Герасимов В.Г. (ред). - Электрические измерения и основы электроники (1998) (529641), страница 56
Текст из файла (страница 56)
Ао/Аз=8; АоИ2=4 и ЩА1=2 выходное напряжение ЦАП с точностью до знака соответствует выражению характеристики преобразования (6.8). Недостатком схемы ЦАП (см. рис.б.29,6) является значительныи разброс номиналов и весьма жесткие требования по точности подгонки значений сопротивлений резистивной матрицы. На рис.6.29,в представ лена схема четырехразрядного ЦАП на основе так называемои (А — 2А)-резистивной матрицы, свободная от указанных недостатков. Резистивная (А — 2А)-матрица представляет собой цепь лестничной структуры, обладающая такими замечательными свойствами, что ее входное сопротивление не зависит от числа (А — 2А)-ячеек и всегда равно А, а токи резисторов 2А в соседних ячейках различаются в 2 раза.
В схеме ЦАП на рис.6.29,в транзисторные ключи Яр — Яз осуществляют коммутацию токов в резисторах 2А на соответствующие входы (2Π— 2з) ннвертирующего сумматора. Современные интегральные ОУ характеризуются малыми входными токами и весьма высоким усилением по напряжению. Пренебрегая малым входным током ОУ, приходим к заключению, что суммарный ток входов (2о — 2з) образует ток 1~, в резисторе обратной связи А,. Далее, поскольку при конечном выходном напряжении разность потенциалов между входами ОУ с бесконено большим усилением стремится к нулю, для выходного напряжения ЦАП запишем Е,„,„= — А, 1„= — А, 10 (8аЗ + 4а2+ 2а! + аО), (6.10) где, как н ранее, ао — аз в зависимости от состояния ключей фо — оз) принимают значения 1 или О.
Для (А — 2А)-матрицы из четырех ячеек (как на рис.6.29,в) имеем (',„=161оА, откуда следует 10= У,„Л 6А. Сравнивая (6.10) и (6.8), приходим к выводу, что при А„=Ам б;„=!6У „/15 выходноенапряжение ЦАП (см.рис.6.29,в) с точностью до знака соответствует характеристике преобразования (6.8). Схема ЦАП (см.рис.6.29,п) содержит две группы резисторов с номиналами А и 2А, что позволяет создавать интегральные схемы высокоточных ЦАП, так как в едином технологическом цикле нетрудно обеспечить одинаковые номиналы резисторов в пределах каждой из двух упомянутых групп.
Более того, конкретное значение этого номинала не играет существенной роли, важно, чтобы сопротивления резисторов этих двух груни отличались в 2 раза. * В общем случае для и-разрядного ЦАП с (К вЂ” 2А)-резистивной матрицей С' „=2" б' /(2"- — ! ) 302 Микросхемы ЦАП после номера серии в обозначении первой имеют букву П (для всех преобразователей), а второй — букву А. На рис.6.29,г представлена ИС типа К572ПА1, представляющая собой выполненный на основе КМОП-технологии 1О-разрядный ЦАП с временем преобразования не более 5 мкс.
К сожалению, при разработке этой ИС технологически не удалось на одной подложке вместе с КМОП-ключами и (Я вЂ” 2Я)-матрицей выполнить и схему ОУ, поэтому ЦАП К572ПА1 всегда дополняют внешней микросхемой ОУ, подключение которой также показано на рис.6.29,г. В заключение отметим, что ЦАП К572ПА1 обеспечивает уникальную возможность выполнить операцию умножения аналоговой величины У,п на другую величину, задаваемую двоичным цифровым кодом на входах РΠ— Р9, при этом результат умножения представляется также в аналоговом виде выходным напряжением ЦАП. По этой причине ЦАП К572ПА1 иногда называют умножающим. Аналогово-цифровые преобразователи. АЦП представляют собой устройство для сопоставления цифрового двоичного кода уровню аналогового сигнала на его входе. Характеристикой преобразования АЦП называют зависимость числового эквивалента двоичного кода на выходе АЦП от нормированного к напряжению шкалы входного аналогового сигнала (~~ Ю „).
Она также представляется многоступенчатой ломаной линией, подобной изображенной на рис.6.29,а, с той лишь разницей, что для четырехразрядного АЦП оси абсцисс и ординат меняются местами. В настоящее время наибольшее распространение получила классификация интегральных АЦП на основе рассмотрения характера развития в них процесса преобразования во времени. Согласно такому подходу все интегральные АЦП можно разбить надва типа: последовательного действия (развертывающего типа) и параллельного действия (параллельного типа). К АЦП развертывающего типа относят АЦП с последовательным счетом, с поразрядным уравновешиванием (последовательных приближений) и интегрирующие АЦП.
Структурная схема АЦП последовательного счета представлена на рис.6.30,а. Постоянное (в течение времени действия импульса считывания, длительность которого выбирается чуть меньше периода дискретизации Тд=1/)д) положительное напряжение У „поступает на неинвертирующий вход ОУ.РА 1, работающего в режиме компаратора.
