СПОСОБ ЦИФРОАНАЛОГОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
METHOD FOR DIGITAL-TO-ANALOGUE CONVERSION

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 способы цифроаналогового преобразования [1], основанные в первом случае на суммировании весовых токов или напряжений, полученных на базе управляемых кодом резистивных матриц различного типа, а во втором на основе преобразования частоты в напряжение (см. [1], микросхема цифроаналогового преобразователя (ЦАП) КР1108ПП1, стр.257).
К недостаткам способов 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. Фильтрация же сигналов широкого частотного диапазона конкретным НЧ-фильтром приводит к неравномерности отфильтрованных гармоник и, как следствие, к недостаточной точности и линейности статической характеристики преобразования.
Известен способ цифроаналогового преобразования, реализуемый, например, ЦАП с широтно-импульсной модуляцией, построенным по схеме согласно работе [2], в котором производится преобразование кода в интервал времени (скважность) нескольких импульсных последовательностей, сдвинутых относительно друг друга на равные временные интервалы, их последующее суммирование и фильтрация, полученного после суммирования сигнала.
Недостатком данного способа является его высокая сложность, что подтверждают построенные по этому способу ЦАП [2], содержащие в своем составе большое количество электронных компонентов.
Известен способ цифроаналогового преобразования с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), приведенный, например, в работах [3, 4] (прототип), включающий преобразование кода в интервал времени нормированной по амплитуде циклической последовательности и последующую фильтрацию этой последовательности НЧ-фильтром.
Данный способ цифроаналогового преобразования с ШИМ уже можно считать классическим. К его недостаткам можно отнести большое время преобразования, а также существенную нелинейность статической характеристики преобразования.
Сущность изобретения
Задачей, на которую направлено изобретение, является создание способа цифроаналогового преобразования, позволяющего выполнить это преобразование с заданной точностью за более короткое время.
Поставленная задача достигается за счет того, что в способе цифроаналогового преобразования, включающем получение импульсного ШИМ-сигнала, период которого определяется разрядностью преобразуемого кода и частотой задающего генератора, а скважность обратно пропорциональна преобразуемому коду, нормирование амплитуды полученного сигнала и последующей его фильтрации в области нижних частот, дополнительно, перед фильтрацией, выполняют амплитудную модуляцию ШИМ-сигнала нормированным по амплитуде прямоугольным модулируемым сигналом на частоте задающего генератора, причем в одном из полупериодов модулируемого сигнала на информационном интервале преобразования осуществляют запоминание предыдущего значения промежуточного преобразования.
Перечень фигур чертежей
На фиг.1 представлена схема цифроаналогового преобразователя, реализующего предложенный способ.
Цифроаналоговый преобразователь содержит задающий тактовый генератор 1, двухпозиционный управляемый переключатель 2, преобразователь кода в интервал времени 3, двухполярный источник 4 опорного напряжения, управляемый ключ 5, сумматор 6, фильтр нижних частот (ФНЧ) 7, элемент И 8, управляемый ключ 9, конденсаторы 10, выходную шину 11.
На фиг.2 представлены эпюры 12-16 напряжений на выходах соответствующих элементов схемы.
1
2
1
2
Эпюра (временная диаграмма) 12 - сигнал на выходе преобразователя кода в интервал времени 3, при преобразовании двоичного кода N=000…001, равного единице; временная диаграмма 13 - сигнал на выходе двухпозиционного управляемого переключателя 2; эпюры напряжений 14: 14 - на выходе сумматора 6, работающего без нагрузки, в режиме преобразования кода N=000…001; 14 - на выходе сумматора 6, работающего с нагрузкой, в режиме преобразования кода N=000…001; временная диаграмма 15 - сигнал на выходе преобразователя кода в интервал времени 3, при преобразовании двоичного кода N=000…010, равного двум; эпюры напряжений 16: 16 - на выходе сумматора 6, работающего без нагрузки, в режиме преобразования кода N=000…010; 16 - на выходе сумматора 6, работающего с нагрузкой, в режиме преобразования кода N=000…010.
