4.11. Цифроаналогові перетворювачі
Цифроаналоговим перетворювачем (DAC) називається схема, призначена для перетворення вхідних цифрових кодів у вихідний аналоговий сигнал. Мікросхеми цифроаналогових перетворювачів (далі просто DAC) випускаються рядом фірм: Analog Devices, Burr-Brown, Exar, Fairchild Semiconductor, Hitachi, Intersil, Linear Technology, Maxim, National Semiconductor, Sipex, Signal Processing Technologies (Toko), Texas Instruments і ін.
Найважливішими параметрами DAC є розрядність, тип інтерфейсу, швидкодія, тип корпусу, характеристики живлення, тип виходу (по струму або по напрузі).
У універсальних технологічних контролерах аналого-цифрові перетворювачі ADC, як правило, використовується з послідовним інтерфейсом, оскільки вони часто виконують завдання контролю або вимірювання величин, що повільно змінюються. З цифроаналоговими перетворювачами ситуація дещо складніше, оскільки вони зазвичай управляють якими-небудь виконавчими пристроями, або технологічним процесом у цілому. Це обумовлює необхідність застосування як повільних, так і швидких DAC.
Розрядність DAC визначає точність перетворення. Наразі випускаються мікросхеми з розрядністю від 8 до 22 біт і вище. Зазвичай в універсальних технологічних контролерах використовують DAC з розрядністю 8 і 10 біт, що забезпечує крок квантування вихідного сигналу 1/256 і 1/1024 відповідно.
Мікросхеми DAC, що випускаються в даний час, можуть мати паралельний або послідовний інтерфейс. Паралельний інтерфейс найчастіше використовується для більш швидких DAC, а послідовний для повільних. Причому як послідовний інтерфейс переважно використовувати інтерфейс SPI, оскільки більшість сучасних мікроконтролерів оснащуються апаратною реалізацією цього інтерфейсу.
Сучасні DAC за швидкодією можна умовно поділити на 3 групи: низької швидкодії — до 100 ksps, середньої швидкодії — від 100 до 500 ksps. високої швидкодії — більше 500 ksps. Для універсальних технологічних контролерів найчастіше використовуються DAC низької або середньої швидкодії виходячи з міркувань співвідношення вартість/швидкодія.
Сучасні мікросхеми DAC виробляються із струмовим виходом (без вбудованого масштабувального операційного підсилювача) і з виходом по напрузі (з вбудованим вихідним операційним підсилювачем). Крім того, у випадку, якщо мікросхема в одному корпусі містить декілька DAC, вона може мати комбінований вихід (частина із струмовим виходом, частина з виходом по напрузі) або мати виходи по напрузі з різною здатністю навантаження. Звичайно, з огляду мінімізації кількості корпусів цифро-аналогового вузла, слід віддати перевагу DAC з виходом по напрузі. Проте з огляду на те, що розробники універсальних контролерів з метою забезпечити потужний вихід ставлять на виході операційний підсилювач, який крім усього іншого ще і формує вихідну напругу необхідного рівня, тип виходу мікросхем DAC не має істотного значення.
Слід також відзначити, що сучасні мікросхеми DAC можуть використовувати вбудований або зовнішній вузол опорної напруги.
Мікросхеми DAC можуть мати одну або кілька різних напруг живлення. Очевидно, що для технологічних мікросистем бажано, щоб мікросхема мала одне живлення, що дорівнює 5 В.
Отже, в універсальних технологічних контролерах використовується достатньо велика кількість DAC двох типів. Перша група повільних перетворювачів з розрядністю 10 біт і послідовним інтерфейсом. Ця група зазвичай може включати 4, 6 або 8 незалежних перетворювачів. Друга група відносно швидких перетворювачів з розрядністю 8 біт. У цій групі можуть використовуватися мікросхеми, як з послідовним, так і з паралельним інтерфейсом. Зазвичай ця група містить від 2 до 6 перетворювачів.
Важливе значення при виборі мікросхеми має тип корпусу. Як уже наголошувалося, оптимальним для технологічних контролерів є корпус типу DIP, який дозволяє встановлювати мікросхему на панельку, що значно спрощує ремонт і наладку контролера. Крім того, бажано, щоби корпус мав малу кількість виводів. Зазвичай використовуються мікросхеми з кількістю виводів від 8 до 16.