На инвертирующий вход РА1 подается выходное напряжение ЦАП РА2*, циф- * В простейшем случае вместо ЦАП может быть применен генератор линейно-изменяющегося напряжения (ГЛИН), запускаемый импульсом на входе «Пуск» Однако ввиду жестких требований к линейности его выходно1 о напряжения такая замена, как правило, приводит к дополнительному увеличению общей погрешности преобразования АЦП 303 ровые входы которого подключены к выходам двоичного счетчика СТ2. В исходное нулевое состояние счетчик СТ2 устанавливается им пульсом на его входе сброса.
АЦП запускается импульсом на входе «Пуск», разрешающем работу счетчика СТ2, на счетный вход которого поступают тактовые импульсы, следующие с частотой повторения 1' т. Двоичный код на выходах счетчика пробегает значения натурального числового ряда, а напряжение на выходе 27А2 ступенчато нарастает в соответствии с его характеристикой преобразования. В момент времени, когда это наряжение сравнивается с Св„, срабатывает компаратор 2)А1. прекращая работу счетчика. Изменение состояния ЭА1используется в качестве сигнала «Конец преобразования»,а выходной код счетчика соответствует цифровому эквиваленту входного аналогового сигнала. Общий недостаток АЦП с последовательным счетом — сравнительно невысокое быстродействие, из-за чего они чаще всего применяются в низкочастотных цифровых вольтметрах.
Задача. 6ЛЗ. Определить верхнюю граничную частоту~' аналоговых сигналов, преобразуемых 1О-разрядным АЦП последовательного счета, тактовая частота которого~,'=10мГц Р е ш е н и е Максимальное число Х импульсов. подсчитанное двоичным счетчиком с п=10, составляет %=2" — 1= 1023. Тогда максимальная частота дискретизации преобразуемого сигнала будет ~' <ДЖ=9,775 кГц, а его верхняя граничная частота (по условию однозначности преобразования) составит ~„<~'„/2 = 4,89 кГц. Причина низкого быстродействия АЦП последовательного счета заключается в том, что в нем двоичный счетчик всякий раз пробегает все промежуточные значения от нуля до своего окончательного состояния, б) Рис 6 30 Аналого-цифровой преобразователь и — послсловательного счсза, б — с поразрялным уравновешиванием 304 определяемого напряжением У,„. Увеличить быстродейсвие возможно, если сменить последовательную стратегию установки выходного кода АЦП на поразрядную, т.е.
вначале сравнить У „с напряжением Уц и на выходе ЦАП при коде с единственной единицей в старшем разряде и нулях в остальных разрядах. Если окажется, что У „> Уц,~п, единицу в старшем разряде надо оставить, а если нет — сбросить. Далее можно установить единицу в следуюшем, младшем разряде и вновь повторить описанную процедуру. Процесс заканчивается определением содержимого самого младшего разряда. АЦП с поразрядной установкой выходного кода получили название АЦП споразрядным уравновеш ив а н и е м. Структурная схема такого АЦП представлена на рис.
6.30,б. Ее главное отличие от схемы рис.6.30,а состоит в том, что в ней двоичный счетчик заменен на так называемый р е г и с т р п о с л е д о в ател ь н ы х при бл и же н и й(КО). В исходное нулевое состояние все разряды КО 1Ю1. (см.рис.6.30,б) устанавливаются импульсом сброса на входе Я. АЦП запускается сигналом «Пуск» навходеразрешения Е, причем весь цикл преобразования в нем всегда завершается за п тактовых импульсов Ут(~), где п-разрядность АЦП. При положительном перепаде каждого тактового импульса в регистре устанавливается один из его разрядов, начиная со старшего, но окончательное состояние этого разряда определяется логическим уровнем на входе О на момент отрицательного перепада тактового импульса.
В свою очередь. состояние входа В определяется компаратором 0А1 по результатам сравнения выходного напряжения Уц~п ВА2 при коде, установленном в момент положительного перепада (' (~), и напряжением У,„. Если У „>('цлп, на входе В устанавливается единица, при У,„<Уц~,п — нуль. В качестве примера построим временные диаграммы напряжении на выходе ЦАП, а также на выходе ком паратора четырехразрядного ЛЦП с поразрядным уравновешиванием с напряжением шкалы (,' „.=15 В при (1,„=9,5 В.
Весь цикл преобразования в данном АЦП завершится за л=4 тактовых импульса, поэтому вначале изобразим временную диаграмму У,(~) (Рис.6.31,а). Под ней, указав моменты времени при положительных и отрицательных перепадах тактовых импульсов, изобразим диаграммы "ц~,п(~) и икО~„~п(~). На диаграмме ицлп(~) отложим фиксированный уровень У,„= 9,5 В (см.рис.6.31,б).
В исходном состоянии (при ~=0) все разряды регистра сброшены. "оэтомУ до пеРвого тактового импУльса иц п(~)=0, а икомп(~)=1 ®,„>О). При положительном перепаде тактового импульса 1 в старший Разряд регистра записывается единица„а напряжение на выходе ЦАП "Ринимает значение 8 В. Поскольку при этом У,„=9,5 В>ицли — — 8 В, "Комп(1)=1 к моменту отрицательного перепада первого тактового 305 импульса на входе .0 регистра ЛС, запишется в его старший разряд й промежутке между тактовыми импульсами 1 и 2 на выходе ЦАП буд напряжение 8 В„а на выходе компаратора — состояние 1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
