Главная » Книги и журналы

1 ... 22 23 24 25 26 27 28 ... 38

-т

бых

Rl -

Рис. 8.17. Схемы ограничителей с постоянным (а) и переменным (б) уровнями ограничения

Рис. 8.18. Схемы ограничителей с увеличенными быстродействием (а) и точностью (б)

были равны по абсолютной величине. Кроме того, включение диодов уменьшает действие тока утечки стабилитрона.

Выигрыш в быстродействии получается благодаря тому, что практически отсутствует изменение напряжения на стабилитроне, т. е. при этом паразитный конденсатор не перезаряжается. Все изменения напряжения выделяются на диодах, паразитные емкости которых (СпЪ пФ) на порядок меньше, чем стабилитрона. По сравнению со схемой на рис. 8.17, с при точности 1 % полоса пропускания увеличивается с 4 до 300 кГц, ток утечки уменьшается с 0,4 мкА до 7 нА, а дрейф снижается с 5 до 0,6 мВ/°С.

Регулируемые усилители-ограничители. Уровнем ограничения tBbix можно управлять изменением соотношения между резисторами Rl, R2 в рассмотренных схемах. Если же требуется управлять {Увых посредством отдельного источника напряжения, то схемы необходимо изменить (рис. 8.19). Как и в предыдущих схемах, эффективность ограничения снижается при повышении частоты входного сигнала. Причем для входных сигналов менее 100 мВ можно сохранить высокую точность регулировки порога ограничения вплоть до частот, близких к /т. Если же необходимо ограничить на определенном уровне изменения входных сигналов с амплитудой больше 1 В, то диапазон рабочих частот схемы ограничивается мощностной полосой пропускания fp, свойственной примененному ОУ. В показанных на рис. 8.19 простейших ограничителях осуществляется ограничение при достижении входным напря-

бых

Рис. 8.19. Схемы простейших регулируемых огра- ничителей по максимуму (а) и минимуму (б) напряжений

жением некоторого максимального (рис. 8.19, с) или минимального (рис. 8.19,6) значения.

В первой схеме при входных сигналах (/вхогр напряжение на выходе цепи ивь1к=ивх- Как только Ubx превысит f/oi-p, то на выходе цепи при низких частотах получим [Увых = t/orp- Во второй схе мё пока на входе ограничителя напряжение UexUorp, выходное напряжение совпадает с входным. Если же входное напряжение, уменьшаясь, достигает величины UbxUovp, то устанавливается UBbix = Uoip. В обеих схемах ОУ отключен большим дифференциальным входным сигналом в режиме прямой передачи Ubx на выход и диод закрыт приложенным к нему обратным напряжением смещения. В режиме ограничения ОУ работает как неинвертирующий повторитель, выходное напряжение которого определяется величиной (Уогр и не зависит от Ubx- В режиме прямой передачи Ubx на выход выходное сопротивление ограничителя равно R, а в режиме ограничения определяется выходным сопротивлением ОУ, т. е. выходное сопротивление схемы близко к нулю при низкой частоте входного сигнала. Входное сопротивление схемы в режиме ограничения стремится к бесконечности и равно R в режиме передачи Ubx на выход. Указэнные значения входного сопротивления схемы необходимо учитывать при ее расчетах, поскольку ошибка работы ограничителя определяется выражением Ucm + bxR, где /вх - ток, протекающий через резистор R- Если сопротивление нагрузки RkR, то /вх определяется входным током ОУ и ошибка по напряжению в ограничителе может быть устранена с помощью описанных в гл. 2 методов регулировки напряжения смещения нуля ОУ.

