отрицательной обратной связью. Это приводит к появлению в их структурах корректирующих конденсаторов, сужающих их полосу пропускания, т.е. быстродействие. Последнее очень важно в компараторах, где требуется возможно быстрый переход схемы из одного состояния в другое.

По той же причине здесь можно увеличить коэффициент усиления схем по напряжению. Все это позволяет существенно упро-

стить микросхемы, используемые в качестве компараторов. Такие схемы обычноначинаются,как и в случае операционных усилителей, с дифференциального входного каскада. На их выходе предусматривается транзистор с открытым коллектором. Включая резистор R между выходным выводом и шиной питания, возможно "подтягивать" выходное напряжение к потенциалам шин.

Такая схемная организация компаратора позволяет питать его входную часть от двухполярного источника, а выходную – от од-

нополярного. На рис.5.14 приведена схема детектора нуля с питанием от двух источников.

–Uп (–5В)

0

0

Рис. 5.14

Это неинвертирующий детектор.Он может сравнивать с нулем как положительные, так и отрицательные напряжения. Дополни-

тельно он хорошо защищен от синфазных помех.

Контрольные вопросы

1.Принцип действия идеализированного детектора нуля.

2.Принцип действия идеального детектора уровня на операционных усилителях.

3.Принцип действия компаратора.

4.Сравнение компараторов с детектором уровня на операционных усилителях.

150

5."Дрожание" выходного напряжения в детекторах нуля, детекторах уровня и компараторах.

6.Методы устранения "дрожания" выходного напряжения в детекторах нуля, уровня и компараторах.

7.Принцип действия триггера Шмитта и его отличие от детекторов нуля, уровня и компараторов.

6.АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ И ЦИФРОАНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СИГНАЛОВ

6.1. Необходимость преобразования

Управление технологическими процессами или техническими

объектами сводится, в конечном счете, к воздействию на параметры, определяющие их поведение. К таковым относятся, например,

скорости движения, ускорения движения,силы, давление, температура и т.д. Воздействие состоит либо в поддержании этих парметров постоянными, либо в их изменении в соответствии с требуемым законом управления. Осуществляется оно аналоговыми системами управления (АСУ) под действием поступающих на их

входы аналоговых сигналов, чаще всего, в виде напряжений uу(t) (рис. 6.1).

Система измерительных преобразователей (датчиков) информацию о фактическом состоянии управляемых параметров преобразует в электрические,напримераналоговые напряжения uос(t). В устройстве сравнения напряжения uос(t) сравниваются с их предписанными значениямиuвх(t) и формируется разность аналоговых

сигналов ∆uу(t). Для обработки∆uу(t) с целью формирования сиг-

налов управления, подаваемых на вход АСУ, в современных системах управления используются либо специализированные ЭВМ,

либо цифровые контроллеры.

Поскольку информация на их выходе представляется в виде цифрового кода uуц , а на вход АСУ необходимо подавать сигналы в аналоговой форме, то неизбежно возникает проблема преобразования сигналов, представленных цифровыми кодами,в аналоговые сигналы. Эта задача и решается специальными устройствами, на-

зываемыми цифроаналоговыми преобразователями (ЦАП). Они существуют либо в виде отдельных микросхем, либо входят в со-

став управляющих ЭВМ.

151

построению ЦАП в интегральном исполнении: по принципу сложения взвешенных токов и по принципу сложения взвешенных напряжений.

Сложение осуществляется с использованием операционных усилителей. Взвешенные токи или напряжения образуются с по-

мощью источника напряженияUоп, характеризующегося высоким постоянством напряжения на зажимах, и набора прецизионных ре-

зисторов, коммутируемых транзисторными ключами. Транзисторные ключи обычно выполняют на основе полевых

транзисторов с индуцированным каналом. Схема такого ключа приведена на рис.6.4, а.

