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], 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 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.
2
1
1
2
2
1
1
1
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является цифроаналоговый преобразователь - прототип [5], содержащий 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, 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.
Недостатком устройства, принятого за прототип, является его высокая сложность из-за требования обеспечения высоких метрологических характеристик некоторых его узлов, в частности весовых резисторов, а прецизионность нескольких его узлов значительно повышает стоимость такого устройства.
Сущность изобретения.
Задачей, на которую направлено изобретение, является создание цифроаналогового преобразователя, обладающего сравнительной простотой и имеющего минимальное количество элементов, относящихся к измерительным, но обеспечивающего высокую линейность характеристики преобразования, незначительную пульсацию выходного сигнала и более высокое быстродействие, чем классические ЦАП с ШИМ преобразованием.
Поставленная задача достигается за счет того, что в цифроаналоговый преобразователь, содержащий задающий генератор импульсов, двоичный счетчик импульсов, накопительный вход которого подключен к выходу задающего генератора, источник опорного напряжения, управляемый аналоговый переключатель, переключающий вход фильтра нижних частот (ФНЧ), выход которого является выходом цифроаналогового преобразователя, между опорным напряжением, подключенным к одному из рабочих контактов аналогового переключателя, и шиной нулевого потенциала, подключенной к другому рабочему контакту аналогового переключателя, дополнительно введена логическая схема, имеющая 2k входов и один выход, который подключен к управляющему входу аналогового ключа, первые k входов логической схемы подключены к входной информационной шине цифроаналогового преобразователя, а вторые k входов подключены к разрядным выходам двоичного счетчика, причем число k равно числу разрядов преобразуемого двоичного кода.
Логическая схема (LS) выполнена в виде имеющей 2k входов и А выходов программируемой логической матрицы ПЛМ (PLA) и мультиплексора (MUX), выход которого является выходом логической схемы LS, а его информационные А входов подключены к выходной шине ПЛМ, адресные же входы мультиплексора являются первыми k входами логической схемы.
Перечень фигур чертежей.
Для доказательства работоспособности заявленного устройства и оценки его свойств по сравнению с указанными аналогами, в частности с ЦАП на основе ШИМ преобразования, а также доказательства, что по точности заявленный ЦАП не уступает устройству-прототипу, рассмотрим сначала процессы, происходящие в выходном каскаде классического ЦАП на базе ШИМ [2, 3], графические модели которых представлены на фиг.1.
На фиг.1 представлены эпюры напряжений на входе и выходе фильтра нижних частот (ФНЧ), являющегося оконечным устройством цифроаналогового преобразователя. ФНЧ может собой представлять простейшую RC-цепочку. На позиции 1 представлена изменяющаяся во времени эпюра напряжений при накоплении емкостью конденсатора заряда; на позиции 2 - эпюра разряда конденсатора; на позиции 3 - временная диаграмма импульсов, поступающих на вход ФНЧ.
i
i
1
1
cp
cp
2
2
На эпюрах фиг.1 обозначены следующие параметры при заряде выходного конденсатора ФНЧ: u, соответствующее времени t - мгновенное значение напряжения на выходе ФНЧ; u, соответствующее времени t (момент начала поступающего на ФНЧ импульса); U - среднее значение выходного напряжения, соответствующее условному моменту времени t; u, соответствующее времени t (момент окончания поступающего на ФНЧ импульса).
и
j
j
3
На эпюрах фиг.1 также обозначены временные параметры: Т - длительность цикла преобразования, t - длительность поступающего на ФНЧ импульса; а также следующие параметры (эпюра 2) при разряде выходного конденсатора ФНЧ: u, соответствующее времени t - мгновенное значение напряжения на выходе ФНЧ, u - напряжение, остающееся на конденсаторе ФНЧ в момент окончания цикла преобразования.
На фиг.2 представлены временные диаграммы поступающих на вход ФНЧ импульсов напряжения в цикле преобразования Т при преобразовании десятиразрядных двоичных кодов N, соответствующих десятичным числам n: n=1, n=2, n=4, n=512, n=513, n=1023.