Следует иметь в виду, что в режиме прямой передачи входного сигнала на выход напряжение на выходе ОУ достигает одного из двух своих предельных значений, примерно равных [У^либо U~, когда некоторые транзисторы в усилительных каскадах ОУ насыщены. Поэтому при быстрых изменениях Ubx, когда это напряжение близко к [Уогр, возникает задержка включения ОУ, т. е. переходного в режим повторителя. Вследствие этого на выходе ОУ в момент, когда UsxUorp, возникает колебательный переходной процесс. Длительность этого переходного процесса, например, для ОУ типа К153УД2 или К140УД7 лежит в диапазоне 10...100 мкс и за висит от требуемой точности работы усилителя-ограничителя. Сказанное необходимо учитывать, если предполагается ограничить наряду с медленными изменениями входного напряжения и кратковременные (длительностью 10... 100 мкс) его выбросы. Последние

будут проходить практически без изменений на выход, если не воспользоваться быстродействующими ОУ типа К154УДЗ или К154УД4. Методы уменьшения длительности переходных процессов выходного напряжения в усилителях-ограничителях аналогичны методам повышения быстродействия схем для выделения абсолютного значения сигнала (см. гл. 4).

На основе схем, показанных на рис. 8.19, нетрудно построить усилитель-ограничитель, который выполнит симметричное относительно нулевого потенциала ограничение. Для этого схемы на рис. 8.19 необходимо соединить последовательно. Тогда первая схема обеспечит обработку положительных значений входного напряжения, а вторая осуществит ограничение отрицательных значений входного напряжения. Напряжение Uovp подается на первую схему непосредственно (как на рис. 8.19, а), а на вторую через инвертирующий повторитель напряжения.

Недостатком описанных схем регулиремых усилителей-ограничителей и построенных на их основе является низкое входное сопротивление и большое выходное в режиме прямой передачи входного сигнала. Эти недостатки устранены в схеме, показанной на рис. 8.20. В схеме используются три ОУ, каждый из которых обеспечивает формирование определенного участка передаточной характеристики симметричного ограничителя. Основной каскад на А1 осуществляет передачу входного сигнала на выход, если величина этого сигнала I {Увх1 (Уогр- Схема нормально функционирует при Vorp>0. Резистор RI на выходе А1 необходим для нормальной работы А2, A3 в режимах ограничения Uax, т.е. если \Ubx \ >Uorp. Когда последнее условие выполняется, А1 или А2 переходит в режим повторителя, но на выходе схемы напряжение Lorp не установится, если R1 отсутствует. При этом через R1 протекает ток такой величины (в зависимости от Ubx), при которой на выходе схемы удерживается напряжение (Уогр независимо от значения (Увх-

Когда {7вых=6огр, выходное напряжение А2 становится отрицательным, диод VD1 открывается и выход схемы соединяется с выходом А2. В этом режиме А2 работает в режиме неинвертирующего повторителя, а на входе А2 и, следовательно, на выходе схемы напряжение равно (Уогр. Когда Ubx<Uo?, на выходе А2 устанавливается положительное напряжение и VD1 закрывается поданным на него обратным напряжением смещения (напряжение анода меньше напряжения катода). Вследствие этого А2 перестает влиять на работу схемы. Подобно А2 работает и A3, на базе которого построена схема однополупериодного выпрямителя. Когда {/вых уменьшается до величины - (Уогр, то A3 переходит в линейный режим работы, диод VD2 открывается и выход схемы ограничителя соединяется с выходом A3, т. е. фиксируется равным - (Уогр.

Для устойчивой работы схемы с любыми значениями Ubx необходимо, чтобы R2:>R\- Вместе с тем и сопротивление R1 нельзя

бых

Рис. 8.21. Схема прецизионного гулируемого ограничителя

Рир. 8.20. Схема двухуровнего сим-

метричного ограничителя м

выбирать меньше 2 кОм, поскольку в режиме ограничения выходы А2 или A3 оказываются соединенными через RI с выходом А1. Допустимая же величина выходного тока большинства ОУ не превышает 5 мА.

. Рассмотренные схемы позволяют выполнить формирование выходного сигнала только при больших входных напряжениях или большом коэффициенте усиления схемы, равном RIRx- Если необ ходимо с точностью около 1 мВ ограничить на любом уровне любой входной сигнал при любом значении отношения Ri/Ri, целесообразно использовать схему на рис. 8.21. Отмеченные ее достоинства получены благодаря включению последовательно с ограничивающим элементом (диодом VDl) дополнительного усилителя А2, задающего выходное напряжение ограничения (Утр. Если (Уогр> (Увых, выходное напряжение усилителя А2 равно -10 В, диод VDI смещен в обратном направлении и А1 работает в режиме инвертирующего повторителя. Если же (Увь.х> (Уо1р, диод ограничивает (Увых на уровне (Уогр.

