5. Средства цифроаналоговой обработки информации

Эти схемы используют одновременно информацию в цифровом и аналоговом виде и служат в САУ для коммутации аналоговых сигналов - коммутаторы, для преобразова- ния информации из цифрового представления в аналоговое – цифро-аналоговые преобра- зователи ЦАП (DAC – Discreet-Analog Converters) и из аналогового в цифровое - анало- гово-цифровые преобразователи АЦП (ADC- Analog-Discreet Converters).

А. Аналоговые коммутаторы.

Простейшим коммутатором является аналоговый ключ на МОП транзисторе, спо- собный в обоих направлениях проводить двуполярный аналоговый сигнал. В САУ чаще используются коммутаторы, подающие на вход для обработки один из нескольких сигна- лов. В них используются самые различные схемы коммутации, как показано на рис. 2.42.

На рис.2.42,а) показана функциональная схема коммутатора 8х1, на рис. 2.42,б) – 2-

а) б) в)

Рис. 2.42.

4х2, на рис. 2.42,в) – три пары раздельно управляемых нормально замкнутых и нормально разомкнутых контактов. В качестве примера здесь приведены ИС фирмы Мaxim. Эти схемы упакованы в 16-и выводные корпуса. При необходимости можно подобрать их под любой

вид монтажа, как на печатных платах, так и в со- ставе микросборок с габаритами 2х2 мм.

Выводы X, Y, Z и W – входы и выходы аналоговых сигналов, вывод EN` переводит все контакты в разомкнутое состояние, входы А, В и С определяют адрес включаемого контакта. Со- противления каналов в открытом состоянии со- ставляет от единиц до 400 Ом, сопротивление ме- жду смежними каналами и каналами в закрытом состоянии до 1000 и более мегОм.

Коммутаторы выполняют по k-МОП тех- нологии, роль контактов (каналов) выполняют по- левые n и р-канальные МОП транзисторы.

Напряжение коммутируемого сигнала

Рис. 2.43

Типовая зависимость сопротивления кана- ла от напряжения питания микросхемы приведена на рис 2.43. Следует помнить, что диапазон ком-

мутируемого напряжения должен быть уже диапазона питающих напряжений. Чем выше питающее напряжение, тем меньше сопротивление замкнутого канала.

Б. Цифроаналоговые преобразователи

Цифроаналоговые преобразователи ЦАП служат для преобразования сигнала, представленного в цифровой форме в аналоговое представление. Информация о величине в дискретном виде представляет из себя некоторое многоразрядное двоичное число. На- пример, в десяти разрядном двоичном числе можно задать величину от нуля до 1023 в прямом коде или от -512 до +511 в дополнительном. Прежде всего, следует определиться, какому диапазону аналогового сигнала соответствует диапазон изменения двоичных чи- сел. Для этого используется опорное напряжение преобразования U_ref, величина которого соответствует диапазону изменения информации в цифровом виде. Цену одной дискреты двоичного разряда (младшего бита) U_d и величину выходного аналогового сигнала U_a можно определить по формулам, зная разрядность представления n и величину сигнала в дискретной форме N:

U

U  ^ref ; U

U iN

d _2n a d

Основой ЦАП является суммирующий усилитель, рассмотренный нами ранее (см. рис. 2.22). Если на все входы через аналоговые ключи подать опорное напряжение, а со- отношения входных резисторов Ri с резистором обратнойсвязи Ro взять для первого вхо-

да ¹/₂, для второго ¹/₄ и так далее, мы и получим

Dn Dn-1 Dn-2

Do

Uref Dn

2Ro

Ro/2

Ro/4 _Ro Ro/8

Ro/2ⁿ

Рис. 2.44.

цифро-аналоговый преобразователь (рис.2.44). Ключи должны управляться преобразуемым дво- ичным числом N.

Недостатком такой схемы является очень большой разброс номиналов резисторов, их не-

^Ua удобно делать в интегральном исполнении, поэто-

му входную цепь делают в виде резистивной мат- рицы, получившей название R-2R. Она выполняет те же функции, но содержит лишь резисторы, от- личающиеся по номиналам вдвое.

На рис. 2.45 представлен цифроаналоговый преобразователь с резистивной матрицей R-2R. Самостоятельно покажите, что он проводит циф- роаналоговое преобразование, используя правила расчета схем на операционных усилителях..

