Цифроаналоговый преобразователь

Полезная модель относится к измерительной технике, автоматике и схемотехнике сопряжения цифровых и аналоговых сигналов в электронных схемах обработки информации и может быть использовано при создании простых высокоскоростных функциональных цифроаналоговых и аналого-цифровых преобразователей небольшой разрядности в микросхемотехнике, в схемах преобразования частоты следования низкочастотных сигналов в напряжение в различных тахометрических и подобных им устройствах в области геофизического приборостроения, а также в электронных схемах, требующих мгновенного вычисления либо функции f=х, либо функции f=1/х.
Из существующего уровня техники широко известен классический параллельный цифроаналоговый преобразователь с использованием весовых двоично-взвешенных сопротивлений и аналоговых ключей, управляемых входным цифровым двоичным кодом (см.: Волович Г.И.. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. - М.: Издательский дом «Додека-XXI», 2005. - С. 388). Данное техническое решение принято в качестве прототипа.
Функциональная схема, поясняющая работу параллельного четырехразрядного цифроаналогового преобразователя, приведена на фиг. 1 (см. прототип).
Принятые обозначения:
1 - четыре весовых двоично-взвешенных сопротивления (R0-R3),
2 - четыре аналоговых ключа (S(0)-S(3)).
Схема содержит четыре весовых двоично-взвешенных сопротивления 1 (R0, R1, R2, R3), четыре аналоговых ключа 2 (S(0)-S(3)), управляемых четырехразрядным входным цифровым двоичным кодом D=(d(3)-d(0)), где каждый двоичный разряд d(i) равен либо 1, либо 0, причем d(0) - самый младший разряд, a d(3) - самый старший разряд кода.
Схема работает следующим образом.
Двоично-взвешенные токи I(0), I(1), I(2) и I(3) формируются с помощью опорного напряжения Uоп и весовых двоично-взвешенных сопротивлений 1 (R0, R1, R2, R3) в полном соответствии с законом Ома. При этом R0=8K, R1=4K, R2=2K, R3=1K, где R0 - сопротивление самого младшего значащего разряда d(0), a R3 - сопротивление самого старшего значащего разряда d(3). В процессе преобразования каждый i-й ключ аналоговых ключей 2 подключает соответствующее сопротивление весовых двоично-взвешенных сопротивлений 1 к суммирующей шине цифроаналогового преобразователя когда значение d(i)=1, и отключает его от нее, когда значение d(i)=0. Тем самым обеспечивается суммирование двоично-взвешенных токов I(0), I(1), I(2) и I(3). При этом, суммарный выходной ток Iout в суммирующей шине, прямо-пропорционален значению входного цифрового двоичного кода D и определяется соотношением
Iout=(Uоп/R0)*(d(3)*8+d(2)*4+d(1)*2+d(0)*l)
где Uоп - опорное напряжение,
R0 - сопротивление самого младшего значащего разряда d(0) цифроаналогового преобразователя,
d(i)=0 или 1 - значение 1-го значащего разряда входного цифрового двоичного кода D.
Недостатком описанного цифроаналогового преобразователя является невозможность преобразования четырехразрядного входного цифрового двоичного кода D в аналоговую величину, не только прямо-пропорциональную значению этого кода, но и в аналоговую величину, обратно-пропорциональную значению этого кода.
Техническим результатом полезной модели является возможность преобразования четырехразрядного входного цифрового двоичного кода D в аналоговую величину, не только прямо пропорциональную значению этого кода, но и в аналоговую величину, обратно пропорциональную значению этого кода. Заявляемый цифроаналоговый преобразователь, обеспечивает преобразование четырехразрядного входного цифрового двоичного кода D либо в выходной постоянный ток, значение которого прямо пропорционально значению кода D, либо в выходное напряжение постоянного тока, значение которого обратно пропорционально значению кода D.
