26.3. Поясните, каким образом производится умножение сигналов множительным цап?

Умножение можно пояснить схемой:

где U_О - опорное напряжение;

К_А –коэффициент пропорциональности, в данной схеме К_А = 1.

При подключении внешнего резистора в цепь обратной связи К_А ≠ 1 ;

А - входное цифровое слово; а – значение двоичного кода на i-том входе ЦАП Тем самым, выходное напряжение является результатом перемножения опорного напряжения и входного кода.

Наиболее типичным представителем интегральных ЦАП с токовым выходом в настоящее время является десятиразрядный умножающий (множительный) ЦАП К572ПА1. Благодаря малой потребляемой мощности, достаточно высокому быстродействию, возможности реализации двух- и четырехразрядного умножения, небольшим размерам удобного корпуса (DIP) этот ЦАП давно стал универсальным. К572ПА1 является аналогом AD7520. Все элементы ЦАП выполнены по КМОП-технологии на одном кристалле в герметичном 16-выводном металлокерамическом корпусе. На кристалле находятся прецизионная поликремневая резистивная матрица R-2R, токовые двухпозиционные КМОП-ключи с поликремневыми затворами и усилители-инверторы для управления токовыми ключами. Для обеспечения работы ЦАП в режиме с выходом по напряжению к нему подключают внешний ИОН и суммирующий токи ОУ с целью ООС. Для достижения стабильности основных параметров преобразования при воздействии внешних факторов резистор ОС размещен на кристалле. Используемый в ЦАП К572ПА1 метод преобразования основывается на суммировании токов, взвешенных по двоичному закону и пропорциональных значению опорного напряжения Uоп на выводе 15. Двоичный закон распределения токов в узлах резистивной матрицы выполняется только при условии равенства потенциалов выводов 01 и 02. Это обеспечивается подключением вывода 01 ЦАП к инвертирующему входу ОУ («виртуальная земля»), охваченного ООС через резистор Rос.

26.4. Какой параметр цап характеризует погрешность умножения опорного напряжения и входного цифрового слова?

Точность умножения характеризуют погрешность нелинейности и дифференциальная нелинейность характеристики преобразования ЦАП

26.5. Может ли разрядность ЦАП характеризовать погрешность умножения? Ответ поясните.

Да. Чем больше разрядность ЦАП, тем более высокие требования предъявляются к значениям погрешности нелинейности и дифференциальной нелинейности ЦАП. Так, 12-ти разрядный ЦАП принципиально должен иметь значительно меньшие значения этих параметров, чем 10-ти разрядный.

Шаг квантования ЦАП:

При достаточно большом числе разрядов (h>=8) обычно принимают Uвых макс=Uоп. Однако при малом числе разрядов это упрощение может внести значительную погрешность.

Чем больше разрядность ЦАП, тем более высокие требования предъявляются к значениям погрешности нелинейности и дифференциальной нелинейности ЦАП.

26.6. Как изменится характеристика преобразования цап, если в многоразрядном цап не используется два младших разряда (замкнуты на земляную шину)?

Изменится шаг квантования h - он увеличится в 4 раза, а также в соответствии с этим изменением уменьшится максимальное выходное напряжение ЦАП, равное в общем случае:

Изменится шаг квантования h - он увеличится в 4 раза, а также в соответствии с этим изменением уменьшится максимальное выходное напряжение ЦАП

26.7. Как изменится характеристика преобразования многоразрядного ЦАП, если в нем не используются два старших разряда (замкнуты на земляную шину)? Максимальное выходное напряжение уменьшится в 4 раза, шаг квантования останется прежним.

26.8. Какой из отечественных интегральных множительных ЦАП может быть использован для построения множительного устройства с погрешностью, не превышающей 0,1%? Ответ поясните.

Из отечественных интегральных ЦАП для реализации такого множительного устройства может быть использован только К572ПА2, т.к. только у него диффернциальная нелинейность не превышает в худшем случае 0,1% (для К572ПА2В), а в лучшем - не превышает 0,025% (для К572ПА2А). Кроме того, для этого ЦАП t_уст  15 мкс, что обеспечивает требуемое быстродействие.

