ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ЦИФРОАНАЛОГОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
FUNCTIONAL DIGITAL-ANALOG CONVERTER

Изобретение относится к области автоматики, информационно-измерительной и вычислительной техники, а именно к устройствам для нелинейного преобразования цифрового кода в аналоговую величину. Устройства с нелинейным преобразованием часто используются в электронике, автоматике и информационно-измерительной технике. Известны нелинейные (функциональные) цифроаналоговые преобразователи (ЦАП), использующие различные виды аппроксимации нелинейной зависимости. Существуют схемотехнические решения по реализации функционального ЦАП при помощи степенной, дробно-рациональной, полиномиальной, кусочно-линейной аппроксимации (Патент 74022 МПК H03M 1/66. Устройство нелинейного цифро-аналогового преобразования сигнала. / Сапельников В.М. и др.; заявка №2007149643; зарегистрировано 10.06.2008). Например, непрерывную нелинейную функцию с помощью кусочно-линейной аппроксимации получают с помощью последовательно подключаемых масштабирующих резисторов (Гусев В.Г. Электроника и микропроцессорная техника: Учеб. для вузов / В.Г.Гусев, Ю.М.Гусев. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2004. - 790 с.; с.486). Уравнение кусочно-линейной аппроксимации:
,
i
где k - коэффициент наклона, C - постоянная составляющая.
Последовательное (по мере изменения выходной величины) подключение резисторов может осуществляться с помощью отпираемых в нужные моменты времени диодов (Гусев В.Г. Электроника и микропроцессорная техника: Учеб. для вузов / В.Г.Гусев, Ю.М.Гусев. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2004. - 790 с.; с.488). При таком решении с заданной степенью точности может быть реализована любая нелинейная функция. Сложность данного метода заключается в индивидуальной подгонке значений каждого резистора.
Для преобразования цифрового кода в аналоговую величину используют микросхемы интегральных цифроаналоговых преобразователей (ЦАП), которые линейно преобразуют входной цифровой код в аналоговую величину - напряжение или ток. Для управления преобразованием микросхемы ЦАП имеют также управляющий вход для подачи опорного напряжения (Федорков Б.Г., Телец В.А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 320 с.; с.58-59).
Функциональные ЦАП представляют собой класс приборов, производящих одновременно нелинейное и цифроаналоговое преобразования. Они применяются, например, в цифроуправляемых калибраторах фазы для реализации тригонометрических функций (Сапельников В.М., Кравченко С.А., Чмых М.К. Проблемы воспроизведения смещаемых во времени электрических сигналов и их метрологическое обеспечение. - Уфа: Изд-е Башкирск. гос. ун-та, 2000. - 196 с.).
Известен преобразователь одного цифрового кода в два аналоговых сигнала, воспроизводящих разные функциональные зависимости (патент РФ №2286013 C2, МПК H03M 1/66; опубл. 20.10.2006), содержащий два постоянных запоминающих устройства (ПЗУ), два ЦАП, два усилителя, электронный генератор, регистр, электронные ключи и инвертор.
Недостатком устройства является то, что функциональное преобразование в нем осуществляется только с помощью ПЗУ, хранящих значения функции для всех возможных значений входного кода. Это является неприемлемым при работе с быстроизменяющимися сигналами из-за низкого быстродействия элементов памяти.
Известен функциональный ЦАП (А.с. СССР №702388, МКИ G06J 3/00; опубл. 05.12.79), построенный на двух масштабных цифроуправляемых резисторах и двух операционных усилителях. Его недостатком является аппроксимация только синусно-косинусных зависимостей, что ограничивает область применения ЦАП.
Также недостатком устройства является включение линейного ЦАП таким образом, что ни один из его аналоговых входов не соединен с общим проводом. Это значительно сужает круг пригодных для применения серийно выпускаемых умножающих ЦАП: для большинства схем ЦАП требуется, чтобы опорное напряжение и напряжение питания измерялись относительно потенциала одной точки.
Кроме того, к недостаткам данного устройства следует отнести сложность расчета номиналов резисторов и сложность настройки.
Устройством, наиболее близким к предлагаемому, является функциональный ЦАП на кусочно-линейной аппроксимации (патент 2339159 C1 RU, МПК H03M 1/66, 09.04.2007, опубликовано 20.11.2008, бюл. №32. Функциональный цифроаналоговый преобразователь), содержащий первый, второй и третий линейный цифроаналоговый преобразователь и источник опорного напряжения, два постоянных запоминающих устройства (ПЗУ), сумматор, причем входная цифровая шина подключена к адресным цифровым входам первого и второго постоянных запоминающих устройств и цифровым входам первого линейного цифроаналогового преобразователя, цифровые выходы обоих постоянных запоминающих устройств подключены к соответствующим цифровым входам второго и третьего линейных цифроаналоговых преобразователей, источник опорного напряжения соединен с управляющими входами второго и третьего линейных цифроаналоговых преобразователей, аналоговый выход второго линейного цифроаналогового преобразователя соединен с управляющим входом первого линейного цифроаналогового преобразователя, аналоговый выход которого подключен к первому входу сумматора, а аналоговый выход третьего линейного цифроаналогового преобразователя подключен ко второму входу сумматора, выход сумматора является выходом всего устройства.
