Т 1.4 теория 2 часть ЦАП, АЦП. Учебное пособие Омск 2006

• Название: Учебное пособие Омск 2006
• Дата: 21.09.2022
• Размер: 0.88 Mb.
• Имя файла: Т 1.4 теория 2 часть ЦАП, АЦП.pdf
• Тип: Учебное пособие; #688946
• страница: 3 из 4

Микросхема Н572ПВЗ
Она представляет собой восьмиразрядный АЦП, работающий по принци- пу последовательного приближения. Микросхема работает от одного источника питания, в ней может использоваться как внутренний, так и внешний тактовый генератор. Частота тактового генератора определяется сопротивлением рези- стора R3. Внешний генератор может подключаться к выводу 8.
Основные параметры преобразователя при U
и.п.1
= 5 В, U
и.п.2
= — 10 В следующие: δ
л
= ±0,5 ед. МР, δ
лд
= ±0,75 ед. МР, δ
пш
= ±3 ед. МР, t прб
= 7,5 мкс,
I
пот
=< 1 мА. Тактовая частота 0,4. . . 1,5 МГц, U
on
= —(19,8. . .10,5) В. Выходы микросхемы 1 — 5, 15 — 18 можно нагружать на ТТЛ ИС.
Преобразователь согласуется с микропроцессорными устройствами и может запоминать выходную информацию. Выходные цепи имеют три устой- чивых состояния.
Микросхема К572ПВ4
Представляет собой БИС аналого-цифровой системы сбора данных. Ос- нову микросхемы составляет восьмиразрядный АЦП последовательного при- ближения. Кроме того, в микросхему входят: восьмиканальный мультиплексор,
ОЗУ на 64 бит с произвольной выборкой, буферные устройства с тремя устой- чивыми состояниями, устройство управления.
Выбор канала ОЗУ осуществляется с помощью двоичных сигналов на входах А2, А1, АО при напряжении высокого уровня на входе ALE. Адрес фик- сируется при напряжении низкого уровня на входе ALE. Обновление данных в
ОЗУ происходит при подаче напряжения низкого уровня на вход STAT. Дан- ные поступают на выходы DBO — DB7 при напряжении низкого уровня на входе GS. Выходы микросхемы согласуются с микропроцессорной системой.
Основные параметры при U
и.п.1
= 5 В: δ
л
= ±0,5 ед. МР, δ
лд
= ±0,5 ед. МР,
δ
пш
= ±1 ед. МР, t прб
= 32 мкс, f
T
= 2,5 МГц, I
пот
=< 3 мА.

25
Микросхема К1107ПВ1
Микросхема представляет собой шестиразрядный быстродействующий
АЦП параллельного действия. Входное напряжение преобразуется в двоичный прямой и обратный код и код с дополнением до двух (прямой и обратный). В состав микросхемы входят 64 компаратора, усилитель опорного напряжения, дешифратор, выходной буферный регистр и устройство управления выходным кодом.
На вход преобразователя необходимо подать тактовые импульсы. Мини- мальная длительность этих импульсов определяется быстродействием компара- торов и составляет 15 нс, минимальный период следования импульсов зависит от быстродействия преобразователя кодов и равняется 30 нс. Частота преобра- зования не превышает 20 МГц.
Основные параметры ИС при U
и.п.1
=5B, U
и.п.2
= —6B следующие: δ
л
= ±0,5 ед. МР, δ
лд
= ±0,5 ед. МР, δ
пш
= ±3,1 ед. МР, t прб
= 0,1 мкс, I
пот
=180 мА. Диапа- зон входного напряжения 0...2 В. Напряжение U
on устанавливается в пределах от —0,075 до О В по выводу 9 и от —1,9 до —2,1 В по выводу 16. Изменением опорных напряжений можно корректировать напряжение смещения нуля на выходе и погрешности δ
пш
. Микросхема управляется уровнями, сигналов, соот- ветствующими ТТЛ ИС. На базе АЦП К1107ПВ1 можно строить последова- тельно-параллельные преобразователи на 10—12 разрядов, частота преобразо- вания до 5 МГц.
Микросхема К1107ПВ2 подобна ИС К1107ПВ1, но имеет восемь разря- дов.
Микросхема К1107ПВЗ
Она представляет собой быстродействующий шестиразрядный АЦП па- раллельного действия. На выходе АЦП формирует двоичный код с ЭСЛ- уровнями. Преобразователь имеет цифровой выход переполнения, на котором сигнал 1 появляется при U
BX
>U
onl
. Этот выход позволяет наращивать разряд- ность за счет параллельного соединения преобразователей.
Основные параметры микросхемы: δ
л
=±0,25 ед. МР, t прб
= 20 нс. Входное напряжение от —2,5 до +2,5 В; U
и.п.1
=5B, U
и.п.2
= —6B значения: δ
л
= ±0,5 ед.
МР, δ
лд
= ±0,5 ед. МР, δ
пш
= ±3,1 ед. МР, t прб
= 0,1 мкс, I
пот
=180 мА.
Микросхема К1108ПВ1
Она представляет собой десятиразрядный АЦП последовательного прибли- жения. В ИС имеется выходной регистр на три состояния. Микросхема преду- сматривает работу в десяти- и восьмиразрядных режимах.
Микросхема может работать как от внешнего, так и от внутреннего ис- точника U
on
. В первом случае напряжение подается на вывод 18, во втором — вывод 19 через конденсатор 0,47 мкФ подключается на землю. Микросхема предусматривает работу от внешнего и от внутреннего генератора тактовых импульсов. По сигналам тактового генератора ИС согласована с ЭСЛ- уровнями. Для согласования с управляющими ТТЛ ИС необходимо использо- вать согласующие элементы, например ИС К500ПУ124.

