Результат интеллектуальной деятельности: ЦИФРОАНАЛОГОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Область техники, к которой относится изобретение.

Изобретение относится к измерительной технике, автоматике, а также к технике преобразования цифровых величин в аналоговые и может быть использовано при создании высокоточных аналого-цифровых преобразователей и систем контроля параметров изделий электронной техники.

Уровень техники.

Известны различные типы цифроаналоговых преобразователей (ЦАП) [1], построенные как на резистивных матрицах различного типа, так и на основе преобразования частоты в напряжение (например, микросхема КР1108ПП1, см. стр.257).

К недостаткам ЦАП первого типа можно отнести технологическую сложность и дороговизну изготовления резистивных матриц, а второго - недостаточную точность и линейность характеристики преобразования. Известно - прецизионные резистивные матрицы можно изготовить только по тонкопленочной технологии, включающей функциональную подгонку сопротивлений резисторов, а не по полупроводниковой, что и определяет указанные недостатки.

Известны структурные и принципиальные схемы ЦАП, приведенные, например, также в работах [2, 3].

Однако все описанные в [2, 3] ЦАП с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) обладают значительной нелинейностью характеристики преобразования за счет изменяющейся скважности импульсного сигнала, на входе фильтра нижних частот (ФНЧ) и зависимости уровня пульсации на выходе ФНЧ от преобразуемого кода.

Известен ЦАП с ШИМ, обладающий хорошей линейностью характеристики преобразования [4], содержащий источник опорного напряжения, весовые резисторы, операционный усилитель, задающий генератор, основной и дополнительные элементы И, D-триггеры, МОП-транзисторы, шину сдвига, вычитающий счетчик, n преобразователей кода в интервал времени, резисторы, регистр сдвига, RS-триггер, регистр кода периода, регистр преобразуемого кода, формирователь импульсов, источник напряжения, одновибратор, конденсатор, шину «Пуск» и выходную шину.

Недостатком данного устройства является его высокая сложность, связанная с необходимостью формирования n временных последовательностей, а также с необходимостью обеспечения одинакового коэффициента передачи каждого из n каналов суммирующего усилителя, а следовательно, и невысокая надежность точного воспроизведения характеристики преобразования при изменении температурных и прочих влияющих факторов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является цифроаналоговый преобразователь - прототип [5], содержащий задающий генератор импульсов, весовые резисторы, источник опорного напряжения, выход которого соединен с первыми выводами первого и второго весовых резисторов, фильтрующий операционный усилитель (3₂), в цепь обратной связи которого параллельно подключены резистор и конденсатор, а его выход является выходной шиной цифроаналогового преобразователя, два счетчика импульсов, элемент И, один из входов которого соединен с выходом задающего генератора, а выход подключен к вычитающему входу первого счетчика, блок задания кода, узел начального запуска, три управляемых ключа, RS-триггер, элемент ИЛИ, элемент задержки, амплитудный модулятор, образованный операционным усилителем (3₁), второй конденсатор, сумматор-смеситель на трех весовых резисторах, первый вход которого подключен через первый управляемый ключ к выходу источника опорного напряжения, второй вход - к выходу операционного усилителя (3₁), а выход соединен через второй управляемый ключ с прямым входом операционного усилителя (3₂) и с первым выводом второго конденсатора, второй вывод которого соединен с общей шиной сумматора-смесителя и с первым выводом дополнительного резистора, второй вывод которого соединен с инвертирующим входом операционного усилителя (3₂), управляющий вход первого управляемого ключа подключен к прямому выходу RS-триггера и к второму входу элемента И, выход которого дополнительно соединен с управляющим входом второго управляемого ключа, а первый вход соединен дополнительно с входом суммирования второго счетчика и с входом управления третьего управляемого ключа, работающего на переключение, причем его перекидной контакт соединен с прямым входом операционного усилителя (3₁), первый неподвижный - с общей шиной, а второй - с вторым выводом второго весового резистора, инверсный же вход операционного усилителя (3₁) соединен с вторым выводом первого весового резистора и через третий весовой резистор с выходом усилителя (3₁), вход S RS-триггера подключен к выходу элемента ИЛИ и к входу элемента задержки, выход которого соединен с входом записи параллельной информации с блока задания кода в первый счетчик, вход обнуления - R которого соединен с входом R второго счетчика, с выходом узла начального запуска и с первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого подключен к выходу переполнения второго счетчика, а выход «<0» первого счетчика соединен с входом обнуления RS-триггера, причем выполнены счетчики одинаковой разрядности.

Недостатком устройства, принятого за прототип, является его высокая сложность из-за требования обеспечения высоких метрологических характеристик некоторых его узлов, в частности весовых резисторов, а прецизионность нескольких его узлов значительно повышает стоимость такого устройства.

Сущность изобретения.