Перед попереднім відбором мікросхем сформулюємо, у якості прикладу, вимоги до підсистеми паралельних DAC. Припустимо, що нам необхідно оснастити універсальний технологічний контролер шістьма незалежними 8-розрядними цифроаналоговими перетворювачами (можливе використання і 10-розрядних при незначному підвищенні вартості). При цьому бажано забезпечити мале енергоспоживання і живлення переважно від одного джерела +5 В (в окремих випадках допускається використання додаткової напруги живлення ±15 В). Бажано також зайняти мінімальну площу друкованої плати. На стадії попереднього відбору видалимо з розгляду всі мікросхеми з розрядністю 12 біт і вище. Потім видалимо мікросхеми: з живленням тільки 3,3В; з живленням тільки вище 5 В (оскільки вони, як правило, вимагають додаткових вузлів узгодження по входу); з живленням -5 В, оскільки це припускає наявність додаткового джерела живлення; ЕЗЛ-мікросхеми з живленням -5,2 В; а також мікросхеми з понад трьома напругами живлення. Усі мікросхеми з високою швидкодією з огляду на високу вартість і високе енергоспоживання також виключаються зі списку. Так само виключаються і мікросхеми, що не мають виконання в DIP-корпусах.
Отриманий таким чином скорочений набір необхідно розглядати виходячи з міркувань мінімізації вартості, кількості корпусів і площі друкованої плати. Очевидно, що при розробці підсистеми з шести незалежних каналів бажано використовувати однакові мікросхеми паралельних DAC. Виходячи з цього, можна розглянути наступні варіанти реалізації:
шість корпусів одноканальних 8/10-разрядных DAC;
три корпуси двоканальних DAC;
два корпуси чотирьохканальних DAC (з надмірністю в 2 канали);
один корпус восьмиканального DAC (з надмірністю в 2 канали).
Оскільки одноканальні DAC випускаються здебільшого в корпусі DIP16 і вище, то такий варіант виконання підсистеми абсолютно невигідний, з огляду на велику площу друкованої плати і її високу вартість. У зв'язку з цим виключимо всі одноканальні мікросхеми і перегрупуємо за критерієм кількості каналів в корпусі, а потім по розрядності.
Насамкінець проведемо аналіз доступності мікросхем. Для цього необхідно відвідати сайти вітчизняних представників вищезгаданих фірм і сайти відомих вітчизняних постачальників комплектації. В результаті зникнуть ще декілька позицій. Крім того, ознайомимося з документацією претендентів на сайтах виробників і заповнимо відсутні дані. Отримані в результаті попереднього відбору мікросхеми паралельних DAC наведено в табл. 4.6.
Аналогічно поступимо і з мікросхемами послідовних DAC. Сформулюємо, у якості прикладу, вимоги до підсистеми послідовних DAC. Припустимо, що нам необхідно оснастити універсальний технологічний контролер шістьма незалежними 8-розрядними цифроаналоговими перетворювачами (припустима і вища розрядність при незначному підвищенні вартості), а також трьома незалежними 10-розрядними перетворювачами (допустима і вища розрядність). При цьому бажано забезпечити мале енергоспоживання. Живлення переважно від одного джерела +5 В (якщо це неможливо, допускається використання додаткової напруги живлення ±15 В). Бажано також зайняти мінімальну площу друкованої плати. Користуючись викладеними вище критеріями вибираємо тип послідовного інтерфейсу — SPI.
Таблиця 4.6 – мікросхеми паралельних DAC
Тип |
Розрядність |
Кількість DAC |
Напруга живлення, В |
Вихід |
Швидкодія, мкс |
Інтерфейс |
Джерело опорної напруги |
Корпус |
AD7302 |
8 |
2 |
2,7-5,5 |
V |
1,2 |
uP/8 |
Внутр./ Зовн. |
DIP20 |
AD7528, Мх7528, Рм7528, TLC7528 |
8 |
2 |
5-15 |
V |
0,18 |
uР/8 |
|
|
AD7628, Мх7628, Рм7628, TLC7628 |
12-15 |
|||||||
AD7397 |
10 |
2 |
2,7-5.5 |
V |
|
uР/12 |
Зовн. |
DIP24 |
AD7305 |
8 |
4 |
5 |
V |
<2,6МГц |
uР/8 |
Зовн. |
DIP20 |
TLC7225 |
8 |
4 |
5-15 |
V |
5 |
uР/8 |
Зовн. |
DIP24 |
Мах505, Мх7225 |
8 |
4 |
5 |
V |
6 |
uР/8 |
Зовн. |
DIP24 |
Мах506, Мх7226 |
DIP20 |
На стадії попереднього відбору спочатку видалимо з розгляду всі мікросхеми з розрядністю вище 10 біт. Далі видаляємо всі мікросхеми, які явно не підтримують інтерфейс SPI. Потім виключаємо мікросхеми з живленням тільки 3,3 В, і з живленням тільки вище 5 В (оскільки вони, як правило, вимагають додаткових вузлів узгодження по входу), з живленням -5 В (оскільки це потребує додаткового джерела живлення), а також мікросхеми з понад трьома напругами живлення.
