda boleh, dan ini merupakan contoh yang bagus tentang bagaimana (dan mengapa!) Anda perlu melakukannya.

Soalan 7

Tentukan output voltan oleh rangkaian tangga R-2R yang berikut diberikan keadaan suis yang ditunjukkan dalam jadual:


SW 0SW 1SW 2SW 3V keluar


GroundGroundGroundRef


GroundGroundRefGround


GroundRefGroundGround


RefGroundGroundGround


GroundGroundGroundGround


Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan


SW 0SW 1SW 2SW 3V keluar


GroundGroundGroundRef8 volt


GroundGroundRefGround4 volt


GroundRefGroundGround2 volt


RefGroundGroundGround1 volt


GroundGroundGroundGround0 volt


Persoalan susulan: hakikat bahawa rangkaian perintang R-2R secara inheren linear, kita boleh menggunakan Teorem Superposisi untuk mengetahui apa yang berlaku apabila lebih daripada satu suis dipindahkan ke kedudukan refleks V. Terangkan bagaimana anda akan menggunakan Superposition untuk menentukan semua voltan keluaran untuk semua kombinasi kedudukan suis yang mungkin.

Nota:

Seperti yang dapat anda lihat, nilai voltan rujukan 16 volt tidak dipilih secara rawak! Saya mahu pelajar melihat corak antara penutupan suis tunggal dan berat tempat perduaan untuk nombor empat-bit. Analisa elektrik sebenar untuk setiap keadaan lebih baik dipercepat dengan menggunakan teorem Thévenin yang diulang ke litar, memeluk bahagian kepada resistans tunggal dan sumber voltan sehingga litar pembahagi voltan mudah diperoleh di terminal output.

Soalan susulannya agak penting. Pastikan untuk meminta pelajar anda mengenainya, kerana ia memegang kunci untuk mengetahui semua nilai voltan output untuk semua kemungkinan input binari.

Soalan 8

Jelaskan mengapa rangkaian DAC berdasarkan rangkaian tangga R-2R lebih popular daripada rangkaian perintang binary-weighted. Sama ada orang akan berfungsi dengan baik jika direka dan dibina dengan betul, jadi mengapa satu reka bentuk lebih banyak dihasilkan "# 8"> Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Jawapan kepada soalan ini berkaitan dengan keutamaan perniagaan dan pengeluaran. Hanya kerana dua reka bentuk bekerja sama dengan baik dalam teori tidak bermakna mereka sama-sama mudah untuk menghasilkan massa!

Nota:

Adalah penting bagi pelajar anda untuk memahami prinsip asas dan amalan perniagaan, kerana itulah arena kemahiran teknikal mereka kemungkinan besar akan mencabar dan menghargai. Persoalan ini adalah cara untuk memikirkan pelajar tentang kehidupan sebenar, kebimbangan pembuatan praktikal yang melampaui prinsip asas teori elektrik.

Soalan 9

Terangkan apakah potensiometer digital, dan berikan satu contoh potensiometer digital dalam bentuk litar bersepadu (IC).

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Peranti Analog mengeluarkan satu potensiometer digital 64-kedudukan di bawah nombor bahagian AD5227, sebagai contoh. Ini bukan satu-satunya potensiometer digital dalam pengeluaran!

Soalan susulan: adakah anda mengklasifikasikan potensiometer digital sebagai ADC (penukar analog-ke-digital) atau sebagai DAC (penukar digital-ke-analog)?

Nota:

Jarang adalah potensiometer digital yang disebut dalam buku teks pengenalan sebagai peranti penukar digital-ke-analog, tetapi ia adalah!

Soalan 10

Apa yang dimaksudkan dengan resolusi perkataan merujuk kepada ADC atau DAC? Kenapa resolusi penting kepada kami, dan bagaimanakah ia dapat dikira untuk sebarang litar tertentu yang mengetahui bilangan bit binari?

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Resolusi sama ada penukar digital-ke-analog (DAC) atau penukar analog-ke-digital (ADC) adalah ukuran bagaimana keluarannya yang halus boleh berubah di antara langkah-langkah binari yang diskret. Contohnya, DAC 8-bit dengan julat voltan keluaran 0 hingga 10 volt akan mempunyai resolusi 39.22 mV.

Nota:

Perhatikan bahawa saya tidak membayangkan bagaimana untuk mengira resolusi DAC atau ADC, saya hanya memberi jawapan untuk contoh tertentu. Matlamat di sini adalah untuk pelajar secara induktif "bekerja mundur" dari contoh saya kepada pernyataan matematik umum mengenai penyelesaian.

Sebenarnya terdapat dua cara yang berbeza untuk mengira resolusi, bergantung kepada rangkaian sebenar litar penukar. Untuk jawapan yang diberikan, saya mengandaikan bahawa nilai digital 0x00 = 0.00 volt DC dan nilai digital 0xFF = 10.00 volt DC. Sekiranya seorang pelajar mengira resolusi untuk litar di mana 0xFF menjana voltan keluaran hanya malu 10.00 voltan DC (contohnya rangkaian tangga R-2R di mana V ref = 10 volt DC, dan input binari berskala besar menghasilkan voltan keluaran hanya satu langkah kurang dari V ref ), jawapan yang betul untuk resolusi ialah 39.06 mV.

