Коэффициент стабилизации для параметрического ИОН (рис.10.3а) может составлять 10…100. В ИОН компенсационного типа он может достигать величины порядка 10000.
10.4. Аналоговые коммутаторы
Аналоговые коммутаторы служат для переключения аналоговых сигналов. Если коммутатор находится в состоянии ”включено”, его выходное напряжение должно, по возможности, точно равняться входному, если же коммутатор находится в состоянии ”выключено”, выходное напряжение должно быть как можно ближе к нулю.
Существуют различные схемные решения коммутаторов, удовлетворяющие указанным условиям. Их принцип действия показан на рис.10.5 на примере механических ( контактных) переключателей.
Аналоговые коммутаторы, показанные на рис.10.5, могут быть реализованы на электронных компонентах с управляемым сопротивлением, имеющие малое минимальное и высокое максимальное значения. Для этих целей могут использоваться диодные мосты, биполярные и полевые транзисторы. Вследствие неидеальности они вносят ряд статических и динамических погрешностей в коммутируемые сигналы. В число основных источников погрешностей входят:
– проходное сопротивление электронного ключа не равно нулю во включённом состоянии,
– наличие не равного нулю остаточного напряжения на замкнутом ключе при нулевом коммутируемом сигнале,
– нелинейная зависимость сопротивления ключа от напряжения (тока) как на сигнальном, так и на управляющем входах,
– взаимовлияние управляющего и коммутируемого сигналов,
– наличие целого ряда паразитных ёмкостей, одни из которых приводят к ослаблению высокочастотных составляющих коммутируемого сигнала при замкнутом ключе, а также между управляющими и сигнальными цепями,
– ограниченный динамический диапазон коммутируемых токов и напряжений.
Ключи на биполярных транзисторах и в особенности на диодных мостах потребляют значительную мощность по цепям управления и имеют сравнительно большое остаточное напряжение, составляющее единицы мВ, что вносит заметную погрешность при коммутации слабых сигналов ( менее 100мВ). Такие ключи имеют высокое быстродействие ( время переключения диодных ключей, выполненных на диодах Шоттки, достигает 1 нС) и применяются для построения сверхскоростных коммутаторов. В менее быстродействующих коммутаторах гораздо шире применяются ключи на полевых транзисторах.
Схемы коммутаторов с ключами на МОП-транзисторах приведены на рис.10.6.
Рис.10.6. Последовательные коммутаторы с ключами на МОП транзисторах: а) на n-канальном МОП транзисторе, б) на КМОП транзисторах
Ключ на рис.10.6а предназначен для коммутации положительных напряжений, которые, как минимум на 5 В, меньше VCTRL. При напряжении затвор-исток VGS≤0 сопротивление канала достигает десятков ГОм и сигнал не проходит через ключ. Подача на затвор относительно истока значительного положительного напряжения переводит канал в проводящее состояние с сопротивление от 1 до 300 Ом.
Лучшими характеристиками обладают ключи на комплиментарных МОП-транзисторах (КМОП-ключи), рис.10.6б. Здесь на подложку транзистора VT1 подаётся положительное питающее напряжение +VS, а на подложку транзистора VT2 отрицательное питающее напряжение –VS.
При высоком уровне управляющего сигнала напряжение на затворе n-канального транзистора VT2 практически равно +VS. В этом случае транзистор VT2 проводит сигналы с уровнями от –VS до величины лишь на несколько вольт ниже +VS. В то же время напряжение на затворе p-канального VT1 практически равно –VS и он пропускает сигналы с уровнями от +VS до значения на несколько вольт выше –VS. Таким образом все сигналы в диапазоне от –VS до +VS проходят через параллельно включённые VT1 и VT2.
При низком уровне управляющего сигнала оба транзистора заперты.
Эта схема одинаково работает в двух направлениях – её сигнальные контакты S ( source – исток) и D ( drain – сток) могут служить как входом, так и выходом.
В качестве примера использования аналоговых ключей можно привести аналоговый мультиплексор (рис.10.7). Он позволяет выбрать один из нескольких входов, соответствующий поданному на него адресу. Такие мультиплексоры выпускаются либо отдельно, либо могут быть встроены в аналого-цифровой преобразователь или аналогичные устройства.
