6.1. Цифроаналоговые преобразователи

В медицинской практике значительное место занимают методики и классы приборов, в которых обработанная цифровыми средствами информация должна быть переведена в аналоговый сигнал для воздействия на биообъект или для управления элементами и узлами медицинского прибора. Как было показано выше, эта задача решается цифроаналоговыми преобразователями (ЦАП).

Наиболее широкое распространение из этого класса приборов получили ЦАП параллельного типа, построенные на основе суммирования токов, сила каждого из которых пропорциональна весу цифрового двоичного разряда, если разряд равен единице.

6.1.1. Схемотехника параллельных цап

В основе построения таких ЦАП используется токовый сумматор, в котором резисторы для цифровых разрядов выбираются из условия: ,

где R₀ - сопротивление резистора в цепи, управляемой старшим разрядом цифрового кода с разрядностью n; R_i - сопротивление резистора, коммутируемого в цепи i-разряда этого кода. Ключ S₀ коммутирует старший разряд, S_n-1 -младший, (рис. 6.1,а)

Если в соответствующих разрядах цифрового разряда α_i код единицы, то соответствующий ключ S_i, подключается к источнику эталонного (опорного) напряжения U₀ и ток с соответствующим весовым коэффициентом попадает на ОУ, где токи от всех разрядов суммируются и преобразуются в выходное напряжение ОУ– U_вых по соотношению

,

где R_ос- сопротивление резистора обратной связи ОУ;

При большой разрядности ЦАП, построенных по такому принципу, разница между сопротивлениями резисторов крайних разрядов (младшего и старшего) велика, что трудно технически реализовать с требуемой точностью, особенно в интегральном исполнении, поэтому при построении ЦАП с большим числом разрядов обычно используют матрицы лестничного типа R-2R.

Рис. 6.1. Структуры ЦАП параллельного действия

В схемах лестничного типа номиналы резисторов относятся 2:1, причем схемы соединений резисторов таковы, что вклад каждого разряда пропорционален его двоичному весу. На рис. 6.1, б показана основная структура такого ЦАП. S₀-ключ, замыкающий старший разряд, S_n-1 – младший. При поступлении единицы только в старшем разряде ключ S₀ подключает опорное напряжение к резистору 2R, подключенному к точке а. Все остальные резисторы своими ключами замкнуты на землю. Их эквивалентное сопротивление относительно точки а (все резисторы слева от а) составляет 2R, поэтому на неинвертирующий вход ОУ поступает сигнал U₀/2. Такие же эквивалентные сопротивления 2R с левой стороны имеют место и для точки б и т.д. Если к U₀ подключен резистор 2R только через ключ S1, то в точке б будет напряжение U₀/2, но относительно ОУ это напряжение перелается через резистор R, таким образом, на вход ОУ попадает сигнал U₀/4, что соответствует весу второго разряда. Если подключен резистор только через S2, то на ОУ попадет сигнал U₀/8 и т.д. Поскольку ОУ работает в режиме повторителя с коэффициентом передачи единица, то для него можно записать

Достоинством такого ЦАП является использование сопротивлений только 2-х номиналов, что легко реализуется в интегральном исполнении. В практических схемах интегральных ЦАП часто используют сочетание токовых матриц со взвешенными резисторами и матриц типа R-2R.

Аналоговые ключи преобразователей выполняются на базе биполярных и униполярных транзисторов. Для униполярных транзисторов характерно отсутствие остаточного напряжения во включенном состоянии, кроме того, на их основе можно строить ключи, коммутирующие напряжение произвольной полярности, используя источники опорного напряжения любой полярности и любого уровня напряжения. Для получения лучших соотношений сигнал/шум в ЦАП рекомендуется эталонное напряжение U₀ выбирать как можно большим. Такой ЦАП интерпретируют еще и как схему аналогово-цифрового перемножения сигналов (схема на рис.6.1,в) и как управляемый двоичным кодом коэффициент передачи (цифровой потенциометр).

При преобразовании кода в разнополярный аналоговый сигнал обычно учитывают три способа представления чисел со знаком: использование в цифровом коде специального знакового разряда; использование смещенного кода; использование дополнительного кода.