Як і у попередньому випадку, відбір необхідно проводити виходячи з міркувань мінімізації вартості, кількості корпусів і площі друкованої плати. Як і у випадку з паралельними DAC, недоцільно розглядати одноканальні мікросхеми.
Обрані в результаті попереднього відбору мікросхеми послідовних DAC наведено в табл. 4.7.
Таблиця 4.7 – мікросхеми послідовних DAC
Тип |
Розрядність |
Кількість DАС |
Напруга живлення, В |
Вихід |
Швидкодія, мкс |
Інтерфейс послідовний |
Опорна напруга |
Корпус |
AD7303 |
8 |
2 |
5 |
V |
1,2 |
SPI |
Внутр./Зовн. |
DIP8 |
Мах522 |
8 |
2 |
5 |
V |
70 |
SPI |
Зовн. |
DIP8 |
TLV5625 |
8 |
2 |
2,7...5,5 |
V |
2,5 або 12 |
SPI |
Зовн. |
DIP8 |
TLV5626 |
8 |
2 |
2,7...5,5 |
V |
1 |
SPI |
Внутр. |
DIP8 |
Мах548а, 549А |
8 |
2 |
5 |
V |
4 |
SPI |
VDD |
DIP8 |
Мах512 |
8 |
3 |
5 |
V |
70 |
SPI |
Зовн. |
DIP14 |
AD7304 |
8 |
4 |
5 |
V |
1,2 |
SPI |
Зовн. |
DIP16 |
Мах509 |
8 |
4 |
5 |
V |
6 |
SPI |
Зовн. |
DIP20 |
Мах510 |
8 |
4 |
5 |
V |
6 |
SPI |
Зовн. |
DIP16 |
Мах534 |
8 |
4 |
5 |
V |
8 |
SPI |
Зовн. |
DIP16 |
TLC5620, TLV5620 |
8 |
4 |
2,7...5,5 |
V |
10 |
SPI |
Зовн. |
DIP14 |
TLV5627 |
8 |
4 |
2,7...5,5 |
V |
3 |
SPI |
Зовн. |
DIP16 |
LTC1665 |
8 |
8 |
5 |
V |
5 |
SPI |
Зовн. |
DIP16 |
TLC5628, TLV5628 |
8 |
8 |
2,7...5,5 |
V |
10 |
SPI |
Зовн. |
DIP16 |
LTC1661 |
10 |
2 |
5 |
V |
5 |
SPI |
Зовн. |
DIP8 |
LTC1662 |
10 |
2 |
5 |
V |
5 |
SPI |
Зовн. |
DIP8 |
Мах5158 |
10 |
2 |
5 |
V |
8 |
SPI |
Зовн. |
DIP16 |
TLC5617A, TLV5617A |
10 |
2 |
2,7...5,5 |
V |
2,5 |
SPI |
Зовн. |
DIP8 |
TLV5637 |
10 |
2 |
2,7...5,5 |
V |
1 |
SPI |
Зовн. |
DIP8 |
LTC1664 |
10 |
4 |
5 |
V |
5 |
SPI |
Зовн. |
DIP16 |
Мах5250 |
10 |
4 |
5 |
V |
10 |
SPI |
Зовн. |
DIP20 |
TLV5604 |
10 |
4 |
2,7...5,5 |
V |
3 |
SPI |
Зовн. |
DIP16 |
LTC1660 |
10 |
8 |
5 |
V |
5 |
SPI |
Зовн. |
D1P16 |
Були сформульовані вимоги до підсистеми паралельних цифроаналогових перетворювачів (DAC). Як приклад розглядався варіант оснащення універсального технологічного контролера шістьма незалежними 8-розрядними цифроаналоговими перетворювачами (допускалося використання і 10-розрядних мікросхем при незначному підвищенні вартості). При цьому підсистема повинна мати мале енергоспоживання, живлення від одного джерела +5 В (в окремих випадках допускається використання додаткової напруги живлення ±15 В). Крім того, підсистема повинна займати мінімальний об'єм друкованої плати. Були також визначені загальні вимоги до використовуваних мікросхем при проектуванні універсальних технологічних контролерів: мікросхеми повинні мати корпус DIP, порівняно низьку вартість і високу доступність.