Каждый из ключей на рис.10.7 от S0 до S3 представляет собой аналоговый КМОП –ключ. Дешифратор декодирует адрес, представленный в двоичном коде, и включает только адресованный ключ, блокируя остальные. Вход разрешения E необходим для наращивания числа коммутируемых источников сигналов, если на этот вход подать сигнал низкого уровня, то независимо от состояния адресных входов все ключи мультиплексора разомкнуты. Так как аналоговые КМОП-ключи являются двунаправленными устройствами, аналоговый мультиплексов является одновременно и демультиплексором, то есть сигнал может быть подан на выход мультиплексора и снят с избранного входа.
Для сложных коммутаций аналоговых аудио- и дидеосигналов предназначены так называемые матричные коммутаторы ( crosspoint switch). Их применяют в тех случаях, когда требуется соединить в заданной конфигурации несколько источников сигнала с несколькими приёмниками, включая соединения, при которых к одному источнику сигнала подключаются несколько приёмников. Это необходимо для видеосерверов, систем передачи видеосигналов, устройств видеонаблюдения, видеоконференций, аудиоприложений и др..
Для примера на рис.10.8 представлена блочно-функциональная схема микросхем матричных коммутаторов 8х8 AD8108/09 производства фирмы Analog Devises.
Поскольку здесь возможно подключение к источнику сигнала до восьми приёмников, для уменьшения нагрузки на входы используются выходные буферные усилители. Эти усилители в AD8108 имеют единичное усиление по напряжению, а в AD8109 коэффициент усиления буферных усилителей равен двум.
Микросхемы AD8108/09 используют матрицу с 64 входными каскадами, организованными как восемь мультиплексоров 8х1. Выходы этого матричного коммутатора способны работать на стандартную 150 омную видеонагрузку при низком уровне искажений сигналов ( дифференциальные амплитудная и фазовая погрешности не превышают 0,02% и 0,02° соответственно). Входы обладают высоким сопротивлением (10 Мом) и малой ёмкостью (2,5 пФ). Выходы имеют низкое сопротивление (0,2 Ом на постоянном токе), но могут быть переведены в высокоимпедансное состояние ( до 10 МОм).
Коммутаторы AD8108/09 управляются двумя способами: последовательным и параллельным вводом данных. В первом случае через последовательный вход данных DATA IN вводится 32-разрядное управляющее слово, которое полностью определяет конфигурацию коммутатора. Для изменения состояния одного единственного ключа нужно полностью перепрограммировать матрицу 32-разрядным словом. При параллельном способе можно переключить один ключ, подав на входы данных (4 линии) и адреса (3 линии) микросхемы 7-разрядное слово в параллельном коде.
Фирма Analog Devises выпускает также матричные коммутаторы размерностью 16х8 (AD8110/11) и 16х16 (AD8113/14/15/15).
10.5. Оптореле
Оптореле сходны с аналоговыми коммутаторами, но отличаются от них прежде всего отсутствием электрической связи между цепью управления и коммутируемыми цепями. Напряжение электрической изоляции может достигать несколько киловольт. Оптореле различаются, прежде всего типами ключевых элементов, в качестве которых применяются тиристоры, биполярные транзисторы и МОП-транзисторы. Первые два вида ключей обладают плохими точностными характеристиками, поэтому соответствующие типы оптореле применяются исключительно для коммутации силовых цепей небольшой мощности. Оптореле с МОП-транзисторами имеют неплохие точностные характеристики, поэтому они могут применяться в качестве коммутаторов аналоговых каналов. На рис.7.26 приведена схема оптореле на МОП-транзисторах.
Рис.10.9. Схема оптореле на МОП-транзисторах
Силовой ключ образуют два МОП-транзистора с каналом n-типа, включённые встречно-последовательно. Это хотя и увеличивает вдвое сопротивление открытого ключа, но позволяет получить высокое максимально допустимое напряжение в закрытом состоянии. Управление состоянием обоих транзисторов осуществляется несколькими фотодиодами, включёнными последовательно. Фотодиоды работают в данном случае как фотоэлементы в режиме холостого хода. При освещении каждый из них вырабатывает напряжение около одного вольта, поэтому при пропускании тока ICTRL через светодиод транзисторы открываются. Динамическое сопротивление фотодиодов даже в режиме холостого хода сравнительно велико, поэтому процессы отпирания и запирания ключа, связанные с зарядом входной ёмкости МОП-транзисторов, протекают довольно медленно.