N=100…000
N=111…111
На фиг.3 представлены эпюры 17 напряжений U и U, полученные после ШИМ преобразования соответствующего кода N и поясняющие работу фильтра нижних частот (ФНЧ) при подаче на его вход широтно-импульсного сигнала прямоугольной формы.
Отличительные признаки
Отличительными признаками заявленного способа по сравнению со способом-прототипом являются:
1. Перед фильтрацией выполняют амплитудную модуляцию ШИМ-сигнала нормированными по амплитуде прямоугольными импульсами задающей частоты.
2. Перед фильтрацией выполняют запоминание предыдущего значения в одном из полупериодов модулируемого сигнала, на интервале ШИМ-импульса (информационном интервале преобразования).
Сведения, подтверждающие возможность осуществления
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами фиг.1÷3.
Цифроаналоговый преобразователь, представленный на фиг.1, выполняет преобразование кода N в аналоговый сигнал согласно предложенному способу, работает следующим образом.
дес
t
ц
дес
Преобразователь кода в интервал времени 3, синхронизированный задающим генератором 1, вырабатывает ШИМ-сигнал (фиг.2, эпюры 12, 15), длительность которого равна N×1/f, на временном интервале, равном длительности Т цикла преобразования, где N десятичное число, эквивалентное двоичному коду N. Эпюра 12 соответствует длительности ШИМ-сигнала для кода N=000…001, а эпюра 15 - для кода N=000…010.
оп
оп
1
1
t
2
2
Двухпозиционный управляемый переключатель 2 выполняет роль модулятора, вырабатывая переменный импульсный сигнал в диапазоне от (-U) до (+U) с частотой импульсов задающего генератора (эпюра 13), подает этот сигнал на первый вход сумматора 6, на второй вход которого приходит импульсный сигнал с ключа 5, нормированный по амплитуде и по длительности (длительность соответствует длительности ШИМ-сигналов (фиг.2, эпюры 12, 15)). На выходе сумматора 6 формируются сигналы (эпюры 14, 16), полученные в результате ШИМ, а затем амплитудной модуляции. Эти сигналы обрабатываются элементами 9, 10 и 7 схемы фиг.1. Ключ 9 замыкается в каждом такте информационной части ШИМ-сигналов на половину периода: 1/2f. В результате на входе ФНЧ 7 формируется напряжение, представленное на фиг.2 для соответствующих кодов преобразования эпюрами 14, 16. В результате усреднения этого сигнала ФНЧ 7, полученный на выходной шине 11 сигнал, является результатом цифроаналогового преобразования.
ц
Согласно способу-прототипу ШИМ-преобразование можно представить эпюрами 17, фиг.3, где эпюра OABCD соответствует коду N=111…111, а эпюра OAD - коду N=100…000, без учета погрешности на линейность интегрирования. В этом случае в диапазоне Т прямоугольные ШИМ-сигналы имеют различную длительность, а следовательно, различные спектральные составляющие, что делает практически невозможным точный расчет параметров оптимального фильтра ФНЧ.
1
1
ц
В предложенном способе цифроаналогового преобразования дважды модулированный сигнал (см. эпюры 14, 16) имеет строго определенное дискретное разложение на спектральной плоскости во всем интервале Т, например, согласно работе [5]:
Таблица 1
Частота составляющей
0
ω<sub>0</sub>
2ω<sub>0</sub>
3ω<sub>0</sub>
4ω<sub>0</sub>
5ω<sub>0</sub>
Амплитуда гармоники
U<sub>оп</sub>(1); 0(2)
4U<sub>оп</sub>/π
0
4U<sub>оп</sub>/3π
0
4U<sub>оп</sub>/5π
0
t
1
1
В табл.1 ω=2πf; на нулевой частоте величина с индексом (1) соответствует информационной части сигнала, т.е. на длине ШИМ-импульса эпюр 14, 16, а с индексом (2) - неинформационной части; при этом все гармонические составляющие дискретного частотного спектра, как для информационной части, так и для неинформационной, полностью совпадают, что невозможно обеспечить с использованием способа-прототипа.