Он состоит из двух транзисторов с каналами, включенными параллельно. Транзисторы имеют разную проводимость. Подложки

транзисторов"оторваны" – они гальванически не связаны с каналами. Такое выполнение транзисторов означает отсутствие понятий

"сток" и "исток", т.е. проводимость каналов открытых транзисторов не зависит от знака прикладываемого к каналу напряжения. Говоря иначе, каналы могут проводить переменный ток. Схема включения для коммутации переменного напряжения показана на рис. 6.4,б.

Параллельное включение транзисторов объясняется следую-

щим. При увеличении напряжения определенного знака, прикладываемого к каналу, сопротивление одного из каналов(в зависи-

мости от типа проводимости) растет с увеличением напряжения, а другого уменьшается (рис.6.4, в). Суммарное сопротивление двух параллельных каналов при этом мало зависит от величины напряжения (рис.6.4,в).

Принцип действия ключа прост. При отсутствии управляющего

сигнала Uу = 0, проводящие каналы в транзисторах отсутствуют. Ключ не проводит ток. Более того,каналы приUу = 0 надежно за-

перты постоянным напряжением±Uп, прикладываемым к выводам подложек. Сопротивление канала в этом режиме практически бесконечно.

При подаче на управляющий вход ключаUу > 0 в транзисторе 2 индуцируется проводящий канал. При этом инвертирующий усилитель прикладывает к затвору транзистора 1 отрицательный управляющий импульс. В результате в этом транзисторе индуци-

руется проводящий канал. Таким образом, приUу>0 оба транз и- стора проводят ток. Сопротивление параллельных каналов состав-

ляет единицы ом.

154

мого на вход ЦАП. Ключиподключают источник напряжения Uоп к инвертирующему входу операционного усилителя через набор параллельно включенных прецизионных резисторов. Их особенностью является то, что каждые два соседних резистора отличаются по сопротивлениям в два раза.

Управляющийкод подается на вход ЦАП. Еслиk -й разряд кода равен, например, единице (высокий уровень), то в результате за-

мыкается k-йключ. Если же этот разряд равен нулю (низкий уровень, то ключ остается разомкнутым.

При замыкании k-го ключа на вход усилителя поступает ток

Ik =Uоп /Rk. Так,например,еслив схеме на рис.6.5 разряд а4=1, а а3,

а2 иа1 =0, тоI4 = Uоп /8R и т.д.

Таким образом, на вход усилителя при последовательном замыкании ключей поступают токи, точно отличающиеся друг от друга

в два раза. Это иесть "взвешивание" токов. Применительно к схемена рис. 6.5 суммарный ток во входном выводе усилителя равен

Поскольку операционный усилительв схеме работает в режиме преобразователя тока в напряжение, то выходное напряжение уси-

156

Выходное напряжение ЦАП, соответствующее наименьшему значащему разряду управляющего слова – высота ступеньки выходного напряжения (рис.6.2, а) – при (а1 , а2 ...) = 0 иаn = 1 окажется равным

Максимальному значащему разряду управляющего слова (МЗР)

пряжения, а также величину напряжения, соответствующего каж-

Из примера следует, что, в самом деле, при цифроаналоговом преобразовании утрачивается один младший разряд, поскольку Uвых max =7,5В,а не гипотетическоечисло Uоп =8В.

157

Разрядность таких ЦАП ограничена 8...10 разрядами. Это связано с технологическими трудностями изготовления взвешенных прецизионных резисторов. Дело здесь не только в том, чтобы обеспечить отношение сопротивлений резисторов, точно равное двум,а гарантировать высокую точность производства резисторов,

соответствующих старшему разряду кода – резисторов с сопротивлением R. Если это сопротивление будет отличаться от расчет-

ного на величину, обусловливающую ток через резисторR, равный току через резистор наименьшего значащего разряда, то выходное напряжение ЦАП перестанет быть монотонным. Для сохранения монотонности преобразования необходимо, чтобы отклонение тока через наименьший резистор делителя было меньше тока через наибольший резистор в 2...3 раза.

