АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

А — двухквадрантный преобразователь; б — четырехквадрантный преобразо­ватель

Рис. 6.10. Варианты построения преобразователей двоичного кода в напряжение на базе микросхем К572ПА1А.

Рис. 6.9. Десятиразрядный ЦАП К572ПА1А

Рис. 6.8- Десятиразрядный преобразователь двоич­ного кода в напряжение

Таблица 6.1

Рис. 6.7. Схема управления 252ПН1

Рис. 6.6. Резистивная матрица 252ПАЗ

Рис. 6.5. Восьмираз­рядный преобразова­тель двоичного кода в напряжение

Рис. 6.4. Восьмиразрядный преобразователь двоичного кода в ток 252ПА1

A - на биполярных транзисторах и диодах; б - на КМДП транзис­торах

А — с весовыми резисторами; б — с резистивной сеткой R = 2R

Рис. 6.1. Структурная схе­ма ЦАП

 

2. Точность, определяемая наибольшим значением отклонения аналогового сигнала от расчетного. Она обычно выражается в виде половины уровня сигнала, соответствующего младшему значащему разряду (МЗР). Суммарная ошибки, вносимая элементами ЦАП, не должна превышать указанную погрешность квантования.

3. Нелинейность, характеризующаяся максимальным отклоне­нием линейно-нарастающего выходного напряжения от прямой ли­нии, соединяющей точки нуля и максимального выходного chi нала (обычно не выше +1/2 значения МЗР).

4. Время преобразования (установления), определяемое интер­валом времени от момента подачи цифрового сигнала до момента достижения выходным сигналом установившегося значения.

Как правило, ЦАП содержит резистивную матрицу, с помощью которой формируются выходные сигналы, пропорциональные вход­ному коду; набор токовых ключей, реализующих коэффициенты двоичных разрядов; выходной усилитель и источник опорного ста­билизированного напряжения. Кроме того, обычно в схему вклю­чают устройство, обеспечивающее согласование входа ЦАП с циф­ровыми микросхемами.

Рассмотрим принципы построения основных узлов ЦАП.

Резистивная матрица может иметь различную структуру. Один из ее вариантов (с весовыми резисторами) показан на рис. 6.2,а. Здесь каждому разряду соответствует свой разрядный ток I₁, I₂, ..., 1_п. Эти токи задаются с помощью матрицы резисторов, со­противления которых удваиваются при переходе от старшего раз­ряда к младшему. Основной недостаток рассмотренной структуры — широкий диапазон сопротивлений и их высокая требуемая точность, особенно при большом числе разрядов входного кода. Другой ва­риант резистивной матрицы (с резистивной сеткой R — 2R), полу­чивший широкое распространение, показан на рис. 6.2,6. Здесь используются резисторы только двух номиналов. Формирование тока, соответствующего данному разряду, в этой схеме осуществ­ляется как за счет последовательных, так и параллельных цепей сопротивлений. При переходе от старшего разряда к младшему ток изменяется в два раза (как и в схеме, показанной на рис. 6.2,а). Токовые ключи, предназначенные для коммутации элементов резистивной матрицы, должны иметь высокое быстродействие и не вносить заметных погрешностей в разрядные токи. Ключи для быстродеиствующих ЦАП строятся обычно на биполярных транзисто­рах и диодах, для преобразователей среднего и низкого бьгтподей-ствия широко применяются ключи на КМДП-транзнсторах характеризующихся малым потреблением энергии.

Рис. 6.2. Резистивные матрицы:

Рис. 6.3. Варианты полупроводниковых ключей:

 

Один из вариантов ключа на биполярных полупроводниковых приборах показан на рис. б.З.а. Если на цифровой вход подан сиг нал 0, транзисторы T_it T₂ и диод Д, закрыты и ток выходной шины течет через открытый транзистор Т_а. При подаче на вход сигнала 1 транзисторы Т_г, Т₂ и диод Д, открываются, а диод Д₂ закрывается и отключает выходную шину. Транзистор T₃ все время открыт по этому через резисторы матрицы течет постоянный ток Этим дости гается отсутствие отрицательного влияния на быстродействие по стоянных времени эмиттерных цепей и постоянных времени завися­щих от сопротивлений матрицы.

