Особенности построения и конструктивное исполнение цап

Цифро-аналоговыми преобразователями (ЦАП) называют устройства, генерирующие выходную аналоговую величину, соответст­вующую цифровому коду, поступающему на вход преобразователя. Цифро-аналоговые преобразователи используются для согласования ЭВМ с аналоговыми устройствами, а также в качестве внут­ренних узлов в аналого-цифровых преобразователях (АЦП) и циф­ровых измерительных приборах. Цифро-аналоговое преобразо­вание в рассматриваемых в данной книге ЦАП состоит в сумми­ровании эталонных величин, соответствующих разрядам входного кода. Применяются в основном два метода цифро-аналогового преобразования: суммирование единичных эталонных величин и суммирование эталонных величин, веса которых отличаются. В первом при формировании выходной аналоговой величины использу­ется только одна эталонная величина весом в один квант. Во втором методе применяются эталонные величины с весами, зави­сящими от номера разряда, и в суммировании участвуют только те эталонные величины, для которых в соответствующем разряде входного кода имеется единица. При этом используется двоичный позиционный код или двоично-десятичный. В случае двоичного позиционного кода значения всех разрядов поступают одновременно на все входы ЦАП. Работа таких ЦАП описывается выражением

Х = Р(а₁2^-1+ а₂2^-2+…+ а_i2^-b), (1)

где Х - выходная аналоговая величина; а_i, — коэффициенты соответствующих двоич­ных разрядов, которые принимают дискретные значения единица или нуль; Р — опорный сигнал; b — число разрядов. Опорным сиг­налом может служить напряжение постоянного или переменного тока. В преобразователях из опорного сигнала формируются эталонные величины, соответствующие значениям разрядов входного кода, которые суммируются и образуют дискретные значения выходной аналоговой величины. Дальнейшая классификация ЦАП может быть проведена по разным признакам:

а) способу формирования выходного сигнала (с суммирова­нием напряжений, делением напряжения, суммированием токов);

б) роду выходного сигнала (с токовым выходом, выходом по напряжению);

в) полярности выходного сигнала (униполярные, биполярные);

г) характеру опорного сигнала (постоянный, переменный);

д) конструктивно-технологическому исполнению (модульные, гибридные, интегральные);

е) типу элементов для суммирования и деления (резистивные, емкостные, оптоэлектронные).

Базовая схема ЦАП, реализующего выражение (1), показанная на рис.7.a, содержит источник опорного напряжения E₀, матрицы двоично-весовых резисторов, набор ключей и дифференциальный операционный уси­литель. Основные недостатки этой схемы определяются необходимостью применения резисторов с большим диапазоном номиналов, например 1R — 1024R для 10-раз­рядного ЦАП.

Рациональным способом уменьшения количества номиналов резисторов является использование резистивной (лестничной) матрицы R —2R, изображенной на рис. 7,6. Выражение (1) реализуется схемой ЦАПприR_OC= 3R.

Практическую реализацию многоразрядных схем ЦАП рационально проводить на основе микросхем, содержа­щих основные блоки ЦАП в одном корпусе.

Рис. 7. Схема ЦАП с двоично-взвешенным и сопротивлениями (а) ЦАП и на основе резистивной (лестничной) матрицы R—2R(б)

На рис. 8 приведена принципиальная схема 12-разрядного ЦАП на микросхеме 594ПА1, содержащей резистивную матрицу и токовые ключи. Для уменьшения погрешностей от вход­ных токов операционного усилителя введен усилитель 544УД2 с большим входным сопротивлением; для компен­сации смещения нулевого уровня усилителя 544УД2 введен канал МДМ-типа. Операционный усилитель140УД13 является модулятором, а усилитель 153УД6 — демодулятором. ЦАП работает в дополнительном коде в диапазоне напряжений ±10В. Источники опорного на­пряженияE₀, как правило, строятся на основе исполь­зования полупроводниковых стабилитронов.

Рис. 8. Пример схемы ЦАП

ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ И КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ АЦП

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) решают задачу поиска однозначного соответствия аналоговому сигналу цифрового кода. На вход АЦП поступает ана­логовый сигнал и после определенного конечного времени преобразования на его выходе появляется цифровой код.

Из всего множества АЦП электрических сигналов в первую очередь выделяются АЦП с промежуточным преобразованием входного напряжения или тока в физическую величину иной при­роды (обычно — время или частоту). К ним относятся различного рода интегрирующие АЦП, составляющие основу большинства универсальных цифровых вольтметров. Как правило, это АЦП вы­сокой точности, но относительно невысокого быстродействия.

Более детальная классификация АЦП с промежуточным пре­образованием тесно связана с методами измерения соответствую­щей неэлектрической физической величины и здесь не рассматри­вается, так как не представляет особого интереса для дальнейшего-изложения. Быстродействующие и сверхбыстродействующие АЦП строятся обычно по схеме с непосредственным преобразованием входного сигнала в цифровой код. В любом из АЦП этого класса реализу­ется один из двух классических методов измерения: метод совпа­дения или метод уравновешивания преобразуемой величины.

Первые разделяются на одноступенчатые (параллельные) и многоступенчатые (в том числе параллельно-последовательные), а затем, в зависимости от режима выполнения основного алгорит­ма — на асинхронные и тактируемые (стробируемые).

Тактируемые многоступенчатые АЦП могут иметь как замкну­тую структуру, так и разомкнутую. К разомкнутым АЦП этого вида относятся и конвейерные АЦП. Асинхронные многоступенча­тые АЦП имеют только разомкнутую структуру.

