ЧЕТЫРЕХКВАДРАНТНЫЙ ЦИФРОАНАЛОГОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Предлагаемая полезная модель относится к вычислительной технике и может быть использована в качестве преобразователя кода в напряжение в цифровых управляющих системах.
Известны ЦАП с биполярным выходом (см. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. 12_е изд. Том II: Пер. с нем. - М.: ДМК Пресс, 2007. - 942 с.: ил., стр.305, рис.18-13) содержащие источник опорного напряжения, подключенный к земле, выход которого подключен ко входу напряжения опоры токового ЦАП, токовый выход которого подключен к инвертирующему входу первого операционного усилителя, не инвертирующий вход которого подключен к земле, а выход - через первый резистор к его инвертирующему входу, комплементарный токовый выход токового ЦАП подключен к инвертирующему входу второго операционного усилителя, не инвертирующий вход которого подключен к земле, а выход подключен через второй резистор к его инвертирующему входу, а через третий резистор - к инвертирующему входу первого операционного усилителя, выход источника опорного напряжения через третий резистор подключен к инвертирующему входу второго операционного усилителя, при этом 1-й…(N-1) входы шины цифрового кода подключены к 1-му…(N-1)-му входам цифрового кода токового ЦАП, к N-му входу цифрового кода которого через логическую схему «НЕ» подключен N-й разряд шины цифрового кода.
Недостатком устройства является инверсия выходного напряжения по отношению к опорному, низкая точность из-за малой разрядности и недостаточной стабильности нулевой точки.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является ЦАП с биполярным выходом (см. http://pspicelib.narod.ru/00_index/ADC_DAC.htm, микросхема ЦАП К572ПА2 в режиме четырехквадрантного умножения), содержащий источник опорного напряжения, подключенный к земле, два операционных усилителя, три резистора и токовый ЦАП, вход записи которого является входом записи устройства, а выход подключен к инвертирующему входу первого операционного усилителя, не инвертирующий вход которого подключен к земле, а выход подключен ко входу резистора обратной связи токового ЦАП и через первый резистор - к инвертирующему входу второго операционного усилителя, выход которого является выходом устройства и подключен к его входу через второй резистор, источник опорного напряжения подключен ко входу опорного напряжения ЦАП и через третий резистор к инвертирующему входу второго операционного усилителя, не инвертирующий вход которого подключен к земле, при этом N цифровых входов токового ЦАП являются входами устройства.
Недостатком устройства является низкая точность из-за малой разрядности и недостаточной стабильности нулевой точки.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является увеличение точности преобразования за счет добавления одного разряда и повышения стабильности нулевой точки за счет выдачи нулевого напряжения при нулевом выходном токе токового ЦАП.
Сущность полезной модели состоит в том, что четырехквадрантный цифроаналоговый преобразователь содержит источник опорного напряжения, подключенный к земле, два операционных усилителя, два резистора и токовый ЦАП, вход записи которого является входом записи устройства, а выход подключен к инвертирующему входу первого операционного усилителя, не инвертирующий вход которого подключен к земле, а выход является выходом устройства и подключен ко входу резистора обратной связи токового ЦАП, первый вывод первого резистора подключен к инвертирующему входу второго операционного усилителя, выход которого подключен к его входу через второй резистор.
Новым в предлагаемой полезной модели является то, что введены коммутатор, N логических схем «исключающее ИЛИ», N полусумматоров, N логических схем «ИЛИ» и D-триггер, при этом выход источника опорного напряжения подключен ко второму выводу первого резистора и к первому входу коммутатора, второй вход которого подключен к земле, а выход - к не инвертирующему входу второго операционного усилителя, выход которого подключен ко входу опорного напряжения токового ЦАП, 1-й…N-й разряды шины цифрового кода подключены соответственно к первым входам 1-й…N-й логических схем «исключающее ИЛИ», выходы которых подключены соответственно к первым входам 1-го…N-го полусумматоров, первые выходы которых подключены к первым входам 1-й…N-й логических схем ИЛИ, выходы которых подключены к 1-му…N-му цифровым входам токового ЦАП, вход знакового разряда является (N+1)-м разрядом цифрового кода и подключен ко вторым входам 1-й…N-й логических схем «исключающее ИЛИ», ко второму входу 1-го полусумматора и D входу D-триггера, выход которого подключен к управляющему входу коммутатора, при этом вторые выходы 1-го…(N-1)-го полусумматоров подключены соответственно ко вторым входам 2-го…N-го полусумматоров, выход N-го полусумматора подключен ко вторым входам логических схем «ИЛИ», а вход записи подключен к С входу D-триггера.
Введение новых узлов и связей обеспечило увеличение точности преобразования за счет добавления одного разряда и повышения стабильности нулевой точки.
На Фиг.1 представлена схема четырехквадрантного цифроаналогового преобразователя.
