4.2. Цифро-аналогові перетворювачі

Цифро-аналогові перетворювачі (ЦАП) призначені для перетворення коду керування в напругу або струм. Використовуються ЦАП як вузли зворотного зв’язку АЦП та для формування вихідних аналогових сигналів з цифрових вимірювальних і обчислювальних пристроїв. ЦАП зазвичай базуються на основі керованих резистор них або конденсаторних матриць.

4.2.1. Цап на основі резисторних матриць

Для перетворення двійкового коду в аналоговий сигнал зазвичай формуються струми, пропорційні до ваг розрядів коду, і потім підсумовують ті із струмів, які відповідають ненульовим (одиничним) розрядам вхідного коду. Спрощена структура ЦАП з підсумовуванням розрядних струмів подана на рис. 4.13.а. Опорна напруга U₀ ЦАП подається одночасно на всі вагові

Р ис. 4.13 – Функціональні схеми резисторних ЦАП

резистори 2⁰R, 2¹R,…, 2ⁱR,…, 2^n2R, 2^n1R, інші виводи яких під’єднані до входів перемикача струмів ПС. Один вихід перемикача струмів сполучений із спільною шиною, в той час як інший – до входу перетворювача струму на напругу (ОП та резистор зворотного зв’язку R_ЗЗ). Завдяки такому включенню незалежно від поданого коду керування через i-й ваговий резистор 2ⁱR завжди протікає струм , який за наявності одиниці в i-му розряді вхідного коду N замикається через резистор R_ЗЗ, а в протилежному випадку стікає на спільну шину. Вихідна напруга U_ВИХ ЦАП визначається як спад напруги на резисторі R_ЗЗ від суми струмів I_i

, (4.38)

де a_i – комутаційний коефіцієнт (a_i = 1, якщо в i-тому розряді вхідного коду N є одиниця і a_i = 0 – у протилежному випадку); N, N_max – відповідно, вхідний код керування та його максимальне значення.

Проблемами описаного ЦАП є велика кількість прецизійних резисторів з різними номіналами, а також обмеженість мінімального значення опору R ЦАП через вплив опорів замкнених ключів ПС, суттєвий вплив опорів ізоляції для багаторозрядних ЦАП.

Ці недоліки усунені в ЦАП з матрицею R-2R, принцип дії якої полягає у поділі удвічі струмів у кожному її вузлі (рис. 4.13.б). При виготовленні резистивна матриця PM підганяється за допомогою лазера із врахуванням дійсних значень опорів замкнених ключів, що дає можливість досягнення високих метрологічних параметрів (зведена похибка (0,001…0,1) %). Завдяки малим розмірам PM в інтегральній мікросхемі і температури, і температурні коефіцієнти, і часові дрейфи всіх резисторів приблизно однакові, що забезпечує високі температурну та часову стабільність таких ЦАП. ЦАП формує два вихідні струми – I_i, пропорційний до коду керування N та I₂ =I_1max-I₁, де I_1max – максимальне значення вхідного струму I₁, яке відповідає максимальному значенню коду N_max. Вихідний струм I₁ ЦАП протікає через резистор R_ЗЗ зворотного зв’язку і формує його вихідну напругу U_ВИХ

, (4.39)

де U_ВХ – вхідна напруга ЦАП.