Рис. 6.2. Схема получения разнополярных сигналов

В первом простейшем способе для обозначения знака используется один двоичный разряд, например S_n тогда в зависимости от значения этого разряда с помощью ключа К организуют инверсию выходного сигнала ЦАП, например так, как это показано на рис.6.2,a. Здесь квадрат со значками #/Λ - одно из условных обозначений ЦАП на структурных схемах.

При смещенном коде число 0 соответствует половине шкалы обычного двоичного кода. Справа по шкале отсчитываются (по возрастанию модуля) положительные числа. Слева по шкале, также по возрастанию модуля - отрицательные числа. Смещенный код подается на ЦАП как обычный двоичный код, а выходное напряжение ЦАП сдвигается на половину шкалы в область отрицательных значений напряжений (рис.6.2,б). При использовании дополнительного кода отрицательное число образуется инверсией всех разрядов соответствующего по модулю положительного числа, с последующим прибавлением единицы к младшему разряду. Схема, реализующая такое преобразование, приведена на рис.6.2,в. Отличие от ЦАП, работающего со смещенным кодом, заключается в том, что старший разряд перед подачей на ЦАП инвертируется.

Для повышения точности работы ЦАП формирование весовых токов обеспечивается транзисторными источниками тока имеющими высокое динамическое сопротивление. По такому принципу построен, например, ЦАП типа К594 ПА1 с биполярными транзисторными ключами (рис. 6.3). На этой схеме приняты следующие обозначения: N-цифровой код; ср- старший разряд, мр - младший разряд.

Рис. 6.3. Структура ЦАП типа К594ПА1

Встроенный ОУ А1 используется для формирования двоично-взвешенных токов, пропорциональных опорному напряжению U₀ (схема формирователя тока вместе с VT1, R2 и R1). Коллекторные токи транзисторов VT2-VT13 пропорциональны проводимостям резисторов, соответствующих старшим разрядам. Эти проводимости соотносятся по двоичному закону (2ⁿ). В младших разрядах нужное соотношение поддерживается за счет использования в эмиттерных цепях транзисторов резисторной сетки вида R-2R. Переключатели S₁…S₁₃ управляются входным кодом N (выводы 7-18 микросхемы) и пропускают на выход (вывод 3) токи, соответствующие ненулевым разрядам этого кода. Переключатели S₁…S₁₃ выполнены на биополярных транзисторах. Выходной ток I₁ ЦАП преобразуется в выходное напряжение с помощью дополнительного внешнего ОУ А2. Резистор обратной связи для этого ОУ может быть взят из микросхемы R5. Величина R5=5ком позволяет при изменении цифрового кода от нуля до максимума изменять выходное напряжение от 0 до 10В.

Если требуется получить знакопеременное выходное напряжение, изменяющееся в диапазоне ±10В, то в цепь обратной связи ОУ А2 последовательно включаются резисторы R5, R6 и, кроме того, инвертирующий вход ОУ через резистор R3 соединяется с источником U₀ (на схеме пунктирная связь). В этом случае при нулевом цифровом ходе на выходе ОУ А2 напряжение -10В, и при максимальном коде +10В.

ЦАП, построенные с использованием МОП транзисторов, позволяют изменять, опорное напряжение как по величине, так и по знаку. В результате чего ЦАП приобретает свойства перемножителя входного (опорного) напряжения и входного (управляющего) кода. Такими умножающими ЦАП являются микросхемы типов К572ПА1 и К572ПА2. Схема ЦАП К572ПА2 показана на рис.6.4. Здесь используется сетка R-2R и ключи S₁÷S₁₀ на МОП транзисторах. Резистивная сетка в этой схеме питается не от источника тока, а непосредственно от источника опорного напряжения U₀ и вырабатывает двоично-взвешенные токи, поступающие на МОП-переключатели S₁…S₁₀. С выводов ЦАП получаем два тока I₁ и I₂. Ток I₁ изменяется пропорционально управляющему коду N. Ток I₂ - дополняющий - и определяется соотношением I₂= I₀- I₁, где I₀- максимальное значение тока I₁. У разных экземпляров этот ток лежит в пределах 0,5÷2мА (номинальное значение I₀=1мА).