26
Кодирование и запись информации в выходной регистр производится за
12 тактов, после чего выдается сигнал «Готовность данных» (уровень 0). Ин- формация в регистре будет храниться до окончания следующего цикла преоб- разования. Вывод информации из АЦП осуществляется по сигналу «Разреше- ние считывания» (уровень 0).
Основные параметры К1108ПВ1: δ
л
=±1 ед. МР (К1108ПВ1А), ±3 ед. МР
(Б); δ
лд
=±0,75 ед. МР (К1108П1А), ±3 ед. МР (Б); δ
пш
=±4 ед. МР (К1108ПВ1А),
±7 ед. МР (Б); t прб
(для десяти разрядов) =<0,9 мкс; I
пот
=< 140мА. Входное напряжение от -1 до +4,2 В, U
on
= 4,096 В, f
T
=< 30 МГц, U
и.п.1
= 5В + 5%, U
и.п.2
=
-5,2 В + 3%. Выходные уровни АЦП согласуются с ТТЛ ИС.
Микросхема КН08ПП1
Она представляет собой высокоточный АЦП, преобразующий входное напряжение в последовательность импульсов, с частотой, пропорциональной входному сигналу. Выходные импульсы имеют прямоугольную форму с калиб- рованной длительностью частотой до 500 кГц. При определенных номиналах навесных элементов входное напряжение 0. ..10 В преобразуется в частоту
0. ..10 кГц. Микросхема имеет встроенный источник U
on
= (7,5.. .8,5) В.
Основные параметры К1108ПП1: погрешность линейного преобразова- ния (δ
л
) в диапазоне частот 5 Гц. ..10 кГц не превышает 0,01%; δ
пш
=±10%;
I
пот
=< 3,5 мА. Частота генерирующих импульсов устанавливается с помощью внешних элементов, она прямо пропорциональна U
M
и обратно пропорциональ- на R1, С1. Источники питания U
и.п.1
= 10. . .19 В, U
и.п.2
= = —(15. . .19) В. Уров- ни выходных сигналов согласуются с ТТЛ ИС с помощью внешних резисторов и источника питания. Преобразователь может использоваться в режиме преоб- разования «частота — напряжение».
Микросхема АЦП КР572ПВ5
Назначение АЦП КР572ПВ5 - преобразование напряжения аналогового сигнала в цифровую форму для последующего отображения уровня сигнала цифровым индикатором. Прибор рассчитан на совместную работу с жидкокри- сталлическим четырехразрядным цифровым индикатором. Микросхему
КР572ПВ5 изготовляют по технологии КМОП.
В преобразователе использован принцип двойного интегрирования, в со- ответствии с которым вначале разряженный интегрирующий конденсатор Синт заряжают определенное время током, пропорциональным измеряемому напря- жению, а затем разряжают определенным током до нуля. Время, в течение ко- торого происходит разрядка конденсатора, будет пропорционально измеряемо- му напряжению. Это время измеряют с помощью счетчика импульсов; с его выхода сигналы подают на индикатор.
Пределы входного напряжения устройства зависят от образцового напряжения Uобр и определяются соотношением Uвх.max=±1,999 Uобр. Теку- щие показания индикатора должны выражаться числом, равным 1000
Uвх/Uобр. Период измерений при тактовой частоте 50 кГц равен 320 мс.

