ЦИФРОАНАЛОГОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
DIGITAL-TO-ANALOGUE CONVERTER

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к измерительной технике, автоматике, а также к технике преобразования цифровых величин в аналоговые и может быть использовано при создании высокоточных аналого-цифровых преобразователей и систем контроля параметров изделий электронной техники.
Уровень техники
Известны различные типы цифроаналоговых преобразователей (ЦАП) [1], построенные как на резистивных матрицах различного типа, так и на основе преобразования частоты в напряжение (например, микросхема КР1108ПП1, см. стр.257).
К недостаткам ЦАП первого типа можно отнести технологическую сложность и дороговизну изготовления резистивных матриц, а второго - недостаточную точность и линейность характеристики преобразования. Известно - прецизионные резистивные матрицы можно изготовить только по тонкопленочной технологии, включающей функциональную подгонку сопротивлений резисторов, а не по полупроводниковой, что и определяет указанные недостатки.
Известны структурные и принципиальные схемы ЦАП, приведенные, например, также в работах [2, 3].
Однако все описанные в [2, 3] ЦАП с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) обладают значительной нелинейностью характеристики преобразования за счет изменяющейся скважности импульсного сигнала, на входе фильтра нижних частот (ФНЧ) и зависимости уровня пульсации на выходе ФНЧ от преобразуемого кода.
Известен ЦАП с ШИМ, обладающий хорошей линейностью характеристики преобразования [4], (прототип), содержащий источник опорного напряжения, весовые резисторы, операционный усилитель, задающий генератор, основной и дополнительные элементы И, D-триггеры, МОП-транзисторы, шину сдвига, вычитающий счетчик, n преобразователей кода в интервал времени, резисторы, регистр сдвига, RS-триггер, регистр кода периода, регистр преобразуемого кода, формирователь импульсов, источник напряжения, одновибратор, конденсатор, шину «Пуск» и выходную шину.
Недостатком данного устройства-прототипа является его высокая сложность, связанная с необходимостью формирования n временных последовательностей, а также с необходимостью обеспечения одинакового коэффициента передачи каждого из n каналов суммирующего усилителя, а следовательно, и невысокая надежность точного воспроизведения характеристики преобразования при изменении температурных и прочих влияющих факторов.
Сущность изобретения
Задачей, на которую направлено изобретение, является создание цифроаналогового преобразователя, выполняющего преобразование на базе широтно-импульсной и амплитудной модуляции, обладающего сравнительной простотой и высокой линейностью характеристики преобразования.
2
1
1
2
3
1
1
1
Поставленная задача достигается за счет того, что цифроаналоговый преобразователь содержит задающий генератор импульсов, весовые резисторы, источник опорного напряжения, выход которого соединен с первыми выводами первого и второго весовых резисторов, фильтрующий операционный усилитель (3), в цепь обратной связи которого параллельно подключены резистор и конденсатор, а его выход является выходной шиной цифроаналогового преобразователя, два счетчика импульсов, элемент И, один из входов которого соединен с выходом задающего генератора, а выход подключен к вычитающему входу первого счетчика, блок задания кода, узел начального запуска, три управляемых ключа, RS-триггер, дополнительно введены элемент ИЛИ, элемент задержки, амплитудный модулятор, образованный операционным усилителем (3), второй конденсатор, сумматор-смеситель на трех весовых резисторах, первый вход которого подключен через первый управляемый ключ к выходу источника опорного напряжения, второй вход - к выходу операционного усилителя (3), а выход соединен через второй управляемый ключ с прямым входом операционного усилителя (3) и с первым выводом второго конденсатора, второй вывод которого соединен с общей шиной сумматора-смесителя и с первым выводом дополнительного резистора, второй вывод которого соединен с инвертирующим входом операционного усилителя (3), управляющий вход первого управляемого ключа подключен к прямому выходу RS-триггера и к второму входу элемента И, выход которого дополнительно соединен с управляющим входом второго управляемого ключа, а первый вход соединен дополнительно с входом суммирования второго счетчика и с входом управления третьего управляемого ключа, работающего на переключение, причем его перекидной контакт соединен с прямым входом операционного усилителя (3), первый неподвижный - с общей шиной, а второй - с вторым выводом второго весового резистора, инверсный же вход операционного усилителя (3) соединен с вторым выводом первого весового резистора и через третий весовой резистор с выходом усилителя (3), вход S RS-триггера подключен к выходу элемента ИЛИ и к входу элемента задержки, выход которого соединен с входом записи параллельной информации с блока задания кода в первый счетчик, вход обнуления - R которого соединен с входом R второго счетчика, с выходом узла начального запуска и с первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого подключен к выходу переполнения второго счетчика, а выход «<0» первого счетчика соединен с входом обнуления RS-триггера, причем выполнены счетчики одинаковой разрядности.
