книги из ГПНТБ / Клебанский Р.Б. Преобразователи кода в напряжение

нии выходное сопротивление преобразователя остается неизменным, что позволяет применять шунты для изме­ нения) пределов выходного напряжения. Так как преоб­ разователь состоит из одинаковых разрядных элементов, то в каждом разрядном элементе нагрузкой эталонного источника является одно и то же сопротивление. Пока­ жем это на примере пятиразрядного преобразователя для первого и третьего разрядов, считая RB равным 2R.

На рис. 1-9,а приведена эквивалентная схема преоб­ разователя для случая, когда преобразуемый код содер­ жит 1 только в младшем разряде, на рис. 1-9,6 — для случая, когда 1 содержится только в третьем разряде преобразуемого кода.

Рис. 1-9. Эквивалентная схема ПКН при вклю

в — зависимость логарифма отношения токов, протекаю

ПКН со «взвешенными» сопротивлениями резисторов от текающего через переключатели, к минимальному току

средних

Из эквивалентных схем (рис. 1-9) видно постоянство разрядной нагрузки для эталонного источника 3R, а так­ же постоянство выходного сопротивления схемы, равно­ го a/s R.

20

г)

чении младшего (а) и третьего (б) -разрядов.

щнх через переключатели, к минимальному току / кл

разрядов.

Суммарное выходное напряжение, создаваемое раз­ рядами ПКН, согласно [Л. 1]:

21

или

где Я = ао2°+ аі21 + а2 2 2 + . . .+'a„_i2n_1—десятичный экви­

валент преобразуемого двоичного кода.

При проведении сравнительного анализа и оценки достоинств и недостатков различных схем ПКН удобно пользоваться обобщенными безразмерными характери­ стиками. Такими обобщенными характеристиками явля­ ются:

ц — отношение выходного напряжения на нагрузке ПКН к напряжению на выходе ПКН в режиме холосто­ го хода, или коэффициент передачи:

у — отношение тока /кл г, протекающего через пере­ ключатель любого разряда ПКН в зависимости от кода, к минимальному току, протекающему через переключа­ тели ПІ\Н:

Коэффициент передачи схемы со «взвешенными» со­ противлениями при включении всех разрядов

При уменьшении отношения R/Яя максимальная вели­ чина выходного напряжения стремится к значению напряжения £(ф і=1).

При одних и тех же значениях R/Rn коэффициент передачи эталонного напряжения выше у схемы( со «взвешенными» сопротивлениями.

В настоящее время для коммутации разрядных со­ противлений матрицы ПКН применяются, как правило, транзисторные переключатели, которые являются одними

22

Из основных элементов, определяющих точность, быстрбдействие и надежность ПКН; некоторые вопросы постро­ ения, переключателей будут рассмотрены ниже. В совре­ менных преобразователях переход от механических пере­ ключателей к транзисторным заставил проанализировать вопрос о режимах работы переключателей, используе­ мых в ПКН. Воспользуемся обобщенной характеристи­ кой у, на основании которой следует подходить к выбору транзисторных переключателей для той или иной схемы ПКН.

Величина / кл і случайна; средние значения токов определяются распределением вероятностей кодов на входе ПКН. Однако при выборе ключей и их расчете представляет интерес характер изменения токов, про­ текающих через транзисторные переключатели ПКН.

Ток і-го разряда ПКН со «взвешенными» сопротив­ лениями определяется выражением

разрядов должны быть рассчитаны на разные токи пере­ ключения, причем отношение максимального тока к ми­ нимальному в разрядах ПКН составляет / кл макс/Дл м*п=

= 1666.

Для ступенчатой схемы (R-2R) ПКН ток любого разряда {Л. 72]

шего и пятого разрядов. Как видно из графика, токи, протекающие через отдельно включенные разряды, рав­ ны. Наименьшее изменение тока / кл через переключа­ тель происходит в старшем и младшем разрядах, а наи­ большее— в двух средних разрядах при четном числе разрядов и в одном среднем при нечетном числе разря­ дов.

23

Отношение максимального тока к минимальному составляет:

_Л;л.ма,1с := 2 173.

схемой с «взвешенными» сопротивлениями. Кроме того, следует отметить относительное единообразие условий работы ключей в схеме R-2R.

1-3. ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СО СТАБИЛИЗАЦИЕЙ ТОКОВ

а) ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НА МАТРИЦЕ СО ..ВЗВЕШЕННЫМИ» СОПРОТИВЛЕНИЯМИ РЕЗИСТОРОВ

На рис. 1-10 изображена схема преобразования дво­ ичного кода в напряжение по методу суммирования

токов.

При записи 1 в триггере регистра ключ замкнут, при записи 0 — ключ разомкнут. Сопротивления рези­ сторов Ri «взвешены» по двоичному закону. Выходное сопротивление схемы (без учета влияния Ru)

Rßux~2n~lR.

Рис. 1-10. Схема ПКН с суммированием токов на резисторах с «взвешенными» сопротивлениями.

24

Эквивалентные схемы при включении только одного младшего разряда 2° и только страшего разряда имеют вид, показанный на рис. 1-11,а, б.

Ток через резистр нагрузки Ди, вызванный включени­ ем разряда 2г,

2n ~ 'R + Rs ’

где I — ток стабилизатора.