Типичным представителем этого класса приборов является 2-канальное оптореле TLV422 фирмы International Rectifier. Это реле может обеспечить коммутацию разнополярных сигналов с напряжением до 400 В, чего не допускает ни один КМОП-коммутатор. Максимально допустимое напряжение изоляции составляет 4 кВ. Сопротивление открытого канала не более 20 Ом при входном токе управления 5 мА. Типичное время отпирания ключа при коммутируемом токе 20 мА – 800 мкс, а выключения – 400 мкс. Ток утечки закрытого ключа достигает 1 мкА ( у аналоговых коммутаторов он меньше 1 нА).
10.6. Устройства выборки-хранения
Стандартная схема преобразования аналогового сигнала в цифровой предусматривает дискретизацию по времени и последующую дискретизацию по уровню. Дискретизация по времени осуществляется с помощью устройств выборки-хранения (УВХ), которые на интервале выборки ( слежения) повторяют на выходе входной аналоговый сигнал, а при переключении в режим хранения сохраняют последнее значение входного напряжения до поступления следующего сигнала выборки, то есть, по сути, они являются аналоговыми запоминающими устройствами. Хранимый сигнал ( текущая выборка по времени) поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) для преобразования в цифровой вид. Для правильной работы АЦП необходимо, чтобы преобразуемый сигнал на протяжении времени преобразования оставался постоянным. Схема простейшего УВХ приведена на рис.10.10а.
Когда ключ S замкнут, выходное напряжение схемы повторяет входное, то есть VOUT = VIN (рис.10.10б). При размыкании ключа VOUT сохраняет значение, соответствующее моменту размыкания. Выходной повторитель на ОУ препятствует разряду конденсатора хранения CH на нагрузку схемы. Входное сопротивление повторителя должно быть как можно больше, поэтому обычно применяют ОУ с полевыми транзисторами на входе. По такой схеме построены, например, многоканальные УВХ SMP04/08 фирмы Analog Devises.
УВХ выпускаются в виде отдельных микросхем, либо совместно с АЦП в одной микросхеме.
Рис.10.10. Устройство выборки-хранения : а) принципиальная схема,
б) временные диаграммы
10.7. Цифроаналоговые преобразователи
Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) предназначен для преобразования числа, представленного, как правило, в виде двоичного кода, в напряжение или ток, пропорциональные этому числу. На рис.10.11 представлена общая классификация ЦАП по способам преобразования входного кода и схемам формирования выходного сигнала.
Рис.10.11. Обобщённая классификация ЦАП
Дальнейшую классификацию ЦАП можно провести по ряду специфических признаков, например:
– по роду выходного сигнала: преобразователи с токовым выходом или с выходом по напряжению,
– по типу цифрового интерфейса : с последовательным вводом или с параллельным вводом,
– по числу ЦАП на кристалле: одноканальные и многоканальные,
– по быстродействию: низкого, среднего и высокого быстродействия,
– по разрядности.
Наиболее простую конструкцию имеют параллельные ЦАП с суммированием весовых токов резистивными цепями (рис.10.12).
Рис.10.12. Простейшая схема ЦАП с суммированием весовых токов
В этой схеме 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 кода равен единице. Выходной ток определяется соотношением
где k – разрядность входного кода, dk принимает значение 0 или 1 в зависимости от состояния k-го разряда входного тока, D – входной код
( точнее, суммарный вес входного кода). При высокой разрядности ЦАП токозадающие резисторы должны быть согласованы с высокой точностью. Наиболее жёсткие требования по точности предъявляются к резисторам старших разрядов, поскольку разброс весовых токов не должен превышать доли тока младшего разряда.
