ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
DIGITAL-TO-ANALOGUE CONVERTER

Изобретение относится к схемотехнике, автоматике, промышленной электронике и аналого-цифровой технике. Оно может быть использовано в устройствах преобразования цифровых величин (цифровых кодов) в пропорциональные аналоговые величины (в напряжения).
Известен цифроаналоговый преобразователь [Токхейм Р. Основы цифровой техники. - М.: Мир, 1988, рис. 12.5, с. 349], содержащий источник постоянного опорного напряжения, электронные переключатели, управляющие входы которых образуют вход для подачи цифрового кода, резистивную матрицу и сумматор токов на операционном усилителе, выход которого образует выход цифроаналогового преобразователя.
Недостатком его является влияние изменения напряжения на инвертирующем входе операционного усилителя сумматора токов на силу электрических токов через резисторы резистивной матрицы. Также это изменение напряжения вызывает взаимное влияние электрических токов через резисторы друг на друга. Приведенные положения создают соответствующую составляющую погрешности преобразования. В идеальном случае при напряжении на инвертирующем входе, равном нулю , отрицательное влияние его отсутствует и соответствующая составляющая погрешности преобразования тоже равна нулю. Но тогда выходное напряжение цифроаналогового преобразователя равно нулю, т.е. у него исключается нормальная работа. В итоге следует обеспечить как можно меньшее значение напряжения на инвертирующем входе операционного усилителя. Напряжение на этом входе определяется выражением
где - напряжение на выходе операционного усилителя и на выходе цифроаналогового преобразователя, K - коэффициент усиления этого усилителя. Значение этого коэффициента следует выбирать большим, но оно имеет известное ограничение. Тогда следует переходить к поиску других путей уменьшения значений напряжений на инвертирующем входе операционного усилителя. Имеется потребность в уменьшении погрешности преобразования в цифроаналоговом преобразователе.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа цифроаналоговый преобразователь [Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника. - М.: Горячая линия - Телеком, 2003, рис. 23.5, б, стр.745], содержащий источник постоянного опорного напряжения, электронные ключи, управляющие входы которых образуют вход для подачи цифрового кода, резистивную матрицу и сумматор токов на операционном усилителе, выход которого образует выход цифроаналогового преобразователя.
Недостатком его является отрицательное влияние изменения напряжения на инвертирующем входе операционного усилителя на силу электрических токов через резисторы и взаимное влияние этих токов друг на друга, что определяет соответствующую составляющую погрешности преобразования.
Задача, на решение которой направлено изобретение состоит в уменьшении значения составляющей погрешности преобразования из-за влияния изменения напряжения на инвертирующем входе операционного усилителя на силу электрических токов через резисторы и из-за взаимного влияния этих токов друг на друга.
Это достигается тем, что в цифроаналоговый преобразователь, содержащий источник постоянного опорного напряжения, резистивную матрицу, блок управляемых ключей и сумматор токов, общая шина источника напряжения заземлена, резистивная матрица включает в себя резисторы, количество которых равно максимальному числу разрядов во входном цифровом коде, один из выводов каждого из этих резисторов соединен с незаземленным выводом источника напряжения, а другой - с одним из выводов каждого из управляемых ключей блока управляемых ключей, все другие выводы этих ключей соединены между собой, входы управления электрических ключей образуют вход цифроаналогового преобразователя, куда подается входной цифровой код, общий вывод управляемых ключей подключен к инвертирующему входу операционного усилителя сумматора токов, также к инвертирующему входу подключен резистор, неинвертирующий вход операционного усилителя заземлен, введена совокупность трех дополнительных элементов и изменено включение элементов, первый и второй дополнительные резисторы включены между собой последовательно, свободный вывод первого из них соединен с выходом имеющегося операционного усилителя, свободный вывод второго - заземлен, общий вывод двух дополнительных резисторов соединен с неинвертирующим входом дополнительного операционного усилителя, инвертирующий вход его соединен с инвертирующим входом имеющегося операционного усилителя, свободный вывод имеющегося в сумматоре токов резистора подключен к выходу дополнительного операционного усилителя, также этот выход образует выход цифроаналогового преобразователя.
Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг.1).