Выходное напряженно ЦАП U_вых снимается с выхода дополнительного усилителя А1 и определяется выражением U_вых≈–U₀N/N_max. Поскольку U₀ может принимать как положительные, так и отрицательные значения, то приведенная схема осуществляет двухквадрантное умножение U₀ на N. Для 4-х квадрантного умножения ЦАП дополняется еще одним усилителем А2 и резисторами R1÷R3 (R₁=R₃=2R₂). Напряжение на выходе усилителя А2 можно определить как

.

Рис. 6.4. Структура ЦАП К572ПА2

Если один из сомножителей U_x=U₀, а второй U_y представлен смещенным двоичным кодом N=a·U_yN_max+N_max/2, где а - постоянный коэффициент, то результат четырехквадрантного перемножения равен U_вых2=2а U_xU_y.

ЦАП типа К572ПА1 может управляться кодом с выводов дискретных интегральных схем типов КМОП и ТТЛ. В последнем случае выходные уровни следует поднять путем подключения к выходам этих микросхем сопротивлений 2÷10КОм, которые своим вторым выводом подключаются к источнику питания +5В. Можно произвести непосредственное согласование ЦАП с ТТЛ-схемами, уменьшив напряжение питания ЦАП до 5В, но при этом возрастают погрешности преобразования.

Умножающие ЦАП удобно использовать для построения усилителей с управляемым коэффициентом усиления (например автоматизированное изменение масштабов преобразования аналоговых сигналов под управлением ЭВМ или специализированных микропроцессоров). Действительно, если в схеме рис. 6.4 U₀ рассматривать как входное напряжение, U_вых1 - как выходное напряжение усилителя, то коэффициент усиления этого усилителя определяется по формуле К_у= -N/N_max, то есть изменяется прямо пропорционально величине N₀.

На основе умножающего ЦАП может быть построен также и неин-вертирующий усилитель с управляемом коэффициентом усиления. На рис.6.5, а условно показана такая схема на основе ЦАП К572ПА1, в которой приведены схематично управляемые сопротивления от кода N и одно постоянное сопротивление обратной связи.

Рис. 6.5. Структура неинвертирующего усилителя (а) и делителя (б)

В данном случае использовано обратное включение ЦАП: опорное напряжение U₀ подключено к выводу 1, соответствующему выходному току I₁ (в таком включении это входной ток), а выходное напряжение снимается c вывода 15, на который подается обычно опорное напряжение. Такое включение сетки R-2R обеспечивает напряжение на 15-ом выводе, пропорциональное управляющему коду N. Причем, при таком включении пропорциональная зависимость сохраняется при любом постоянном сопротивлении нагрузки. Токовые МОП-ключи не рассчитаны на переключение больших напряжений, поэтому рекомендуется выполнять соотношение - lВ≤U₀≤lB.

Если нужно получить знакопеременное выходное напряжение для смещенного кода при постоянном U₀, в схему вводится дополнительный резистор R1. В результате справедливо выражение

.

В частности, если принять R₁=R, R₂=1,25R, R₃=5R, то

.

Умножающий ЦАП может быть использован для реализации операции деления. На рис.6.5,б показана схема деления на ЦАП К572ПА1, для чего ЦАП включен в цепь обратной связи усилителя.

Для этой схемы U_вых= –U_вх N_max/N, причем следует иметь ввиду, что относительная погрешность этой схемы возрастает при малых значениях N.

В ряде задач ЦАП используют для восстановления электрофизиологических сигналов, из последовательности цифровых кодов, например, для подачи их на аналоговый регистратор, для создания систем с обратными связями управляемым и по этим сигналам и т.д.

В этом случае, на выходе ЦАП формируются ступеньки напряжений, величина которых определяется считываемыми кодами. Убрать эти ступеньки можно, подключив к выходу ЦАП фильтры низких частот. На рис. 6.6. приведена схема формирования электрокардиосигнала из его цифровых кодов применяемая в кардиоманиторах.

Рис. 6.6. Практическая схема ЦАП кардиоманитора

В этой схеме регистр РГ служит для промежуточного хранения цифровых данных. Схема работает с частотой выборки 250Гц, имеет разрядность 8 и полосу пропускания 0,1÷30 Гц при неравномерности АХЧ ±10%.