Перечень чертежей
На фиг.1 представлена схема цифроаналогового преобразователя с широтно-импульсной модуляцией.
1
7
8
1
2
1
2
Цифроаналоговый преобразователь содержит источник 1 опорного напряжения, резисторы 2-2 с сопротивлением R, а также 2 с сопротивлением kR, операционный усилитель 3, фильтрующий операционный усилитель 3, задающий генератор импульсов 4, элемент И 5, второй счетчик 6, первый счетчик 7, RS-триггер 8, конденсаторы 9 и 10, элемент ИЛИ 11, элемент 12 задержки, блок 13 задания кода, узел 14 начального запуска, управляемый ключ 15, первый и второй управляемые ключи 16-16, выходную шину 17.
На фиг.2 представлены эпюры 18-22 напряжений на выходах соответствующих элементов схемы.
Эпюра (временная диаграмма) 18 - сигнал на выходе Q RS-триггера 8 при преобразовании двоичного кода N=000…001, равного единице;
1
временная диаграмма 19 - сигнал на выходе операционного усилителя 3;
1
4
6
2
4
6
2
1
4
6
2
4
6
2
эпюры напряжений 20: 20 - на выходе делителя напряжений 2-2 при отключенном конденсаторе 10 в режиме преобразования кода N=000…001, 20 - на выходе делителя напряжений 2-2 при подключенном конденсаторе 10 к прямому входу фильтрующего операционного усилителя 3 в режиме преобразования кода N=000…001; временная диаграмма 21 - сигнал на выходе Q RS-триггера 8 при преобразовании двоичного кода N=000…010, равного двум; эпюры напряжений 22: 22 - на выходе делителя напряжений 2-2 при отключенном конденсаторе 10 в режиме преобразования кода N=000…010; 22 - на выходе делителя напряжений 2-2 при подключенном конденсаторе 10 к прямому входу фильтрующего операционного усилителя 3 в режиме преобразования кода N=000…010.
На фиг.3 представлены эпюры 23 напряжений, поясняющие работу фильтра нижних частот (ФНЧ) при подаче на его вход широтно-импульсного сигнала прямоугольной формы.
Отличительные признаки
Отличительными признаками заявленного устройства по сравнению с прототипом являются:
1
1
3
1. В состав ЦАП дополнительно входят: элемент задержки, элемент ИЛИ, амплитудный модулятор, выполненный на операционном усилителе 3, резисторах 2-2 и управляемом ключе 15;
4
6
1
1
2
2
суммирующий узел (смеситель) на резисторах 2-2, один из входов которого подключен через первый управляемый ключ 16 к источнику опорного напряжения, а другой вход соединен с выходом амплитудного модулятора на операционном усилителе 3, а выход смесителя через второй управляемый ключ 16 подключен к накопительному конденсатору 10 и к фильтрующему усилителю 3, усиливающему постоянную составляющую в (1+k) раз.
Сведения, подтвержцающие возможность осуществления
Сущность изобретения поясняется чертежами фиг.1÷3.