Вариант ключа на КМДП-транзисторах показан на оис 6.3,6 В этой схеме транзисторы Т, — Т₃ служат для согласования с ми­кросхемами на входе ЦАП, транзисторы Г₄ — Т₇ используются для управления ключевыми транзисторами Т₈ — Т_в, которые подкчючают разрядные токи резистивной матрицы к одной из двух выходных шин. Через транзистор Т₃ осуществляется положительная обратная связь для уменьшения времени переключения (до 500 не)

Выходным усилителем обычно служит ОУ, который суммирует разрядные токи. Напряжение на выходе ОУ пропорционально вход­ному коду:

где Roy — сопротивление обратной связи ОУ; N — входной код.

Рассмотренные основные узлы ЦАП выпускаются отечественной промышленностью в виде отдельных микросхем и в комплекте Отдельные резистивные матрицы содержатся в микросхемах К228ПП1, К265ПП1-7 разрядов, К252ПН1 - 10 разрядов К304ИД1, 3, 5-5, 7, 9 разрядов, 301НС1 — 10 разрядов и др.

 

Ключи в виде многоканальных коммутаторов содержатся в ми­кросхемах: К190КТ1 (5 каналов), К190КТ2 (4 канала) 240КШ (1 канал), 240КН2 (3 канала), 240КНЗ (4 канала), К252КТ1 (4 канала), К594КТ1 (4 канала) и др.

В качестве усилителя можно использовать ОУ серий 140, 153, 240, 252 и др. Стабилизированные источники напряжения содержат­ся в сериях 142, 240, 275 и т. п.

Отечественная промышленность выпускает микросхемы серии К252, которые можно использовать для построения ЦАГГ К252ПА1 К252ПА2, К252ПАЗ, К252ПН1.

Микросхема К252ПА1 — восьмиразрядный преобразователь дво­ичного кода в ток — содержит резистивную матрицу с весовыми резисторами и ключи на биполярных транзисторах и диодах. Схема преобразователя показана на рис. 6.4. Входной код подается на выводы 2, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 12. С выводов 17, 19, 20, 21, 23, 24, 25, 27 снимаются разрядные токи. Их величина составляет от 2 5 (для первого разряда) до 0,019 мА (для восьмого). Входное напря­жение не менее 2,4 В. Относительная погрешность не более +0,4 %

Микросхема К252ПА2 подобна микросхеме К252ПА1, но отли­чается полярностью выходного тока опорного источника напряже­ния и включением диодов. Для того чтобы на базе указанных ми­кросхем построить преобразователь код — напряжение, на выходе нужно подключить ОУ, как показано на рис. 6.5.

Десятиразрядный преобразователь двоичного кода в ток можно построить на двух микросхемах — К252ПАЗ (рис. 6.6) и К252ПН1 (рис. 6.7). В первую входят резистивная матрица с весовыми рези­сторами и диодные ключи, во вторую — схемы управления ключа­ми. Функциональная схема ЦАП на базе указанных микросхем приведена на рис. 6.8. Относительная погрешность этого преобразо­вателя не более ±0,1 %.

