ATsP_TsAP

Напряжение на выходе схемы рассчитывается по формуле

R

U ВЫХ I K RN UОП RN Z .

0

В схеме применяются двухпозиционные переключатели, что для данной схемы непринципиально, однако дает следующие преимущества. Во-первых, че-

рез резисторы токи текут независимо от управляющего кода; ток от источника опорного напряжения не меняется и падение напряжения на его внутреннем со-

противлении не влияет на стабильность UОП . Во-вторых, напряжение на ключах всегда мало.

Ключи чаще всего представляют собой МОП – транзисторы с противофаз-

ным управлением. В открытом состоянии они должны иметь сопротивление ка-

нала много меньше, чем у резистора в старшем разряде.

Схема ЦАП с суммированием весовых токов отличается простотой, но практически применяется редко. Ее недостаток заключается в необходимости применения резисторов с малыми допустимыми отклонениями сопротивлений

(высокой точности) и с очень большой разницей сопротивлений. Если число раз-

рядов равно 10, то соотношение номиналов составляет 29 = 512, требуемая точ-

ность изготовления резисторов не хуже 0,1 процента для старшего разряда. В

микроминиатюрном интегральном исполнении резисторов такие требования вы-

полнить очень трудно, много проще получить на одном кристалле наборы рези-

сторов с одинаковыми значениями, которые, однако, могут на много процентов отличаться от номинальных. Поэтому разработаны схемы, более приспособлен-

ные к производству по интегральным технологиям.

ЦАП с матрицей постоянного импеданса

В этой схеме для формирования весовых токов применяется матрица резисто-

ров, сопротивления которых различаются в 2 раза независимо от разрядности АЦП. Рассмотрим вспомогательную схему на рис. 8. Это делитель напряжения,

обеспечивающий равенство входного сопротивления сопротивлению нагрузки,

11

что позволяет соединять последовательно неограниченно большое количество одинаковых звеньев в лестничную схему.

Зададим два условия:

1. U 2 /U1 ; 2. RВХ=RН , и рассчитаем значения резисторов в поперечной и продольной ветвях Rq и Rl .

Рисунок 8 Звено резистивной матрицы постоянного импеданса

12

Для получения двоично-взвешенных токов следует положить 0.5 ,

примем также, что RН 2R , тогда получим, что Rq 2R и Rl R .

Заметим, что по формулам (5) и (6) рассчитывают лестничные делители напряжения для измерительной техники.

Применяемый в показанной на рис. 9 схеме ЦАП делитель напряжения с параметрами 0.5 , Rq 2R и Rl R имеет специальное название – матрица

R–2R, или матрица постоянного импеданса. Схема обеспечивает последова-

тельное деление опорного напряжения вдвое в каждом звене и получение дво-

ично-взвешенных токов через одинаковые резисторы 2R, подсоединяемые клю-

чами к проводам физического или виртуального нулевого напряжения. Для нормальной работы матрица нагружена на сопротивление 2R по выходу по-

следнего звена. Применение двухпозиционных переключателей является обяза-

тельным. Работа схемы не отличается от работы предшествующего ЦАП, за ис-

ключением способа формирования весовых токов.

Рисунок 9 Структурная схема ЦАП с матрицей R–2R (постоянного импеданса)

Токи в отдельных разрядах ЦАП определяются, как

13

Ток, преобразуемый в выходное напряжение, складывается из разрядных токов в

соответствии с формулой

Микросхемы ЦАП с матрицей R–2R обычно содержат резистор нагрузки матрицы и резистор ООС преобразователя тока в напряжение, как показано пунктиром на рис. 9, для уменьшения нестабильности выходного напряжения.

Вместо опорного напряжения можно подключить источник знакопеременного сигнала, тогда схема будет работать, как усилитель напряжения с управляемым цифровым кодом коэффициентом передачи.

ЦАП для чисел со знаком

Цифро-аналоговое преобразование чисел со знаком (положительных и отрицательных) позволяет формировать двуполярное выходное напряжение.

Запись N-разрядного числа в двоичной позиционной системе счисления имеет вид полинома

j 0

Ограничимся множеством целых чисел и рассмотрим часто применяемое представление чисел со знаком в двоично-дополнительном коде. В нем исполь-

зуемый для кодирования знака крайний левый разряд zN-1 рассматривается, как старший, имеющий наибольший вес, и отрицательный знак. Для положитель-

ных чисел знаковый разряд равен 0, для отрицательных чисел он равен 1. Пред-

ставление положительных чисел в соответствии с (6) совпадает с рядом нату-

ральных двоичных чисел, отрицательные числа получаются в результате сло-

жения знака и остальной части числа. При инвертировании знакового разряда

14

все числа становятся положительными, увеличиваясь на 2N-1 . Эта операция называется сдвигом двоичного представления.

ЦАП для чисел со знаком может быть построен следующим образом. У

заданного числа инвертируется знаковый разряд, затем применяется обычный ЦАП из числа рассмотренных ранее. Полученное напряжение аналоговым спо-

собом смещается на величину 2N-1UМЗР от отдельного источника, что приводит к соответствию выходного напряжения исходному числу. Недостатком этого способа является то, что малые напряжения (включая нулевое) формируются,

как разность двух больших напряжений, и поэтому могут возникать большие погрешности. Поэтому применяется схема, показанная на рис. 10, в которой преобразование и смещения выполняется в одном устройстве.