Так, например, в случае построения 10-разрядного ЦАП расчетный ток наименьшего значащего разряда должен составлять

≈1/1024 ≈ 0,001 от расчетного тока максимального значащего разряда. Отсюдадопуск на резистор максимального значащего разряда не должен превышать 0,03%. Изготовление резисторов такой точности требует лазерной подгонки.

ПринципдействияЦАПс формированием взвешенных токов за счетлестничныхцепей R-2R типа (рис. 6.6). ЦАП содержит набор

резисторов всего двух номиналов. Число пар резисторов нем равно числу разрядов управляющего кода, управляющего как и раньше

набором транзисторных ключей (рис.6.6).

158

Лестничная R-2R цепь – это токорасщепляющая цепь. Здесь важно обеспечить точность не фактических значений номинальных сопротивлений резисторов, а отношений их сопротивлений. Эта задача более проста ирешается существующимитехнологическими приемами.

Как видно из рис.6.6,каждыйузел лестничной цепихарактеризуется интересной особенностью: сопротивление цепи, идущей

вниз от него, равно сопротивлению цепи, идущей вверх, а также сопротивлению резистора,стоящегослева, исоставляет 2R. Отсюда токи, отбираемые от узлавверх и вниз,одинаковы.

Рассмотрим, например, узелN–1 в соответствии со схемой рис. 6.6. Здесь соответствующий ключ подключает узел к источнику опорного напряжения Uоп либо к общей шинечерез сопротивле-

ние, равное 2R. Эта картина повторяется при подключении каждого узла к источникуUоп. Сопротивление влевоот узла всегда равно

2R, независимо от положения ключа.

Сопротивление справа от узлаN–1 также равно 2R, так как точка А инвертирующего усилителя находится под потенциалом земли.

Сложнее на первый взгляд показать, что и сверху от узла со-

противление равно 2R. Тем не менее, это легкоможно сделать обратившись, например к схеме рис. 6.6. Так, сопротивление слева от

узла 0 равно 2R×2R/(2R+2R)= R.

Это сопротивление оказывается включенным последовательно с сопротивлением R, предшествующим узлу N–3. В результате сопротивление сверху от узла N–3 равноR+R=2R и т.д. Следовательно, сопротивление сверху от узлаN–1 равно 2R.

С учетом того, что сопротивления во все стороны от любого уз-

ла равны 2R, легко найти напряжение в каждом узле, подключенном кUоп. Так вузле N–1 оно равно

UN–1 = Uоп Rн/(Rвн +Rн),

где Rн = 2R×2R/(2R+2R)= R – эквивалентное сопротивление нагрузки узла; Rвн = 2R – внутреннее сопротивление источника напряжения Uоп, подключенного к узлу через резистор с сопротивлением 2R. Следовательно,напряжение в узле N–1

UN–1 = UопR/(2R +R) = Uоп/3.

Выходное напряжение усилителя

Uвых = –(Uоп/3)(3R/2R) = –Uоп/2.

159

Ситуация на рис. 6.6 соответствует максимальному значащему разряду управляющего кода.

Рассмотрим теперь, например, узелN–2, подключенный к источнику опорного напряжения, полагая все остальные узлы подключенными к общей шине. Как и раньше, напряжение в узле N–2

UN–2 = Uоп 2R×2R/(2R+2R) =Uоп . 2R+2R×2R/(2R+2R) 3

Это напряжение через резистивный делитель поступает в узел N–1 – вход инвертирующего усилителя. Оно равно

UN–1 = UN–2Rн/(Rвн +Rн).

Внутреннее сопротивление от узлаN–1 Rвн = R, а сопротивление нагрузкиRн = 2R×2R/(2R+2R)= R. Отсюда напряжение на входе операционного усилителя

UN–1 = (Uоп/3)R/(R +R) = Uоп/3 2 = Uоп/6.

Напряжение на выходе операционного усилителя

Uвых = UN–1 3R/2R = Uоп/3 2(3R/2R) = Uоп/4.

Таким образом, в данной схеме происходит двоичное взвешивание напряжений.

