Применение электронных устройств в системах автоматизации4

Вопросы для самоконтроля.

1)Чем определяется порядок фильтра.

2)В чем заключается практическое значение фильтров.

3)Какие частоты сигнала пропускают фильтры низких частот, высоких частот и полосовые фильтры.

4)Какими параметрами характеризуются фильтры.

5)В чем преимущество активных фильтров перед пассивными.

6)Как вы понимаете параметр фильтра - добротность.

7)Какие схемы фильтров менее чувствительны к отклонениям номиналов образующих их элементов.

8)В чем заключается процедура настройки фильтра.

9)Как влияет взаимозависимость параметров фильтра на процедуру его настройки.

10)Какими свойствами должен обладать ОУ, применяемый для построения фильтров.

11)Какое отклонение от апроксимированной логарифмической амплитудно-частотной характеристики фильтра имеет его реальная характеристика на частотах сопряжения.

12)Как влияет добротность фильтра на ход его ЛАЧХ и ЛФЧХ вблизи частоты сопряжения.

13)В каких случаях предпочтительно использование фильтров на основе преобразователей полного сопротивления.

14)Чем процедура настройки фильтров на основе преобразователей полного сопротивления отличается от настройки обычных схем фильтров.

15)Чем определяется шумовая характеристика фильтров.

16)Какие изменения вносит в сигнал фазовый фильтр.

17)Что показывает частота сопряжения фазового фильтра.

61

6.Цифроаналоговые преобразователи.

В системах автоматизированного управления цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) служит для связи аналоговых усилителей,

воздействующих на исполнительные механизмы, с регулятором на основе микроконтроллера или микропроцессора. Его задача заключается в преобразовании выходного кода регулятора в аналоговый сигнал. Работа цифро-аналоговых преобразователей основана на суммировании так называемых весовых токов. Весовые токи могут быть получены различными методами. В простейшем варианте весовые токи могут формироваться с помощью резисторов различных сопротивлений, подключенных к общему источнику опорного напряжения (параллельная матрица). При этом при переходе от одного разряда к другому (соседнему) величина весового тока должна изменяться в 2 раза, что соответствует соотношение весов соседних разрядов двоичного кода. Следовательно, сопротивление соседних резисторов должно отличаться в 2 раза. Схема формирователя весовых токов реализующего рассмотренный принцип показана на рисунке 6.1.

Рисунок 6.1 - Параллельная матрица весовых токов

62

Необходимо отметить, что данной схеме присущи серьезные недостатки.

Во-первых, при таком построении нагрузка на источник опорного напряжения изменяется в широких пределах, значит необходимо принять меры по снижению выходного сопротивления ИОН, а это дополнительное усложнение схемы. Во-вторых, чем выше номер разряда, тем точнее должен быть резистор, формирующий весовой ток, а это трудно обеспечить при большом количестве разрядов, когда номиналы резисторов будут различаться

старших разрядах, так как ошибка преобразования не должна превышать половину младшего значащего разряда (в одиннадцатом разряде это 0,025%).

Отсюда следует, что формирование весовых токов с помощью весовых резисторов возможно только в ЦАП с низким разрешением (4-6 разрядов), а

всистемах управления, по экспертным оценкам, требуется разрешение ЦАП

в1012 разрядов.

ВЦАП, имеющих высокую разрядность, формирование весовых токов обеспечивается с помощью так называемой матрицы R-2R, предложенной фирмой Analog Devices в 1973 году. В настоящее время матрица R-2R

используется практически во всех серийных моделях ЦАП.

Рисунок 6.2 - Матрица весовых токов R-2R

63

Данная матрица (представлена на рисунке 6.2) строится на резисторах с одинаковым сопротивлением, причем резисторы удвоенного сопротивления могут быть получены последовательным соединением резисторов, что позволяет собрать матрицу из резисторов одного номинала и с одинаковым допуском. Основной элемент такой матрицы представляет собой делитель напряжения, который должен удовлетворять условию: если делитель нагружен на резистор , то его входное сопротивление также должно быть равно , а коэффициент деления должен быть равен требуемому (рисунок

6.3). При двоичном кодировании = 0,5 соответственно получаем:

если = , то = 2 .

Рисунок 6.3 - К расчету матрицы R-2R

С матрицей R-2R используются двунаправленные ключи, которые перенаправляют весовые токи либо на общий провод, либо на вход операционного усилителя, потенциал которого равен потенциалу общего провода. Таким образом, источник опорного напряжения нагружен на постоянное сопротивление независимое от кода. Ключи, как правило,

выполняются на полевых транзисторах с изолированным затвором, что позволяет получить низкое падение напряжения на них при прохождении

64

тока и высокую скорость переключения. Как с параллельной матрицы, так и с матрицы R-2R можно снимать результирующий ток, и тогда не нужен преобразователь тока в напряжение на ОУ. Тем не менее, в ЦАП высокой разрядности необходимо согласовывать сопротивление ключей с разрядными токами, особенно для старших разрядов.