На фиг.3 представлена функциональная схема предложенного цифроаналогового преобразователя. ЦАП содержит задающий тактовый генератор 4, двоичный счетчик 5, логическую комбинационную схему 6, управляемый электронный переключатель 7, фильтр нижних частот (ФНЧ) 8, клемму 9 подключения опорного напряжения, клемму 11 шины нулевого потенциала.
На фиг.4 представлен один из вариантов построения логической схемы 6, состоящей из программируемой логической матрицы ПЛМ (PLA) и мультиплексора (MUX).
Отличительные признаки.
Отличительными признаками заявленного устройства по сравнению с устройством-прототипом являются:
1. в состав ЦАП дополнительно введена логическая схема, имеющая 2k входов и один выход, который подключен к управляющему входу аналогового переключателя, первые k входов логической схемы подключены к входной информационной шине цифроаналогового преобразователя, а вторые k входов подключены к разрядным выходам двоичного счетчика, причем число k равно числу разрядов преобразуемого двоичного кода;
2. логическая схема (LS) выполнена в виде имеющей 2k входов и А выходов программируемой логической матрицы ПЛМ (PLA) и мультиплексора (MUX), выход которого является выходом логической схемы LS, а его информационные А входов подключены к выходной шине ПЛМ, адресные же входы мультиплексора являются первыми k входами логической схемы.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления.
Сущность изобретения поясняется чертежами фиг.1÷4.
На фиг.1 представлены эпюры напряжений для ЦАП классического ШИМ цифроаналогового преобразования [2, 3]. В этом случае
0
где t - образцовый интервал времени, равный длительности периода импульсов задающего (тактового) генератора, n - десятичный эквивалент преобразуемого двоичного кода N. Скважность импульсов Q, согласно фиг.1, можно определить как
max
max
cp
max
o
где n - максимальное десятичное число, соответствующее максимальному преобразуемому коду N. В свою очередь среднее значение напряжения U и определяется числом n, а число n является эквивалентом величины опорного напряжения U, тогда
j
i
Мгновенное значение напряжения u на экспоненте 1 в момент времени t, фиг.1, определяется известным из курса электротехники выражением:
где τ - постоянная времени фильтра ФНЧ, e - основание натурального логарифма.
j
cp
Полгая, что u=U, а также учитывая (2) и (3), получим:
, откуда
cp
1
2
Можно выбрать значение напряжения U как некоторую опорную точку на шкале выходных напряжений, относительно которой определяются значения u и u.
1
cp
и
0
2
cp
0
Момент времени t (момент начала импульса) наступает раньше момента t на величину t/2=n·t/2, а момент времени t (момент окончания импульса) наступает позже момента t на n·t/2. Следовательно, с учетом (4) можно записать:
j
Мгновенное значение напряжения u на экспоненте разряда (фиг.1, кривая 2) определяется выражением:
j
2
3
2
0
где t отсчитывается от момента времени t. При этом, длительность разряда будет равна t-t=Т-n·t. Тогда, с учетом (9), получим:
При установившемся режиме должны соблюдаться равенства:
o
1
2
1
Если во время классического ШИМ преобразования десятичный эквивалент n преобразуемого кода мал (большое значение Q), то длительность заряда мала, однако скорость заряда при этом велика, так как разность напряжений U-u, под действием которой происходит заряд, велика. Скорость же разряда под действием разности напряжений u-u, наоборот, в этом случае будет небольшой ввиду малости этой разницы.
При маленьких значениях Q (n велико) все будет наоборот.
2
1
и
Максимальное значение погрешности характеристики преобразования для ЦАП с ШИМ находится посредине шкалы преобразования. Это в свою очередь означает, что максимальный размах колебаний выходного напряжения фильтра u-u должен быть в установившемся режиме при t=T/2.
