Konverzia z digitálneho na analógový

IO-Link digitální hodnoty (Apríl 2019).

Anonim

Konverzia z digitálneho na analógový

Digitálne obvody


Otázka 1

Ak je signál pasívneho modulovaného (PWM) signálu poslaný do obvodu pasívneho integrátora z obvodu, ktorý je schopný získať ako zdroj prúdu (ako je to v prípade výstupného stupňa s dvojitým MOSFETom), výstupom bude DC napätie niektoré zvlnenie):

Určte vzťah medzi pracovným cyklom signálu PWM a výstupom jednosmerného napätia integrátorom. Čo naznačuje to o PWM ako prostriedku na komunikáciu informácií, ako napríklad analógové údaje z meracieho prístroja "# 1"> Odhaľte odpoveď Skryť odpoveď

Existuje priamy pomerný vzťah medzi pracovným cyklom a jednosmerným výstupným napätím v tomto obvode, čo umožňuje, aby signál PWM reprezentoval analógové dáta.

Nasledujúca otázka # 1: prečo je dôležité, aby okruh generujúci signál PWM integrátora dokázal získať zdroj aj súčasný prúd?

Následná otázka # 2: Čo by bolo potrebné urobiť na zníženie zvlnenia na výstupe integrátora?

Poznámky:

Hoci by študenti nemali ťažko rozoznať vzťah medzi pracovným cyklom a jednosmerným výstupným napätím, aplikácia tohto vzťahu na dátovú komunikáciu môže byť pre niektorých študentov ťažké pochopiť, a to najmä sami. Môže byť potrebné ďalšie spracovanie z vašej strany.

Skvelým príkladom tohto princípu je generovanie analógového napätia pomocou 1-bitového digitálneho obvodu. Táto technika je užitočná v systémoch mikrokontrolérov, kde výstupné porty môžu byť obmedzené, za predpokladu, že zvlnenie (alebo pomalá odozva) nie je problém.

Otázka 2

Vysvetlite, aký je účel digitálneho analógového prevodníka alebo okruhu DAC podľa vlastných slov.

Odkryť odpoveď Skryť odpoveď

Najzákladnejšia definícia tohto zariadenia by mala byť zrejmé: obvod, ktorý má digitálny vstup a vytvára analógový výstup. To, čo hľadám, je však o niečo menej zrejmé. Podľa vlastných slov vysvetlite, čo znamená, aby obvod mal "digitálny vstup" a "analógový výstup". Môžete dať príklad takého obvodu, ak sa vám uľahčí odpovedať na otázku v kontexte.

Poznámky:

Informačné zdroje, ktoré váš študenti môžu prehliadať. Uistite sa, že ich požiadate, aby vám odpovedali konkrétne a vysvetlili, čo znamená, že obvod má "digitálny vstup" a "analógový výstup".

Otázka 3

Vysvetlite, ako má tento obvod digitálneho analógového prevodníka (DAC) fungovať:

Odkryť odpoveď Skryť odpoveď

Dovoľte, aby ste zistili prevádzku tohto obvodu na vlastnú päsť!

Poznámky:

Táto otázka je dobrým hodnotením teórie op-amp, a to najmä pre študentov, ktorí niekedy nemuseli študovať operačné zosilňovače.

Otázka 4

Typ odporovej siete známej ako rebrík R-2R sa často používa v obvodoch digitálnej analógovej konverzie:

Keď sú všetky spínače v rebríčku R-2R v polohe "uzemnené", sieť má veľmi zaujímavú vlastnosť bez ohľadu na jej veľkosť. Analyzujte ekvivalentný odpor Thévenin (ako je vidieť z výstupného terminálu) nasledujúcich rebríkov R-2R a potom sa vyjadrite k výsledkom, ktoré získate:

Odkryť odpoveď Skryť odpoveď

Úprimne si myslel, že budem robiť všetku prácu pre vás a dám vám odpoveď "poznámky skryté"> Poznámky:

Odpoveď nie je ťažké získať, ak používate každý ekvivalentný odpor systému Thévenin na modelovanie ľavej časti každej následnej siete rebríka R-2R, pretože sa stávajú zložitejšími! Tí študenti, ktorí nerobia tento krok na riešenie problémov, sú odsúdení na vykonanie mnohých sériovo paralelných výpočtov!

