Эталонный ответ контрольного задания № 24

24.1.Устройство, преобразующее входные сигналы в цифровой форме в аналоговую форму на выходе, называется цифро-аналоговым преобразователем.

ЦАП считается одним из самых точных элементов цифровой техники, так как содержит прецизионные наборы резисторов, высококачественные ключи, источник опорного напряжения высокой точности и позволяет получать на выходе аналоговое напряжение, точно соответствующее входному коду.

24.2. Типовая схема генератора прямоугольных импульсов (мультивибратора) на цифровых микросхемах, например, на интегральной микросхеме К 155 ЛАЗ:Существенно повысить стабильность частоты такого генератора можно, заменив конденсатор С1 кварцем ZQ1. Кварц, представляющий собой высокодобротный контур, обеспечивает стабильность частоты следования импульсов не хуже 10^-5 %.Кварц ZQ1 выберем с частотой 8 кГц, что обеспечит длительность периода выходного напряжения 0,125 мс.

24.3. В качестве делителей частоты можно использовать триггеры или их комбинации, организованные в счетчики импульсов, двоичные или двоично-десятичные.

24.4. Преобразовать число импульсов в код можно построить при использовании счетчиков импульсов:Схема простейшего преобразователя на двоичном счетчике К155ИЕ7 имеет вид:Верхняя частота преобразования ограничивается максимальной тактовой частотой (временем задержки распространения сигнала от счетного входа +1 до выхода  15), которая для микросхемы К155ИЕ7 равна 25 МГц. В многодекадных счетчиках дополнительное ограничение дает задержка сигнала переноса с выходов  15 и  0 (около 40 мс).

24.5. Простейший источник однополярного опорного напряжения (отрицательного) на основе стабилитрона и ОУ имеет следующую схему: Минимальные температурные коэффициенты напряжения стабилизации имеют стабилитроны серий Д 818 и КС 191. Это так называемые термо- компенсированные стабилитроны, они имеют встроенный диод, включенный в прямом направлении, за счет которого и осуществляется термокомпенсация.

Оптимальным с точки зрения температурной стабильности считается ток стабилизации через стабилитрон I_СТ, равный 10 мА.

24.6. Целесообразнее всего использовать ОУ 140УД17, имеющий минимальный температурный коэффициент напряжения смещения вместе с термокомпенсированным стабилитроном КС 191 Ф (U_СТ = 0,0005%/С) это обеспечит наилучшую температурную стабильность источника U_ОП в широком диапазоне температур.

Независимо от значения U_ОП стабилитрона (не более 10 В), выходное напряжение источника опорного напряжения, равное 10,24 В можно выставить с помощью потенциометра R4. Необходимо, чтобы R2  R3 + R4.

24.7. Aналоговым компаратором называется устройство, формирующее импульс или перепад выходного напряжения в момент равенства двух сравниваемых величин (обычно напряжений), одно из которых обычно постоянно или медленно меняется и называется опорным. Уровни нижнего и верхнего значений выходного напряжения обычно соответствуют логическим уровням "0" и "1" соответствующей логики.

К компараторам, имеющим уровни выходных напряжений, соответствующим ТТЛ, относятся компараторы 521 и 554 серий: 521СА1, 521СА2, 521СА4, К554СА1, К554СА2, К554СА4, а также КМ597СА2.

К компараторам с выходными напряжениями, соответствующим КМОП - логике относятся компараторы 176, 564, 561 серий: 564СА1, 561СА1, 176СА1 и т.д., а также 1401СА1.

Скорость переключения (переброса) компаратора из одного состояния в другое, определяется типом компаратора, его внутренней структурой и напряжением перевозбуждения, т.е. превышением контролируемого импульсного входного сигнала над опорным. При увеличении перевозбуждения до некоторого предела, быстродействие компаратора можно увеличить на 30-40%.

24.8. Шкалой ЦАП обычно называют градацию уровня выходного напряжения по отношению к опорному напряжению U_ОП.

Значение минимального выходного напряжения ЦАП, отличного от нуля, называется разрешающей способностью ЦАП или ступенькой квантования и определяется как

,

где N – число разрядов преобразования ЦАП.

24.9. Для того, чтобы обеспечить погрешность преобразования  из-за дискретности выходного напряжения  0,1%, необходимо, чтобы

 0,001,

т.е. число уровней U_вых ЦАП должно быть не менее 1000. Этому требованию отвечают все ЦАП, имеющие не менее 10 разрядов преобразования, т.к. 2¹⁰ = 1024. При этом при дифференциальной нелинейности U_вых ЦАП в ¹/₂ младшего значащего разряда эта погрешность не превысит значения 0,1%. Следовательно, ЦАП должен иметь N 10.

24.10. По справочнику подбираем ЦАП К572ПА1А, имеющий 10 разрядов. Могут быть использованы и 12-ти разрядные ЦАП, например, К572ПА2 и К1108ПА1 с любыми буквенными индексами. При этом 2 младших значащих разряда нужно будет отбросить (не использовать).

24.11. В качестве суммирующего ОУ на выходе ЦАП в данном случае необходимо использовать быстродействующий ОУ, иначе не удастся обеспечить требуемую крутизну фронтов ступенчато нарастающего напряжения.