ГЛАВА 9

ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Преобразование цифровой информации в аналоговую необходимо, чтобы результаты цифровой обработки сигналов могли быть использованы системой, оперирующей с аналоговыми сигналами. ЦАП можно представить в виде управляемого цифровыми сигналами потенциометра, который формирует аналоговый сигнал в виде части напряжения или тока от некоторых их целых величин. Благодаря широкому внедрению в современную электронную аппаратуру микропроцессоров ЦАП, выпущенные в виде БИС,

стали необходимыми элементами при проектировании блоков вычислительной техники, в робототехнике, в системах, цифровой связи. В настоящее время ЦАП щиррко применяются (см. гл. 10) для управления с помощью микроЭВМ обработкой аналоговых сигналов, в измерительных приборах, системах синтеза аналоговых сигналов и т. д.

9.1. ПРИНЦИПЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЦИФРОВЫХ СИГНАЛОВ л В АНАЛОГОВЫЕ . у,

По способу формирования выходного напряжения в зависимости от цифрового входного кода все ЦАП можно разделить на три группы: с суммированием токов, с суммированием напряжений, с делением напряжений. В ряде работ по ЦАП используфт.Ся и другие подходы к их классификации, например по виду выходного сигнала, по технологии изготовления [47-49]. Появление дополнительных способов классификации ЦАП объясняется тем, что из трех указанных выще групп ЦАП при реализации в виде БИС получила наибольщее распространение первая - с суммированием токов. ЦАП с суммированием и делением напряжений оказались при прочих равных условиях менее технологичными, однако до сих пор реализуются в аппаратуре на цифровых и аналоговых микросхемах.

Цифро-аналоговые преобразователи, использующие для формирования выходного напряжения суммирование токов, обычно делят на два типа: с использованием взвешенных резисторов и многозвенной цепочки резисторов R = 2R.

ЦАП на основе двоично-взвешенных резисторов состоят из матрицы двоично-взвешенных резисторов. Л' переключателей на каж^ дый разряд, управляемых цифровыми сигналами, источника опорного напряжения и суммирующего элемента (рис. 9.1, а). Функцию суммирующего элемента выполняет ОУ в инвертирующем включении, для которого вся матрица резисторов может быть представле-

Т

Л а,-

Рис. 9.1. Схемы ЦАП на базе взвешенных резисторов (а) и резисторной матрицы R-2R (б) .

на одним входным резистором. ОУ обеспечивает нулевой потенциал на выходе матрицы резисторов (инвертирующем входе ОУ) независимо от состояния переключателей На цифровые входы ЦАП подается двоичное yV-разрядное цифровое слово. Каждый i-й цифровой сигнал управляет переключателем S,-, обеспечивая подключение любого резистора с сопротивлением 2R либо к общей щине, либо к источнику напряжения (Уоп- Предполагается, что внутреннее сопротивление источника Uon и сопротивления переключателей равны нулю. Ток, протекающий через резистор 2-R при а,-=1, т. е. при его подключении к источнику напряжения Uon, равен Ii=Uon/2-R. Если с, = 0, то и соответствующий ток /, = 0, поскольку равно нулю падение напряжения на резисторе 2-R. Таким образом, матрица двоично-взвещенных резисторов форми рует двоично-взвешенные токи /,-, добавляемые (вычитаемые) к суммарному выходному току 1 в зависимости от двоичного значе

ния с,-. Ток /; = ((Уоп- С/2, И, следовзтельно, напряжение

1 = 0

UBbix=-IiRo.c будет пропорционально весовому значению поступающего на ЦАП двоичного /V-разрядного цифрового слова. Когда все С/ = 0, то /j; = 0 и, следовательно, (Увых = 0. Если же все с, = 1, то выходной ток резисторной матрицы максимален limax = Uon{2 - - l)/2~-R и, следовательно, максимально по абсолютной величине и напряжение (Увых-

