12.1. Преобразователи с синусно-косинусным пзу

Особый интерес представляют функциональные, структурные и схемотех­нические особенности построения ЦПП сигналов СКВТ в двоичный код угла последовательного приближения [54]. В таком ЦПП использован традиционный метод преобразования [3], который заключается в формировании из сигналов СКВТ сигнала рассогласования по полному алгоритму Получаемое рассогласование сводится к нулю поразрядно по ме­тоду последовательных приближений.

В течение каждого периода опорного сигнала происходит один цикл пре­образования, в котором последовательно формируются 12 разрядов выходного кода (рис. 12.1). После установления выходного сигнала Конец счета выход-

ной код может быть выведен для обработки. В любой момент времени до­пускается изменение входного сигнала Выбор канала, при этом цикл преоб­разования не нарушается, а выходной сигнал Признак канала всегда соот­ветствует действительному каналу, сигналы которого преобразуются в данном цикле. По мере формирования разрядов выходного кода они могут последова­тельно выводиться синхронно с импульсами выходного сигнала Сопровождение последовательного выхода. По входному сигналу Стоп можно асинхронно пре­рывать последовательность циклов преобразования, при этом независимо от момента подачи сигнала Стоп текущий цикл заканчивается, а останов происхо­дит после того, как сформирован код.

Преобразователь характеризуется следующими особенностями построения: преобразованием переменных входных сигналов в постоянные с использованием устройств выборки — хранения УВХ; возможностью установки минимально не­обходимого времени формирования выходного кода 1-го (старшего), 2—4-го разрядов и группы 5— 12-го разрядов; использованием постоянного запомина­ющего устройства ПЗУ с управляемыми инверторами входного кода для функ­ционального преобразования кода угла в код его тригонометрической функции; распространением октантных функций на полный угол с использованием инвер­сии знака сомножителя, перемены функций и инверсии кода аргумента ПЗУ; синхронным импульсным питанием ПЗУ для уменьшения потребляемой мощно­сти; синхронной записью кодов ПЗУ в регистры ЦАП и динамической синхрон­ной записью разрядных кодов в регистр последовательного приближения РПП для выполнения помехозащищенности преобразователя.

Входящий в состав преобразователя генератор Г вырабатывает два вы­ходных сигнала: первый из которых (рис 12.2,а) используется для запитывания СКВТ, а оба вместе позволяют получить сигнал промежуточ­ной фазы для формирования импульса записи (рис. 12.2,б) в УВХ. Этой цели служат компаратор К1 и одновибратор по фронту. Фронт импульса записи также разрешает смену канала преобразования (коммутатор каналов КК),

если к моменту его возникновения изменяется состояние входа Выбор канала (блока защиты цикла ЗЦ от ВК). На выходах УВХ формируются сигналы, пропорциональные(рис. 12.2,в) и (рис. 12.2,г), неизменные в течение всего цикла преобразования. Для установки нулевого смещения синусного и косинусного каналов УВХ предусмотрены регулировки смещения и

Четыре постоянных сигнала, соответствующихпоступают на аналоговые ключи, инвертирующие знак сигналов на аналоговых входах УЦАП и меняющих подключаемые входы местами (блок перемены функ­ций БПФ). Равенство коэффициентов передачи УЦАП устанавливается соответ­ствующей регулировкой.

Цифровой код Ф на входы УЦАП поступает через управляемые инверторы кода ИКФ и ПЗУ функций в пределах Сигналы управления инверсией кодова также сигналы управления аналоговыми ключами инверсии знаков и перемены функций вырабатываются ло­гический блоком управления БУ по коду трех старших разрядов. Структура блока определяется таблицей истинности (рис. 12.3), которая в свою очередь следует из необходимости построить функции в пределах пол-

ного угла, используя указанные ПЗУ (в строке а рис 12.3 указан код октан­та). При этом замена прямого кода аргумента ПЗУ его поразрядным дополне­нием (инверсия кода) позволяет реализовать участки убывания и возра­стания ₍строки бив рис 12.3 отражают порядок инверсии кодов О —нет инверсии, 1 — инверсия). Отрицательные значения со­множителя заменяются инверсией знака сомножителейили (строки г, д). Требуемые участки функций подставляются в зависи­мости переменной подключаемых входов УЦАП (строкае).

