7. Изобразите функциональную схему последовательного четырехразрядного счетчика с коэффициентом счета от 9 до 15.
СХЕМОТЕХНИКА ЦИФРОАНАЛОГОВЫХ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Методические указания к лабораторной работе по курсу
«Аппаратные средства информационно-измерительных систем»
для студентов магистратуры
направления 230100.68 Информатика и вычислительная техника
программы 230100.68-24 «Информационно-измерительные системы»
Ижевск
УДК 621.3.049.774.3
Рецензент
В.В. Хворенков, д-р техн. наук, проф.
Составители:
В. Н. Сяктерев, канд. техн. наук, доц.;
В. В. Сяктерева, инженер
Рекомендовано к изданию на заседании кафедры «Вычислительная техника» ИжГТУ (протокол № 97 от 04 июня 2010 г.).
Схемотехника цифроаналоговых преобразователей:метод. указ. к лабораторной работе по курсу “Аппаратные средства информационно-измерительных систем” для студентов магистратуры направления 230100.68 Информатика и вычислительная техника программы 230100.68–24 «Информационно-измерительные системы» / сост. В.Н. Сяктерев, В.В. Сяктерева. – Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2010. – 28 с.
Методические указания содержат сведения о принципах построения, параметрах и схемотехнике интегральных цифроаналоговых преобразователей. Приводится описание лабораторного макета, порядок подготовки и выполнения лабораторной работы с использованием стандартного комплекта измерительных приборов и программно-аппаратного комплекса на базе универсального набора приборов NI ELVIS.
Для самостоятельной работы студентов приведены контрольные вопросы. Теоретические сведения могут быть полезны при выполнении курсовых работ и магистерских диссертаций.
Цель работы: изучение принципов построения и методики измерения основных параметров цифроаналоговых преобразователей.
Задание: в соответствии с порядком выполнения работы определить основные параметры цифроаналоговых преобразователей с использованием комплекса стандартных измерительных приборов и программно-аппаратного комплекса на базе универсального набора приборов NI ELVIS.
В ЦАП в качестве входного используется прямой и смещённый цифровые коды, иногда дополнительный. Графики соответствия цифровых кодов Хвх. и аналогового напряжения Uвых. при прямом (а) и смещённом (б) кодах показаны на рис. 1.
Рис. 1. Графики соответствия цифровых кодов и аналоговых напряжений при Еоп = 8 В
Наиболее просто определяется соответствие цифровых и аналоговых величин при прямом коде. Для преобразования как положительных, так и отрицательных кодов используют знаковый разряд, который управляет переключением полярности выходного напряжения ЦАП (подключение полярности Еоп.).
Для исключения коммутирующих элементов из схемы ЦАП используют смещенный код.
Из таблицы 1, соответствующей рис. 1 видно, что прямой код дает возможность получить в два раза большее разрешение по сравнению со смещённым.
По принципу работы ЦАП в общем случае можно разделить на преобразователи с промежуточным и прямым преобразованием.
ЦАП с промежуточным преобразованием преобразует вначале код входной величины в некоторую промежуточную величину, представленную, например, длительностью или частотой следования импульсов, которые затем преобразуются в искомый аналоговый сигнал.
ЦАП с прямым преобразованием в зависимости от выбранного алгоритма преобразования делятся на последовательные, параллельные и последовательно-параллельные. Последовательные преобразователи формируют аналоговый сигнал за несколько тактов, число которых соответствует разрядности преобразуемого цифрового кода. Аналоговый выходной сигнал, эквивалентный входному коду, устанавливается на выходе такого преобразователя только в последнем такте его работы. Такие преобразователи имеют малое быстродействие и применяется, как правило, только при преобразовании кодов, заданных последовательными во времени посылками.