Otázka 5

Ak je aktivovaný iba najvýznamnejší bit (MSB) siete relé R-2R (všetky ostatné bity sú neaktívne, ich prepínače sa pripájajú k zemi), výstupné napätie bude rovnaké, bez ohľadu na to, koľko bitov má sieť:

Vysvetlite, prečo je táto veličina výstupného napätia nezávislá od počtu bitov (úsekov) v rebríkovom rebríčku R-2R.

Odkryť odpoveď Skryť odpoveď

V von = V ref


2

Poznámky:

Kľúčom k pochopeniu odpovede je uplatniť Théveninovu vetu na "neaktívne" časti siete. Tu jedinečná vlastnosť konštantnej výstupnej impedancie pre sieť R-2R prináša užitočnú vlastnosť pri použití na obvody DAC.

Otázka 6

Théveninova veta je mocný nástroj na analýzu rebríkov R-2R. Vezmite napríklad túto sieť so štyrmi časťami, kde sa aktivuje najbližší najvýznamnejší "bit", zatiaľ čo všetky ostatné "bity" sú neaktívne (prepínané na zem):

Ak my Thévenize všetky sekcie vľavo od aktivovanej sekcie, nahradiť ju jediným odporom k zemi, vidíme, že sieť je oveľa jednoduchšia:

Vysvetlite, ako môžeme opäť aplikovať Théveninovu vetu na tieňovaný úsek tohto ďalšieho obvodu (zjednodušený z predchádzajúceho obvodu, ktorý je znázornený vyššie), aby sme ho ešte viac zjednodušili a získali konečný výsledok pre V out :

Odkryť odpoveď Skryť odpoveď

Akonáhle sa dostanete k tomuto bodu, riešenie pre V von z hľadiska V ref je triviálne:

Poznámky:

Študenti si nemusia uvedomiť, že je vhodné iteračne aplikovať Théveninovu vetu na riešenie problému obvodu. Môžete, a to je dobrý príklad toho, ako (a prečo!), Mali by ste to urobiť.

Otázka 7

Určte výstupný napätie nasledujúcou rebríkovou sieťou R-2R vzhľadom na stavy spínačov uvedené v tabuľke:


SW 0SW 1SW 2SW 3V vonku


prízemnýprízemnýprízemnýV ref


prízemnýprízemnýV refprízemný


prízemnýV refprízemnýprízemný


V refprízemnýprízemnýprízemný


prízemnýprízemnýprízemnýprízemný


Odkryť odpoveď Skryť odpoveď


SW 0SW 1SW 2SW 3V vonku


prízemnýprízemnýprízemnýV ref8 voltov


prízemnýprízemnýV refprízemný4 volty


prízemnýV refprízemnýprízemný2 volty


V refprízemnýprízemnýprízemný1 volt


prízemnýprízemnýprízemnýprízemný0 voltov


Nasledujúca otázka: skutočnosť, že sieť rezistorov R-2R je prirodzene lineárna, môžeme ľahko aplikovať vrchnú teóriu, aby sme zistili, čo sa stane, keď sa viac ako jeden prepínač presunie do pozície V ref . Vysvetlite, ako by ste použili superpozíciu na určenie všetkých výstupných napätí pre všetky možné kombinácie polôh spínačov.

Poznámky:

Ako vidíte, referenčná hodnota napätia 16 voltov nebola vybraná náhodne! Chcel som študentov, aby videli vzor medzi jednotlivými uzávermi prepínačov a binárnymi bodovými závažiami pre štvorbitové číslo. Skutočné elektrické analýzy pre každú podmienku sa najlepšie urýchľujú použitím teórie Théveninovho opakovania na obvod, kondenzácie sekcií na jednotlivé odpory a zdroje napätia, kým sa na výstupnej svorke nedosiahne jednoduchý obvod rozdeľovača napätia.

Následná otázka je veľmi dôležitá. Uistite sa, že o to požiadajte svojich študentov, pretože má kľúč na určenie všetkých hodnôt výstupného napätia pre všetky možnosti binárnych vstupov.

