Elektronikpraktikum 11 D/A- und A/D-Umsetzer

Fachbereich
Physik
Elektronikpraktikum
11
D/A- und A/D-Umsetzer
Stichworte
Lesen Sie die Kapitel über D/A- und A/D-Wandler im Anleitungsheft. Dimensionieren
Sie die Schaltungen, soweit erforderlich.
Hinweis: Module nur bei ausgeschaltetem Experimentierpult aufstecken!
11.1
Digital/Analog-Wandler
Die prinzipielle Funktionsweise eines Digital/Analog-Wandlers soll mit folgender Schaltung eines 4-bit D/A-Wandlers überprüft werden (OP177G verwenden):
R5 = 820 Ω
R1 - R4
−
+
+
Uref
AnalogAusgang
Digital-Eingänge
5V
a) Dimensionieren Sie die Schaltung so, dass bei einer Referenzspannung von +5 V
(vom Experimentierpult) die Ausgangsspannung sich um 0,5 V ändert, wenn das
niederwertigste Bit (LSB) seinen Zustand ändert.
Da die E-12-Reihe nicht alle benötigten Widerstandswerte enthält, wählen Sie
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Elektronikpraktikum
Version: 20. Dezember 2013
die nächstliegenden Werte und berechnen Sie, ob die Monotoniebedingung dann
noch erfüllt ist. Welche Genauigkeit müssten Widerstände für einen 12-bit Wandler
besitzen?
Messen Sie die Ausgangsspannung als Funktion der 16 möglichen Zustände des
Digitaleingangs und zeichnen Sie das Ergebnis in Form eines Diagramms.
b) Schlieÿen Sie den D/A-Wandler an die Ausgänge eines 4-bit Zählers an, takten
Sie den Zähler mit dem Funktionsgenerators und beobachten Sie das invertierte
Ausgangssignal des Wandlers.
Tipp: Erzeugen Sie das Taktsignal als Rechteckspannung mit Low = 0V, High
= 2V (bei Output-Impedanz = 50 Ohm) und verwenden Sie den Sync-Ausgang
zur externen Triggerung. Durch Betätigen der Output-Taste kann der Takt an
beliebiger Stelle angehalten werden.
Sie können jetzt die Treppenfunktion des Wandlers beobachten. Vergleichen Sie
Nullpunkt und Maximalwert mit dem Ergebnis aus Teilaufgabe a). Woher rühren
die Unterschiede? Kompensieren Sie die Nullpunktsverschiebung durch Zufuhr eines
geeigneten negativen Stroms in den Summationspunkt (über 100 kΩ Potentiometer
aus
R5
−15
V). Stellen Sie anschlieÿend den alten Vollausschlag durch Änderung von
mithilfe des 1k-Potentiometers wieder her.
Verbessern Sie jetzt die Linearität des Wandlers, indem Sie die Widerstände am
Eingang nacheinander erst mit der R-Dekade trimmen, dann durch Widerstände
der E12-Reihe ersetzen (ggf. durch Kombination mehrerer Widerstände).
Bestimmen Sie wieder die dierentielle Nichtlinearität des Wandlers.
11.2
Analog/Digital-Wandler
a) Erweitern Sie Versuch 11.1 b) zu einem A/D-Wandler.
Machen Sie sich zunächst die Funktion des aus den Baugruppen Zähler, D/AWandler und Komparator bestehenden Wandlers klar. Verwenden Sie dazu einen
sogenannten Pulsfahrplan (gleichzeitige Darstellung aller wesentlichen Signale über
der Zeit). Welche Polarität muss die Spannung am Analogeingang besitzen, damit
der A/D-Wandler arbeitet? (Netzgerät verwenden)
Bauen Sie den Wandler auf und überzeugen Sie sich von dessen Funktion.
Welche Gröÿe bestimmt die Wandlungszeit? Beurteilen Sie, ob die Wandlungsart
zeitoptimal ist!
Wie kann prinzipiell die Genauigkeit erhöht werden?
Was geschieht, wenn die Widerstände so schlecht gewählt werden, dass der D/AWandler nicht-monoton ist?
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Version: 20. Dezember 2013
*b) Überlegen Sie sich, wie der Wandler teilautomatisiert werden kann durch Erzeugung eines Startpulses bei Wandlungsende.
LED
Modul
+
R2
A
74 191
C
B
Start
QC
R3
QB
UP
R4
LOAD
Takt
R5
R1
EN
VCC
GND Q
D
D
−
+
+
−
QA
3,3 K
Takt
&
Analog Eingang
1,2 K
Folgende Kenntnisse sollten Sie an diesem Versuchstag erworben
haben:
Wie ist ein D/A-Wandler prinzipiell aufgebaut? Wodurch ist die Ausgangsspannung des
Wandlers festgelegt? Welche Reihenfolge muss bei der Wandlerjustage eingehalten werden? Welche Gröÿe charakerisiert die Genauigkeit des Wandlers; wovon hängt sie ab, was
versteht man unter Monotonie? Wie lässt sich aus einem D/A-Wandler ein A/D-Wandler
aufbauen? Welche anderen Wandlungsverfahren gibt es? Welche unterschiedlichen Eigenschaften besitzen die Wandlertypen?
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