Очень важным элементом ЦАП является

Ro

D2

2Ro

_D1 Ro

2Ro

источник опорного напряжения U_ref. От его точно- сти и температурной стабильности непосредст- венно зависит точность задания выходного сигна- ла. При выборе конкретной схемы предпочитайте варианты со встроенным источником опорного

^Ro напряжения.

В настоящее время на рынке присутствуют

_D0 Ro

2Ro 2Ro

Рис. 2.45.

_Ua множество ИС ЦАП, отличающихся между собой целым рядом параметров. Во-первых – разрядно-

стью преобразования от восьми до двадцати че- тырех разрядов. Во-вторых – способом ввода ин- формации. Преобразуемое число, управляющее ключами ЦАП, хранится обычно в регистре. Это

может быть регистр с параллельным вводом информации, подобный изображенному на рис. 2.37. В нем информация в регистр заносится с шины данных за один такт, а может быть регистром с последовательным вводом, когда информация в ячейки записывается побитно. Это конечно дольше, но не требует большого числа выводов. ЦАП бывают с па-

раллельным и последовательным вводом информации, причем, многоразрядные ЦАП обычно делают с последовательным вводом. Последовательный канал для ввода преобра- зуемого числа также выполняют по разному, это синхронная или асинхронная радиальная линия, например, RS-232, либо магистральная линия, чаще всего используют линию I²C. Канал I²C описан в приложении к части 1 и вы можете ознакомиться с его возможностя- ми.

Различаются ЦАП и быстродействием, т.е. временем установления выходного сигнала после изменения состояния преобразуемого числа. Оно обычно достаточно высо- ко и, чаще всего, не оказывает решающего влияния на выбор.

Некоторые ЦАП имеют встроенный источник опорного напряжения U_ref, его на- личие заметно облегчает использование ИС, тем более, он бывает должным образом со- гласован с точностью и разрядностью преобразования.

Помимо потенциального выхода, отдельные ЦАП имеюттоковый выход, эточас- то бывает удобно, особенно при передаче на большие расстояния, т.к. токовый выход лучше защищен от помех.

Помимо основного режима, режима преобразования, ИС ЦАП часто имеют допол- нительные режимы тестирования: проверки ухода нуля, выходного размаха.

В качестве типового примера на рис. 2.46 представлена интегральная схема

МАХ506, выпускаемая фирмой

7

^D...⁰. D7

14

Входной регистр А

Входной регистр B

Входной регистр C

Vref

ЦАП А

ЦАП B

ЦАП C

² Ua

¹ Ub 20_Uc

Maxim. Это четырехканальный восьмиразрядный ЦАП в двадца- тивыводном корпусе. Каждый ка- нал имеет входной регистр (см. регистры А, B, C, D), доступный для записи информации. Для этого следуетустановить на выводах адресов А0 и А1 соответствующий адрес (00, 01, 10 или 11) и подать импульс записи (перевести линию WR` на время около 200 нс в ак-

Входной регистр D

15

ЦАП D ¹⁹Ud

3

тивный низкий уровень и снова вернуть в единицу). При этом ин- формация сшиныданных D0…D7

WR ₁₇

Управляющая

₆ Vss

(выводы 7…14) будет переписана

^A0 логика

16

5

A1

Рис. 2.46

DGND AGND

в соответствующий регистр. Этот регистр управляет ключами рези- стивной матрицы R-2R ЦАП, на выходе которого формируется на-

пряжение, соответствующее цифровому коду регистра, так, как мы это рассмотрели ранее.

Опорное напряжение, общее для всех каналов, следует подать на вывод Vref. Схема имеет двавыводаземли, дискретная земляDGND и аналоговаяземляAGND. Относитель- но дискретной земли подается напряжение питания Vss (5 вольт) и формируются сигналы цифровой части схемы (D0…D7, A0, A1, WR`), относительно аналоговой земли – опорное напряжение Vref и выходные сигналы ЦАП (Ua…Ud). Выводы разделены, потому что на дискретной земле при работе этой и других схем на плате могут формироваться импуль- сы, величина которых не существенна для передачи дискретных сигналов, но может за- метно исказить выходные сигналы ЦАП.

Операционный усилитель, подключенный к выходу ЦАП в режиме повторителя по- зволяет с выходов Ua…Ud отбирать ток до 20 мА.