Вопросы/задания: ЦИУ экзамен вопросы и материал

Файлы скачаны со студенческого портала для студенты "Baumanki.net"

Файлы представлены исключительно для ознакомления

Не забывайте, что Вы можете зарабатывать, выкладывая свои файлы на сайт

Оценивайте свой ВУЗ в различных голосованиях, в том числе в досье на преподавателей!

Распознанный текст из изображения:

Принцип действия цифро-аналогового преобразователя.

В общем случае цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) можно представить в виде блока (рис. 1.1), имеющего несколько цифровых входов и один аналоговый вход и аналоговый выход.

Рисунок 1.1. Структура ЦАП.

На цифровые входы ЦАП подается и-разрядный код М, на аналоговый вход — опорное напряжение 1.1,„( 13яег). Выходным сигналом является напряжение 13„,„(1.1о) или ток 1„,„( 1о). При этом выходной ток или выходное напряжение пропорциональны входному коду и опорному напряжению. Для некоторых микросхем опорное напряжение должно иметь строго заданный уровень, для других допускается менять его значение в широких пределах, в том числе и изменять его полярность (положительную на отрицательную и наоборот). ЦАП с большим диапазоном изменения опорного напряжения называется умножающим ЦАП, так как его можно легко использовать для умножения входного кода на любое опорное напряжение.

Кроме информационных сигналов, ЦАП требуют также подключения одного или двух источников питания и общего провода. Обычно цифровые входы ЦАП обеспечивают совместимость со стандартными выходами микросхем ТТЛ. Если ЦАП имеет токовый выход, его выходной ток преобразуется в выходное напряжение с помощью внешнего операционного усилителя и встроенного в ЦАП резистора Кос, один из выводов которого выведен на внешний вывод микросхемы (рис. 1.2).

Рисунок 1.2. Преобразование выходного тока ЦАП в выходное напряжение

Процедура преобразования входного цифрового кода в выходной аналоговый сигнал проста. Она состоит в суммировании нескольких токов (по числу разрядов входного кода), каждый последующий из которых вдвое больше предыдущего. Для получения этих токов используются или транзисторные источники тока, или резистивные матрицы, коммутируемые транзисторнь1ми ключами. Некоторые схемы ЦАП предусматривают возможность работы в биполярном режиме, при котором выходное напряжение изменяется не от нуля до 13яр~, а от — 13явг до +13яег. При этом выходной сигнал ЦАП живых умножается на 2 и сдвигается на величину Бяе~. Связь между входным кодом М и выходным напряжением 1.1вых будет следующей: ~1вых=1-1квг(1— М2'")

Параллельный ЦАП на переключаемых конденсаторах

Распознанный текст из изображения:

Параллельный ЦАП на переключаемых конденсаторах

Основой ЦАП этого типа является матрица конденсаторов, емкости которых соотносятся как целые степени двух. Схема простого варианта такого преобразователя приведена на рис. 11. Емкость й-го конденсатора матрицы определяется соотношением

С~=2 Со

Цикл преобразования состоит из двух фаз. В первой фазе ключи ЯОЕ5~ 1 находятся в левой позиции. Ключ сброса 5',б замкнут. При этом все конденсаторы разряжены. Во второй фазе ключ сброса 5',б размыкается. Если й-й бит входного Ж-разрядного слова ф,=1, то соответствующий ключ 5~ переключается в правую позицию, подключая нижнюю обкладку конденсатора к источнику опорного напряжения, или остается в левой позиции, если а~~=О. Суммарный заряд конденсаторов матрицы составит

Равный заряд получает и конденсатор С в обратной связи ОУ. При этом выходное напряжение ОУ составит

~вых фС

Параллельный ЦАП на коммутируемых конденсаторах окончательно Для хранения результата преобразования (постоянного напряжения) в течении сколь- нибудь продолжительного времени к выходу ЦАП этого типа следует подключить устройство выборки-хранения. Хранить выходное напряжение неограниченное время преобразователи на коммутируемых конденсаторах не могут из-за утечки заряда. Поэтому они применяются, в основном, в составе аналого-цифровых преобразователей. Другим недостатком является большая площадь кристалла ИМС, занимаемая подобной схемой.

Распознанный текст из изображения:

ЦАП с суммированием напряжений

Схема восьмиразрядного преобразователя с суммированием напряжений, изготавливаемого в виде ИМС, приведена на рис. Основу преобразователя составляет цепь из 256 резисторов равного сопротивления, соединенных последовательно. Вывод И~ через ключи ЯрЕ5~55 может подключаться к любой точке этой цепи в зависимости от входного числа. Входной двоичный код В преобразуется дешифратором 8х256 в унитарный позиционный код, непосредственно управляющий ключами. Если приложить напряжение Удз между выводами А и В, то напряжение между выводами И'и В составит

~Ъв= ~лв~г~.

Схема ЦАП с суммированием напряжений

Достоинством данной схемы является малая дифференциальная нелинейность и гарантированная монотонность характеристики преобразования. Ее можно использовать в качестве резистора, подстраивасмого цифровым кодом. При подаче активного уровня на вход "Экономичный режим" происходит размыкание ключа Я„и замыкание ключа Ьо. ИМС имеет вход сброса, которым ЦАП можно установить на середину шкалы. Фирма Недостаток схемы необходимость изготавливать на кристалле большое количество (2 ) согласованных резисторов.