Устройство содержит источник опорного напряжения 1, подключенный к земле, два операционных усилителя 2 и 3, два резистора 4 и 5 и токовый ЦАП 7, вход записи которого является входом записи устройства, а выход подключен к инвертирующему входу первого операционного усилителя 2, не инвертирующий вход которого подключен к земле, а выход является выходом устройства и подключен ко входу резистора обратной связи токового ЦАП 7, первый вывод первого резистора 4 подключен к инвертирующему входу второго операционного усилителя 3, выход которого подключен к его входу через второй резистор 5, 1-й, 2-й…(N-1)-й, N-й разряды шины цифрового кода подключены соответственно к первым входам 1-й, 2-й…(N-1)-й, N-й логических схем «исключающее ИЛИ» (XOR) 8…11, выходы которых подключены соответственно к первым входам 1-го, 2-го…(N-1)-го, N-го полусумматоров 12…15, первые выходы которых подключены к первым входам 1-й, 2-й…(N-1), N-й логических схем «ИЛИ» (OR) 16…19, выходы которых подключены к 1-му…N-му цифровым входам токового ЦАП 7, вход знакового разряда является (N+1)-м разрядом цифрового кода и подключен ко вторым входам 1-й, 2-й…(N-1)-й, N-й логических схем «исключающее ИЛИ» 8…11, ко второму входу 1-го полусумматора 12 и D входу D-триггера 20, выход которого подключен к управляющему входу коммутатора 6, при этом вторые выходы 1-го, … (N-1)-го полусумматоров 12, 14 подключены соответственно ко вторым входам 2-го…N-го полусумматоров 13, 15, выход N-го полусумматора 15 подключен ко вторым входам логических схем ИЛИ 16…19, а вход записи подключен к С входу D-триггера 20.
Четырехквадрантный цифроаналоговый преобразователь функционирует следующим образом.
N+1
При поступлении на вход устройства положительного входного кода (знаковый разряд Z=0) вce разряды входного кода дойдут до цифровых входов токового ЦАП 7 без изменения. Действительно, в схемах «исключающее ИЛИ» 8…11 инверсии не произойдет, т.к. на их вторых входах присутствует напряжение знакового разряда нулевого уровня. На первые входы логических схем ИЛИ 16…19 код поступит также без изменения, т.к. на второй вход первого полусумматора 12 подан нулевой уровень знакового разряда и переноса не возникает. Поскольку на выходе N-го полусумматора 15 переноса не возникает, логический ноль с его выхода не изменит значения кода на выходах логических схем ИЛИ 16…19. Импульс на входе записи зафиксирует входной код в регистре токового ЦАП 7, а знаковый разряд - в D-триггере 20.
Коммутатор 6 нулевым значением знакового разряда на управляющем входе подключит землю к не инвертирующему входу операционного усилителя 3, поэтому на его выходе сформируется инвертированное напряжение опоры -Uоп, подключенное ко входу опорного напряжения токового ЦАП 7.
N+1
N
N-1
2
1
При изменении входного кода устройства Z, Z, Z…Z, Z от 000…00 до 011…11 втекающий выходной ток токового ЦАП 7 будет изменяться от нулевого до максимального, а напряжение на выходе операционного усилителя 2 будет изменяться от нулевого до максимального положительного.
N+1
При поступлении на вход устройства отрицательного входного кода (знаковый разряд Z=1) коммутатор 6 единичным значением знакового разряда на управляющем входе подключит Uoп к не инвертирующему входу операционного усилителя 3, поэтому на его выходе сформируется неинвертированное напряжение опоры +Uoп, подключенное ко входу опорного напряжения токового ЦАП 7.
Все разряды входного кода пройдут через схемы «исключающее ИЛИ» 8…11 с инверсией, т.к. на их вторых входах присутствует напряжение знакового разряда единичного уровня, т.е сформируется обратный код. На входы логических схем «ИЛИ» 16…19 поступит код, увеличенный на единицу младшего разряда, т.е. дополнительный, т.к. на второй вход первого полусумматора подан единичный уровень знакового разряда. Логические схемы ИЛИ 16…19 будут пропускать код на цифровые входы токового ЦАП 7 без изменения, пока на N-м полусумматоре не возникнет переноса.
N+1
N
N-1
2
1
При изменении входного кода устройства Z, Z, Z…Z, Z от 111…11 до 100…01 (что соответствует заданию отрицательных чисел в дополнительном коде), код на выходах схем «исключающее ИЛИ» 8…11 будет изменяться от 00…00 до 11…10, на выходах полусумматоров 16…19 и на цифровых входах токового ЦАП 7 - от 00…01 до 11…11. При этом вытекающий выходной ток токового ЦАП 7 будет изменяться от нулевого до максимального, а напряжение на выходе операционного усилителя 2 будет изменяться от нулевого до максимального отрицательного.
N+1
N
N-1
2
1
Логические схемы «ИЛИ» 16…19 предназначены для защиты устройства от переброса в ноль при входном коде Z, Z, Z…Z, Z равном 100…00.
N+1
N
N-1
2
1
При появлении входного кода устройства Z, Z, Z…Z, Z равного 100…00, код на выходах схем «исключающее ИЛИ» 8…11 будет равен 11…11, в полусумматорах 16…19 произойдет сквозной перенос и на их первых выходах появится код 00…00, но единичный уровень переноса на втором выходе N-го полусумматора 15 пройдет через все логические схемы ИЛИ и удержит на цифровых входах токового ЦАП 7 код 11…11. При этом напряжение на выходе операционного усилителя 2 останется максимальное отрицательное.
Предложенная схема устройства обеспечивает выдачу выходного напряжения в диапазоне от минус Uoп до +Uoп при входных кодах со знаком в дополнительном коде, используемым во всех управляющих ЭВМ. Нулевое выходное напряжение обеспечивается при нулевом выходном токе токового ЦАП 7, что повышает стабильность нулевой точки по сравнению с известными, где нулевая точка образуется за счет смещения выходного напряжения.
Резисторы 4 и 5 выбираются равными R1=R2=R и только их точность влияет на погрешность коммутации Uoп, т.к. коммутатор 6 подключает Uoп и землю с нулевыми выходными сопротивлениями ко входу операционного усилителя 3 с огромным входным сопротивлением и практически нулевым входным током.
Таким образом, введенные узлы и связи повышают точность четырехквадрантного цифроаналогового преобразователя, т.к. увеличивается его разрядность и повышается стабильность нулевой точки.