Напряжение на выходе схемы при включении разря­ да 2*

2

Ѵ і = т

Напряжение на выходе схемы при любой комбинации разрядов преобразуемого кода

б| ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ КОДА В НАПРЯЖЕНИЕ, ПОСТРОЕННЫЙ ПО СТУПЕНЧАТОЙ СХЕМЕ R-1R, СО СТАБИЛИЗАТОРАМИ ТОКА

На рис. 1-12 изображена ступенчатая схема преобра­ зования двоичного кода в напряжение. Схема преобра­ зователя строится так, что нагрузка для всех источников тока одинакова, что также обеспечивает повышение

25

точности преобразования. Принцип работы схемы таков: если в данном разряде код 1, то ключ Кі открыт и ток источника /г участвует в создании выходного напряже­ ния. Этот ток, протекая по сопротивлениям, создает падение напряжения, которое передается на выход схе­ мы с коэффициентом, соответствующим «весу» данного разряда. Если в данном разряде 0 — ключ К і закрыт

Рис. 1-12. Схема ПКИ с суммированием токов на матрице.

и ток /,■ не участвует в создании выходного напряжения. Нагрузка для любого источника тока одинакова и равна 2/зЯ. Для доказательства этого строятся эквивалентные схемы для различных источников тока аналогично схе­ мам со стабилизацией напряжения. Посредством после­ довательного и параллельного подключения сопротивле­ ний к выходному сопротивлению схемы можно изменять масштаб выходного напряжения, однако для правильной работы схемы необходимо, чтобы сопротивление край­ него каскада было постоянным и равным R [Л. 7].

Выходное сопротивление схемы R n u ^ R . Выходное напряжение с учетом сопротивления нагрузки равно [Л. 40]:

где п — число разрядов; I —-ток стабилизатора.

26

Схема, изображенная «а рис. 1-10, по сравнению со ступенчатой схемой более проста, содержит меньше сопротивлений. Достоинством второй схемы является ис­ пользование только двух номиналов сопротивлений. В рас­ смотренных схемах (см. рис. 1-10, 1-12) в качестве источ­ ников разрядных токов применяются токовые стабили­ заторы.

Для точного преобразования кодов в напряжение необходимым условием является применение источников тока с большим внутреннием сопротивлением, а также стабильность токов и сопротивлений. Подключение токов стабилизаторов к разрядам преобразователя в настоящее время, как правило, осуществляется диодными ключами (рис. 1-12).

Управление ключом, состоящим из диодов Ді и Дг, осуществляется разрядным триггером регистра преобра­

Преобразователи кода в напряжение со стабили­ заторами тока обладают ценным свойством, заключаю­ щимся в том, что в процессе начальной регулировки схемы могут быть учтены отклонения сопротивлений от номинальных значений последовательной поразрядной установкой значений разрядных токов путем фиксации требуемого значения тока по необходимой величине вы­ ходного напряжения. Это объясняется линейностью схе­ мы и независимостью тока любого разряда от токов соседних разрядов. Погрешность может вызываться не­ стабильностью сопротивлений и токов. Большим досто­ инством данного типа преобразователя является высо­ кое быстродействие. Напряжение на выходе преобразо­ вателя устанавливается практически мгновенно после записи кода на входном триггерном регистре. Это объяс­ няется тем, что производится не включение и выключе­ ние разрядных токов, а переключение постоянно вклю­ ченного тока из одной цепи в другую, каждая из которых не содержит реактивных элементов. Несмотря на то что ПК.Н со стабилизаторами тока являются весьма быстро­ действующими и точными, в некоторых случаях поддер­ жание стабильности токов стабилизаторов каждого раз­ ряда вызывает определенные трудности и приводит к усложнению схем источников тока.

27

Отметим, что при разработке ПКН как со стабилиза­ торами тока, так и со стабилизатором напряжения отда­

Рис. 1-13. Принципиальная схема ПКН с УП.Т (а ); схема ПКН с УПТ с изменен­ ной последовательностью резисторов и пе­ реключателей (б ).

28

Ся широкий диапазон номиналов сопротивлений резис­

торов матрицы, что приводит к непостоянству разрядной нагрузки для эталонного источника. Переключатели всех разрядов должны быть рассчитаны на разные токи пере­ ключения.

В преобразователях со стабилизаторами тока в схеме со «взвешенными» сопротивлениями следует отметить большую разницу в нагрузках для стабилизаторов то­ ка, что затрудняет получение одинаковых по величине токов.

В связи с тем, что одним из основных требований, предъявляемых к ППКН, является малое выходное со­ противление, .получают распространение ППКН, исполь­ зующие на выходе усилитель постоянного тока (УПТ) с глубокой отрицательной обратной связью. Как извест­ но, такой усилитель обладает большим входным и ма­ лым выходным сопротивлением и эти его свойства обес­ печивают развязку выхода ПКН от нагрузки. Однако наряду с преимуществами ППКН е усилителем обладают

грешности ППКН.

Если преобразователь должен обеспечивать точность ±0,05% во всем диапазоне изменения температуры, то необходимо, чтобы погрешность усилителя не превышала 0,01%'. Даже для наиболее высококачественных уси­ лителей эти жесткие требования не выполняются.

изображена на рис. 1-13,а [Л. 68].

Входные напряжения преобразуются матрицей рези­ сторов в токи различной величины, вырабатываемые в различных разрядах, эти токи суммируются в опера­ ционном усилителе. Качество ПКН определяется быстро­ действием переключателей, наводками в резисторах и задержкой суммирующего усилителя.

В описанном выше ППКН матрица резисторов рас­ положена между переключателями и операционным уси­ лителем. Здесь следует отметить, что:

1) при коммутации больших напряжений через пере ключатели они должны управляться высокими потенциа­ лами, что усложняет схему и снижает быстродействие;

29