Anda mungkin ingin mengemukakan contoh penyelesaian praktikal seperti perbezaan antara multimeter digital pegang tangan dan multimeter digital bangkar makmal. Bilangan digit pada paparan adalah petunjuk pasti kepada perbezaan besar dalam resolusi ADC.

Soalan 11

Litar penukar digital-ke-analog (DAC) ini mengambil input binari empat bit (terminal input A hingga D) dan menukarnya kepada voltan analog (V keluar ). Huraikan bagaimana pengendalian litar ini akan terjejas akibat daripada kerosakan berikut. Pertimbangkan setiap kesalahan secara berasingan (iaitu satu pada satu masa, tidak banyak kesalahan):

Suis dua arah U 1 gagal dibuka:
Diod Zener gagal dipintas:
Jambatan pateri (pendek) perintang masa lalu R 1 :
Resistor R 6 gagal dibuka:
Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Suis dua hala U 1 gagal terbuka: V keluar sama untuk semua keadaan input bernombor ganjil kerana untuk keadaan input nombor yang paling rendah seterusnya (misalnya nilai input 5 memberikan output yang sama dengan nilai input 4).
Diod Zener gagal: V keluar hampir nol volt untuk sebarang keadaan input.
Jambatan pateri (pendek) masa lalu R1: V keluar tepu positif untuk sebarang keadaan input yang diberi nilai ganjil.
Resistor R 6 gagal dibuka: V keluar sentiasa tepu.

Soalan susulan # 1: adalah anak panah menunjukkan zener semasa diarahkan ke arah aliran elektron atau aliran konvensional "nota tersembunyi"> Nota:

Soalan-soalan seperti ini membantu pelajar mengasah kemahiran menyelesaikan masalah mereka dengan memaksa mereka untuk berfikir melalui akibat dari setiap kemungkinan. Ini adalah langkah penting dalam mengatasi masalah, dan ia memerlukan pemahaman yang kuat tentang fungsi litar.

Soalan 12

Litar berikut menjana voltan keluaran analog berkadar dengan nilai input binari, menggunakan modulasi lebar denyut (PWM) sebagai format interim. Kaunter binari lapan bit ( RKT ) terus dikira dalam arah "üp, sementara komparator magnitud 8 ( CMP ) memeriksa apabila nilai input biner 8-bit sepadan dengan nilai output kaunter. AND gate dan inverter semata-mata menghalang selak SR dari "set" dan "reset" secara serentak (apabila kedua-dua A dan B adalah maksimum, kedua-duanya pada nilai hex $ FF), yang akan menyebabkan output menjadi "tidak sah" S dan R sama-sama aktif, dan tidak menentu apabila kedua-dua input S dan R kembali ke keadaan tidak aktif mereka:

Terangkan bagaimana litar ini berfungsi, menggunakan rajah masa jika perlu untuk membantu menunjukkan isyarat PWM pada (Q) untuk nilai masukan yang berbeza.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Berikut adalah gambarajah masa untuk membantu anda memulakan jawapan lengkap:

Saya akan berikan kepada anda untuk menjelaskan hubungan antara nilai input (A), kitaran tugas PWM, dan voltan keluaran analog.

Nota:

Litar ini menyediakan pelajar dengan latihan yang menarik dalam analisis masa, serta menjadi cara yang mudah untuk menukar nilai binari yang besar ke dalam voltan keluaran analog tanpa menggunakan rangkaian perintang yang besar .

Soalan 13

Ini adalah litar pengawas kelajuan motor digital, menggunakan PWM untuk memodulasi kuasa kepada motor. Huraikan bagaimana pengendalian litar ini akan terjejas akibat daripada kerosakan berikut. Pertimbangkan setiap kesalahan secara berasingan (iaitu satu pada satu masa, tidak banyak kesalahan):

Output DAC gagal rendah (output = 0 volt DC):
Output DAC gagal tinggi (output = + V):
IGBT Q 1 gagal dibuka (pemungut untuk pemancar):
Jambatan pateri (pendek) antara input MSB di U 1 dan tanah:
Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Output DAC gagal rendah (output = 0 volt DC): Motor tidak akan berjalan.
Output DAC gagal tinggi (output = + V): Motor menjalankan kelajuan penuh sepanjang masa.
IGBT Q 1 gagal terbuka (pemungut untuk pemancar): Motor tidak akan berjalan.
Jambatan pateri (pendek) antara input MSB pada U1 dan tanah: Kelajuan 0 hingga 127 kerja biasanya, tetapi kelajuan 128 hingga 255 hanya kelajuan pendua 0 hingga 127.

Nota:

Soalan-soalan seperti ini membantu pelajar mengasah kemahiran menyelesaikan masalah mereka dengan memaksa mereka untuk berfikir melalui akibat dari setiap kemungkinan. Ini adalah langkah penting dalam mengatasi masalah, dan ia memerlukan pemahaman yang kuat tentang fungsi litar.

  • ← Lembaran Kerja Sebelumnya

  • Indeks Lembaran Kerja

  • Lembaran kerja seterusnya →