оп
Если, например выполняется преобразование по способу-прототипу кода N=100…000, при условии, что точка В эпюры 17, фиг.3, отстоит по ординате на величину U, то разложение на гармонические составляющие такого ШИМ-сигнала можно представить согласно табл.2.
Таблица 2
Частота составляющей
0
ω<sub>1</sub>
2ω<sub>1</sub>
3ω<sub>1</sub>
4ω<sub>1</sub>
5ω<sub>1</sub>
Амплитуда гармоники
U<sub>оп</sub>/2
2U<sub>оп</sub>/π
0
2U<sub>оп</sub>/3π
0
2U<sub>оп</sub>/5π
1
T
T
ц
ц
В табл.2 ω=2πf, где f=1/Т, а Т - длительность цикла преобразования. Как видно из приведенных выражений и временных диаграмм фиг.2-3, гармоники разложения сигнала, полученного способом-прототипом, более низкочастотные. Следовательно, время установления при фильтрации меньше для предложенного способа. Кроме этого, при преобразовании другого кода, например, кода N=111…111 способом-прототипом, существенно возрастает количество спектральных составляющих, что, в свою очередь, приводит к дополнительной нелинейности преобразования. Предложенный способ позволяет получить во всем диапазоне преобразования сигнал, разложение которого на спектральные составляющие представлено в табл.1. Дискретный спектр гармонических составляющих не меняется в зависимости от преобразуемого кода, что и определяет лучшую линейность окончательного преобразования.
з
раз
t
Предлагаемый способ цифроаналогового преобразования можно пояснить работой устройства, реализующего данный способ. В устройстве, фиг.1, реализующем предлагаемый способ, элементы: ключ 9 и конденсатор 10, осуществляющие запоминание информации в предыдущем такте на интервале ШИМ-импульса, могут не быть устройством выборки и хранения (УВХ) со строго нормированными параметрами по дрейфу (скорости спада). Наличие такой погрешности не мешает работе предложенного ЦАП. В общем случае, ключ 9 и конденсатор 10 представляют собой дополнительный фильтр НЧ, у которого постоянная времени зависит от состояния ключа 9. Если этот ключ 9 замкнут, то постоянная времени τ этого дополнительного фильтра должна быть значительно меньше, чем постоянная времени τ при разомкнутом ключе. При этом квант h преобразования ЦАП определяется разностью напряжений на конденсаторе 10 в такте преобразования, равном по длительности 1/f. Доводку же кванта преобразования, или полной шкалы ЦАП до установленного значения можно выполнить, например, регулировкой коэффициента передачи активного фильтра 7 по постоянной составляющей.
Таким образом, одинаковые условия фильтрации во всем диапазоне преобразования, обеспечиваемые предложенным способом, позволяют найти оптимальные параметры ФНЧ и обеспечить более высокое быстродействие при заданной линейности преобразования.
Источники информации
1. Федорков Б.Г., Телец В.А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 320 с.
2. А.с. №1735999 СССР, Н03М 1/66. Цифроаналоговый преобразователь / Г.С.Власов, С.Е.Лях и В.Г.Сараев. // Опубл. 1992, бюл. №19.
3. Микросхемы АЦП и ЦАП. - М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2005. - 432 с., с.13.
4. Метрологические средства для поверки цифровых приборов / Приборы, средства автоматизации и системы управления: ТС-5, Выпуск 3. - М.: ИНИИТЭИ приборостроения, 1982. - 62 с., с.16.
5. Щербаков В.И., Грездов Г.И. Электронные схемы на операционных усилителях: Справочник. - К.: Технiка, 1983. - 213 с., с.90-91.