4.2.2. Цап на основі ємнісних матриць

Основним елементом, що визначає метрологічні характеристики ЦАП є тип кодо-керованого подільника напруги. Основою більшості серійних інтегральних ЦАП напруги є резистивні матриці, опори резистрів яких зважені в певному коді. Серед них окремо слід виділити резисторну матрицю R-2R, яка має ряд незаперечних переваг – високі точність та технологічність виготовлення, часову та температурну стабільність, швидкодію [15, 35, 37, 57, 66, 95, 101, 104]. Однак, одним із основних недоліків резистивних матриць є трудомісткість підгонки значень опорів їх резисторів для забезпечення заданих значень диференційної нелінійності ЦАП. Крім цього, для забезпечення відносно високих точностей виготовлення (розкид значень опорів не більший десятих долей відсотка) резистори займають на кристалі інтегральної мікросхеми доволі велику площу [37, 39, 140, 141]. Завдяки природній придатності до сучасної технології виготовлення інтегральних мікросхем їх аналогові частини останнім часом здебільшого реалізуються на основі схемотехніки з комутованими конденсаторами [140, 141]. Оскільки точнісні характристики схем з комутованими конденсаторами знаходяться на рівні однієї десятої процента, а займають на кристалі мікросхеми площу набагато меншу порівняно з резисторами, то це і визначає їх фундаментальні переваги. Так як схеми з комутованими конденсаторами складаються тільки з конденсаторів, ключів та ОП, то вони ідеально підходять до реалізації з допомогою МДН-технології [140, 141].

В мікроелектронній інтегральній МДН-технології точність виготовлення конденсаторів (відносна похибка ±0,06 %) в декілька разів вища від точності виготовлення резисторів. Температурний коефіцієнт ємності (26^.10^-6 1/К) набагато менший температурного коефіцієнта опору (400^.10^-6 1/К). Це ж стосується і коефіцієнта впливу напруги для конденсаторів (10^.10^-6 1/В), а для резисторів – 800^.10^-6 1/В. Висока точність і стабільність виготовлення інтегральних МДН-конденсаторів послужили основою розроблення методу дискретного переносу зарядів [41, 78-80]. Інтегральні матриці конденсаторів виготовляються з відношенням номінальних ємностей не більшим 2⁸=256. В точніших перетворювачах використовуються тонкошарові конденсатори. Найточнішою схемою конденсаторного ЦАП є матричний паралельний перетворювач (рис. 4.14. Позначено ПВЗ – схема вибірки-зберігання) [79, 80]. Двійкове слово паралельно подається на затвори МДН-ключів S₁, S₂, …, S_n і керує бітами у відповідних розрядах синхронно з фазами генератора керування. У фазі 1 всі конденсатори підключені до спільної шини, а в другій фазі – до напруги Е₀ тільки при коефіцієнті комутації b_i=1 (b_i=0 – конденсатори підключені до спільної шини). Таким чином, кожен конденсатор, підключений до опорної напруги Е₀, вносить свій вклад у вихідну напругу U_вих

, (4.40)

де С_Т=С₀^.2ⁿ⁺¹ – сумарна ємність матриці та конденсатора С₀.

У фазі 2 вихідна напруга матриці запам’ятовується в ПВЗ.

Паразитна ємність викликає нелінійне зміщення U вихідної напруги

Рис. 4.14 - Структурна схема ЦАП з матрицею конденсаторів

, (4.41)

і для забезпечення високої точності перетворювача повинна виконуватись умова C_p<C₀/2, що затруднено на практиці.

Іншим джерелом похибки є інструментальні похибки матриці конденсаторів [79, 80].

Для усунення чутливості до паразитних ємностей можна використати ефект “віртуальної землі” з використанням операційного підсилювача, тоді

, (4.42)

де С – ємність запам’ятовуючого конденсатора у від’ємному зворотному зв’язку; е_зм – напруга зміщення ОП.

Недоліком паралельних конденсаторних перетворювачів є велика площа, яку вони займають на кристалі інтегральної мікросхеми. Значно економніше використовується вона в послідовних конденсаторних перетворювачах (рис. 4.15) [79, 80]. Для цієї схеми повинна виконуватись умова C₁=C₂. Перетворення двійкового слова здійснюється послідовно, починаючи з найменшого розряду b₀. Конденсатор С₁ заряджається до напруги Е₀ при b₀=1 шляхом замикання ключа S₂ або розряджається при b₀=0 шляхом замикання S₃. Одночасно конденсатор С₂ розряджається через ключ S₄. Потім при розімкнених ключах S₂–S₄ замикається ключ S₁, що викликає подія заряду, тоді

. (4.43)

Рис. 4.15. – Функціональна схема послідовного ємнісного ЦАП

Допоки на конденсаторі С₂ зберігається заряд, процедура заряду конденсатора С₁ повторюється для наступного розряду

. (4.44)

Таким самим способом здійснюється перетворення для решти розрядів слова керування

. (4.45)

Для реалізації цієї схеми потрібна лише пара конденсаторів для слів довільної розрядності. До недоліків цих перетворювачів слід віднести невисоку швидкодію.