Кроме того, для этого ЦАП t_уст  15 мкс, что обеспечивает требуемое быстродействие 1/ 60 000 Гц=16,7 мкс.

26.9. Предложите структурную схему множительного устройства, обеспечивающего требуемые параметры. Схему поясните. В этой схеме

Если с помощью внешних резисторов R1 и R2 добиться К_А1=1 и К_А2 = 1, то

Т.к. в каждом ЦАП использовать мы можем только 10 разрядов из 12, то используем только 10 младших разрядов для сохранения значения шага квантования h, а два старших разряда замыкаем на землю.

При этом шкала выходного напряжения дважды уменьшается в 4 раза. Т.е. общее уменьшение U_вых - в 16 раз.

Для реализации единичного коэффициента умножения это уменьшение необходимо компенсировать соответствующим увеличением опорного напряжения для данного включения ЦАП К572ПА2А, т.е. установить U DA1 равным 16 В. Тогда:

Значение выходного напряжения U_вых при этом не будет превышать

1 В, т.е. это условие задания также выполняется

26.10. Какой операционный усилитель целесообразно использовать в предложенной структуре множительного устройства на основе ЦАП? Ответ поясните. Используемый операционный усилитель должен обеспечивать:

1) требуемое быстродействие - т.е. полоса пропускания ОУ

1) требуемое быстродействие - частота смены кода 60 кГц, т.е. полоса пропускания ОУ в разомкнутом состоянии:

2) минимально возможное время установления, которое < t_уст ЦАП;

3) минимально возможное смещение нуля, которое не должно превышать половину шага квантования, т.е.

4) минимально возможный температурный коэффициент ТК ΔU_СМ для обеспечения требуемой точности;

5) максимально возможную скорость нарастания выходного напряжения U.

Из отечественных ОУ этим требованиям отвечаeт только 140УД17 (U_CM=0,25 мВ, TK U_CM=1.3 мкВ/K).

Из отечественных ОУ этим требованиям отвечают только 140УД17 и 140УД24. Их и нужно использовать для построения данного множительного устройства

26.11. Как определяется суммарная погрешность преобразования такого множительного устройства, если принять, что погрешность, вносимая каждым из операционных усилителей и источником опорного напряжения, равна нулю? Ответ поясните.

Т.к. погрешность, вносимая каждым из ЦАП на соответствующем кодовом переходе проявляется случайным образом, то суммирование погрешностей ЦАП нужно производить по правилу суммы квадратов. Тогда:

В данном случае представляет собой дифференциальные нелинейности характеристики преобразования.

26.12. Что ограничивает в принципе скорость изменения входных цифровых слов в множительном устройстве на основе ЦАП.

Наиболее существенным ограничением являются выбросы, которые могут достигать (на главном переходе) до половины значения опорного напряжения.

Выбросы являются одним из основных факторов, ограничивающих максимальную частоту преобразования (скорость смены входного сигнала) ЦАП. Причиной их появления служит несинхронность размыкания и замыкания аналоговых ключей в разных разрядах АЦП. Самым большим обычно бывает выброс на главном переходе (от 0111…11 до 1000…00),когда переключается максимальное число разрядов.

Контрольное задание № 27

Разработать мультиплицированную ИИС для измерения переменного магнитного поля частотой 1 кГц в 6-х точках. Погрешность измерения 2 %.

Выполните задание и ответьте на вопросы, связанные с поставленной задачей.

27.1. Начертить обобщенную структуру с общей образцовой величиной (мультиплицированную).

ИИС содержащую: Д1…Д6 – датчики; ВП – вторичные преобразователи; КС – канал связи; УС – устройство сравнения; Д – дешифратор; ФБУ – функциональный блок управления. Пояснить принцип работы схемы.

Сигнал с датчиков поступает на ВП, которые приводят сигналы к необходимой форме. Номер датчика, код компенсирующего напряжения передаются по КС и выдаются ФБУ. ЦАП формирует образцовую величину, которая поступает в УС, где сравнивается с аналоговыми сигналами, поступающими с ВП.