Цифроаналоговый преобразователь содержит источник 1 постоянного опорного напряжения, общая шина которого заземлена, резистивную матрицу 2, число резисторов в которой равно наибольшему числу разрядов во входном цифровом коде, блок управляемых ключей 3, где количество ключей равно числу резисторов в резистивной матрице 2, и сумматор 4 токов. Один из выводов каждого резистора резистивной матрицы 2 соединен с незаземленным выводом источника 1 постоянного напряжения. Свободные выводы резисторов каждый соединен с одним из выводов управляемых электронных ключей блока 3. Сопротивления резисторов имеют различные значения и создают силы электрических токов, пропорциональных весам разрядов входного цифрового кода. Крайний правый резистор в резистивной матрице 2 создает ток самого младшего разряда. Силы электрических токов в резисторах, расположенных слева, возрастают и соответствуют более старшим разрядам входного цифрового кода. Входы управления управляемых электронных ключей блока 3 образуют вход цифроаналогового преобразователя, на который подается параллельный входной цифровой код. Свободные выводы электронных ключей соединены вместе и подключены к инвертирующему входу первого операционного усилителя 5 сумматора 4 токов. Неинвертирующий вход его заземлен. К выходу операционного усилителя 5 подключена цепь из последовательно соединенных резисторов 6 и 7. Свободный вывод последнего заземлен. Общий вывод резисторов 6 и 7 соединен с неинвертирующим входом второго операционного усилителя 8 сумматора 4 токов. Инвертирующий вход его соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя 5. Общий вывод двух инвертирующих входов через резисторы 9 соединен с выходом второго операционного усилителя 8. Этот выход также образует выход цифроаналогового преобразователя.
В исходном состоянии при отсутствии входного цифрового кода состояния всех управляемых электронных ключей блока 3 соответствуют разомкнутому положению и напряжение на выходе цифроаналогового преобразователя равно нулю.
Цифро-аналоговый преобразователь работает следующим образом. При поступлении на его вход цифрового кода на управляющих входах электронных ключей блока 3 в соответствии со значениями разрядов входного цифрового кода воздействует или нулевое напряжение, или требующееся напряжение, достаточное с запасом для перевода ключей в проводящее состояние. Весовые электрические токи через электронные ключи в проводящем состоянии замыкаются на резистор 9, т.к. входное сопротивление операционных усилителей 5 и 8 имеет весьма большое значение особенно при полевых транзисторах на их входах. Эти электрические токи создают на сопротивлении резистора 9 и на выходе цифроаналогового преобразователя напряжение, пропорциональное входному цифровому коду, с учетом того, что на инвертирующих входах операционных усилителей 5 и 8 значение напряжения является весьма малым (виртуальный нуль).
Значение максимального выходного напряжения многих операционных усилителей находится в районе 10÷12 вольт (В). Допустимое входное напряжение для них часто лежит в районе единиц вольт. В аварийных режимах выходное напряжение операционного усилителя может принимать максимальное значение. Если оно приложится ко входу последующего операционного усилителя, то превысит его допустимое входное напряжение. Для устранения этого введен делитель напряжения на резисторах 6 () и 7 (). Коэффициент передачи его
где - допустимое входное напряжение (справочный параметр), - максимальное выходное напряжение (тоже справочный параметр).
В то же время сумма сопротивлений  и () не должна быть меньше значения минимального сопротивления нагрузки () операционного усилителя (справочный параметр)
Значение коэффициента передачи  из (2) определяется не на пределе, а с некоторым запасом и предположительно с учетом приведенных численных значений справочных параметров находится в районе значений 0,3÷0,7.
Напряжение на инвертирующих входах операционных усилителей 5 и 8 относительно «земли» определяется выражением
где  и  - коэффициенты усиления операционных усилителей соответственно 5 и 8. Из сопоставления формул (1) и (4) видно, что входное напряжение в рассматриваемой схеме (фиг.1) во много, много раз меньше, чем в прототипе. В частности, при одинаковых операционных усилителях в рассматриваемой схеме и в прототипе
(5)
при подстановке (5) в формулы (4) и (1) получаем неравенство
что подтверждает последнее приведенное положение.
Таким образом, существенно уменьшено значение напряжения на инвертирующих входах операционных усилителей сумматора токов, что уменьшает влияние этого напряжения на силу электрических токов через резисторы резистивной матрицы и уменьшает взаимное влияние этих токов друг на друга. В итоге уменьшается значение соответствующей составляющей погрешности цифроаналогового преобразования.