Задачей, на которую направлено изобретение, является создание цифроаналогового преобразователя, обладающего сравнительной простотой и имеющего минимальное количество элементов, относящихся к измерительным, но обеспечивающего высокую линейность характеристики преобразования, незначительную пульсацию выходного сигнала и более высокое быстродействие, чем классические ЦАП с ШИМ преобразованием.

Поставленная задача достигается за счет того, что в цифроаналоговый преобразователь, содержащий задающий генератор импульсов, двоичный счетчик импульсов, накопительный вход которого подключен к выходу задающего генератора, источник опорного напряжения, управляемый аналоговый переключатель, переключающий вход фильтра нижних частот (ФНЧ), выход которого является выходом цифроаналогового преобразователя, между опорным напряжением, подключенным к одному из рабочих контактов аналогового переключателя, и шиной нулевого потенциала, подключенной к другому рабочему контакту аналогового переключателя, дополнительно введена логическая схема, имеющая 2k входов и один выход, который подключен к управляющему входу аналогового ключа, первые k входов логической схемы подключены к входной информационной шине цифроаналогового преобразователя, а вторые k входов подключены к разрядным выходам двоичного счетчика, причем число k равно числу разрядов преобразуемого двоичного кода.

Логическая схема (LS) выполнена в виде имеющей 2k входов и А выходов программируемой логической матрицы ПЛМ (PLA) и мультиплексора (MUX), выход которого является выходом логической схемы LS, а его информационные А входов подключены к выходной шине ПЛМ, адресные же входы мультиплексора являются первыми k входами логической схемы.

Перечень фигур чертежей.

Для доказательства работоспособности заявленного устройства и оценки его свойств по сравнению с указанными аналогами, в частности с ЦАП на основе ШИМ преобразования, а также доказательства, что по точности заявленный ЦАП не уступает устройству-прототипу, рассмотрим сначала процессы, происходящие в выходном каскаде классического ЦАП на базе ШИМ [2, 3], графические модели которых представлены на фиг.1.

На фиг.1 представлены эпюры напряжений на входе и выходе фильтра нижних частот (ФНЧ), являющегося оконечным устройством цифроаналогового преобразователя. ФНЧ может собой представлять простейшую RC-цепочку. На позиции 1 представлена изменяющаяся во времени эпюра напряжений при накоплении емкостью конденсатора заряда; на позиции 2 - эпюра разряда конденсатора; на позиции 3 - временная диаграмма импульсов, поступающих на вход ФНЧ.

На эпюрах фиг.1 обозначены следующие параметры при заряде выходного конденсатора ФНЧ: u_i, соответствующее времени t_i - мгновенное значение напряжения на выходе ФНЧ; u₁, соответствующее времени t₁ (момент начала поступающего на ФНЧ импульса); U_cp - среднее значение выходного напряжения, соответствующее условному моменту времени t_cp; u₂, соответствующее времени t₂ (момент окончания поступающего на ФНЧ импульса).

На эпюрах фиг.1 также обозначены временные параметры: Т - длительность цикла преобразования, t_и - длительность поступающего на ФНЧ импульса; а также следующие параметры (эпюра 2) при разряде выходного конденсатора ФНЧ: u_j, соответствующее времени t_j - мгновенное значение напряжения на выходе ФНЧ, u₃ - напряжение, остающееся на конденсаторе ФНЧ в момент окончания цикла преобразования.

На фиг.2 представлены временные диаграммы поступающих на вход ФНЧ импульсов напряжения в цикле преобразования Т при преобразовании десятиразрядных двоичных кодов N, соответствующих десятичным числам n: n=1, n=2, n=4, n=512, n=513, n=1023.

На фиг.3 представлена функциональная схема предложенного цифроаналогового преобразователя. ЦАП содержит задающий тактовый генератор 4, двоичный счетчик 5, логическую комбинационную схему 6, управляемый электронный переключатель 7, фильтр нижних частот (ФНЧ) 8, клемму 9 подключения опорного напряжения, клемму 11 шины нулевого потенциала.

На фиг.4 представлен один из вариантов построения логической схемы 6, состоящей из программируемой логической матрицы ПЛМ (PLA) и мультиплексора (MUX).

Отличительные признаки.

Отличительными признаками заявленного устройства по сравнению с устройством-прототипом являются:

1. в состав ЦАП дополнительно введена логическая схема, имеющая 2k входов и один выход, который подключен к управляющему входу аналогового переключателя, первые k входов логической схемы подключены к входной информационной шине цифроаналогового преобразователя, а вторые k входов подключены к разрядным выходам двоичного счетчика, причем число k равно числу разрядов преобразуемого двоичного кода;

2. логическая схема (LS) выполнена в виде имеющей 2k входов и А выходов программируемой логической матрицы ПЛМ (PLA) и мультиплексора (MUX), выход которого является выходом логической схемы LS, а его информационные А входов подключены к выходной шине ПЛМ, адресные же входы мультиплексора являются первыми k входами логической схемы.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления.