Для проведення подальшого аналізу необхідно ознайомитися з документацією на кожну з відібраних мікросхем. У результати ознайомлення з відібраних мікросхем сформовано 6 груп за збігом виводів. Три групи двоканальних DAC і три групи — чотирьохканальних. Розташування виводів відібраних мікросхем показане на рис. 4.20.
Перша група двоканальних DAC складається тільки з мікросхеми AD7302 — двоканального восьмирозрядного цифроаналогового перетворювача (рис. 4.20, а). Мікросхема випускається в корпусі DIP20, функціонує в діапазоні від 2,7 В до 5,5 В, має режим енергозбереження (Power Down Mode), споживання в нормальному режимі не перевищує 5 мА, може працювати від вбудованого або зовнішнього джерела опорної напруги, аналогові виходи буферизовані. Вхідні паралельні цифрові входи двічі буферизовані, тобто в перші регістри інформація записується з шини за сигналами запису WR/ при подачі активного сигналу вибірки кристала CS/ і перемикача запису в канал В/А. При цьому аналогові виходи можуть змінювати свій стан одразу при записуванні в перший регістр (якщо сигнал LDAC/ постійно дорівнює нулю) або за сигналом LDAC/ (активний низький).
До другої групи двоканальних восьмирозрядних цифроаналогових перетворювачів входить 8 мікросхем, сумісних за призначенням виводів: AD7528, Мх7528, Рм7528, TLC7528, AD7628, Мх7628, Рм7628, TLC7628 (рис. 4.20, б). Мікросхеми також випускаються в корпусі DIP20, функціонують від ~4 В до + 16,5 В. Мікросхема має роздільні керовані входи опорної напруги для кожного з каналів. Мікросхеми не мають подвійної буферизації щодо входу і аналоговою — щодо виходу.
Рис. 4.20. Паралельні цифроаналогові перетворювачі
До третьої групи входить мікросхема двоканального десятирозрядного цифроаналогового перетворювача AD7397 (рис. 4.20, в). Мікросхема виконана в корпусі DIP24. Мікросхема відрізняється наднизьким енергоспоживанням, при живленні від 2,7 В до 5,5 В струм споживання зазвичай складає 0,125 мА і гарантується не його перевищення 0,2 мА. Мікросхема DAC має подвійну буферизацію щодо входу з роздільним стробуванням кожного каналу (сигнали LDA/ і LDB/). Виходи також буферизовані і забезпечують режим енергозбереження. Крім того, мікросхема має вхід скидання даних для обох цифроаналогових перетворювачів. Слід зазначити, що на цифрові входи одночасно повинні подаватися 10 двійкових розрядів, що не дуже зручно для мікроконтролерних систем.
У четверту групу входять три мікросхеми чотирьохканальних восьмирозрядних цифроаналогових перетворювачів: Мах505, Мх7225, TLC7225 (рис. 4.20, г). Ці мікросхеми випускаються в корпусі DIP24. Мікросхеми можуть працювати від одного джерела живлення 4,5 В — 5,5 В або від двох джерел (друге від -5 В до 0 В). Споживання мікросхеми складає зазвичай 5 мА. Мікросхеми мають роздільні входи опірної напруги і подвійну об'єднану буферизацію щодо входу.
П'ята і шоста групи (рис. 4.20, д, е) представлені мікросхемами чотирьохканальних восьмирозрядних цифроаналогових перетворювачів: AD7305 і групою мікросхем Мах506, TLC7226, Мх7226. Обидві групи мікросхем випускаються в корпусі DIP20. Відмінність між групами фактично зводиться до відмінності призначення одного виводу. Мікросхеми можуть працювати від одного джерела живлення 4,5 В — 5,5 В або від двох джерел (друге від -5 В до 0 В). Споживання мікросхеми складає 5 мА. Всі мікросхеми буферизовані щодо виходу. Мікросхема п'ятої групи AD7305 має подвійну буферизацію щодо входу з входом стробування другого буфера LDAC/. Якщо він постійно з’єднаний з нулем, то мікросхема не має режиму вторинної буферизації і по виводах повністю відповідає мікросхемам шостої групи.
Аналіз наведених відомостей, а також стан ринку постачальників мікросхем дозволяє зупинити наш вибір на мікросхемах шостої групи, зокрема на Мах506.