В реальных ЦАП переключатели имеют конечное сопротивление, включены последовательно с двоично-взвешенными резисторами и могут существенно влиять на точность работы схемы. Разброс сопротивлений переключателей существенно влияет на точность в старших разрядах ЦАП с меньшими сопротивлениями резисторов 2-R. Чтобы уменьшить сопротивления переключателей, увеличивают их размеры для старших разрядов при изготовлении в виде полупроводниковой БИС. В качестве переключателей могут быть использованы полевые или биполярные транзисторы. Хотя в описанной структуре ЦАП требуется только один резистор на каждый двоичный разряд, однако сопротивление весовых резисторов лежат в широких пределах (например, при R=10 Ом и Л/= 12 потребуется 2~ R = 20 кОм). Это обстоятельство очень затрудняет согласование температурных коэффициентов сопротивлений весовых резисторов независимо от способа их изготовления.

Указанный недостаток можно Преодолеть применением в ЦАП резисторной матрицы типа R-2R (рис. 9.1, б). Использование такой многозвенной однородной резисторной матрицы позволяет исключить требование к абсолютной точности сопротивлений резисторов, а решающее значение начинает оказывать относительный разброс этих сопротивлений. Поскольку матрица резисторов в этом случае является линейной цепью, то ее работу можно проанализировать методом суперпозиции, т. е. вклад в выходное напряжение от

каждой цепи t-ro разряда рассчитать независимо от других цепей. Окончательно все вклады от цепи каждого разряда суммируются для определения результирующего (/вых. Поскольку на инвертирующем выходе ОУ напряжение равнй нулю, эквивалентное сопротивление с любой стороны узлов 1, 2, N (рис. 9.1,6) равно 2R. Если, например, переключатель S подключен к Uon, ток через j Sn в узле N делится пополам, обеспечивая в узле N напряжение Uon/S. Поскольку коэффициент передачи ОУ относительно узла равен -3/2, то напряжение (Увых, обусловленное только старшим разрядом (со=1), будет равно -Uon/2.

Рассуждая аналогичным образом, нетрудно убедиться, что вклад узла N-1 в выходное напряжение будет равен - (/оп/4, узла N - 2 равен -(Уоп/8 и т. д. Таким образом, выходное напряжение!

можно рассчитать из выражения (/вых= - (Уоп-2~ а;,-2.

1 = 0

Основные проблемы, возникающие при создании БИС ЦАП на базе рассмотренных структур, связаны с обеспечением высоких значений точности преобразования и быстродействия. Очевидно, что основным источником погрешности в последней структуре ЦАП будет не только резисторная матрица, но и сопротивления переключателей. Чтобы уменьшить влияние сопротивления переключателей в замкнутом состоянии, можно использовать матрицу с большими сопротивлениями резисторов R-2R. Однако из-за увеличения паразитной емкости резисторов 2R возрастет время преобразования ЦАП и увеличится влияние токов утечки через переключатели в разомкнутом состоянии. Чтобы преодолеть указанные противоречия, в современных БИС ЦАП применяют инверсное включение резисторной матрицы (см. § 9.2). В этом случае через сопротивления в матрице постоянно протекают токи, а переключатели только коммутируют эти токи между общей шиной и инвертирующим входом ОУ. Тогда быстродействие ЦАП будет в большей степени определяться динамическими характеристиками ОУ, чем паразитными емкостями матрицы сопротивлений. Если предположить ОУ идеальным, то время преобразования такого ЦАП должно определяться только временем изменения состояния переключателей.