Недостатком данном устройства является использование двух ПЗУ, более низкая точность кусочно-линейного метода аппроксимации по сравнению со сплайновой аппроксимацией.
i
i
i
i
i
3
2
С целью увеличения точности нелинейного цифро-аналогового преобразования устройства предлагаем устройство, основанное на сплайновой аппроксимации. Уравнение сплайна имеет вид: y=ax+bx+cx+d.
Задача изобретения - упрощение конструкции устройства и повышение точности нелинейного цифроаналогового преобразования.
Поставленная задача достигается тем, что в функциональный цифроаналоговый преобразователь, содержащий три линейных умножающих ЦАП, источник опорного напряжения и сумматор, в отличие от прототипа, вместо двух ПЗУ поставлен кодопреобразователь (например, ПЗУ малой емкости), дополнительно введены четыре линейных ЦАП, задающих коэффициенты при соответствующих умножающих ЦАП, причем входная цифровая шина подключена к адресным цифровым входам кодопреобразователя и цифровым входам первых трех линейных умножающих ЦАП, цифровые выходы кодопреобразователя подключены к соответствующим цифровым входам четырех линейных ЦАП, задающих коэффициенты, источник опорного напряжения соединен с управляющими входами первого и седьмого линейного ЦАП, аналоговый выход которого подключен к первому входу сумматора; аналоговый выход первого линейного ЦАП соединен с управляющим входом второго и шестого линейного ЦАП, аналоговый выход которого подключен ко второму входу сумматора; аналоговый выход второго линейного ЦАП соединен с управляющим входом третьего и пятого линейного ЦАП, аналоговый выход которого подключен к третьему входу сумматора; аналоговый выход третьего линейного ЦАП соединен с управляющим входом четвертого линейного ЦАП, аналоговый выход которого подключен к четвертому входу сумматора; выход сумматора является выходом всего устройства.
На чертеже показана структурная схема функционального ЦАП.
i
i
i
i
Функциональный ЦАП содержит семь умножающих линейных ЦАП 1-7, на входы умножающих линейных ЦАП 1-3 подается цифровой код N, а на входы умножающих линейных ЦАП 4-7 подается цифровой код, задающий переменные коэффициенты сплайна a, b, c, и d в зависимости от количества участков сплайновой аппроксимации. Выходные сигналы умножающих линейных ЦАП 1-3 являются опорными напряжениями для умножающих линейных ЦАП 6-4 соответственно. Цифровой код на входы умножающих линейных ЦАП 4-7 подается через кодопреобразователь 9, в котором хранятся значения коэффициентов сплайна, в зависимости от цифрового кода N. Опорное напряжение для ЦАП 1 и 7 подается с источника опорного напряжения 8 (ИОН). Выходные сигналы ЦАП 4-7 суммируются операционным усилителем 10.
Устройство работает следующим образом.
ОП
ОП
ОП
2
3
Входной цифровой сигнал N одновременно подается на первых три умножающих линейных ЦАП 1-3 и кодопреобразователь 9. Полученный на выходе первого умножающего линейного ЦАП 1 сигнал будет пропорционален произведению опорного напряжения и входного цифрового кода U·N(t). Полученный на выходе второго умножающего линейного ЦАП 2 сигнал будет пропорционален напряжению после первого умножающего ЦАП 1 и входному цифровому коду, т.е. пропорционален опорному напряжению и квадратичной зависимости входного цифрового кода U·N(t). По аналогичному принципу, полученный на выходе третьего умножающего линейного ЦАП 3 сигнал будет пропорционален произведению опорного напряжения и кубической зависимости входного цифрового кода U·N(t).
i,
i
i
i
i,
i
i
i
Кодопреобразователь 9 по входному цифровому коду N производит выборку кодов соответствующих коэффициентам a b, c и d на данном участке аппроксимации i. Эти коды преобразуются в четырех умножающих линейных ЦАП 4-7 в соответствующие аналоговые коэффициенты a b, c и d, которые перемножаются с опорными напряжениями, поданными на эти ЦАП.
Выходные напряжения четырех умножающих линейных ЦАП 4-7 суммируются на операционном усилителе 10. Таким образом, устройство реализует на каждом из участков аппроксимации i интерполяцию кубическим сплайном:
ОП
где U - опорное напряжение от источника опорного напряжения 8;
i
i
i
i
a, b, c, d - коэффициенты сплайновой аппроксимации;
i - номер участка аппроксимации;
N(t)- цифровой код
Предлагаемая структура содержит только стандартные однотипные умножающие ЦАП, что позволяет упростить схему, заменив семь умножающих линейных ЦАП 1-7 на два четырехканальных умножающих линейных ЦАП. Также схема не содержит резисторов различных номиналов, наличие которых предполагало бы сложность изготовления, настройки и подгонки и большую стоимость устройства. Таким образом, построение функционального ЦАП по рассмотренной структуре позволяет упростить его структурную схему и повысить точность цифроаналогового преобразователя.