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R/2R D/A converter 4 bit con counter CD4029

Elettronica lineare e digitale: didattica ed applicazioni

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[1] R/2R D/A converter 4 bit con counter CD4029

Messaggioda Foto UtenteGOpamp » 24 apr 2019, 3:34

Ciao a tutti! :D
Ho dovuto progettare un D/A converter con rete a scala tale per cui la dinamica di uscita sia compresa fra 0V e -5V con la Vref=5V.
Il progetto è stato fatto tenendo in considerazione 4 cose fondamentali:
1. Dissipazione massima delle resistenze impiegate (Pmax=0.25W)
2.Massima corrente d'uscita che l'operazionale può erogare/"succhiare" (Imax=20mA)
3.Corrente minima (corrispondente al numero 0001) non comparabile con quella di bias dell'opamp (esagerando ho scelto 100uA)
Da questi tre vincoli sono stati calcolati l'upper e il lower bound delle resistenze da impiegare-> 250Ω<R<3.1kΩ.
4.Si è calcolato Rf per ottenere la dinamica voluta.
Il circuito in questione è questo

Applicando poi il teorema della reciprocità si può affermare che il circuito precedente sarà equivalente a questo(SUPPONENDO CHE LA RESISTENZA DI USCITA DEI 4 PIN DEL COUNTER SIA MOOLTO MOOLTO BASSA = circa 0):

La resistenza di uscita però dei pin Q0,Q1,Q2 e Q3 è circa 680Ω (misurata in laboratorio : collegando in serie ad ogni pin una resistenza di 680Ω si è verificato che la tensione su quella resistenza fosse di circa 2.5V).
Implementando il circuito con R=2.2kΩ (circa 3 volte la resistenza di uscita dei pin) il convertitore funziona abbastanza bene come mostrano le immagini seguenti:
DAC_R2R_UpCounter.png
Vo dell'opamp

voltage_switches_plot_with_counter.png
TRANSCARATTERISTICA - blu=Ideale , rossa=retta miglior approssimante

Poi il circuito è stato modificato ponendo R=680Ω e Rf=680Ω ed è successo questo in uscita:
DAC_R2R_680ohm.png
Vo dell'opamp

La dinamica di uscita è diminuita e sono pienamente d'accordo in quanto l'1 non corrisponde più ai +5V di prima ma a qualcosa di più basso.
Ma qualcuno sa spiegarmi perché i livelli sono 4 ?
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[2] Re: R/2R D/A converter 4 bit con counter CD4029

Messaggioda Foto UtenteMarcoD » 24 apr 2019, 12:40

Le uscite Q2 e Q3 sono rimaste incollate/aperte ?
Per R non scenderei al di sotto di 2,2 k, meno corrente meno dissipazione, meno influenza della Rinterna delle uscite del contatore.
Nella rampa a 16 valori si osserva un gradino irregolare fra il 7 e 8.
R fuori tolleranza?
Dove hai trovato in commercio i resistori da 4,4 K ? Due da 2,2k in serie ?
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[3] Re: R/2R D/A converter 4 bit con counter CD4029

Messaggioda Foto UtenteGOpamp » 24 apr 2019, 12:53

Ciao Foto UtenteMarcoD!
Le uscite Q2 e Q3 sono rimaste incollate/aperte ?

Scusami, che significa incollate/aperte?
Ho fatto contare il counter con una frequenza di di clock 1kHz, e quello è il risultato in uscita. Credo che comunque dovrei avere in uscita 16 gradini e non 4 :?:
Per R non scenderei al di sotto di 2,2 k, meno corrente meno dissipazione, meno influenza della Rinterna delle uscite del contatore.

Diciamo che con 15kΩ sarebbe "perfetto". Poca corrente, ma non troppo poca (circa 20uA quando 0001 che è >> di Ibias_max=400nA).
Nella rampa a 16 valori si osserva un gradino irregolare fra il 7 e 8.

A che cosa è dovuta questa irregolarità?
Dove hai trovato in commercio i resistori da 4,4 K ? Due da 2,2k in serie ?

Si, due da 2.2kΩ in serie.
R fuori tolleranza?

I resistori sono all' 1%.
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[4] Re: R/2R D/A converter 4 bit con counter CD4029

Messaggioda Foto UtenteMarcoD » 24 apr 2019, 13:58

Se prima funzionava, ora non più, si sara guastato l'integrato, ossia le due uscite Q2 e Q3 sono sempre a zero.Oppure resistori scollegati. Non commutano, se commutassero avresti i 16 valori.
Il montaggio è su breadboard a inserzione dei reofori o saldato?
La discontinuità fra bit 7 e 8 è dovuto alla tensione di Q3 che sale un poco meno delle altre uscite,
oppure dovuto al resistore serie un poco più alto.
La discontinuità si nota anche nella transcaratteristica.
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[5] Re: R/2R D/A converter 4 bit con counter CD4029

Messaggioda Foto UtenteBrunoValente » 24 apr 2019, 15:39

GOpamp ha scritto:
Nella rampa a 16 valori si osserva un gradino irregolare fra il 7 e 8.