Рассмотренная схема ЦАП с суммированием весовых токов при всей её простоте обладает рядом недостатков:
– при различных входных кодах ток, потребляемый от источника опорного напряжения (ИОН), будет различным, а это может повлиять на величину выходного напряжения ИОН,
– значения сопротивлений весовых резисторов могут различаться в тысячи раз, что делает весьма затруднительной реализацию этих резисторов в полупроводниковых микросхемах; кроме того, сопротивление резисторов старших разрядов может быть соизмеримым с сопротивлением замкнутых ключей, а это ведёт к дополнительным погрешностям преобразования,
– в этой схеме к разомкнутым ключам прикладывается значительное напряжение, что усложняет их построение.
В настоящее время разными фирмами выпускается большое количество ЦАП, основанных на разных принципах, которые тем или иным образом обходят эти недостатки и обеспечивают высокие характеристики по точности и быстродействию.
В схеме устройства ЦАП появляется тогда, когда необходимо обработанный цифровой сигнал преобразовать в аналоговую форму и подать на исполнительное устройство, которым может быть динамик, электродвигатель и т.п. Другим использованием ЦАП является прямой синтез сигналов необходимой формы, который предварительно формируется в цифровом виде, а затем с помощью ЦАП преобразовывается в аналоговый вид. Для примера на рис.10.13 приведена упрощённая схема генератора прямого цифрового синтеза (ПЦС) синусоидального сигнала с широким диапазоном задаваемых частот.
Схема прямого цифрового синтеза содержит три основных блока: генератор фазового угла, память и ЦАП. Генератор фазового угла в типичном случае представляет собой накапливающий сумматор с регистром. Работает он просто как регистр фазы, содержимое которого получает приращение на некоторый фазовый угол через заданные интервалы времени. Необходимое приращение фазы Δφ в виде цифрового кода загружается последовательно или побайтно во входные регистры. Память играет роль таблицы функций.
Системы прямого цифрового синтеза чрезвычайно гибки. Частота выходного сигнала может быть изменена практически мгновенно без разрыва фазы простым изменением содержимого входных регистров.
10.8. Аналого-цифровые преобразователи
Преобразование сигналов из аналоговой формы в цифровую предполагает две операции. Первая – дискретизация по времени. Она осуществляется с помощью устройств выборки-хранения, рассмотренных ранее. Вторая – дискретизация по уровню. Для этого предназначены аналого-цифровые преобразователи (АЦП).
В простейшем случае АЦП представляют собой набор компараторов и логическое устройство, выдающее на выходе код, зависящий от того, какие компараторы сработали. На рис.10.14 показана схема такого 3-х разрядного АЦП. Подобные АЦП называются параллельными.
Рис.10.14. Схема параллельного АЦП
Весь диапазон входного сигнала разбит на восемь уровней, которые можно закодировать тремя двоичными разрядами. В соответствии с этими уровнями сформировано семь пороговых напряжений, которые подаются на семь компараторов. Все компараторы сравнивают входной сигнал со своим порогом. Входному сигналу сопоставляется цифровой код, соответствующий максимальному номеру компаратора, из тех, что сработали. Если ни один компаратор не сработал, то на выход подаётся код 000. Логическая схема, формирующая выходной код состоит из приоритетного шифратора и трёх триггеров, в которые записывается выходной сигнал импульсами синхронизации.
Благодаря одновременной работе компараторов параллельный АЦП является самым быстрым. Например, восьмиразрядный преобразователь MAX108 позволяет производить 1,5 млрд преобразований в секунду. Недостатком этой схемы является большой объём и сложность реализации. N-разрядный параллельный АЦП должен содержать 2N-1 компараторов и 2N согласованных прецизионных резисторов. Так, например, АЦП AD9060 содержит 512 компараторов.
Поэтому для приложений, где не требуется максимальная скорость преобразований, производится обмен быстродействия на экономию оборудования за счёт тактирования работы АЦП и использования одних и тех же компараторов для определения разных разрядов. В самом медленном варианте остаётся один компаратор, с помощью которого определяются все разряды (рис.10.15).
Схема содержит счётчик, на который поступают счётные импульсы от генератора тактовых импульсов (ГТИ). Код, сформированный в счётчике поступает в ЦАП, выходной сигнал которого используется в качестве порогового для компаратора. Код в счётчике начинается с нулевого и потактно возрастает на единицу. Как только сработает компаратор, подача импульсов на счётчик прекращается и достигнутый код подаётся на выход. На следующем цикле обработки на вход компаратора поступает очередное значение VIN, счётчик сбрасывается в ноль и подача импульсов на счётчик возобновляется.