Otázka 8

Vysvetlite, prečo sú obvody DAC založené na rebríkoch R-2R rebríkov populárnejšie než binárne vážené rezistorové siete. Buď jeden bude fungovať správne, ak bude správne navrhnutý a postavený, tak prečo by bol jeden dizajn širšie vyrábaný "# 8"> Odkryť odpoveď Skryť odpoveď

Odpoveď na túto otázku súvisí s obchodnými a výrobnými prioritami. Len preto, že dva dizajny fungujú rovnako dobre teoreticky, neznamená to, že sú rovnako ľahko masovo vyrábané!

Poznámky:

Je dôležité, aby títo študenti pochopili základné princípy a praktiky podnikania, pretože to je aréna, s ktorou ich technické zručnosti s najväčšou pravdepodobnosťou nájdu výzvu a hodnotu. Táto otázka je spôsob, ako dostať svojich študentov do úvahy real-life, praktické výrobné obavy, ktoré idú nad rámec základných princípov elektrickej teórie.

Otázka 9

Vysvetlite, čo je digitálny potenciometer, a uveďte jeden príklad digitálneho potenciometra v integrovanom obvode (IC).

Odkryť odpoveď Skryť odpoveď

Spoločnosť Analog Devices vyrába 64-polohový digitálny potenciometer pod číslom zákazky AD5227. Toto v žiadnom prípade nie je jediným digitálnym potenciometrom vo výrobe!

Nasledujúca otázka: klasifikovali by ste digitálny potenciometer ako ADC (analógovo-digitálny konvertor) alebo ako digitálny analógový konvertor (DAC)?

Poznámky:

Zriedka je digitálny potenciometer uvedený v úvodných učebniciach ako digitálne analógové prevodové zariadenie, ale je to!

Otázka č. 10

Čo sa myslí slovom rozlíšenie v súvislosti s ADC alebo DAC? Prečo je pre nás dôležité rozlíšenie a ako sa dá vypočítať pre každý konkrétny okruh s vedomím počtu binárnych bitov?

Odkryť odpoveď Skryť odpoveď

Rozlíšenie digitálneho analógového prevodníka (DAC) alebo analógovo-číslicového prevodníka (ADC) je miera toho, ako jemne sa jeho výstup môže meniť medzi diskrétnymi binárnymi krokmi. Napríklad 8-bitový DAC s rozsahom výstupného napätia od 0 do 10 voltov bude mať rozlíšenie 39, 22 mV.

Poznámky:

Všimnite si, že som nepovedal, ako vypočítať rozlíšenie DAC alebo ADC, len som dal odpoveď na konkrétny príklad. Cieľom je, aby študenti indukčne "pracovali späť" z môjho príkladu na všeobecné matematické vyhlásenie o riešení.

V skutočnosti existujú dva rôzne spôsoby výpočtu rozlíšenia v závislosti od aktuálneho rozsahu prevodníka. Pre danú odpoveď som predpokladal, že digitálna hodnota 0x00 = 0, 00 voltov DC a že digitálna hodnota 0xFF = 10, 00 voltov DC. Ak by mal študent vypočítať rozlíšenie pre obvod, kde 0xFF generoval výstupné napätie len plaché z 10, 00 voltov DC (napr. Rebríková sieť R-2R, kde V ref = 10 voltov DC a binárny vstup v plnom rozsahu generuje výstupné napätie iba o jeden krok menej ako V ref ), správna odpoveď na rozlíšenie by bola 39, 06 mV.

Možno budete chcieť uviesť také praktické príklady rozlíšenia ako rozdiel medzi ručným digitálnym multimetrom a digitálnym multimetrom na laboratórnej stolici. Počet číslic na displeji je istým vodítkom pre podstatný rozdiel v rozlíšení ADC.

Otázka 11

Tento obvod digitálneho analógového prevodníka (DAC) preberá štvorbitový binárny vstup (vstupné svorky A až D) a prevedie ho na analógové napätie (V out ). Predpokladajte, ako bude činnosť tohto obvodu ovplyvnená nasledujúcimi poruchami. Zvážte každú chybu nezávisle (tj jeden po druhom, bez viacerých porúch):

Bilaterálny spínač U 1 nie je otvorený:
Zenerova dióda zlyhá:
Pájkový most (krátky) minulý odpor R 1 :
Rezistor R 6 nie je otvorený:
Odkryť odpoveď Skryť odpoveď

Bilaterálny spínač U 1 nie je otvorený: V rovnaké pre všetky nepárne očíslované vstupné podmienky ako pre najbližšie najnižšie sudé vstupné podmienky (napr. Vstupná hodnota 5 dáva rovnaký výstup ako vstupná hodnota 4).
Zenerova dióda zlyhá: V out je pri všetkých vstupných podmienkach takmer nula voltov.
Pájkový most (krátky) minulý odpor R 1 : V je nasýtený kladne pre akúkoľvek zadanú vstupnú podmienku.
Rezistor R 6 zlyhá: V vždy nasýtený.