Технический результат достигается тем, что в цифроаналоговом преобразователе, содержащем четыре весовых двоично-взвешенных сопротивления, одни концы которых объединены, а другие подключены к аналоговым входам четырех аналоговых ключей, управляемых преобразуемым четырехразрядным входным цифровым двоичным кодом, аналоговые выходы аналоговых ключей соединены с суммирующей шиной, присоединенной к общей шине схемы, к точке объединения четырех весовых двоично-взвешенных сопротивлений подключен выход двухполюсного режимного аналогового ключа, при этом, один аналоговый вход двухполюсного режимного аналогового ключа соединен с источником опорного напряжения Uоп, а другой аналоговый вход двухполюсного режимного аналогового ключа присоединен к источнику опорного тока Iоп, переключение двухполюсного режимного аналогового ключа осуществляется одноразрядным управляющим кодом режима, причем, в одном положении двухполюсного режимного аналогового ключа цифроаналоговый преобразователь формирует на выходе суммарный выходной ток Iout в соответствии с выражением
Iout=(Uоп/R0)*(d(3)*8+d(2)*4+d(1)*2+d(0)*1)
где Uоп - напряжение источника опорного напряжения,
R0 - сопротивление самого младшего значащего разряда d(0) цифроаналогового преобразователя,
d(i)=0 или 1 - значение i-го значащего разряда входного цифрового двоичного кода,
а в другом положении двухполюсного режимного аналогового ключа цифроаналоговый преобразователь формирует на выходе напряжение Uout в соответствии с выражением
Uout=U0/(d(3)*8+d(2)*4+d(1)*2+d(0)*1)
где U0=Iоп*R0 - падение напряжения на сопротивлении самого младшего значащего разряда d(0) цифро-аналогового преобразователя,
Iоп - ток источника опорного тока,
R0 - сопротивление самого младшего значащего разряда d(0) цифроаналогового преобразователя,
d(i)=0 или 1 - значение i-го значащего разряда входного цифрового двоичного кода.
Функциональная схема, поясняющая работу заявляемой полезной модели четырехразрядного параллельного цифроаналогового преобразователя, приведена на Фиг. 2.
Принятые обозначения:
1 - четыре весовых двоично-взвешенных сопротивления (R0-R3),
2 - четыре аналоговых ключа (S(0)-S(3)),
3 - двухполюсный режимный аналоговый ключ Sупр,
4 - источник опорного напряжения Uоп,
5 - источник опорного тока Iоп.
Схема содержит четыре весовых двоично-взвешенных сопротивления 1 (R0, R1, R2, R3), четыре аналоговых ключа 2 (S(0)-S(3)), управляемых четырехразрядным входным цифровым двоичным кодом D=(d(3)-d(0)), где каждый двоичный разряд d(i) равен либо 1, либо 0, причем d(0) - самый младший значащий разряд, a d(3) - самый старший значащий разряд четырехразрядного входного цифрового двоичного кода D, двухполюсный режимный аналоговый ключ 3 (Sупр), управляемый управляющим кодом режима Dупр, который принимает значение либо 1, либо 0, источник 4 опорного напряжения Uоп, и источник 5 опорного тока Iоп.
Схема работает в двух режимах в зависимости от значения управляющего кода режима Dупр. Когда Dупр=0, цифроаналоговый преобразователь работает в режиме суммирования двоично-взвешенных токов I(0), I(1), I(2) и I(3), когда Dупр=1, включается режим параллельного соединения весовых двоично-взвешенных сопротивлений 1 (R0, R1, R2, R3).
В режиме суммирования двоично-взвешенных токов (Dупр=0) схема работает следующим образом.
К точке объединения весовых двоично-взвешенных сопротивлений 1 с помощью режимного аналогового ключа 3 (Sупр) подключен источник 4 опорного напряжения Uоп. Двоично-взвешенные токи I(0), I(1), I(2) и I(3) формируются с помощью опорного напряжения Uоп и весовых двоично-взвешенных сопротивлений 1 (R0, R1, R2, R3) в полном соответствии с законом Ома. При этом R0=8K, R1=4K, R2=2K, R3=1K, где R0 - сопротивление самого младшего значащего разряда d(0), a R3 - сопротивление самого старшего значащего разряда d(3). В процессе преобразования каждый i-й ключ аналоговых ключей 2 подключает соответствующее сопротивление весовых двоично-взвешенных сопротивлений 1 к суммирующей шине цифроаналогового преобразователя когда значение d(i)=1, и отключает его от нее, когда значение d(i)=0. Тем самым обеспечивается суммирование двоично-взвешенных токов I(0), I(1), I(2) и I(3). При этом, суммарный выходной ток Iout в суммирующей шине, прямо-пропорционален значению входного цифрового двоичного кода D и определяется соотношением
Iout=(Uоп/R0)*(d(3)*8+d(2)*4+d(1)*2+d(0)*l)
где Uоп - напряжение источника 4 опорного напряжения,
R0 - сопротивление самого младшего значащего разряда d(0) цифроаналогового преобразователя,
d(i)=0 или 1 - значение i-го значащего разряда входного цифрового двоичного кода D,
следовательно, в данном режиме работы цифроаналогового преобразователя, выходной ток Iout прямо пропорционален значению преобразуемого входного цифрового двоичного кода D.