Все многоступенчатые АЦП различаются по числу компарато­ров в отдельных ступенях. АЦП с одним компаратором в каждой ступени являются оптимальными по затратам элементов и количе­ству связей между ними.

Градация следующего уровня может быть произведена на ос­новании особенностей технической реализации. Среди асинхрон­ных разомкнутых АЦП с двоичной структурой можно вы­делить АЦП с усилителями в ступени, имеющими V-образную характеристику. Совмещение функций компаратора, усилителя и ЦАП в одном элементе дает возможность существенно повысить быстродействие АЦП.

Классификация АЦП с уравновешиванием измеряемой вели­чины достаточно проста. Алгоритм уравновешивания предопреде­ляет замкнутый характер структуры таких АЦП и наличие так­тирования. Наибольшее распространение получили АЦП с исполь­зованием ЦАП в качестве многозначной меры с двоично-взвешен­ными разрядами.

Рассмотрим более подробно некоторые типы АЦП. На рис.10. приведены схема и график работы АЦП последовательного счета. Как видно из графика, время преобразования этого типа переменное и зависит от входного аналогового сигнала, однако такт работы всего уст­ройства постоянен и равен Т_р=Т₀2ⁿ, где Т₀ — период генератора опорных импульсов, n-разрядность счетчика и собственно АЦП. Работа такого АЦП не требует синхро­низации, что значительно упрощает построение схемы управления. С момента поступления сигнала «Старт» на выходе АЦП с частотой 1/T_р, изменяются цифровые коды результата преобразования (частота 1/T_р — параметр, определяющий макси­мально допустимую частоту отслеживания входного сигнала).

Рис. 10. Структура (а) АЦП последо­вательного счета и временная диаграм­ма его работы (б)

Некоторым услож­нением схемы управле­ния, заменой сумми­рующего счетчика на реверсивный и введени­ем элементов, обеспе­чивающих его работу, реализуется схема сле­дящего АЦП. Этим до­стигается значительное сокращение времени преобразования, однако подобные методы ра­ционально использо­вать в системах с не­большим числом кана­лов преобразования, так как один АЦП ра­ботает на один канал. В многоканальных системах сбора и обработки данных широко применяют АЦП поразрядного уравновешивания (рис.11,а, где РгСдв и Рг_вых — соответственно регистры сдвига и выхода). Схема управления этого АЦП более сложная по сравнению с АЦП последовательного счета, но время преобразования значительно меньше.

Временная диаграмма работы АЦП этого типа приве­дена на рис. 11, б. С момента поступления сигнала «Старт» генератор тактовых сигналов ГТС перемещает единичный сигнал на регистре сдвига РеСдв, с регистра сдвига через схему И единица записывается в регистр выхода, если U_вх > U_выхЦАП. Если U_вх < U_выхЦАП, то в соот­ветствующий разряд регистра выхода записывается ноль, таким образом формируется цифровой код на выходе АЦП начиная со старшего разряда.

Рис. 11. Структура АЦП поразрядного уравно­вешивания (а) и временная диаграмма его работы (б)

В АЦП двойного интегрирования используется метод предварительного преобразования напряжения во времен­ной интервал, а затем измерения временного интервала. Преобразователь «напряжение — временной интервал» строится на основе интегратора, так как при постоянном входном напряжении выходное напряжение интегратора—линейная функция времени:

На рис. 12 приведены схема и график работы АЦП двойного интегрирования. На первом этапе преобразо­вания на вход интегратора через входной коммутатор подается напряжение U_вх и в течение фиксированного времени Т₁ реализуется первое интегрирование, в резуль­тате которого на выходе интегратора устанавливается напряжение, пропорциональное U_вх, т. е. U_вых= — U_BXT₁/(RC).

Рис. 12. Структура (а) АЦП двойного интегрирования и временная диаграмма его работы (б)

На втором этапе преобразования на вход интегратора подключается E_о, знак которого противоположен знаку U_вх, напряжение на выходе интегратора изменяется от U_{вых max} до 0 в течение времени Т₂ = U_вхT₁/E₀. При дости­жении на выходе интегратора нулевого уровня «нуль-компаратор» прекращает поступление тактовых импуль­сов на вход счетчика результата.

Рис.13. Структура преобразователя напряжение — частота

В АЦП с преобразованием напряжения в частоту используется метод измерения частоты следования прямо­угольных импульсов, основанный на заполнении счетчика импульсов в течение фиксированного времени. Эти пре­образователи используют при медленно изменяющемся входном напряжении. Основное достоинство этих АЦП — простота схемотехнического решения. Небольшие габа­ритные размеры преобразователя «напряжение — часто­та» позволяют разместить его в непосредственной бли­зости от датчиков исходной информации и тем самым реализовать АЦП с высоким соотношением сигнал/шум. Преобразователи (рис.13, К л— ключ) с операционны­ми усилителями серий 154, 574 с малыми входными токами позволяют решить задачу аналого-цифрового преобразо­вания за время T= 10 мкс при 8-разрядном выходном коде.

АЦП параллельного преобразования построены на основе двоично-взвешенного источника Eо (рис.14, где ИОН — источник опорного напряжения, ДШ — де­шифратор). Достоинство таких преобразователей — высокое быстродействие, определяемое временем пере­ключения компараторов. Частота преобразования может достигать 10—20 МГц при 3-разрядном выходном коде. Число компараторов равно числу разрядов выходного кода. Для получения двоичного выходного кода необхо­дим на выходе дешифратор ДШ

Рис.14. Структура АЦП параллель­ного преобразования