Наиболее широко в микроэлектронном исполнении выпускаются ЦАП параллельного действия, как обладающие высоким быстродействием. Выходной аналоговый сигнал на выходе таких преобразователей формируется практически мгновенно после поступления на вход цифрового эквивалента. Основой для нахождения однозначного соответствия между входным цифровым кодом и выходной аналоговой величиной таких ЦАП может служить следующее выражение:
(1)
где Еоп – опорное напряжение ЦАП, Х{x1, x2, …xn} – входной цифровой код, xi – принимает значение 0 или 1.
При определенном Еоп каждому xi на выходе преобразователя соответствует определенное напряжение Uвых. Выражение (1) можно считать характеристикой преобразования (ХП) параллельных ЦАП.
Последовательно-параллельные преобразователи занимают промежуточное положение между параллельными и последовательными преобразователями.
Основными узлами параллельного микроэлектронного ЦАП, типовая структурная схема которого представлена на рис. 2, являются буферные схемы согласования уровней (А1), резистивная матрица (А2), аналоговые ключевые элементы (А3), источник опорного напряжения (Еоп) и выходной операционный усилитель (ОУ) (А4).
Блок А1 необходим для согласования логических уровней различных типов цифровых интегральных схем, с выходов которых поступает входной цифровой код Xвх. Если строго определен тип цифровых интегральных схем, управляющих аналоговыми ключевыми элементами А3, то необходимость в блоке А1 отпадает.
В качестве резистивной матрицы А2 используются наборы двоично-взвешенных резисторов, номиналы которых изменяются по закону:
(2)
где R0 – базовый номинал резистора матрицы, i – номер разряда входного цифрового кода.
Наиболее распространены резистивные матрицы типа R-2R, так как, в отличие от предыдущих, используется только два номинала резисторов R и 2R, что наиболее выгодно при реализации микроэлектронных ЦАП.
В качестве ключевых элементов А3 возможно использование ключей на биполярных и полевых транзисторах (рис. 3), реализующих следующие основные схемы, выполняющие функции: последовательный ключ напряжения (а), параллельный ключ тока (б), последовательно-параллельный ключ напряжения (в) и последовательно-параллельный ключ тока (г).
Последовательный ключ напряжения замыкает и размыкает цепь, образованную источником сигнала и нагрузкой. Для точной передачи сигнала Uс в нагрузку в нем должно выполняться условие:
(3)
где RС – внутреннее сопротивление источника сигнала, rвкл – сопротивление ключа в состоянии «включено», Rн – сопротивление нагрузки.
Рис. 3. Основные схемы включения аналоговых ключей
Параллельный ключ тока в замкнутом состоянии коммутирует ток источника на «землю»; в разомкнутом состоянии ток поступает в нагрузку. Соотношение параметров ключа:
(4)
где Yc – проводимость входного источника тока.
Последовательно-параллельный ключ напряжения передает сигнал на выход или шунтирует сопротивление нагрузки, а последовательно-параллельный ключ тока коммутирует ток источника на нагрузки Rн1 и Rн2. Условия точной передачи сигнала здесь остаются прежними.
Интегральные ЦАП, в зависимости от типа используемых ключевых элементов, и схемы их включения обладают рядом функциональных особенностей. Они могут работать с постоянным или изменяющимся напряжением Еоп. Преобразователи, работающие с изменяющимся опорным напряжением, называют умножающими. В таких ЦАП применяются токовые ключи на основе МОП – транзисторов в режиме малых напряжений тока, что дает им возможность работать с опорным напряжением произвольных знака и формы. Выходной сигнал умножающих ЦАП может располагаться в любом из четырех квадратов в зависимости от знаков, принимаемых сомножителями в уравнении:
(5)
где F(t) – функция изменения Еоп (В простейшем случае F(t) является единичной функцией).
Выходной сигнал ЦАП формируется ОУ А4. Если система преобразования токовая, как это показано на рис. 2, (входной сигнал – код преобразуется в выходной сигнал – уровень тока), то ОУ включается по схеме усилителя-трансформатора сопротивления. В этом случае на выходе ОУ генерируется напряжение, пропорциональное входному коду:
(6)
где IS – выходной ток резистивной матрицы;
Rос – сопротивление обратной связи ОУ.