В настоящее время известно большое число методов преобразования напряжение-код. Эти методы существенно отличаются друг от друга потенциальной точностью, скоростью преобразования и сложностью аппаратной реализации. На рис.10.15 представлена классификация АЦП по методам преобразования.
Рис.10.15. Классификация АЦП
Выбор АЦП для использования осуществляется адекватно приложению с учётом необходимых точности, быстродействия, потребления, габаритов и допустимой стоимости.
Постепенное усложнение АЦП, появление многоканальных АЦП, АЦП со встроенным устройством выборки-хранения, АЦП со сложной цифровой частью привело к тому, что сейчас имеются законченные однокристальные системы сбора данных, обеспечивающие преобразование в цифровой код сигналов, поступающих от многих датчиков и передачу их на микро-ЭВМ. Структурная схема развитой системы сбора данных приведена на рис.10.16.
Рис.10.16. Структурная схема системы сбора данных
( УПК – усилитель с программируемым коэффициентом усиления, УВХ – устройство выборки-хранения, ИОН – источник опорного напряжения, ШД – шина данных)
В схему встроены устройство выборки-хранения и источник опорного напряжения. Для подключения к нескольким источникам входных аналоговых сигналов используется аналоговый мультиплексор. Чтобы сократить частоту прерываний главного процессора некоторые схемы сбора данных снабжаются оперативным запоминающим устройством типа FIFO (first input – first output, первый вошёл, первый вышел). Измерительный усилитель с программируемым коэффициентом усиления (УПК), входящий в систему, меняет свой коэффициент усиления по команде от схемы управления. Это позволяет выровнять диапазоны аналоговых сигналов с различных входов.
Примерами таких систем сбора данных могут служить, например, микросхемы AD7581, AD1B60 и LM12458.
10.9. Контрольные вопросы
1. Схема изолирующего усилителя с трансформаторной связью и описание его работы.
2. Схема компаратора на ОУ.
3. Схема источника опорного напряжения на стабилитроне и компенсационного типа.
4. Схемы механических коммутаторов и коммутаторы с ключами на МОП транзисторах.
5. Функциональная схема аналогового мультиплексора 4х1 и его условное обозначение.
6. Схема оптореле на МОП-транзисторах.
7. Функциональная схема устройства выборки-хранения и временные диаграммы его работы.
8. Простейшая схема ЦАП с суммированием весовых токов.
11. Структурная схема АЦП последовательного счёта и временная диаграмма его работы.
12. Классификация АЦП.
13. Структурная схема системы сбора данных.
Тема 8. Схемотехника обслуживающих элементов
Лекция 11
Кроме аналоговых и цифровых блоков устройства могут содержать и дискретные компоненты и сигналы, типа переключателей, клавиатуры, выходов компараторов, индикаторные лампы, реле и т.п. Для сопряжения с ними нет необходимости использовать АЦП и ЦАП, а достаточно более простых цепей, выполняющих обслуживающие функции.
11.1 Сопряжение цифровых микросхем, изготовленных по разным технологиям, и сопряжение с интерфейсами
Цифровые микросхемы, изготовленные по разным технологиям, отличаются кроме прочих параметров по уровням питающих и сигнальных напряжений, по токам потребления и выдачи, по быстродействию и крутизне фронтов. Эти же различия обуславливают ненадёжную работу устройств, собранных на микросхемах разных технологий , из-за различий в уровнях рабочих параметров и уровнях чувствительности по помехам. Поэтому желательно изготавливать устройства на микросхемах, изготовленных только по одной технологии. Если же это не удаётся, то необходимо предпринять дополнительные меры по повышению помехоустойчивости работы устройства: увеличению сечения шин питания и земли, дополнительные фильтры на шинах питания, гальваническая развязка субблоков и т.п.