2
1
2
1
o
max
1
cp
2
cp
Для соблюдения необходимой точности преобразования нужно выбрать значение τ фильтра таким образом, чтобы максимальная амплитуда колебаний напряжения на его выходе u-u не превышала бы двух квантов преобразования: u-u=2U/n, величина u была бы на квант меньше U, а величина u была бы на квант больше U.
max
max
max
Выведем формулу расчета τ, считая, что десятичный эквивалент n преобразуемого кода равен: n=n/2, заменив при этом для удобства n на A:n=A.
Тогда
Подставляем это значение в (6) и производим преобразования с учетом (5):
cp
0
Учитывая, что τ находится для максимального отклонения от U на шкале преобразования входных кодов, выбираем T-n·t=T/2. Далее получим:
0
max
o
Проведем расчеты описанных параметров для конкретного ЦАП с ШИМ, условно приняв следующие безразмерные значения: t=1, T=n=A=1024, U=10,24.
В этом случае, согласно (12) получим: τ=128,125·T≈128T.
Расчеты остальных параметров такого ЦАП с ШИМ для некоторых кодов, имеющих соответствующие десятичные эквиваленты n, сведены в табл.1.
Таблица 1
n
U<sub>cp</sub>
t<sub>cp</sub>
u<sub>1</sub>
u<sub>2</sub>
u<sub>3</sub>
u<sub>2</sub>-u<sub>1</sub>
1
0,01
128
0,0099609
0,0010039
0,0099609
0,000078
16
0,16
2064
0,159385
0,160615
0,159385
0,001230
256
2,56
37707
2,552495
2,567494
2,552495
0,01499999
512
5,12
90852
5,109987
5,129987
5,109987
0,02000001
768
7,68
181704
7,672486
7,687487
7,672486
0,0150000
1008
10,08
545113
10,079383
10,080613
10,079383
0,0012305
1023
10,23
908521
10,229960
10,230039
10,229960
0,000078
2
1
Данная расчетная табл.1 характеризует свойства ЦАП (в том числе размах пульсаций выходного напряжения u-u) классического ШИМ цифроаналогового преобразования.
Чем больше величина пульсаций на выходе ФНЧ, тем больше погрешность преобразования ЦАП, а правая колонка табл.1 подтверждает параболический характер этой погрешности по шкале преобразования.
0
0
0
o
0
В предложенном устройстве не формируют ШИМ-импульс длительностью n·t, а n импульсов длительностью t размещают дискретно-равномерно на интервале цикла преобразования T. «Дискретно-равномерно» нестандартный термин, призванный обозначить, что импульсы длительностью t могут появиться только на целочисленных позициях счета тактов задающего генератора, начиная от начала цикла преобразования Т. Подобное распределение нормированных по амплитуде U и длительности t на интервале Т импульсов показано на фиг.2 временными диаграммами при различных значениях преобразуемых кодов и различных соответствующих этим кодам десятичных эквивалентах n=1, 2, 4, 512, 513, 1023.
Согласно представленным временным диаграммам при n=1 скважность , при n=2 скважность , при n=4 скважность  и так далее, то есть . Таким образом, формула для определения скважности осталась прежней (2).
0
1
2
2
1
Так как при таком распределении импульсов на временной оси длительность одного импульса всегда равна t, то в формулах (6÷8) исчезает индекс n и эти формулы для расчета u, u, u-u принимают следующий вид:
3
2
0
Длительность же разряда в этом случае равна t-t=Т/n-t. Тогда с учетом (10) получим:
cp
o
1
cp
2
cp
Выведем формулу расчета τ для n=A/2, при котором U=U/2, при этом учитывая, что величина u должна быть на квант меньше U, а величина u - на квант больше U: . Подставляем это значение в (13) и производим преобразования:
cp
0
Находим τ для максимального отклонения от U на шкале преобразования входных кодов. Это означает, что Q=2, t=T/A. Далее получим:
0
max
o
Проведем расчеты описанных параметров для конкретного ЦАП, построенного по новому принципу, условно приняв следующие безразмерные значения: t=1, T=n=A=1024, U=10,24.