Рисунок 10 Структурная схема ЦАП для чисел со знаком

В этой схеме число Z , заданное в двоично-дополнительном коде, инвер-

тированием знакового разряда переводится в сдвинутое двоичное представле-

15

Пример преобразования чисел и формирования токов приведен в табли-

це 1 для 4-х разрядных двоичных чисел.

Таблица 1.

В схеме включен инвертор знакового разряда числа Z, инвертирование

тока I I выполняется дополнительным операционным усилителем ОУ1.

K МЗР

Переключатели S1–SN, выполненные на МОП – транзисторах, позволяют ис-

пользовать опорное напряжение переменной полярности. Поэтому рассматрива-

емая схема ЦАП может работать, как четырехквадрантный перемножитель ана-

логового и цифрового сигналов.

16

3 АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

3.1 Устройства выборки-хранения Аналого-цифровое преобразование реальных сигналов связано с возник-

новением динамической ошибки, создаваемой изменением сигнала за время преобразования. Для ее уменьшения применяются устройства выборки-

хранения (УВХ), позволяющие на время преобразования фиксировать (запоми-

нать) уровни аналоговых сигналов.

Упрощенная принципиальная схема УВХ 1100СК2 приведена на рис. 11.

Схема содержит следующие элементы:

–операционный усилитель ОУ1;

–электронный ключ для на полевом транзисторе VT1 с встроенным кана-

лом n-типа и изоляцией канала p-n переходом;

– нелинейный резистор обратной связи на встречно-параллельно вклю-

ченных диодах D1 и D2;

–конденсатор C для хранения напряжения;

–повторитель напряжения с большим входным сопротивлением на опе-

рационном усилителе ОУ2.

Рисунок 11 Схема устройства выборки-хранения

Временные диаграммы работы УВХ показаны на рис. 12.

17

В режиме хранения на управляющий вход подается отрицательное напряжение UУПР U ВХ min UОТС , (U ОТС – напряжение отсечки), которое через открытый диод D3 проходит на затвор VT1 и полностью закрывает ключ.

Напряжение на конденсаторе C и равное ему UВЫХ не изменяются до пере-

ключения в режим выборки. При изменении UВХ отпираются диоды D1 или

D2 , замыкается цепь местной обратной связи и ОУ1 переходит в режим повто-

рителя напряжения, поддерживая разность напряжений между своими входами близкой к нулю. Ток между выходами ОУ1 и ОУ2 ограничивается резисто-

ром R1. Таким образом обеспечивается активный режим работы ОУ1 (отсут-

ствие насыщения или отсечки транзисторов в схеме ОУ1) и достигается мак-

симальное быстродействие при переходе из режима хранения в режим выборки.

Для этой схемы конденсатор C является внешним элементом. Его емкость может выбираться от десятков до тысяч пикофарад, соответственно время вы-

борки составляет от долей микросекунды до десятков микросекунд, время хра-

нения, ограничиваемое допустимыми изменениями напряжения за счет утечек,

в сотни раз больше. Конденсатор должен иметь минимальную утечку, а также поляризацию или ―прилипание‖ зарядов. Этим требованиям удовлетворяют,

например, слюдяные конденсаторы.

3.2 Компаратор аналоговых напряжений

Компаратор аналоговых сигналов выполняет функцию сравнения двух аналоговых напряжений (входного UВХ и опорного UОПОРН ) и формирования логических сигналов с высоким уровнем UВ , если UВХ > UОПОРН, и с низким уровнем, если UВХ < UОПОРН . Обозначение компаратора и его амплитудные передаточные характеристики для разных значений опорного напряжения пока-

заны на рис. 13. Он подобен операционному усилителю, включенному без от-

рицательной обратной связи. Отличие компаратора от операционного усилите-

ля состоит в следующем:

19

– выходной каскад обеспечивает формирование напряжений, соответ-

ствующих логическим уровням;

–при разработке предприняты меры по ограничению глубины насыщения транзисторов схемы для обеспечения быстродействия компаратора;

–обеспечивается повышенная электрическая прочность входных цепей,

допускающая работу компаратора при больших значениях входных дифферен-

циальных и синфазных напряжений.

Рисунок 13 Аналоговый компаратор и его амплитудные передаточные характе-

ристики для двух значений опорного напряжения

Аналоговые компараторы широко применяются в составе аналого-

цифровых преобразователей.

3.3. Аналого-цифровые преобразователи

АЦП последовательного счета

АЦП последовательного счета иначе называют следящим АЦП. Струк-

турная схема преобразователя приведена на рис. 14. Она содержит следующие элементы:

–аналоговый компаратор (К1), выполняющий сравнение напряжений с выходов УВХ и цифро-аналогового преобразователя;

–реверсивный счетчик (РС) емкостью 2N, число в котором является вы-

ходным кодом;

20