27
6. Цифро-аналоговые преобразователи
Введение
Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) предназначены для преобра- зования цифрового сигнала в аналоговый. Напряжение на выходе ЦАП будет наибольшим (U
вых
=U
макс
), когда во всех разрядах входного кода – логические единицы, т.е. когда его вес Q максимальный. Величина Qмакс=2n–1, где n – разрядность кода. Так, при n=4 Q
макс
= 15 (код N=1111). Считая зависимость
U
вых от Q линейной, можно записать приращение выходного напряжения на каждую единицу входного кода (от приращения кода на единицу в младшем разряде) ∆u=U
макс
/2n –1. Величину ∆u называют квантом. Если, к примеру, n =3, то квант ∆u = =U
макс
/ 7.
Таким образом, диапазон выходного напряжения U
макс разбивается вход- ным кодом на ряд одинаковых интервалов, каждый из которых равен кванту ∆u.
Их границами являются квантованные уровни (∆u, 2∆u, 3∆u и т.д.). Так как квант является наименьшей составляющей выходного напряжения, то погреш- ность преобразования код-аналог нельзя гарантировать меньшей кванта ∆u.
Напряжение на выходе ЦАП при наличии логических единиц в несколь- ких разрядах входного кода является суммой напряжений, каждое из которых обусловлено единицей в соответствующем разряде. Величины этих составляю- щих относятся как веса единиц в разрядах. Так, к примеру, если на входе при- сутствует код 1011001, то напряжение на выходе ЦАП равно 1(64∆u) + 0(32∆u)
+ 1 (16∆u) +1(8∆u) + +0(4∆u) + 0(2∆u) + 1∆u = =89∆u. Мгновенное напряжение на выходе ЦАП пропорционально весу присутствующего на входах кода, т. е. его десятичному эквиваленту.
Сменяющиеся входные коды обусловливают изменяющееся напряжение на выходе ЦАП. На рис. 6.1. изображена зависимость выходного напряжения
ЦАП от величины кода на входе.
Рис. 6.1
Таким образом, ЦАП предназначен для преобразования числа, опреде- ленного, в виде двоичного кода, в напряжение или ток, пропорциональные зна- чению цифрового кода.

28
6.1. Классификация ЦАП
На рис. 6.2 представлена классификация схем ЦАП по схемотехническим признакам.
Рис. 6.2
Кроме этого, ИС ЦАП можно разделить по следующим признакам:
- по виду выходного сигнала: с токовым выходом и выходом в виде напряжения;
- по типу цифрового интерфейса: с последовательным вводом и с парал- лельным вводом входного кода;
- по числу ЦАП на кристалле: одноканальные и многоканальные;
- по быстродействию: умеренного и высокого быстродействия.
6.2. Последовательные ЦАП
ЦАП с широтно-импульсной модуляцией
Схема ЦАП с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) приведена на рис. 6.3.а, а временная диаграмма его работы – на рис. 6.3.б.
Рис. 6.3
Наиболее просто организуется цифро-аналоговое преобразование в том случае, если ЦАП работает совместно с микроконтроллером с встроенной функцией широтно-импульсного преобразования. Выход ШИМ управляет клю-