На входе компаратора К2 происходит суммирование произведений и фор­мируется сигнал рассогласования который через триггер посту­ пает на информационный вход РПП. Цикл работы РПП состоит из 12 разряд ных и одного вспомогательного тактов, задаваемых внешним (по отношению к РПП) генераторам тактовых импульсов (на рис 12.1 он образован одновиб-раторами и элементами И—НЕ).

По фронту положительного импульса каждого из разрядных тактов на параллельном выходе РПП формируется код, вызывающий сигнал рассогласования определенного значения (рис. 12,2,д). Логические сигналы, соответству­ющие знаку рассогласования, записываются в РПП, начиная со старшего раз­ряда (рис 12.2,е).

Тактовый генератор вырабатывает 12 положительных импульсов с корот­кими интервалами между ними (рис 12.2,ж). Длительность импульсов опре­деляется необходимый временем установления сигнала рассогласования, зави­сящим от ряда задержек, в частности связанных с инерционностью в цепи сигналов Эти задержки в основном зависят от изменения сигналов ОУ (в данном случае — выходных токов), которые убывают с увеличением номера определяемого разряда. Поэтому для повышения быстродействия целе­сообразно уменьшать время определения разрядов (длительность тактовых импульсов) с увеличением номера разряда.

Используемый в преобразователе генератор тактовых импульсов позволяет выбрать минимально необходимую различную длительность импульсов для четырех старших разрядов и одинаковую для остальных. Каждый цикл на­чинается с окончанием импульса записи в УВХ запуском генератора тактовых импульсов и заканчивается выдачей из РПП сигнала Конец счета, останавли­вающего генератор, после чего цикл повторяется. Время между появлением сигнала Конец счета и передним фронтом импульса записи можно использовать для считывания данных из РПП.

Поскольку используемые в преобразователе УЦАП содержат входные ре­гистры, оказалось возможный синхронно с импульсами подачи питающего на­пряжения на ПЗУ (рис. 12.2,з) от блока импульсов БИ записывать коды из ПЗУ в регистры УЦАП (рис 12.2,и). Импульсы питающего напряжения (рис 12.2,з) подаются на ПЗУ в начале каждого тактового импульса (рис. 12.2,ж). Через некоторый интервал времени, необходимый для устранения кода на выходе ПЗУ, вырабатывается синхроимпульс записи кода в регистры УЦАП (рис. 12.2,и), и код записывается, после чего питание ПЗУ прекра­щается до прихода следующего тактового импульса. Таким образом удалось снизить долю мощности потребления ПЗУ по отношению к общей мощности по­требления пользователя с 80 до 10%.

Методика регулировки преобразователя сводится к установке нулевого смещения на входах инвертора знакапри нулевых сигналах на входах КК и к обеспечению равенства коэффициентов передачи каналов си­нусного и косинусного УЦАП. Второе условие выполняется, если при подаче на входы инвертора знака одного постоянного напряжения, например +10 В, в точке суммирования выходных сигналов УЦАП напряжение рав­но нулю с наименьшей погрешностью для кодов 001, 011, 101, 111 на входе блока управления.

Для КК, инверторов знакаи коммутатора функций в преобразователе использованы аналоговые ключи типа К590КН7; УВХ типа K1100К2; повторители и инверторы аналоговых сигналов построены на ОУ типа К153УД6 и резистввных матрицах 316НР1; УЦАП типа К572ПА2А; ПЗУ типа К505РЕ30068...0071; компараторы типа К521САЗ; РПП типа К564ИР13. Все остальные микросхемы — логические серии К564 малой и сред­ней степеней интеграции [34].