Сущность изобретения поясняется чертежами фиг.1÷4.

На фиг.1 представлены эпюры напряжений для ЦАП классического ШИМ цифроаналогового преобразования [2, 3]. В этом случае

где t₀ - образцовый интервал времени, равный длительности периода импульсов задающего (тактового) генератора, n - десятичный эквивалент преобразуемого двоичного кода N. Скважность импульсов Q, согласно фиг.1, можно определить как

где n_max - максимальное десятичное число, соответствующее максимальному преобразуемому коду N_max. В свою очередь среднее значение напряжения U_cp и определяется числом n, а число n_max является эквивалентом величины опорного напряжения U_o, тогда

Мгновенное значение напряжения u_j на экспоненте 1 в момент времени t_i, фиг.1, определяется известным из курса электротехники выражением:

где τ - постоянная времени фильтра ФНЧ, e - основание натурального логарифма.

Полгая, что u_j=U_cp, а также учитывая (2) и (3), получим:

, откуда

Можно выбрать значение напряжения U_cp как некоторую опорную точку на шкале выходных напряжений, относительно которой определяются значения u₁ и u₂.

Момент времени t₁ (момент начала импульса) наступает раньше момента t_cp на величину t_и/2=n·t₀/2, а момент времени t₂ (момент окончания импульса) наступает позже момента t_cp на n·t₀/2. Следовательно, с учетом (4) можно записать:

Мгновенное значение напряжения u_j на экспоненте разряда (фиг.1, кривая 2) определяется выражением:

где t_j отсчитывается от момента времени t₂. При этом, длительность разряда будет равна t₃-t₂=Т-n·t₀. Тогда, с учетом (9), получим:

При установившемся режиме должны соблюдаться равенства:

Если во время классического ШИМ преобразования десятичный эквивалент n преобразуемого кода мал (большое значение Q), то длительность заряда мала, однако скорость заряда при этом велика, так как разность напряжений U_o-u₁, под действием которой происходит заряд, велика. Скорость же разряда под действием разности напряжений u₂-u₁, наоборот, в этом случае будет небольшой ввиду малости этой разницы.

При маленьких значениях Q (n велико) все будет наоборот.

Максимальное значение погрешности характеристики преобразования для ЦАП с ШИМ находится посредине шкалы преобразования. Это в свою очередь означает, что максимальный размах колебаний выходного напряжения фильтра u₂-u₁ должен быть в установившемся режиме при t_и=T/2.

Для соблюдения необходимой точности преобразования нужно выбрать значение τ фильтра таким образом, чтобы максимальная амплитуда колебаний напряжения на его выходе u₂-u₁ не превышала бы двух квантов преобразования: u₂-u₁=2U_o/n_max, величина u₁ была бы на квант меньше U_cp, а величина u₂ была бы на квант больше U_cp.

Выведем формулу расчета τ, считая, что десятичный эквивалент n преобразуемого кода равен: n=n_max/2, заменив при этом для удобства n_max на A:n_max=A.

Тогда

Подставляем это значение в (6) и производим преобразования с учетом (5):

Учитывая, что τ находится для максимального отклонения от U_cp на шкале преобразования входных кодов, выбираем T-n·t₀=T/2. Далее получим:

Проведем расчеты описанных параметров для конкретного ЦАП с ШИМ, условно приняв следующие безразмерные значения: t₀=1, T=n_max=A=1024, U_o=10,24.

В этом случае, согласно (12) получим: τ=128,125·T≈128T.

Расчеты остальных параметров такого ЦАП с ШИМ для некоторых кодов, имеющих соответствующие десятичные эквиваленты n, сведены в табл.1.

Данная расчетная табл.1 характеризует свойства ЦАП (в том числе размах пульсаций выходного напряжения u₂-u₁) классического ШИМ цифроаналогового преобразования.

Чем больше величина пульсаций на выходе ФНЧ, тем больше погрешность преобразования ЦАП, а правая колонка табл.1 подтверждает параболический характер этой погрешности по шкале преобразования.

В предложенном устройстве не формируют ШИМ-импульс длительностью n·t₀, а n импульсов длительностью t₀ размещают дискретно-равномерно на интервале цикла преобразования T. «Дискретно-равномерно» нестандартный термин, призванный обозначить, что импульсы длительностью t₀ могут появиться только на целочисленных позициях счета тактов задающего генератора, начиная от начала цикла преобразования Т. Подобное распределение нормированных по амплитуде U_o и длительности t₀ на интервале Т импульсов показано на фиг.2 временными диаграммами при различных значениях преобразуемых кодов и различных соответствующих этим кодам десятичных эквивалентах n=1, 2, 4, 512, 513, 1023.