29 чом S. В зависимости от заданной разрядности преобразования контроллер с помощью своего таймера/счетчика формирует последовательность импульсов, относительная длительность которых g = tи / Т определяется соотношением
,
где N – разрядность преобразования, а D – преобразуемый код. Фильтр нижних частот сглаживает импульсы, выделяя среднее значение напряжения. В результате выходное напряжение преобразователя
Рассмотренная схема обеспечивает почти идеальную линейность пре- образования, не содержит прецизионных элементов (за исключением источника опорного напряжения). Основной ее недостаток – низкое быстродействие.
Последовательный ЦАП на переключаемых конденсаторах
Рассмотренная выше схема ЦАП с ШИМ вначале преобразует цифровой код во временной интервал, который формируется с помощью двоичного счет- чика квант за квантом, поэтому для получения N-разрядного преобразования необходимы 2N временных квантов (тактов). Схема последовательного ЦАП на переключаемых конденсаторах, приведенная на рис. 6.4, позволяет выполнить цифро-аналоговое преобразование за значительно меньшее число тактов.
Рис. 6.4
В этой схеме емкости конденсаторов С1 и С2 равны. Перед началом цик- ла преобразования конденсатор С2 разряжается ключом S4. Входное двоичное слово задается в виде последовательного кода. Его преобразование осуществ- ляется последовательно, начиная с младшего разряда d0. Каждый такт преобра- зования состоит из двух полутактов. В первом полутакте конденсатор С1 заря- жается до опорного напряжения Uоп при d0=1 посредством замыкания ключа
S1 или разряжается до нуля при d0=0 путем замыкания ключа S2. Во втором полутакте при разомкнутых ключах S1, S2 и S4 замыкается ключ S3, что вызы- вает деление заряда пополам между С1 и С2. В результате получаем
U1(0)=Uвых(0)=(d0/2)Uоп
Пока на конденсаторе С2 сохраняется заряд, процедура заряда конденса- тора С1 должна быть повторена для следующего разряда d1 входного слова.
После нового цикла перезарядки напряжение на конденсаторах будет равным

30
Точно также выполняется преобразование для остальных разрядов слова.
В результате для N-разрядного ЦАП выходное напряжение будет равно
Если требуется сохранять результат преобразования продолжительное время, к выходу схемы следует подключить УВХ. После окончания цикла пре- образования следует провести цикл выборки, перевести УВХ в режим хранения и вновь начать преобразование.
Таким образом, представленная схема выполняет преобразование входно- го кода за 2N квантов, что значительно меньше, чем у ЦАП с ШИМ. Здесь тре- буется только два согласованных конденсатора небольшой емкости. Конфигу- рация аналоговой части схемы не зависит от разрядности преобразуемого кода.
Однако по быстродействию последовательный ЦАП значительно уступает па- раллельным ЦАП, что ограничивает область его применения.
6.3. Параллельные ЦАП
ЦАП с суммированием весовых токов
Большинство схем параллельных ЦАП основано на суммировании токов, величина каждого из которых пропорциональна весу цифрового двоичного раз- ряда, причем должны суммироваться только токи разрядов, значения которых равны 1. Пусть, например, требуется преобразовать двоичный четырехразряд- ный код в аналоговый сигнал тока. У четвертого, старшего значащего разряда
(СЗР) вес будет равен 2 3
=8, у третьего разряда – 2 2
=4, у второго – 2 1
=2 и у младшего (МЗР) – 2 0
=1. Если вес МЗР IМЗР=1 мА, то IСЗР=8 мА, а максималь- ный выходной ток преобразователя Iвых.макс=15 мА и соответствует коду
11111. Понятно, что коду 10011, например, будет соответствовать Iвых=9 мА и т.д. Схема ЦАП с суммированием весовых токов приведена на рис. 6.5.
Рис. 6.5
Сопротивления резисторов выбирают так, чтобы при замкнутых ключах S через них протекал ток, соответствующий весу разряда. Ключ должен быть за- мкнут тогда, когда соответствующий ему бит входного слова равен единице.
Выходной ток определяется соотношением

31
При высокой разрядности ЦАП токозадающие резисторы должны быть согласованы с высокой точностью. Наиболее жесткие требования по точности предъявляются к резисторам старших разрядов, поскольку разброс токов в них не должен превышать тока младшего разряда. Поэтому разброс сопротивления в k-м разряде должен быть меньше, чем
DR / R=2–k.
Из этого условия следует, что разброс сопротивления резистора, напри- мер, в четвертом разряде не должен превышать 3%, а в 10-м разряде – 0,05% и т.д.
Недостатки схемы ЦАП с суммированием весовых токов:
- при различных входных кодах ток, потребляемый от источника опорно- го напряжения (ИОН), будет различным, а это повлияет на величину выходного напряжения ИОН;
- значения сопротивлений весовых резисторов могут различаться в тыся- чи раз, а это делает весьма затруднительной реализацию этих резисторов в по- лупроводниковых ИС;
- сопротивление резисторов старших разрядов в многоразрядных ЦАП может быть соизмеримым с сопротивлением замкнутого ключа, а это приведет к погрешности преобразования;
- в этой схеме к разомкнутым ключам прикладывается значительное напряжение, что усложняет их построение.
Эти недостатки устранены в схеме ЦАП AD7520 (отечественный аналог
572ПА1), разработанном фирмой Analog Devices в 1973 году. Схема ЦАП с пе- реключателями и матрицей постоянного импеданса представлена на рис. 6.6. В качестве ключей здесь используются МОП-транзисторы.
В этой схеме задание весовых коэффициентов ступеней преобразователя осуществляют посредством последовательного деления опорного напряжения с помощью резистивной матрицы постоянного импеданса. Основной элемент та- кой матрицы представляет собой делитель напряжения, который должен удо- влетворять следующему условию: если он нагружен на сопротивление Rн, то его входное сопротивление Rвх также должно принимать значение Rн. Коэф- фициент ослабления цепи a=U2/U1 при этой нагрузке должен иметь заданное значение.