При передаче сигналов от ТТЛ ( ТТЛШ) логики на КМОП с напряжением питания у обоих типов микросхем +5 В обычно достаточно подключить подтягивающие резисторы между выходами ТТЛ логики и шиной питания ( рис.11.1а). При различных напряжениях питания необходимо использовать выходы ТТЛ логики с открытым коллектором, которые через резистор подключены к шине питания КМОП микросхем (рис.11.1б). Если при этом получающиеся фронты сигналов имеют слишком большую длительность, то сигналы в КМОП часть схемы должны приниматься триггерами Шмидта, а затем только поступать в остальную часть схемы.
Рис.11.1 Сопряжение ТТЛ и КМОП логики: а) одинаковое напряжение питания, б) разное напряжение питания
При передаче сигналов от КМОП логики на ТТЛ в зависимости от нагрузочной способности КМОП выхода и входного тока ТТЛ входов возможно использование в самом простом случае резистивного делителя напряжения или ключа, подключённого через резистор к шине питания ТТЛ. Более общим подходом является использование преобразователей уровня (рис.11.2) как для перехода от ТТЛ логики к КМОП, так и в обратном направлении.
Рис.11.2. Использование преобразователей уровня
В качестве примера можно привести широко распространённые преобразователи уровней СD40109 и HS3374RH ( производства фирм TEXAS INSTRUMENTS и INTERSIL).
К этому же классу обслуживающих микросхем относятся преобразователи уровня для работы с различными интерфейсами. Так, например, для работы последовательного интерфейса RS232 уровень логической 1 должен быть порядка +5…+15 В, а уровень логического 0 –
-5…-15 В. Для двухстороннего согласования уровней ТТЛ и RS232 выпускается большое количество специализированных микросхем, наиболее популярной из которых является MAX232 производства фирмы MAXIM, которая кроме самих преобразователей уровней содержит и преобразователь питания +5 В в ±10 В.
11.2 Управление входами ТТЛ и КМОП
При вводе сигнала от механических ключей, которыми могут быть как обыкновенные кнопки, так и контакты реле, контакты различных датчиков и т.п., возникает дребезг контактов, который может вызывать нежелательные переключения элементов ( например, электронная схема будет воспринимать многократное нажатие кнопки вместо однократного). Типовым решением является использование асинхронного RS-триггера, входы которого через резисторы подключены к шинам питания (рис.11.3).
Рис.11.3. Схема устранения дребезга контактов
При первом же соприкосновении контактов триггер перейдёт в соответствующее состояние и в дальнейшем не будет реагировать на последующие соприкосновения с этим же контактом ( однополюсный ключ не может совершать колебания от одного контакта до другого, только ”есть соприкосновение” – ”нет соприкосновения” с тем же контактом).
При проектировании электронной схемы на ПЛИС имеется большое количество логических элементов, но нет резисторов. В таких схемах для устранения дребезга используют схемы подавления импульсных помех, настроенные на длительность дребезга. Для простейшего случая схема приёма сигнала приведена на рис.11.4.
Рис.11.4. Схема устранения дребезга и подавления коротких импульсных помех в положительном сигнале
В этой схеме на входы схемы совпадения поступает положительный уровень сигнала ( единичный уровень) и он же, только задержанный. Если время задержки больше длительности сигнала, то на выход схемы совпадения такой сигнал не пройдёт. Для устранения дребезга контактов величину задержки устанавливают больше времени наличия дребезга.
11.3 Дискретное управление нагрузкой от элементов ТТЛ и КМОП
В качестве нагрузки электронной схемы могут быть лампы, светодиоды, электромеханические реле, мощные контакторы и пускатели. Если речь идёт об устройствах небольшой мощности, то они могут управляться непосредственно от типовых логических выходов, выходов с повышенной нагрузочной способностью, либо с выходов с открытым коллектором (рис.11.5).
Рис.11.5. Непосредственное управление от типовых логических выходов
Если речь идёт об управлении мощными устройствами, питающимися от цепи постоянного или переменного тока, то необходимо произвести гальваническую развязку цепей и реализовать ступенчатое управление
( например, логический выход управляет маломощным реле по схеме 11.5б, это реле, в свою очередь, управляет более мощным реле и т.д.). Гальваническая развязка осуществляется с помощью реле (рис.11.5б) или с помощью оптронов (рис.11.6).