Такими ОУ являются быстродействующие ОУ серии 154:

К154УД2 имеет скорость нарастания В/мкс

К154УД3 " - " - " U = 80 B/мкс

К154УД4 " - " - " U = 200 B/мкс

К154УД7 " - " - " U = 1500 B/мкс

Кроме них можно использовать ОУ:

К544УД2 " - " - " U = 20 B/мкс

К140УД11 " - " - " В/мкс

К574УД1 " - " - " U = 50 В/мкс

К574УД3 " - " - " U = 30 В/мкс

Для решения данной задачи лучше всего использовать ОУ К154УД2, имеющий U = + 150 В/мкс с нормированным временем установления t_уст  5 мкс, а также минимальное значение напряжения смещения U_СМ  2 мВ или К154УД3, имеющий балансировку нуля U_вых.

24.12. Схема включения ЦАП К572ПА1 с ОУ К154УД3 имеет вид:

24.13. Блок-схема генератора ступенчато нарастающего напряжения для данного сочетания имеет вид:

24.14. См. след. схему:

24.15. См. след. диаграммы.

24.16. Наивысшая рабочая частота такого генератора ступенчато нарастающего напряжения ограничивается наиболее медленным элементом схемы. Таким элементом является ЦАП К572ПА1, имеющий время установления t_уст  5 мкс, т.к. все остальные элементы имеют более высокое быстродействие. Поэтому минимальная длительность ступеньки U_вых составляет около 10 мкс (5мкс на время установления ЦАП, около 4 мкс на саму ступеньку и около 1 мкс на установление U_вых суммирующего ОУ и на срабатывание компаратора DA4), а частота следования импульсов кварцованного генератора может составлять из-за этого не более 100 кГц.

24.17. Высоту ступенек выходного напряжения устройства можно менять, изменяя значение опорного напряжения ЦАП или подавая на младшие разряды ЦАП логическую единицу. В последнем случае будет изменяться (увеличиваться) и длительность ступенек.

Высоту ступенек U_вых можно менять изменением опорного напряжения , а также отбрасыванием младших значащих разрядов ЦАП (они подключаются к земляной шине).

Примечание: допускается замена в ответе на вопрос отдельных конкретных элементов аналоговой и цифровой техники при условии их правильного включения, а также упрощенное обозначение выводов микросхем.

Контрольное задание № 25

Расход нефти при перекачке ее по трубопроводам измеряется с помощью специальных узлов учета нефти (УУН). УУН обычно представляет собой микроконтроллер, рассчитывающий расход по сложной формуле с 5 - 7 константами и 4 - 5 переменными параметрами, одним из которых является давление.

Разработать вычислительное устройство, обеспечивающее расчет давления по формуле:

При этом номинальное давление Р, снимаемое с одного из датчиков, представляет собой частотный сигнал, а перепад давления DР - аналоговый сигнал постоянного напряжения около 1 В. Результат вычисления необходимо представить в цифровой форме в 10-ти разрядном двоичном коде, который поступает в микроконтроллер по его специальному запросу. Температура меняется в климатическом диапазоне (-60˚С ÷ +60˚С), средняя частота частотного датчика Р_Н - 20 кГц. Допустимая погрешность расчета давления Р - не более 0,2%.

Выполните следующие задания и ответьте на следующие вопросы, связанные с решением контрольного задания:

25.1. Какой универсальный функциональный узел микроэлектроники целесообразно использовать для построения множительного устройства аналоговых сигналов с высокой точностью?

25.2. Каким образом определяется коэффициент усиления усилителя на основе ОУ? Приведите соотношения для инвертирующего и неинвертирующего включений ОУ и соответствующие схемы включения.

25.3. Какое включение ОУ предпочтительнее для данного случая работы в широком диапазоне температур и почему?

25.4. Что определяет, в основном, точность значения коэффициента усиления усилителя на основе ОУ, когда требуемый коэффициент составляет всего единицы и отрицательная обратная связь достаточно глубока?

25.5. Приведите схемы усилителей, обеспечивающих коэффициенты усиления К_U1 = -2,06 и K_U2 = -2 с погрешностью не более 0,1%

25.6. Назовите отечественный интегральный функциональный узел микроэлектроники, позволяющий производить с высокой точностью преобразование частота - напряжение.

25.7. Приведите схему включения преобразователя 1108ПП1 в режиме преобразования частота - напряжение.

25.8. Приведите схему суммирующего два сигнала ОУ, который обеспечивал бы суммирование двух аналоговых напряжений со своими весовыми коэффициентами -2,06 и -2.

25.9. Приведите структурную схему устройства, обеспечивающую требуемое умножение.

25.10. Какой ОУ необходимо использовать для построения множительного устройства, если речь идет об усилении сигналов вольтового уровня постоянного напряжения.

25.11. Приведите принципиальную схему множительного устройства, реализующую требуемое преобразование с требуемой точностью.

1. Федорков Б.Г., Телец В.А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 320 с.: ил.

2. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 304 с.: ил.

4. Интегральные микросхемы: Операционные усилители. Т.1.: Физматлит., 1993.