32
Рис. 6.6
Согласно рис. 6.6, выходные токи схемы определяются соотношениями
,
Так как выходной ток ЦАП зависит от Uоп линейно, преобразователи та- кого типа можно использовать для умножения аналогового сигнала (подавая его на вход опорного напряжения) на цифровой код. Такие ЦАП называют пе- ремножающими (MDAC).
ЦАП на МОП ключах имеют относительно низкое быстродействие из-за большой входной емкости МОП-ключей и минимальную мощность потребле- ния. Например, 12-разрядный ЦАП 572ПА2 имеет время установления выход- ного тока при смене входного кода от 000...0 до 111...1, равное 15 мкс. и диф- ференциальную нелинейность до 0,025% (1 МЗР).
ЦАП на источниках тока
ЦАП на источниках тока обладают более высокой точностью. В отличие от предыдущего варианта в данном случае весовые токи обеспечиваются тран- зисторными источниками тока, имеющими высокое динамическое сопротивле- ние. Схема ЦАП на источниках тока приведена на рис. 6.7.
Рис. 6.7

33
Весовые токи формируются с помощью резистивной матрицы. Потенциа- лы баз транзисторов одинаковы, а чтобы были равны и потенциалы эмиттеров всех транзисторов, площади их эмиттеров делают различными в соответствии с весовыми коэффициентами. Правый резистор матрицы подключен не к общей шине, как на схеме рис. 6.7, а к двум параллельно включенным одинаковым транзисторам VT0 и VTн, в результате чего ток через VT0 равен половине тока через VT1. Входное напряжение для резистивной матрицы создается с помо- щью опорного транзистора VTоп и операционного усилителя ОУ1, выходное напряжение которого устанавливается таким, что коллекторный ток транзисто- ра VTоп принимает значение Iоп. Выходной ток для N-разрядного ЦАП равен
Примером ЦАП на переключателях тока с биполярными транзисторами в качестве ключей являются 12-разрядный 594ПА1 с временем установления
3,5 мкс и погрешностью линейности не более 0,012%. Еще более высоким быстродействием обладает 14-разрядный ЦАП AD9764 со временем установле- ния
35 нс и погрешностью линейности не более 0,01%.
В качестве переключателей тока Sk часто используются биполярные дифференциальные каскады, в которых транзисторы работают в активном ре- жиме. Это позволяет сократить время установления до единиц наносекунд.
Схема переключателя тока на дифференциальных усилителях приведена на рис. 6.8. Дифференциальные каскады VT1–VT3 и VT' 1–VT' 3 образованы из стандартных ЭСЛ вентилей. Ток Ik, протекающий через вывод коллектора вы- ходного эмиттерного повторителя, является выходным током ячейки. Если на цифровой вход Dk подается напряжение высокого уровня, то транзистор VT3 открывается, а транзистор VT' 3 закрывается. Выходной ток равен
Рис. 6.8

34
Точность значительно повышается, если резистор Rэ заменить источни- ком постоянного тока, как в схеме на рис. 6.7. Благодаря симметрии схемы су- ществует возможность формирования двух выходных токов – прямого и ин- версного. Наиболее быстродействующие модели подобных ЦАП имеют вход- ные ЭСЛ-уровни. Примером может служить 12-ти разрядный МАХ555, имею- щий время установления 4 нс до уровня 0,1%. Поскольку выходные сигналы таких ЦАП захватывают радиочастотный диапазон, они имеют выходное со- противление 50 или 75 Ом, которое должно быть согласовано с волновым со- противлением кабеля, подключаемого к выходу преобразователя.