Nasledujúca otázka # 1: je šípka zobrazujúca prúd zenerovej diódy nakreslenej v smere toku elektrónov alebo bežného toku "poznámky skryté"> Poznámky:

Takéto otázky pomáhajú študentom zdokonaľovať svoje zručnosti pri riešení problémov a prinútiť ich premýšľať nad dôsledkami každej možnosti. Toto je dôležitý krok pri odstraňovaní problémov a vyžaduje dôkladné pochopenie funkcie obvodu.

Otázka č. 12

Nasledujúci obvod generuje analógové výstupné napätie, ktoré je úmerné hodnote binárneho vstupu, pomocou modulácie šírky impulzov (PWM) ako dočasného formátu. Osembitový binárny čítač ( CTR ) sa neustále započítava v smere üp, zatiaľ čo 8-bitový komparátor ( CMP ) kontroluje, či sa hodnota 8-bitového binárneho vstupu zhoduje s výstupnou hodnotou počítadla. Brána AND a invertor jednoducho zabránia tomu, aby bola západka SR "nastavená" a "resetovaná" súčasne (ak sú A aj B maximálne, obaja v hexadecimálnej hodnote $ FF), čo by spôsobilo, že výstup je "neplatný" S a R boli aktívne a nepredvídateľné, keď sa vstupy S aj R vrátili do neaktívnych stavov:

Vysvetlite, ako funguje tento obvod, ak je to potrebné, pomocou časových schém, ktoré vám pomôžu zobraziť signál PWM na (Q) pre rôzne vstupné hodnoty.

Odkryť odpoveď Skryť odpoveď

Tu je časový diagram, ktorý vám pomôže začať s kompletnou odpoveďou:

Nechám vám to na vysvetlenie vzťahu medzi vstupnou hodnotou (A), pracovným cyklom PWM a analógovým výstupným napätím.

Poznámky:

Tento okruh poskytuje študentom zaujímavé cvičenie v časovej analýze, ako aj jednoduchý spôsob premeny veľkých binárnych hodnôt na analógové výstupné napätie bez použitia veľkých odporových sietí.

Otázka 13

Jedná sa o digitálne nastavený obvod regulátora otáčok motora pomocou PWM na moduláciu výkonu motora. Predpokladajte, ako bude činnosť tohto obvodu ovplyvnená nasledujúcimi poruchami. Zvážte každú chybu nezávisle (tj jeden po druhom, bez viacerých porúch):

Výstup DAC zlyhá (výstup = 0 voltov DC):
Výstup DAC zlyhá (výstup = + V):
IGBT Q 1 nie je otvorené (zberač až emitor):
Pájecí mostík (krátky) medzi MSB vstupom na U 1 a zemou:
Odkryť odpoveď Skryť odpoveď

Výstup DAC zlyhá (výkon = 0 voltov DC): Motor sa nespustí.
Výstup DAC zlyhá (výstup = + V): Motor beží po celej plnej rýchlosti.
IGBT Q 1 nie je otvorený (zberač až vysielač): Motor sa nespustí.
Spájací mostík (krátky) medzi MSB vstupom na U 1 a zemou: Rýchlosti 0 až 127 pracujú normálne, ale rýchlosťou 128 až 255 sú len duplicitné rýchlosti 0 až 127.

Poznámky:

Takéto otázky pomáhajú študentom zdokonaľovať svoje zručnosti pri riešení problémov a prinútiť ich premýšľať nad dôsledkami každej možnosti. Toto je dôležitý krok pri odstraňovaní problémov a vyžaduje dôkladné pochopenie funkcie obvodu.

  • ← Predchádzajúci pracovný list

  • Index pracovných hárkov

  • Nasledujúci pracovný list →