A che cosa è dovuta questa irregolarità?

Credo dipenda dalla resistenza di uscita del contatore che non è nulla: con il numero sette sono interessate tre uscite, con l'otto solo una e questo fa la differenza.
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[6] Re: R/2R D/A converter 4 bit con counter CD4029

Messaggioda Foto UtenteGOpamp » 25 apr 2019, 17:26

Se prima funzionava, ora non più, si sara guastato l'integrato, ossia le due uscite Q2 e Q3 sono sempre a zero.Oppure resistori scollegati. Non commutano, se commutassero avresti i 16 valori.

Sarà sicuramente così! Nella fretta, forse, non ho spinto bene i resistori nella breadboard :roll:

La discontinuità fra bit 7 e 8 è dovuto alla tensione di Q3 che sale un poco meno delle altre uscite

Come mai dovrebbe salire meno ? La resistenza d'ingresso vista da Q3 quando sono nella situazione 1000 (ovvero 8) è pari a 4.4kΩ, e la sua resistenza di uscita è intorno i 680Ω..

oppure dovuto al resistore serie un poco più alto.

Penso sia più un problema che dipenda dal counter che dalla tolleranza dei resistori della rete a scala.

Ciao Foto UtenteBrunoValente,

come dicevo prima la resistenza di uscita di ogni singolo pin è circa 680Ω, misurata su ogni singolo pin inserendo una resistenza di 680Ω in serie al pin e notando che la tensione di uscita (teoricamente 5V) dimezzava (circa 2.5V) con gli altri pin Qi a vuoto.

Credo dipenda dalla resistenza di uscita del contatore che non è nulla: con il numero sette sono interessate tre uscite, con l'otto solo una e questo fa la differenza.

potresti spiegarti un po' più nel dettaglio? Grazie :-)
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[7] Re: R/2R D/A converter 4 bit con counter CD4029

Messaggioda Foto UtenteBrunoValente » 26 apr 2019, 0:02

Con il numero 7 (0111) sono tre le uscite che contribuiscono alla formazione della tensione di uscita, con il numero 8 (1000) invece è solo una, perciò con il numero 7 l'errore derivante dalla presenza di una resistenza non nulla delle uscite mi pare sia percentualmente maggiore.

In generale direi che se il rapporto tra le resistenze si scosta da 2 ci si debba aspettare come effetto una perdita di linearità nella progressione.
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[8] Re: R/2R D/A converter 4 bit con counter CD4029

Messaggioda Foto UtenteGOpamp » 26 apr 2019, 0:18

Con il numero 7 (0111) sono tre le uscite che contribuiscono alla formazione della tensione di uscita, con il numero 8 (1000) invece è solo una, perciò con il numero 7 l'errore derivante dalla presenza di una resistenza non nulla delle uscite mi pare sia percentualmente maggiore.

Però il valore di uscita misurato corrispondente al numero 8 e più distante dalla retta ideale rispetto a quello misurato al numero 7. Quindi deduco che l'errore è maggiore quando ho 1000 rispetto a quando ho 0111. :?: :?:
oppure sto dicendo una fesseria :?: :?:
:D
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[9] Re: R/2R D/A converter 4 bit con counter CD4029

Messaggioda Foto UtenteGOpamp » 26 apr 2019, 1:00

pensandoci ho detto una fesseria! devo considerare anche il fatto che da 8 in poi sto attivando il most significant bit e quindi da 8 in poi ho tutti gli errori dovuti agli altri bit, più quello associato al MSB.
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[10] Re: R/2R D/A converter 4 bit con counter CD4029

Messaggioda Foto UtenteGOpamp » 26 apr 2019, 1:45

Le resistenze vista dai pin Q0, Q1, Q2 e Q3 sono rispettivamente 3R, 3R, 5R/3, 2R. L'errore dovuto dalla presenza di una resistenza di uscita dei pin (i 680 Ohm) aumenta all'aumentare del numero di porte attive. In particolare, quando attivo il pin Q3 (1000), la tensione fornita da Q3 diminuisce "di tanto" perché la resistenza d'ingresso della rete a scala diventa 2R.

SOLUZIONE: progettare una rete a scala con valori più alti di resistenza (ma non troppo, 22kOhm dovrebbero bastare), altrimenti con valori bassi di resistenza non ho più una rete a scala in quanto la resistenza di uscita del counter si somma ai 2R facendo casino.

Giusto? :D
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