Длительности тактовых импульсов (рис 12.2,ж) не требуют индивидуаль­ной регулировки и могут устанавливаться выбором номиналов времязадающих элементов одновибраторов, используемых в генераторе: тактовых импульсов для формирования необходимой тактовой последовательности. Для формирования разрядных кодов преобразователя, построенного на перечисленных элементах, требуются тактовые импульсы, имеющие наименьшие длительности: 1р и 2р— 35 мкс, 3р—25 мкс, 4р—10 мкс, 5р-12р-12 мкс. Длительность интервалов между тактовыми импульсами 1 мкс Длительность импульса питания ПЗУ (рис 12.2,з) составляет 2 мкс Длительность импульса записи в регистры УЦАП (рве. 12,2,ы) равна 0,2 мкс. Начало импульса записи в регистры УЦАП запаздывает относительно начала импульса питания ПЗУ на 1,7 мкс

Погрешность совпадения окончания импульса в УВХ с моментом дости­жения входными сигналами амплитудного значения может быть относительно большой (допустимо отклонение 1—5% периода). Поэтому длительность этого импульса задается выбором номиналов постоянных элементов. Изменение может потребоваться только при перестройке частоты генератора Г входного сигнала СКВТ (рис 12.2,а).

Такой ЦПУ, выполненный на корпусных ИМС, позволил получить сле­дующее характеристики (в нормальных условиях эксплуатации): информацион­ную емкость (разрядность) 12 бит; число каналов 2; максимальную погреш­ность воспроизводства уровней квантования полное время цикла преобра­зования 280 мкс; время формирования выходного кода 220 мкс; время сохранения кода для считывания 30 мкс; частоту встроенного генератора опор-ного сигнала 3670 Гц; амплитуду опорного сигнала (двойную) 21 В; диапазон амплитуд (двойных) входных сигналов 2—12 В; мощность потребления от ис­точников пнтаиня выходной код с уровнями ТТЛ —прямой, параллельный или последовательный с сопровождающими син-хроимпульсами;количество регулировок 3; габаритные размеры

В процессе налаживания и эксплуатации преобразователя (см. рис. 12,1) выявилась специфическая дополнительная погрешность, которая состоит в про­пуске кода в четырех квадрантных точках Причина про­пуска кода связана с использованием ПЗУ упомянутых типоиоминалов для функционального преобразования кодов. Одна из возможностей устранения указанных пропусков кода связана с применением модифицированных ПЗУ в дополнение к существующим. Такие ПЗУ должны содержать код, записанный с избытком, что получается сдвигом кодов аргументов вправо на единицу младшего разряда.

В стандартных ПЗУ серии К505РЕЗ код функции записан с недостатком, т. е, эквивалент значения кода всегда меньше математического значения функ-цин, как показано на рис 12.3. На границах октантов происходит инверсия кода аргумента ПЗУ для распространения зависимости, записанной в ПЗУ для первого октанта на остальные октанты. В квадрантных точках такая инверсня приводит к нарушению строгой монотонности сиены кодов. Например, послед­ний код аргумента функцийв первом квадранте 11 ... 1 сменяется первым кодом 00 ... 0 аргумента той же функции во втором квадранте, однако для ПЗУ в точке перехода происходит инверсия кода аргумента, в результате чего код аргумента, а следовательно, н код функция ПЗУ остаются неизменными.

Ниже показано, как устранить этот недостаток, применяя стандартные микросхемы ПЗУ в ФЦАП, предназначенные для использования в преобразо­вателе угол—амплитуда —код, допускающем реализацию в интегральном ис­полнение (см. рис 12.1).

Функциональная схема ФЦАП приведена на рис. 12.4 [62]. В качестве ум­ножающих ЦАП в нем использованы микросхемы К572ПА2А, ПЗУ включает комплект микросхем К505РЕ30068—К505РЕ30071. Каждая из микросхем ПЗУ имеет организациюи содержит часть 16-разрядного кода функции в пределах одного октанта: соответственно К505РЕ30068 и К505РЕ30069