5. Основи аналізу та синтезу цифрових автоматів

5.1. Основні поняття та визначення цифрової техніки

5.1.1. Основні поняття та визначення

5.1.1.1. Вступ. Цифрова техніка (ЦТ) виросла з імпульсної техніки, завдяки бурхливому розвитку напівпровідникової технології, мікросхемотехніки.

Як самостійна галузь мікроелектроніки ЦТ вивчає методи проектування,принципи побудови та способи технічної реалізації(синтезу) цифрових пристроїв та систем.

Цифрові пристрої та системи - це технічні засоби, які приймають, перетворюють, зберігають та обробляють цифрову інформацію.

Коротка історія:

1847- інженер Джон Буль - алгебра логіки;

1910 - застосування алгебраїчної логіки англ. П.С. Еренфестом вперше до аналізу схем перемикання;

1931- росіянин Б.О. Котельніков – теорема про дискретизацію;

1936 - англієць А. Тюрінг – довів можливість побудови програмно-обчислюваної машини; перша концепція штучного інтелекту;

1940- американець Н. Вінер – запропонував при по будові ЦОМ перейти з десяткової до двійкової системи числення;

1942- перший електронний комп’ютер,який створила група А.Тюрінга;

1947- американець Дж. Нейман – теорія цифрових автоматів.

Як вже було відмічено, ЦТ виросла з імпульсної техніки завдяки бурхливому розвитку інтегральної мікроелектроніки. У свою чергу, перехід до ЦТ став потужним стимулом для швидкого розвитку мікроелектроніки. На сьогодні ЦТ в області малого сигналу (малої та середньої потужності) практично витіснила зовсім дискретну імпульсну техніку.

Визначальними перевагами ЦТ є: економічність, конструктивна технологічність, невеликі масогабарити, багатофункціональність, швидкодійність і т.п. Є ще й чисто “цифрові” переваги: принципи цифрової обробки сигналів, які дозволяють просто і точно реалізувати складні алгоритми,які практично неможливо реалізувати аналоговими способами; особливо адаптивні (самонастроювальні) системи. Параметри системи змінюються під впливом зміни параметрів вхідного сигналу.

Недоліки: відносна складність порівняно з аналоговими системами. Потрібно додатково АЦП, ЦАП, цифрові фільтри, які є складними пристроями.

Співвідношення між використанням аналогових та цифрових схем при невисокій точності –>традиційні аналогові схеми. Такі складні математичні операції, як диференціювання, інтегрування, розв`язування диференційних рівнянь є набагато простіше за допомогою аналогових систем. На даному етапі швидкодія цифрових систем-цифрових фільтрів-набагато нижча аналогових-> велика кількість арифметичних дій.

Підвищення швидкодії цифрових систем: - цифрові інтегральні схеми; + ефективні алгоритми числових методів аналізу.

Особливе місце займають мікропроцесори.

Останні покоління ЕОМ містять на н/п пластині-чіпі окремі блоки,а то й цілі пристрої. Через малі масо-габаритні показники, енергоспоживання та вартість є можливість вбудовувати їх в різні вимірювальні та метрологічні пристрої.

Напрями розвитку ЦТ:

- наднадійні комплексні системи-безвідмовна робота 20 і більше років, обладнані засобами штучного інтелекту для виявлення неполадок і перебудови запам`ятовуючих пристроїв;

- надкомп`ютери зі швидкодією трильйон (10 в 12 степені) операцій у секунду, тобто в тисячу разів швидших за сучасні комп`ютери.

- телефони-перекладачі – розмови різними мовами.

- самонавчальні комп`ютери та роботи.

- самоутворювальні системи, озброєні ”генетичним кодом”, який дозволяє створювати, наприклад, десь у космосі ціле підприємство.