В итоге:максимальныйзначащийразряд управляющего цифро-

вого слова обусловливает на выходе ЦАПUвых = Uоп/2; минимальному значащему разрядусоответствуетUвых = Uоп/2n.

Пример. Проанализировать лестничную цепь типаR-2R для 4- разрядного ЦАП и оценить напряжение, поступающее на вход операционного усилителя. К источнику опорного напряженияUоп подключен ключ N–3.

Решение. Схема лестничной цепи в соответствии с условием задачи представлена на рис.6.7, а, а упрощенная эквивалентная

схема – на рис. 6.7, б.

Отсюда следует, что на вход усилителя поступает напряжение Uоп/12, а на его выходе при Rос = 3R получим

Uвых = –(Uоп/12)(3R/2R) = – Uоп/8 = – Uоп/23.

Сравнение рассмотренных схем ЦАП. Построение ЦАП высо-

кой разрядности по принципу набора взвешенных резисторов упирается в технологические трудности изготовления резисторов с

допусками на номинальные сопротивления в сотые и даже тысячные доли процента. Такая технология очень дорога. По этой при-

чине разрядностьтакихЦАПограничивается 8...10 разрядами.

160

В 4-разрядных ЦАП отпадает необходимость лазерной подгонки. Точность значений емкостей определяется, в основном, процессом фотолитографии. При таком процессе даже без лазерной подгонки удается получить конденсаторы, емкости которых согла-

суются не хуже 1 ppm/°С (10–6/°С).

Разрядность таких ЦАП может достигать тринадцати.

Разновидности ЦАП. Помимо рассмотренных схемотехнических решений, при построении ЦАП используют и другие. Так

существуют интегрирующие преобразователи, преобразователи с частотно-импульсной модуляцией и т.д.

Однако наибольший интерес представляют перемножающие ЦАП. Для любого из рассмотренных преобразователей справедливо

Uвых = (UопRос/2nR) N,

где N – число, соответствующее содержанию управляющего цифрового кода.

Еслитеперь полагать Uоп = Uвх, где Uвх– меняющаяся величина, то получаем устройство перемноженияUвх на числоN. Такие ЦАП и называются перемножающими. Это специальная группа микросхем. Они не содержат встроенного источника Uоп. Этот вывод является открытым выводом микросхемы, на который можно подавать величину напряжения, умножаемого на числоN. Такие ЦАП

входят в состав современных микросхем усилителей с переменным коэффициентом усиления. Разрядность таких устройств дос-

тигает 12.

Основные параметры ЦАП делят на статические и динамические.

К статическим относятся:

• немонотонность переходной характеристики;

• дифференциальная нелинейность;

• интегральная нелинейность;

• остаточное напряжение (напряжение смещения);

• напряжение на выходе ЦАП при обнуленном входном коде.

Наиболее важны следующие динамические характеристики. Время установления tуст – это интервал времени от подачи

входного кода до вхождения выходного напряжения в заданные пределы, определяемые половиной величины ступени младшего разряда. Различают два варианта tуст. В первом случае речь идет об

162

интервале времени, отнесенном к изменению входного кода от значения 0000... до 1111..., во втором от 011... до 100... или от

1000... до 0111... (рис.6.9).

Рис. 6.9

Всплески выходного напряжения (Glitch Impuls). В выходном напряжении ЦАП могут наблюдаться всплески, вызываемые временными задержками входной логики или неодинаковостью времени коммутации ключей. Наибольшей величины они достигают при переходе кода от значения 0111... к 100..., поскольку при та-

ком переходе наблюдается изменение всех битов кода. Всплески напряжения при переходе от 0111... к 100... и переходе от 100... к

011... неодинаковы (рис. 6.10).

Рис. 6.10

Величина этих всплесков напряжения может быть очень большой. Этот параметр не входит в перечень технических характеристик ЦАП. Однако он очень важен, особенно в быстродействующих схемах, что требует установки после ЦАП специальных

микросхем подавления.

Максимальная частота преобразования – наибольшая частота дискретизации, при которой все параметры ЦАП соответствуют заданным значениям.

163