Узлы цифро-аналоговых устройств средств сопряжения

Аналоговый мультиплексор. В отличие от цифровых мультиплексоров, в которых не происходит потерь информации при передаче цифровых сигналов, аналоговый мультиплексор – более сложное устройство. При разработке мультиплексора основная цель состоит в том, чтобы в измерение аналогового сигнала не вносилась ошибка. Это требование может быть выполнено при использовании идеального ключа. В разомкнутом состоянии идеальный ключ имеет бесконечное, а в замкнутом – нулевое сопротивление. Электромеханические переключатели наиболее близки по своим характеристикам к идеальным, однако, из-за низкой скорости переключения и малого срока службы не широко распространены.

Среди полупроводниковых переключателей наилучшими характеристиками обладают аналоговые ключи на полевых транзисторах с p–n-переходах и МДП-транзисторах. Сопротивление закрытого ключа достигает тысяч мегаом, и в этом отношении он становится близким к идеальному, находящемуся в разомкнутом состоянии. По сравнению с другими полупроводниковыми ключами как полевой транзистор с p–n-переходом, так и МДП-транзистор характеризуются полным отсутствием напряжения смещения в открытом состоянии. Открытый ключ в этом случае подобен линейному омическому резистору от нескольких десятков до нескольких сотен ом.

Динамические характеристики аналоговых коммутаторов определяются временем переключения. Это время для ключей на МДП-транзисторах составляет сотни наносекунд. Под влиянием паразитных ёмкостей C₀ ключей время установления коммутатора может существенно возрасти. Если суммарное сопротивление относительно входа открытого канала равно R₀, то даже при отсутствии задержек в самих ключах время установления коммутатора t_уст.к с погрешностью d_кбудетt_уст.к= R₀·C₀·ln 1/ d_к . Например, при d_к=0,001, R₀=1 кОм и C₀=50 пФ время t_уст.к=350 нс.

Следовательно, если при включении канала коммутатора сигнал на его входе изменится, то после окончания интервала t_уст.к сигнал на выходе коммутатора будет повторять входной сигнал с некоторым запаздыванием. При дальнейшей обработке сигнала (например, аналого-цифровом преобразовании) это запаздывание необходимо учитывать. В таблице приведены технические характеристики некоторых аналоговых ключей и коммутаторов в микроисполнении, выпускаемых отечественной промышленностью.

Основные способы подключения источников входного сигнала к аналоговому мультиплексору следующие:

1. Все аналоговые сигналы U_вхi имеют общую точку («землю»), относительно которой отсчитывается и выходной сигнал мультиплексора (рис. 3.67,а). Недостатком этого способа является незащищённость от синфазной помехи.

а) в)

U_вх1

U_вх1

U_вх2 U_вых U_вх2

U_вых

U_вхn

U_вхn

Рис. 3.67. Схема аналогового мультиплексора с однопроводными (а) и дифференциальными (б) входами

2. Мультиплексор имеет дифференциальные входы и соответственно два выхода (рис. 3.67,б). Следующее за подобным мультиплексором устройство должна также иметь дифференциальный вход. Достоинством усилителя с дифференциальным входом является его свойство подавлять синфазную помеху. Поэтому в тех случаях, когда измеряемые сигналы невелики, а требования к точности измерения достаточно высокие, следует применять дифференциальные схемы.

U_вх1

U_вх2

U_вых

U_{вх n-1}

Упр. 1

Упр. 2

Упр. n-1

Упр.n

Рис. 3.68. Структура коммутатора аналоговых сигналов

Структура мультиплексора на основе ключей Кл143КТ1 приведена на рис. 3.68. Предельная частота переключения определяется динамическими параметрами операционного усилителя и ключа.

Для построения мультиплексоров рационально использовать не отдельные ключи, а многовходовые интегральные коммутаторы, например серии 590, которые состоят из микросхем, выполненных на основе полупроводниковой КМДП-технологии. Параметры основных коммутаторов напряжения серии590 приведены в таблице. Условное графическое обозначение мультиплексоров изображено на рис. 3.69. Преимуществом подобных схем по сравнению с другими схемами построения мультиплексоров являются возможность коммутации сигналов, уровень которых достигает напряжения питания (до15 В), и стабильность переходного сопротивления в открытом состоянии при изменении входного сигнала.

Аналоговые мультиплексоры вносят погрешности передачи аналоговых сигналов, причиной возникновения которых являются, ток утечки через закрытый канал, паразитные ёмкости каналов, сопротивления открытого ключа.

Токи утечки проходят как в выключенном, так и во включенном каналах и являются суммой токов соответствующих утечек, указанных в нормативных документах , а также входного тока операционного усилителя (если он используется).