В рассмотренных структурах ЦАП' с суммированием токов на ьы-ходе получается однополярное напряжение, обратное по знаку Uon- Во многих случаях требуется получить двухполярный аналоговый сигнал, управляемый с цифровых входов, для чего переключают полярность опорного напряжения по знаковому разряду во входном цифровом слове. Однако для этого необходим переключатель с очень малым сопротивлением, чтобы подключить из двух разнополярных источников опорного напряжения один с требуемой полярностью, либо требуется специальный источник опорного напряжения с переключаемой полярностью. Более распространен-

ным является метод смещения двоичного кода с помощью резистора RcK, подключенного к дополнительному источнику опорного напряжения (Уоп.д. Источник Uon.n соединяется через резистор Rcm с инвертирующим входом ОУ. Благодаря этому на инвертирующий вход ОУ подается постоянный ток смещения /см = (/оп.д ?см= -/тах/З-Следовательно, величина /см устанавливается противоположной по полярности, но равной по амплитуде току, поступающему на инвертирующий вход ОУ при Со=1 и Ui - O в остальных разрядах. Таким образом, полярность аналогового сигнала на выходе ЦАП определяется значением Со, которое теперь выполняет роль знакового разряда. Смещенный таким образом двоичный код полностью совпадает с одним из двух дополняющих двоичных кодов (см. гл. 5), за исключением того, что в данном случае получается обратное значение знакового разряда.

Поскольку цифровое слово подается на ЦАП обычно с буферного регистра, то переход от дополнительного кода к смешенному можно получить подключением входа знакового разряда ЦАП к инверсному выходу соответствующего триггера на входе ЦАП. Чтобы обеспечить работу такого двухполярного ЦАП от обратного кода, достаточно уменьшить /с„ на величину тока младшего значащего разряда, т. е. установить /см= -Iimax{i +2~)/2. Следует иметь в виду, что (Увых в описанном двухполярном ЦАП будет вдвое меньше по амплитуде, чем в однополярном ЦАП на рис. 9.1. Чтобы сохранить прежнее амплитудное значение (Увых в двухполярном ЦАП, следует в два раза увеличить сопротивление Ro.c-

Рассмотренные структуры ЦАП относятся к категории умножающих, предназначенных для работы с изменяющимися во времени и по амплитуде источниками опорного напряжения. Такие ЦАП имеют два входа: один для аналогового напряжения, другой для цифрового dnoBa. Аналоговый выходной сигнал равен произведению обоих входных сигналов. Если допускается изменение Uon в пределах одной полярности, то умножающий ЦАП называют одноквадрантным; если допускается использование двухполярного Uon, то умножающий ЦАП - двухквадрантный. Четырехквадрантный умножающий ЦАП допускает работу с входными двухполяр-ными аналоговыми и цифровыми сигналами (с разрядом знака) и вырабатывает на выходе двухполярный сигнал с правильной полярностью. Существует два подхода к построению двухквадрант-ных умножающих ЦАП. Можно, например, использовать двухполярный ЦАП, на который подается однополярное аналоговое напряжение вместо источника Uon и биполярный двоичный код, или однополярный ЦАП, на который подается двухполярное аналоговое напряжение и цифровой код без знакового разряда. Тип ЦАП выбирается в зависимости от того, какой из сигналов, аналоговый или цифровой, является двухполярным. При втором подходе необходимы переключатели, работающие при токах обеих полярностей. При первом подходе требуется дополнительный инвер-

тирующий повторитель на ОУ, чтобы сформировать опорное напряжение обратной полярности. Совместив оба подхода для построения одной схемы, получим четырехквадрантный умножающий ЦАП.

9.2. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ В НАПРЯЖЕНИЕ

К простейшим преобразователям цифр9вой информации в аналоговую иногда относят преобразователи частоты в напряжение [50]. Ниже описаны две разновидности таких схем, первую из которых предпочтительно применять при сравнительно высоких частотах (более 10 кГц) входного сигнала, а вторую-при преобразовании продолжительных временных интервалов.