От вышеуказанного недостатка свободна схема ЦАП на источниках тока

(рисунок 6.4). Весовые токи здесь формируются матрицей R-2R и проходят через транзисторы, потенциалы баз, которых одинаковы, а потенциалы эмиттеров выравнивают за счет подгонки их площадей в соответствии с весом разряда. Переключение весовых токов осуществляется с помощью токовых ключей на диодах, которые коммутируют токи, не изменяя их величины и с большой скоростью.

Качество преобразования ЦАП оценивается целым рядом параметров,

которые обычно приводятся в описании микросхем. К таким параметрам называемым статическими относятся:

65

-разрешение - это минимальное приращение выходного напряжения при квантовании, оно равно младшему значащему разряду (МЗР);

-погрешность полной шкалы (INL) - это отклонение характеристики от идеального преобразования, выраженное в процентах или в МЗР;

-нелинейность - это максимальное отклонение реальной характеристики преобразования от идеальной (DNL),выраженное в процентах или в МЗР;

-динамический диапазон - это выраженное в децибелах отношение среднеквадратичного полезного выходного сигнала и паразитных его составляющих.

Кроме этого следует учитывать динамические параметры, такие как:

-время установления - это время от момента изменения входного кода

до появления устойчивого, в пределах МЗР, выходного напряжения;

-скорость нарастания - это максимальная скорость изменения выходного напряжения при переходном процессе;

-групповое время задержки - это число входных тактов между подачей цифрового импульса и появлением тока на выходе ЦАП;

-полоса пропускания - это диапазон частот, на которых затухание сигнала на выходе не превышает допустимой величины.

Исходя из условий применения, выбирают ту или иную модель микросхемы ЦАП, удовлетворяющую заданным параметрам. Схему включения ЦАП желательно использовать ту, которая предложена производителем в техническом описании. В таблицах 6.1 и 6.2 приведены параметры 10-ти и 12-ти битных микросхем ЦАП от Texas_Instruments.

66

Таблица 6.1 - Универсальные 10-ти битные цифро-аналоговые преобразователи фирмы Texas Instruments [18]

Примечание:Programmable Settling Time, Power Down – программируется быстродействие и потребление мощности; DNLнелинейность преобразования ступеньки МЗР; INL отклонение передаточной характеристики от идеальной.

67

В качестве примера приведем схему включения ЦАП DAC7541A (рисунок 6.5), взятую из листа технических данных микросхемы. Это 12-

ти битный четырехквадрантный мультиплицирующий КМОП ЦАП,

имеющий следующие основные характеристики: Дифференциальная линейность не более ±1/2 МЗР во всем температурном диапазоне.

Гарантированная монотонность во всем температурном диапазоне.

ТТЛ/КМОП – совместимость. Однополярное питание от +5 до +15 В.

Опорное напряжение +/- 10В от внешнего источника.

АЦП построен на основе матрицы R-2R c внутренним сопротивлением10КОм. Как видно из рисунка 6.5 к микросхеме необходимо подключить внешний источник опорного напряжения к 17 выводу , напряжение питания к 16 выводу, параллельный

цифровой код к выводам 4-15 (В1-младший бит, В12старший бит). АЦП имеет 2 токовых выхода OUT1,OUT2, сумма токов которых постоянна. В

данном включении используется один токовый выход OUT1, к которому подключен усилитель тока на ОУ, резистор обратной связи находится внутри микросхемы и равен 10КОм . С помощью потенциометра выполняется коррекция 0.

Рисунок 6.5 - Типовая схема включения ЦАП DAC7541A

69

При использовании в схеме ЦАП нужно помнить о том, что его максимальное выходное напряжение при максимальном коде на входе определяется величиной опорного напряжения и правильно рассчитывать необходимое напряжение внешнего ИОН. Если ИОН внутренний, то скорректировать коэффициент преобразования можно с помощью внешних цепей.

6.1Сигма-дельта ЦАП

Сигма-дельта ЦАП по сути является цифро-цифровым преобразователем.

Его работа основана на передискретизации цифрового сигнала в К раз. К-

коэффициент передискретизации, он показывает во сколько раз увеличивается количество отсчетов (выборок) N-битного сигнала. [17]

Рисунок 6.6- Иллюстрация работы передискретизатора и интерполирующего фильтра

70