U_вх2

U_вх3

U_вх4

U_вх5 U_вых

U_вх6

U_вх7

U_вх8

Упр. X₁

Упр. X₂

Упр. X₃

Рис. 3.69. Условное графическое обозначение интегрального коммутатора аналоговых сигналов 590КН6

Входная ёмкость мультиплексора небольшая (~30 пФ), поэтому практически не вносит динамических погрешностей переключения, так как источником переключаемого напряжения являются операционные усилители, охваченные отрицательной обратной связью, с выходным сопротивлением ~ 100 Ом. Паразитные ёмкости закрытого канала ( ~ 70 пФ) и переходное сопротивление открытого канала образует RC-цепь, постоянная которой для многовходовых мультиплексоров может быть достаточно большой. Например, 32-канальный мультиплексор, для которого С_å=1170 пФ и R₀=100 Ом, образует RC-цепь с постоянной t = 0,12 мкс. Для установления напряжения выхода в пределах 0,01% от переключаемого напряжения необходимо время, равное примерно 10t, или ~ 1,2 мкс. В быстродействующих системах сбора это вносит ощутимый вклад в общую задержку передаваемого аналогового сигнала.

Токи утечки закрытого канала, примерно равные 50 нА, вызывают в 32-канальном мультиплексоре падение напряжения на сопротивлении открытого канала ~ 155 мкВ и практически не вносят погрешностей передачи сигнала, однако они не приемлемы для коммутации сигналов милливольтового диапазона. При необходимости построения мультиплексоров с большим числом каналов используют различные конфигурации многоступенчатых аналоговых коммутаторов АК с целью уменьшения указанных погрешностей переключений (рис. 3.70).

U_{вх 8} ٠٠٠

٠ ٠ ٠

U_вх

U_{вх 32} ٠٠٠

Рис. 3.70. Структура многоканального коммутатора аналоговых сигналов

Схемы выборки – хранения. Для запоминания изменяющихся аналоговых сигналов на время преобразования, коммутации и других операций в системах сбора информации используют схемы выборки – хранения (рис.3.71,а), на котором Кл – ключ. Элементом памяти схемы выборки – хранения является конденсатор C, подключаемый на время выборки к источнику сигнала. Основные параметры этого устройства: время выборки, апертурное время и максимальное время хранения.

Время выборки ограничено снизу постоянной времени цепи заряда t_з=R_з·Cи требуемой точностью запоминания, а сверху – скоростью изменения запоминаемого аналогового сигнала. Сопротивление цепи заряда R_з=R_вых+R_о.кл, где R_вых – выходное сопротивление источника сигнала; R_о.кл – сопротивление открытого ключа.

На практике время выборки несколько меньше расчётного за счёт нелинейного режима источника сигнала в начальный момент заряда.

Когда устройство переходит в режим хранения, некоторая часть заряда утекает с конденсатора C через межэлектродную ёмкость ключа. Связанное с этим зарядом изменение напряжения на конденсаторе называют погрешностью сдвига уровня при переходе в режим хранения. С момента подачи команды «Хранение» до размыкания ключа проходит некоторое время, называемое апертурным. В течение апертурного времени амплитуда запоминаемого напряжения не определена, поэтому в зависимости от требуемой точности запоминания и максимальной частоты переключаемого сигнала на апертурное время накладываются ограничения. Например, f_max= 10 Гц, d=0,4 %, t_а £ 100 мкс.

а)

U_вх 01

С=0,1мкФ 08

Упр

б)

06

01 02 03

03 01

08 08

C=0.1мкФ

Рис. 3.71. Схемы устройства выборки – хранения

В режиме хранения максимальная длительность времени сигнала ограничивается разрядом конденсатора C, обусловленным входным током операционного усилителя, конечным значением входного сопротивления операционного усилителя, токами утечки ключа. Предельное изменение напряжения устройства выборки – хранения

DU_{в – х}= DU_{в – х}(i_вх)+ DU_{в – х}(e_др)+ DU_{в –х}(R_вх)+ DU_{в – х}(i_у) ,

где DU_{в – х}(i_вх) = (i_вх/C)·t; DU_{в – х}(e_др) = [e_др / (R_вх·C)] ·t;

DU_{в – х}(R_вх) = (U_вых/K_у·R_вх·C)·t; DU_{в – х}(i_у) = (i_у / C) ·t.

Здесь e_др – напряжение дрейфа.

При необходимости развязки источника сигнала от входа схемы выборки – хранения можно воспользоваться схемой с повышенной точностью, представленной на рис. 3.71,б, которая обладает высоким входным сопротивлением и большим коэффициентом подавления синфазных и сдвиговых погрешностей.

К важнейшим характеристикам устройства выборки – хранения относятся: время выборки – время от момента подачи сигнала на выборку до момента установления выходного сигнала; апертурное время – интервал времени между моментом подачи сигнала на хранение и моментом завершения аналого-цифрового преобразования; скорость разрушения информации – изменение выходного напряжения вследствие разряда запоминающей ёмкости; сквозная передача – часть входного сигнала вследствие конечного сопротивления и разомкнутого ключа передаётся на выход.

a) б) в)

U_вых, В U_вых, В U_вых, В

8 8 8

₁₁₁₁

₁₁₁₁ x_{вх 1111} x_{вх 0111} x_вх

-8 -8 -8

Рис. 3.72. Графики соответствия цифровых кодов и аналоговых напряжений