ЦАП работает согласно схеме, фиг.1, следующим образом. С узла 14 начального запуска, выполненного, например, в виде одновибратора, поступает короткий положительный импульс на сброс двоичных счетчиков 6 и 7, тем самым, синхронизируя начало их работы. Этот же импульс, пройдя через логический элемент 11 ИЛИ и элемент задержки, выполненный, например, на двух логических инверторах, соединенных последовательно, поступает на вход разрешения Е записи в счетчик 7 установленного в блоке 13 кода N. Кроме того, импульс начальной установки проходит через логический элемент ИЛИ - 11 и устанавливает RS-триггер в единичное состояние. После установки счетчика 6 в нулевое состояние, а счетчика 7 в состояние кода N, заданное блоком 13 задания кода преобразования, один из них - счетчик 6 начинает работать на сложение, а другой - счетчик 7 на вычитание. Этот процесс продолжается до тех пор, пока на выходе переполнения «<0» вычитающего счетчика 7 не появится импульс, переводящий триггер 8 в нулевое состояние. Далее счетчик 7 остается в статическом состоянии, так как сигнал с выхода Q RS-триггера перекрывает клапан, выполненный на элементе И 5. Счетчики 6 и 7 должны быть одинаковой разрядности, и цикл преобразования ЦАП выбирают исходя из этой разрядности. Цикл преобразования заканчивается в тот момент, когда на выходе переполнения «≥» счетчика 7, работающего на сложение, появится импульс переполнения, а RS-триггер снова перейдет в единичное состояние.
t
t
t
Таким образом, длительность положительного импульса на выходе Q RS-триггера пропорциональна коду N. По импульсу переполнения счетчика 6 также через некоторое время задержки, заданное элементом 12, производится перепись данных в вычитающий счетчик 7. Далее цикл преобразования повторяется. Если тактовая частота задающего генератора 4 равна f, то длительность импульса на выходе Q RS-триггера при преобразовании кода N=000…001, равного единице, будет равна 1/f. Если N=000…010, то длительность импульса на выходе Q RS-триггера, равного двум, будет равна 2/f, и так далее.
ц
Если такой сигнал непосредственно подать на вход ФНЧ, выполняющего операцию интегрирования на интервале Т, то результат этой операции можно представить согласно фиг.3 (эпюры 23) вольт-секундной площадью геометрических фигур OAD и OBCD, полученных для N=100…000 и N=111…111 соответственно. При строгой линейности интегрирования площадь фигуры OAD в два раза меньше площади фигуры OBCD, без учета погрешности на квант преобразования, соответственно в таком же соотношении и средние значения напряжений за цикл преобразования. Однако, чтобы, например, обеспечить линейность интегрирования простым RC-фильтром с погрешностью линейности 1% необходимо ограничить время интегрирования интервалом времени t≤0,02 τ, где τ - постоянная времени этого фильтра. Одновременно с проблемами линейности следует учитывать, что при очень больших значениях постоянных времени интегрирования значительно уменьшается выходной диапазон ФНЧ по напряжению.
ц
Использование в устройстве-прототипе импульсов ШИМ, сдвинутых на одинаковый интервал времени в пределах цикла (Т) с последующим их суммированием, позволяет уменьшить постоянную времени τ ФНЧ, или уменьшить время установления ЦАП с ШИМ. Однако, как уже отмечалось, такое построение ЦАП (см. прототип) приводит к слишком сложной структуре.
i
i
i
В заявленном устройстве время установления ЦАП можно сделать меньше, чем у классических ЦАП с ШИМ (см., например, [2, 3]) за счет введения элементов (см. фиг.1) с позициями 2, 3, 10, 15, 16.