Распознанный текст из изображения:

ЦАП с суммированием весовых токов

Большинство схем параллельных ЦАП основано на суммировании токов, сила каждого из которых пропорциональна весу цифрового двоичного разряда, причем должны суммироваться только токи разрядов, значения которых равны 1. Пусть, например, требуется преобразовать двоичный четырехразрядный код в аналоговый сигнал тока. У четвертого, старшего значащего разряда (СЗР) вес будет равен 2 =8, у третьего разряда

3= 2 =4, у второго 2 =2 и у младшего (МЗР) 2 =1. Если вес МЗР 1мзр=1 мА, то 1сзр=8 мА, а

2 1 о максимальный выходной ток преобразователя 1„,„„„,=15 мА и соответствует коду 11112. Понятно, что коду 10012, например, будет соответствовать 1„,„=9 мА и т.д. Следовательно, требуется построить схему, обеспечивающую генерацию и коммутацию по заданным законам точных весовых токов. Простейшая схема, реализующая указанный принцип, приведена на рис. 3.

Сопротивления резисторов выбирают так, чтобы при замкнутых ключах через них протекал ток, соответствующий весу разряда. Ключ должен быть замкнут тогда, когда соответствующий ему бит входного слова равен единице. Выходной ток определяется соотношением

Простейшая схема ЦАП с суммированием весовых токов

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 Ьм разряде должен быть меньше, чем

ЛА / Я=2-

Из этого условия следует, что разброс сопротивления резистора, например, в четвертом разряде не должен превышать 3%, а в 10-м разряде 0,05% и т.д. -при различных входных кодах ток, потребляемый от источника опорного напряжения (ИОН), будет различным, а это повлияет на величину выходного напряжения ИОН. - значения сопротивлений весовых резисторов могут различаться в тысячи раз, а это делает весьма затруднительной реализацию этих резисторов в полупроводниковых ИМС. Кроме того, 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.

Распознанный текст из изображения:

ЦАП на источниках тока

ЦАП на источниках тока обладают высокой точностью. В данном случае весовые токи обеспечиваются транзисторными источниками тока, имеющими высокое динамическое сопротивление. Упрощенная схема ЦАП на источниках тока приведена на рис..

Рис. Схема ЦАП на источниках тока

Весовые токи формируются с помощью резистивной матрицы. Потенциалы 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 к двум параллельно включенным одинаковым транзисторам ГТО и ГТ„, в результате чего ток через ГТО равен половине тока через РТ~. Входное напряжение для резистивной матрицы создается с помощью опорного транзистора ГТ,„и операционного усилителя ОУ1, выходное напряжение которого устанавливается таким, что коллекторный ток транзистора ГТ,„принимает значение 1,„. Выходной ток для Ж-разрядного ЦАП.

В качестве переключателей тока 5~часто используются биполярные дифференциальные каскады, в которых транзисторы работают в активном режиме. Это позволяет сократить время установления до единиц наносекунд.

Распознанный текст из изображения:

Схема ЦАП с переключателями и матрицей постоянного импеданса

Эти недостатки устранены в схеме ЦАП АР7520 (отечественный аналог 572ПА1), разработанном фирмой Апа1од Реч1сез в 1973 году, которая в настоящее время является по существу промышленным стандартом. Схема представлена на рис. В качестве ключей здесь используются МОП-транзисторы.

Схема ЦАП с переключателями и матрицей постоянного импеданса

В этой схеме задание весовых коэффициентов ступеней преобразователя осуществляют посредством последовательного деления опорного напряжения с помощью резистивной матрицы постоянного импеданса. Основной элемент такой матрицы представляет собой делитель напряжения, который должен удовлетворять следующему условию: если он нагружен на сопротивление Я„, то его входное сопротивление Я„также должно принимать значение Я„. Коэффициент ослабления цепи а=02/У1 при этой нагрузке должен иметь заданное значение. При выполнении этих условий получаем следующие выражения для сопротивлений: При двоичном кодировании а =0,5. Если положить Я„=2Я, то

В.,=Я и Яр=2Я

Поскольку в любом положении переключателей 5» они соединяют нижние выводы резисторов с общей шиной схемы, источник опорного напряжения нагружен на постоянное входное сопротивление Я,„=Я. Это гарантирует неизменность опорного напряжения при любом входном коде ЦАП. Согласно рис., выходные токи схемы определяются соотношениями

Распознанный текст из изображения:

а входной ток

Поскольку нижние выводы резисторов 2Я матрицы при любом состоянии

переключателей 5~ соединены с общей шиной схемы через низкое сопротивление

замкнутых ключей, напряжения на ключах всегда небольшие, в пределах нескольких

милливольт. Это упрощает построение ключей и схем управления ими и позволяет

использовать опорное напряжение из широкого диапазона, в том числе и различной

полярности. Поскольку выходной ток ЦАП зависит от У,„линейно, преобразователи

такого типа можно использовать для умножения аналогового сигнала (подавая его на вход

опорного напряжения) на цифровой код. Такие ЦАП называют перемножающими

(МВАС).

Точность этой схемы снижает то обстоятельство, что для ЦАП, имеющих высокую

разрядность, необходимо согласовывать сопротивления Я~ ключей с разрядными токами.

Особенно это важно для ключей старших разрядов. Например, в 10-разрядном ЦАП

АР7520 ключевые МОП-транзисторы шести старших разрядов сделаны разными по

площади и их сопротивление Я~ нарастает согласно двоичному коду (20, 40, 80, Е, 640

Ом). Таким способом уравниваются (до 10 мВ) падения напряжения на ключах первых

шести разрядов, что обеспечивает монотонность и линейность переходной

характеристики ЦАП.

ЦАП на МОП ключах имеют относительно низкое быстродействие из-за большой

входной емкости МОП-ключей. В то же время ЦАП на МОП-ключах имеют

минимальную мощность потребления.