 

Рассмотренные преобразователи построены по гибридной тех­нологии. В последние годы все большее внимание уделяется ЦАП выполненным на базе полупроводниковой технологии с использова­нием тонкопленочных резисторов на кристалле. Примером такого преобразователя является десятиразрядный ЦАП — микросхема К572ПА1А, содержащая матрицу резисторов и ключи на КМДП-транзисторах. Принципиальная схема преобразователя показана на рис. 6.9. В схеме использована матрица с резистивной сеткой R—2R с резисторами двух номиналов R1 — R₉, R₂₂=10 кОм±30 % R₁₀ — R₂₁ = 20 кОм±30 %. Параметры преобразователя: E_{и п}=15 В Uоп = 10,24 В, U'вх>2,4 В, U°_Вх<0,8 В. По входам ЦАП согласо­аан с ТТЛ микросхемами. Нелинейность не более +0,8 % от полной шкалы, время установления входного тока T_уст — 5 мкс. Имеются разновидности этой микросхемы: К572ПА1Б, К572ПА1В, К572ПА1Г, имеющие соответственно 9, 8 и 7 разрядов.

 

Схемы преобразователя код — напряжение, выполненные на базе микросхем К572ПА1А, показаны на рис. 6.10. В первом случае (а) выходное напряжение однополярное, во втором (б) — двуполяр-ное. Значения выходного напряжения в рассматриваемых схемах при различных входных кодах показаны в табл. 6.1.

Опорное напряжение в обеих схемах может выбираться разной полярности. Это позволяет использовать схему на рис. 6.10,а как двухкаадрантный преобразователь, а схему на рис. 6.10,6 — как че­ты рехквадрантный.

Входной код	Схема (рис. 6. 10, а)	Схема (рис. 6.10,6)
	-Uоп(1-2-10)	-Uоп(1-2-10)
	-U0п(1/2+2-10)	-Uон (2-l0)
	— U0П /2
	-Uon (1/2-2-10)	+Uоп(2-10)
	-Uон (2-l0)	+Uon(l-2-10)
		+Uоп

 

Другим примером ЦАП, выполненного на базе полупроводнико­вой технологии, служит двенадцатиразрядный преобразователь К594ПА1, содержащий резистивную матрицу, биполярные токовые ключи и ОУ. Он имеет меньшее, чем у рассмотренного выше пре­образователя время установления Г_уст = 3,5 мкс.

Перспективы развития ЦАП: уменьшение Густ до десятых до­лей микросекунд и менее в результате повышения быстродействия ключей и уменьшения времени установки ОУ; повышение точности преобразователя (до 0,05 — 0,003%) за счет улучшения качества резистивных матриц, ключей, стабильности источника опорного на­пряжения и увеличения разрядности преобразователя (до 14 — 16).

 

 

Под аналого-цифровыми преобразователями (АЦП) понимают устройства, позволяющие осуществить переход от информации в ана­логовой форме к информации в цифровой форме. Эти преобразова­тели широко используют для ввода в ЭВМ аналоговых данных, при цифровом измерении аналоговых сигналов, для перехода к цифро­вым сигналам в цепях автоматического регулирования и т. п. Вме­сте с ЦАП рассматриваемые преобразователи начинают использо­ваться в системе обработки данных, построенных на базе микро­процессоров.

В микроэлектронных АЦП входным сигналом является напря­жение, выходным — соответствующее ему значение цифрового (обычно двоичного) кода. Структурная схема АЦП в общем виде показана на рис. 6.11. В рассматриваемом преобразователе происхо­дит квантование входного напряжения на конечное число дискрет­ных уровней.

Основные параметры АЦП: разрядность, точность преобразова­ния, зависящая от шага квантования и ошибок, вносимых основны­ми узлами АЦП, а также время преобразования, необходимое для представления мгновенного значения аналогового сигнала в цифро­вой форме.

Состав АЦП в отличие от ЦАП может изменяться в значи­тельной степени в зависимости от метода преобразования и способа его реализации. Наибольшее распространение получили три основ­ных метода: последовательного счета, поразрядного кодирования и считывания.

Метод последовательного счета основан на уравновешивании входной величины суммой одинаковых и минимальных по величине эталонов. Момент уравновешивания определяется с помощью одного сравнивающего устройства, а количество эталонов, уравновешиваю­щих входную величину, подсчитывается с помощью счетчика.