1
7
1
1
3
4
6
1
1
1
1
оп
ц
оп
оп
1
1
4
6
2
2
4
6
2
2
2
Сопротивления всех резисторов 2-2 равны R. В этом случае операционный усилитель 3 с подключенными к нему элементами 2-2, 15 представляет на одном интервале полупериода задающего генератора 4 инвертор, а на другом - дифференциальный усилитель. Поэтому на его выходе образуется двухполярный сигнал (см. эпюра 19), частота которого равна частоте импульсов генератора 4. Резисторы 2-2, сопротивления которых также равны R, образуют сумматор - смеситель, на один вход которого поступает сигнал с выхода операционного усилителя 3, а другой вход подключен через первый управляемый ключ 16 к выходу источника 1 опорного напряжения. Первый управляемый ключ 16 управляется RS-триггером 8, причем длительность положительного управляющего импульса пропорциональна преобразуемому коду N, а на время действия этого импульса первый управляемый ключ 16 находится в замкнутом состоянии. Эпюра 18 соответствует этому импульсу управления при N=000…001, а эпюра 21 - при N=000…010. Соответственно, для этих же двух случаев построены эпюры 20 и 22 напряжений на выходе смесителя - сумматора. Прямоугольные импульсы эпюр 20, 22 на интервале ШИМ импульса, определенного сигналом Q RS-триггера 8, положительны и имеют амплитуду - 2U/3. На остальной же части цикла Т преобразования размещаются двухполярные прямоугольные импульсы амплитудой +U/2, - -U/2. Такой результат (диаграммы 20 и 22) получается на выходе смесителя 2-2, если второй управляемый ключ 16 разомкнут. Если же второй управляемый ключ 16 будет замкнут, то к выходу смесителя 2-2 подключается интегрирующая емкость 10 и прямой вход операционного усилителя 3. В то же время второй управляемый ключ 16 работает с частотой задающего генератора 4 в диапазоне ШИМ импульса, поступающего с выхода Q RS-триггера 8. На время его размыкания сохраняется заряд, достигнутый в предыдущем такте на емкости 10. Эпюра 22 отображает этот процесс ростом напряжения от такта к такту в пределах ШИМ импульса.
7
8
2
2
2
2
оп
8
Элементы обратной связи 2-2, 9 с операционным усилителем 3 выполняют фильтрацию по переменной составляющей и усиление по постоянной составляющей сигнала (см. эпюры 20, 22), поступающего на прямой вход этого фильтрующего усилителя 3. Регулировку усиления среднего значения напряжения на выходе 17, равного, например, U, можно выполнить резистором 2-kR, подобрав коэффициент k.
1
1
ц
ц
4
6
В целом же, для любого преобразуемого кода N, модулированный по ШИМ, а затем по амплитудной модуляции, сигнал (см. эпюры 20, 22), является во всем диапазоне преобразования (на интервале Т) периодическим со скважностью Q=2, то есть имеет постоянный частотный дискретный спектр, а частота первой гармоники этого спектра (равна частоте тактового генератора) во много раз выше частоты цикла 1/Т преобразования ЦАП. То есть, снимаемый с выхода смесителя (2-2) сигнал состоит практически из одних и тех же гармоник, изменяется лишь их амплитуда. Следовательно, зная тактовую частоту, несложно подобрать ФНЧ с требуемой полосой пропускания, что, в свою очередь, позволит получить хорошую линейность по шкале преобразования ЦАП и повысить быстродействие.
2
2
2
з
раз
2
8
В устройстве фиг.1 элементы: второй управляемый ключ 16 и конденсатор 10 представляют не УВХ (в строгом смысле слова), с нормированными параметрами по дрейфу (скорости спада), а дополнительный фильтр НЧ, у которого постоянная времени зависит от состояния второго управляемого ключа 16. Если этот ключ 16 замкнут, то постоянная времени τ дополнительного фильтра значительно меньше, чем постоянная времени τ при разомкнутом управляемом ключе 16, а квант преобразования определяется разностью напряжений на конденсаторе 10 в такте преобразования. Доводку же кванта h преобразования (или полной шкалы преобразования) ЦАП до установленного значения можно выполнить, например, регулировкой коэффициента передачи активного фильтра по постоянной составляющей, т.е. изменением величины сопротивления 2.
Исходя из приведенного описания работы устройства - ЦАП, его функциональной и принципиальной схемы, не трудно заключить, что заявленное устройство цифроаналогового преобразования обладает основными характеристиками (точностью преобразования и быстродействием), близкими к характеристикам устройства-прототипа, однако имеет более простую техническую реализацию.
Источники информации
1. Федорков Б.Г., Телец В.А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 320 с.
2. Микросхемы АЦП и ЦАП. - М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2005. - 432 с., С.13-24.
3. Метрологические средства для поверки цифровых приборов / Приборы, средства автоматизации и системы управления: ТС-5, Выпуск 3. - М.: ИНИИТЭИ приборостроения, 1982. - 62 с.
4. А.с. №1735999 СССР, Н03М 1/66. Цифроаналоговый преобразователь / Г.С.Власов, С.Е.Лях и В.Г.Сараев. // Опубл. 1992, бюл. №19.