В режиме параллельного соединения весовых двоично-взвешенных сопротивлений 1 (R0, R1, R2, R3) (Dупр=1) схема работает следующим образом.
К точке объединения весовых двоично-взвешенных сопротивлений 1 с помощью двухполюсного режимного аналогового ключа 3 (Sупр) подключен источник 5 опорного напряжения Iоп. Параллельное соединение весовых двоично-взвешенных сопротивлений 1 (R0, R1, R2, R3) осуществляется с помощью аналоговых ключей 2. При этом R0=8K, R1=4K, R2=2K, R3=1K, где R0 - сопротивление самого младшего значащего разряда d(0), a R3 -сопротивление самого старшего значащего разряда d(3). В процессе преобразования каждый i-й ключ аналоговых ключей 2 подключает соответствующее сопротивление весовых двоично-взвешенных сопротивлений 1 к суммирующей шине цифроаналогового преобразователя когда значение d(i)=1, и отключает его от нее, когда значение d(i)=0. Тем самым обеспечивается параллельное соединение весовых двоично-взвешенных сопротивлений 1 (R0, R1, R2, R3). При этом, текущее значение сопротивления параллельно включенных весовых двоично-взвешенных сопротивлений 1 определяется из следующих соотношений:
Rобщ=1/Gобщ;
где Gобщ - текущая проводимость параллельного соединения весовых двоично-взвешенных сопротивлений 1 цифроаналогового преобразователя,
Gобщ=d(3)*1/R3+d(2)*1/R2+d(1)*1/R1+d(0)*1/R0
или, с учетом взаимного соотношения сопротивлений,
Gобщ=d(3)/(R0/8)+d(2)/(R0/4)+d(1)/(R0/2)+d(0)/R0
тогда,
Rобщ=1/(d(3)/(R0/8)+d(2)/(R0/4)+d(1)/(R0/2)+d(0)/R0)
или иначе,
Rобщ=1/(d(3)*8/R0+d(2)*4/R0+d(1)*2/R0+d(0)/R0)=1/((d(3)*8+d(2)*4+d(1)*2+d(0)*l)/R0)
или
Rобщ=R0/(d(3)*8+d(2)*4+d(1)*2+d(0)*1)
и, следовательно, падение напряжения Uout в точке объединения весовых двоично-взвешенных сопротивлений 1 определится соотношением:
Uout=Iоп*Rобщ=(Iоп*R0)/(d(3)*8+d(2)*4+d(1)*2+d(0)*1) или, окончательно, выражение имеет вид
Uout=U0/(d(3)*8+d(2)*4+d(1)*2+d(0)*1)
где:
U0=Iоп*R0 - падение напряжения на сопротивлении самого младшего значащего разряда d(0) цифроаналогового преобразователя,
Iоп - ток источника 5 опорного тока,
R0 - сопротивление самого младшего значащего разряда d(0) цифроаналогового преобразователя,
d(i)=0 или 1 - значение i-го значащего разряда входного цифрового двоичного кода D,
следовательно, в данном режиме работы цифроаналогового преобразователя, выходное напряжение Uout обратно-пропорционально значению преобразуемого входного цифрового двоичного кода D.
Таким образом, достигается заявленный технический результат, а именно возможность преобразования четырехразрядного входного цифрового двоичного кода D в аналоговую величину, не только прямо-пропорциональную значению этого кода, но и в аналоговую величину, обратно пропорциональную значению этого кода.