В простейшей схеме преобразователя (рис.в.2, а) необходим всего один ОУ. При этом, однако, предполагается, что на вход преобразователя поступа^ют нормированные по амплитуде и длительности периодические сигналы, у которых частота является единственным переменным параметром. Эта схема обеспечивает одновременное выполнение следующих операций: дифференцирование входного сигнала, выпрямление и выделение среднего значения выпрямленного сигнала. Входное напряжение в этом случае можно записать в виде Ubux = = I -RCidUBx/dt\ =RClAUex/At, где - период входного сигнала. Поэтому (/вых = С1Д(/вх/вх- Как видно из полученного выражения, точность преобразования пропорциональна амплитуде входных сигналов и не зависит от их формы. Поэтому для достижения удовлетворительных результатов от применения такой схемы достаточно нормировать входные сигналы только по амплитуде, например, с помощью ограничителя (см. гл. 8). В рассматриваемой схеме дифференцирование входного сигнала обеспечивается элементами R и С1 цепи ОС, которые в основном и определяют передаточную характеристику схемы. Диоды в цепи ОС ОУ позволяют выполнить выпрямление входного сигнала (см. § 4.4). Поскольку точность работы такого

бых

1/пп<0

Рис. 9.2. Схемы простейшего (а) и прецизионного (б) преобразователя частота-напряжение

выпрямителя существенно зависит от скорости нарастания входного напряжения ОУ, целесообразно диапазон рабочих частот схемы выбирать из условия f<:v/2nAU вых где V - максимальная скорость нарастания Uвых применяемого ОУ, AUbux - диапазон изменения и вых- Выделение среднего значения входного-сигнала осуществляется благодаря включению в цепь ОС конденсатора С2. Емкость этого конденсатора зависит от допустимой величины выбросов и вых при низкой частоте входных сигналов и от максимального диапазона полосы пропускания схемы.

Чтобы исключить влияние не только формы входного сигнала на точность преобразования, но и нагрузки, можно воспользоваться схемой на двух ОУ (рис. 9.2, б). На основе А1 построен формирователь прямоугольных импульсов, а на А2 - фильтр нижней частоты. При достижении входным напряжением одного из пороговых значений выходное напряжение усилителя А1 переключается в одно из своих крайних значений. При этом на входе фильтра в точке А формируются прямоугольные импульсы амплитудой, равной Uct, и

напряжением в паузе между импульсами, равным -Ucr- Формирователь на А1 работает в режиме одновибратора благодаря введению положительной ОС. Этот одновибратор формирует в точке А импульсы длительностью ? = (/Ц/г) Ci 1п [2(/стi/(/?i Ц/г) f/on] Длительность этих импульсов не зависит от параметров входных сигналов, а частота их следования определяется частотой сигналов Ubx- Поэтому Uвых= (1 -2/вх7и) UctRб/R5-Тзк жв как В предыдущей схеме, при малых значениях С2 увеличивается погрешность преобразования из-за выбросов U вых- Если же емкость С2 увеличивать, то возрастает погрешность преобразования при повышении частоты /вх- Включение БИС КР1108ПП1 в режиме преобразователя частота-напряжение приводится в гл. 11.

9.3. ТИПОВЫЕ СТРУКТУРЫ БИС ЦАП. ПАРАМЕТРЫ ЦАП

Приведенная на рис. 9.1, б структура ЦАП, модифицированная путем инверсного включения резисторной матрицы, получила распространение в современных БИС ЦАП, изготавливаемых по КМОП и биполярной технологии (рис. 9.3). В упрощенной структуре БИС ЦАП, выполненной по КМОП технологии (рис. 9.3, а), резис-торная матрица R-2R подключается к инвертирующему входу внешнего ОУ. Внутренний резистор Ro.c включается в цепь ОС ОУ. Таким образом, ЦАП с внешними ОУ образует обычный инвертирующий усилитель, у которого входное напряжение равно опорному Uon, а выходное Напряжение зависит от сопротивления Ru матрицы R-2R между точками Uon и инвертирующим входом ОУ. В свою очередь, сопротивление Rm зависит от того, куда подключены резисторы 2R, к общей шине или инвертирующему входу ОУ. Поскольку состояние КМОП транзисторов (открыт или закрыт) VTj и VTi зависит от поданного на их затворы уровня логического сигнала, напряжение

1 ... 22 23 24 25 26 27 28 ... 38