Согласно представленным временным диаграммам при n=1 скважность , при n=2 скважность , при n=4 скважность и так далее, то есть . Таким образом, формула для определения скважности осталась прежней (2).

Так как при таком распределении импульсов на временной оси длительность одного импульса всегда равна t₀, то в формулах (6÷8) исчезает индекс n и эти формулы для расчета u₁, u₂, u₂-u₁ принимают следующий вид:

Длительность же разряда в этом случае равна t₃-t₂=Т/n-t₀. Тогда с учетом (10) получим:

Выведем формулу расчета τ для n=A/2, при котором U_cp=U_o/2, при этом учитывая, что величина u₁ должна быть на квант меньше U_cp, а величина u₂ - на квант больше U_cp: . Подставляем это значение в (13) и производим преобразования:

Находим τ для максимального отклонения от U_cp на шкале преобразования входных кодов. Это означает, что Q=2, t₀=T/A. Далее получим:

Проведем расчеты описанных параметров для конкретного ЦАП, построенного по новому принципу, условно приняв следующие безразмерные значения: t₀=1, T=n_max=A=1024, U_o=10,24.

В этом случае, согласно (16) получим: τ=0,5·T.

Расчеты остальных параметров ЦАП, для некоторых кодов, имеющих соответствующие десятичные эквиваленты n, сведены в табл.2.

Сравнивая значения параметров в таблицах 1 и 2 для смоделированных ЦАП, можно заключить: ЦАП, построенный по новому принципу преобразования, при одинаковой величине пульсации на выходе фильтра позволяет значительно уменьшить τ фильтра, а следовательно, повысить быстродействие всего устройства (в данном примере в 256 раз).

Физическая реализация устройства представлена на фиг.3 и фиг.4.

На фиг.3 представлена конкретная схема 10-разрядного ЦАП (K=10).

В качестве примера запишем функцию LS для входного кода «4» (в десятичной записи), при поступлении которого импульс на выходе должен появляться в 1, 256, 512 и 768 тактах распределенных на интервале цикла преобразования T:

В данном случае импульсы образцовой длительности t₀ появляются на временном интервале Т четыре раза, а интервалы между ними равны 256 тактам.

Однако на шкале преобразования имеется достаточно кодов, которые не позволяют разделить цикл преобразования Т на равные части. Возьмем, например, код, у которого десятичный эквивалент n равен «3». В этом случае ЦАП должен работать таким образом, чтобы в цикле преобразования импульсы появились на 1, 341, 682. Тогда оставшийся после 682 такта интервал до следующего цикла преобразования составит уже 342 такта.

В этом нет ничего недопустимого, а погрешность пульсации увеличится от такой неравномерности распределения импульсов на интервале времени Т совсем незначительно. В то же время такому распределению, скорее всего, подойдет термин: «равномерно-дискретное».

Таким образом, при одинаковой разрядности, одинаковых тактовых частотах и близких по величине погрешностях преобразования, предложенный ЦАП будет иметь большее быстродействие в сравнении с ЦАП классического ШИМ преобразования. По своему быстродействию такой ЦАП будет близок к аналогичному устройству прототипу [5], однако в отличие от прототипа в составе этого преобразователя нет дорогих прецизионных измерительных узлов, кроме источника опорного напряжения. Последнее означает, что предложенное устройство проще устройства прототипа и экономически более выгодно. При этом наличие в предложенном устройстве большой многоразрядной логической схемы LS, которая может быть как заказной, так и каскадированной (состоящей из стандартных), например, типа К556РТ1, РТ2, РТ3, не делает предложенное устройство дорогим и трудно реализуемым промышленным изделием. Так, согласно, например [6, стр.485], программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС), содержащая 30000 элементов, стоит на рынке менее 10 у.е.

Источники информации

1. Федорков Б.Г., Телец В.А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 320 с.

2. Микросхемы АЦП и ЦАП. - М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2005. - 432 с., С.13-24.

3. Метрологические средства для поверки цифровых приборов / Приборы, средства автоматизации и системы управления: ТС-5, Выпуск 3. - М.: ИНИИТЭИ приборостроения, 1982. - 62 с.

4. А.с. СССР №1735999, H03M 1/66. Цифроаналоговый преобразователь / Г.С.Власов, С.Е.Лях и В.Г.Сараев // Опубл. 1992, бюл. №19.

5. Патент РФ на изобретение №2433528, H03M 1/66. Цифроаналоговый преобразователь / ПГТА // Г.С.Власов, С.Б.Демин и М.П.Шадрин // Зарегистрировано в гос. реестре изобретений РФ 10.11.2011.

6. Лачин В.И., Савелов Н.С. Электроника: Учеб. пособие / 5-е изд. - Ростов н/Д: Феникс, 2005. - 704 с.