В этом случае, согласно (16) получим: τ=0,5·T.
Расчеты остальных параметров ЦАП, для некоторых кодов, имеющих соответствующие десятичные эквиваленты n, сведены в табл.2.
Таблица 2
n
U<sub>cp</sub>
t<sub>cp</sub>
u<sub>1</sub>
u<sub>2</sub>
u<sub>3</sub>
u<sub>2</sub>-u<sub>1</sub>
1
0,01
0,5
0,0000049
0,0199853
0,002710
0,019980
16
0,16
8,063
0,150151
0,169839
0,150175
0,0196875
256
2,56
147,29
2,552495
2,567495
2,552495
0,014999
512
5,12
354,89
5,114995
5,124995
5,114995
0,010000
768
7,68
709,78
7,767496
7,682496
7,767496
0,005000
1008
10,08
2129
10,07984
10,08016
10,07984
0,000312
1023
10,23
3548
10,22999
10,23000
10,22999
0,00005
Сравнивая значения параметров в таблицах 1 и 2 для смоделированных ЦАП, можно заключить: ЦАП, построенный по новому принципу преобразования, при одинаковой величине пульсации на выходе фильтра позволяет значительно уменьшить τ фильтра, а следовательно, повысить быстродействие всего устройства (в данном примере в 256 раз).
Физическая реализация устройства представлена на фиг.3 и фиг.4.
На фиг.3 представлена конкретная схема 10-разрядного ЦАП (K=10).
В качестве примера запишем функцию LS для входного кода «4» (в десятичной записи), при поступлении которого импульс на выходе должен появляться в 1, 256, 512 и 768 тактах распределенных на интервале цикла преобразования T:
0
В данном случае импульсы образцовой длительности t появляются на временном интервале Т четыре раза, а интервалы между ними равны 256 тактам.
Однако на шкале преобразования имеется достаточно кодов, которые не позволяют разделить цикл преобразования Т на равные части. Возьмем, например, код, у которого десятичный эквивалент n равен «3». В этом случае ЦАП должен работать таким образом, чтобы в цикле преобразования импульсы появились на 1, 341, 682. Тогда оставшийся после 682 такта интервал до следующего цикла преобразования составит уже 342 такта.
В этом нет ничего недопустимого, а погрешность пульсации увеличится от такой неравномерности распределения импульсов на интервале времени Т совсем незначительно. В то же время такому распределению, скорее всего, подойдет термин: «равномерно-дискретное».
Таким образом, при одинаковой разрядности, одинаковых тактовых частотах и близких по величине погрешностях преобразования, предложенный ЦАП будет иметь большее быстродействие в сравнении с ЦАП классического ШИМ преобразования. По своему быстродействию такой ЦАП будет близок к аналогичному устройству прототипу [5], однако в отличие от прототипа в составе этого преобразователя нет дорогих прецизионных измерительных узлов, кроме источника опорного напряжения. Последнее означает, что предложенное устройство проще устройства прототипа и экономически более выгодно. При этом наличие в предложенном устройстве большой многоразрядной логической схемы LS, которая может быть как заказной, так и каскадированной (состоящей из стандартных), например, типа К556РТ1, РТ2, РТ3, не делает предложенное устройство дорогим и трудно реализуемым промышленным изделием. Так, согласно, например [6, стр.485], программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС), содержащая 30000 элементов, стоит на рынке менее 10 у.е.
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. СССР №1735999, H03M 1/66. Цифроаналоговый преобразователь / Г.С.Власов, С.Е.Лях и В.Г.Сараев // Опубл. 1992, бюл. №19.
5. Патент РФ на изобретение №2433528, H03M 1/66. Цифроаналоговый преобразователь / ПГТА // Г.С.Власов, С.Б.Демин и М.П.Шадрин // Зарегистрировано в гос. реестре изобретений РФ 10.11.2011.
6. Лачин В.И., Савелов Н.С. Электроника: Учеб. пособие / 5-е изд. - Ростов н/Д: Феникс, 2005. - 704 с.