Для систем преобразования код – выходное напряжение выходной сигнал имеет вид потенциала, поэтому ОУ включается по схеме неинвертирующего усилителя.
Современные интегральные ЦАП могут быть функционально завершенными, то есть способными работать автономно, и функционально не завершенными, требующими для работы внешних дополнительных устройств. Как правило, это микросхемы устройств выборки – хранения, источников опорного напряжения, буферных регистров сопряжения, внешних ОУ и др.
ПАРАМЕТРЫ ЦАП
При разработке и эксплуатации ЦАП пользуются понятиями параметров преобразователей: разрешающая способность, нелинейность, время установления, которые характеризуют точность и скорость преобразования.
Разрешающая способность определяется числом разрядов входного цифрового кода, в общем случае число разрядов определяется двоичным логарифмом максимального числа кодовых комбинаций на входе ЦАП.
Нелинейность (dL) характеризует степень отклонения выходного значения сигнала от идеального и записывается в значениях единицы младшего разряда (ЕМР). ЕМР – это приращение выходного сигнала, соответствующие изменению кодовой комбинации в младшем разряде входного кода:
(7)
Обычно под идеальным значением подразумевается “наилучшая” линия, либо линия, соединяющая начальную (при наличии нулей во всех разрядах) и конечную (при наличии единиц во всех разрядах) точки характеристики преобразования (рис. 4).
Иногда дополнительно вводится понятие дифференциальная нелинейность, под которой подразумевают отличие реальной ступеньки от идеальной при определённом коде. Дифференциальная нелинейность также представляется в значениях ЕМР.
По форме представления понятию нелинейности близко понятие монотонности ХП, хотя по существу эти понятия разные.
Монотонность ХП – это соответствие знака приращения мгновенных значений входного и выходного сигналов преобразователя. Для нелинейных преобразователей это не всегда справедливо.
Рис. 4. К определению (dL): 1 – оговоренная прямая линия;
2 – действительная ХП
Время установления выходного аналогового сигнала (tуст) характеризует промежуток времени с момента поступления входного кода до того момента, когда величина его изменения относительно установившегося значения станет меньше ЕМР преобразователя. Иными словами, до того момента, когда выходной аналоговый сигнал войдёт в зону (и не выйдет из неё) шириной, равной ЕМР, середина которой совпадает с установившимся значением преобразованной величины (рис. 5).
В практическом применении ЦАП важными параметрами являются также напряжение смещения нуля на выходе (Uсм0) и выброс выходного напряжения (тока).
Рис. 5. К определению времени установления
Напряжение смещения нуля – это напряжение постоянного тока на выходе ЦАП при входном коде, соответствующем начальной точке характеристики преобразования, измеряется в значениях ЕМР. Значение напряжения смещения нуля преобразователя определяет параллельный сдвиг действительной ХП и не вносит нелинейности. В технической литературе указанный параметр называют аддитивной погрешностью.
Выброс выходного напряжения. Определяется амплитудой импульса напряжения на выходе ЦАП при заданном изменении кода. Одна из причин возникновения выбросов заключается в неидеальности характеристик переключения аналоговых ключей в разрядах ЦАП. Наиболее значительны выбросы при смене кодовой комбинации 011…11 на 100…00. В этом случае в переключении участвуют все разрядные аналоговые ключи и возможен один из двух вариантов (А или Б), показанных на рис. 6.
Рис. 6. Выбросы выходного напряжения
Если ключевой элемент старшего разряда ЦАП замкнётся раньше, чем разомкнутся ключевые элементы младших разрядов (вариант А), то на выходе преобразователя появится положительный выброс. Если же ключевой элемент старшего разряда разомкнётся позже, чем это сделают ключевые элементы младших разрядов (вариант Б), то на выходе ЦАП появится отрицательный выброс.
Кроме указанных параметров, в паспортных данных ЦАП часто регламентируют понятия температурных коэффициентов напряжения смещения нуля, максимальной амплитуды шума, дрейф напряжения смещения нуля и т.д.
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