а К505РЕ30070 н K505PE3Q071 1р—8р и Подачей логического нуля на вход Выбор кристалла (ВК) микросхемы можно отключать ее выход для магистральной передачи ко­дов. Коды функций в ПЗУ записаны таким образом, что соответствующее им значение всегда не больше истинного значения функции sin Ф (рис. 12.5,а). Порядок распространения зависимости октанты и на октанты с использованием инверторов сигналов инвер­ торов кода ИК, угла Ф, коммутатора функций в блока управления БУ (рис. 12.4) рассмотрен выше, при этом отмечено наличие инструментальной по­грешности, связанной с нарушением строгой монотонности смены кода в квад­рантных точках. Погрешность проявляется как в виде пропуска очередного кода в этих точках, так и в виде периодически накапливающейся ошибки, вызванной искажением формы зависимостей по их среднекодовому значению относительно математически точных функций. Поскольку код перемножается с аналоговым сигналом, указанную погрешность можно ском­пенсировать как в аналоговой, так в цифровой форме, однако с точки зрения стабильности результата и технологичности предпочтителен цифровой способ компенсации, не требующий настройки.

Суть способа заключается в формировании зависимостей, скорректирован-ных относительно исходных таким образом, что выполняются условия строгой монотонности смены кодов, а также постоянства и равенства 90° сдвига меж­ду взаимно соответствующими границами смены кодов Как следует из рис. 12.5,а, удовлетворить указанным условиям можно, смещая определенные участки зависимостей вправо в влево от исходных на единицу

МВР, что достигается вычитанием или суммированием единицы с кодом аргу­мента на определенных участках Поскольку реализация сум­мирования кодов конструктивно несколько проще, далее рассмотрен именно-этот случай.

На рис 12.5,б представлены зависимости кодов полученные

суммированием единицы с кодом аргумента для кодов от 000 ... 00 до-001 ... 10 и от 100 ... 00 до 101 ... 10 и суммированием единицы с кодом ар­гументадля кодов от 010 ... 00 до 011 ... 10 и от ПО ... 00 до 111 ... 10.. Зависимости удовлетворяют отмеченным условиям, поэтому периодическая ошибка, а также пропуск кода в ФЦАП отсутствуют. Постоянный сдвиг сред-некодовых значений на 1/2 МВР влево проявляется как по­стоянная составляющая погрешности во всей диапазоне преобразуемых углов и может быть скомпенсирована известными методами.

На рис. 12.6 представлена функциональная схема ПЗУ на девять входных разрядов, реализующего описанный способ компенсации. Блок содержит сумма­торыкодов аргументас единицей, для которых использованы микросхемы К564ЛП2, К564ЛА7 и К564ЛН2; логические схемы И —НЕ отклю­чения- выхода ПЗУ для кодов аргумента 0001 ... 11 и 1001 ... 11 в 0101 ... 11 я 1101 ... 11 а отмены суммирования для кодов аргумента 001 ... 11 в 101 ... 11 иОН... И в 111 ... И на микросхемах К564ЛА8 и К564ЛА7 и комплект ПЗУ А1—А4 К505РЕЗ (0068 ... 0071).

При поступлении на вход блока ПЗУ кодов 0001 ... 11, 0101 ... 11, 1001 ... 11 и 1101 ... 11 на выходах At и А2 должен установиться код, сле­дующий за наибольшим кодом, записанным там фактически. Это код Ф=45° — 101101010000, для формирования которого по входу ВК выходы At и А2 отклю­чаются, а логические уровни на них определяются комбинацией резисторов (с номиналами по 10 кОм), соединяющих выходы с источником питания 5 В (логическая 1) или нулевой шиной (логический 0). При поступлении на вход блока ПЗУ кодов 001 ... 11, ОН ... 11, 101 ... 11 и 111 ... 11 отмечается суммирование единицы к аргументу в A3 и А4, что приводит к повторению значения выходного кода, однако на этом участке изменения функции в преде­лах МБР выходного хода фактически нет, поэтому повторение кода допустимо.

Таким образом, инструментальная погрешность формирования на выходе-ФЦАП сигнала определяется исключительно УЦАП, инверторами аналоговых сигналов и коммутатором функций, а при правильном выборе и включения последних — только дифференциальной нелинейностью УЦАП_