|
| |
  |
Главная » Книги и журналы 1 ... 24 25 26 27 28 29 30 ... 38 15В Uon=3,S В
 бых к К5д4ПА1 15 В l/or,=3,SB 1/
 20 к R2 5к  Рис. 9.7. Схемы включения ЦАП К572ПА1 для устранения влияния выходной емкости (а) и при работе от одного источника питания (б) Рис. 9.8. Структурная схема ЦАП К594ПА1 <МЫ1 точности, в преобразователях такой разрядности необходимо на выходе использовать прецизионное УВХ для устранения всплесков напряжения, возникающих в моменты изменения кодов. Благодаря тому, что на входе ЦАП К572ПА2 имеются регистры, запоминающие 12-разрядный код, входное 16-разрядное слово запоминается по частям: 12 разрядов на ЦАП1 и 4 разряда на ЦАП2. Опорное напряжение, соответствующее 16 разрядам, подается на ЦАП2, выходное напряжение которого является опорным напряжением для ЦАП1. Таким образом, ЦАП2 задает диапазон выходных напряжений с 16 зонами, которые лежат в пределах + Ю----Ю В. В свою очередь, ЦАП1 формирует 4096 градаций напряжения в соответствующей зоне, задаваемой ЦАП2. При построении 16-разрядного ЦАП успех проектирования в значительной степени зависит от ОУ, используемых на выходе БИС К572ПА2. Дрейф выходного сигнала, вызванный температурным дрейфом входного тока ОУ, рассчитывается из выражения dUBb,x/dT=d {IexRo.c)/dT. В свою очередь, дрейф выходного сигнала, вызванный температурным дрейфом напряжения смещения нуля ОУ, равен dUBb>k/dT={\-\-Ro.c/4 KOM)dUcJdT. Из этих выражений нетрудно оценить требования к параметрам ОУ и убедиться в том, что в случае 12-разрядного ЦАП этим требованиям может удовлетворять даже ОУ К140УД7, но в сравнительно узком диапазоне температуры 20+10° С. В ЦАП К594ПА1 при напряжении (/ 1 = 5 В для управления БИС используются ТТЛ схемы. Если необходимы входные КМОП логические сигналы, то выводы 19 и 20 объединяют и (/ 1 = 5... 15 В. При этом входное напряжение лог. О составляет 0,3 И^и а входное напряжение лог. 1 около 0,7(/ni- Рекомендуется источник напряжения Поп подключать к выводу 23 через температурно-стабильный резистор сопротивлением около 20 Ом либо через ,подстроеЧный резистор сопротивлением 100 Ом. По этой цепи протекает ток около 0,5 мА [53]. В состав БИС входят компоненты, позволяющие расширить функциональные возможности ЦАП-К594ПА1 (рис. 9.8). Например, включив в цепь ОС в дополнение к резистору R1 резистор R2, можно перейти от традиционного диапазона изменения (Увых=0...10 В к диапазону 0...20 В. Резисторы R1 - R3 оказываются особенно полезными при построении АЦП на базе К594ПА1, поскольку их ТКС одинаков и совпадает с ТКС резисторов внутренней матрицы ЦАП. С помощью резистора R3, как показано на рис. 9.8, нетрудно организовать двухполярное изменение выходного напряжения в диапазонах ±2,5;- ±5; ±10 В. При этом функцию знакового разряда выполняет старший значащий ра[зряд (СЗР). Резистор Rn обеспечивает- подстройку диапазона изменения (/вых- К выводу 23 можно подключить источник Uon непосредственно, если подстройка с помощью Rn не требуется. Разрешается подключаться также к выводу 22 через резистор 20 кОм, например, для дополнительной коррекции АЧХ внутреннего ОУ. При этом следует иметь в' виду, что этот внешний резистор может существенно влиять на выходной ток ЦАП, равный 2 мА [54]. Цифро-аналоговый преобразователь К1108ПА1 изготавливается по биполярной технологии с диэлектрической изоляций компонентов, за счет чего значительно уменьшаются паразитные емкости, действующие в коллекторных цепях транзисторов, и почти на порядок увеличивается быстродействие по сравнению с К594ПА1. Вывод 8. токового выхода ЦАП (рис. 9.9) целесообразно шунтировать диодами, чтобы изменение напряжения на этом выводе не превышало по абсолютной величине 0,7 В. В основной схеме включения ЦАП (рис. .П8) обеспечено изменение (/вых в диапазоне 0...10 В. Однако, включив в цепь ОС внешнего усилителЯ А1 в дополнение к резистору Rod еще резистор Ro.c2 (рис. 9.9), можно расширить диапазон  Рис. 9.9. Структурная схема ЦАП К1108ПА1 изменения (/вых До 0...20 В. На рис. 9.9 показано,-как с помощью внутреннего, резистора Ro,c ив нешнего подстроечного резистора Rn организовать двухполярное изменение (/вых в диапазонах ±5 или ± 10 В. Роль знакового разряда в этом случае будет играть СЗР. С помощью резистора R подстраивается диапазон изменения (/вых. Следует иметь в виду, что отечественной промышленностью пока не выпускается ОУ такого быстродействия, при котором можно было бы полностью использовать динамические свойства БИС К1108ПА1 (включая ОУ К154УД4). Типовое время преобразования для БИС К1108ПА1 равно 200 не с точностью 0,01% а в ОУ К154УД4 время установления выходного напряжения 500 не с точностью 0,1%. Рекомендуемые емкости корректирующего конденсатора Ск лежат в диапазоне 10... 100 пФ. Самым большим быстродействием обладают ЦАП серии 1118. Эти ЦАП предназначены для работы с ЭСЛ логическими схемами. Основные схемы их включения приведены на рис. П9. БИС К1118ПА1 имеет два выхода, которые должны быть подключены к общей шине через определенные загрузочные резисторы для нормальной работы [55, 56]. Пример подключения к выходам ЦАП (выводы 14 и 15) нагрузочных резисторов для работы на согласованный тракт с волно-вым сопротивлением 75 Ом и от ТТЛ схем приведен на рис. 9.10. Для нормальной работы БИС требуются внешний источник опорного напряжения, токозадающие резисторы Rl R2 в цепи источника опорного напряжения и конденсатор С для коррекции частотной характеристики внутреннего ОУ цепи источника опорного напряжения. Чтобы уменьшить влияние температурного дрейфа входных токов внутреннего ОУ, к выводу 10 целесообразно подключить резистор R3, сопротивление которого R3 = Ri-\-R2- Чтобы обеспечить максимальное быстродействие ЦАП, необходимо добиться согласования его выходов с нагрузкой. При этом -5,2 В- 1S0 82 -с - 11 0,1 мк 0,1мк~£. 5 -Bbixl -Bb/xZ R1 3k \470 Ч It 0,01 mk Jyin -З^к Рис. 9.10. Схема включения ЦАП К1И8ПА1 для управ- J лен1ия от ТТЛ логических схем необходимо следить за тем, чтобы на выводах 14 и 15 напряжение находилось в пределах - 1,3...2,5 В при любых значениях выходного тока. Если используется только один выход, то второй должен быть подключен к общей шине непосредственно или через резистор сопротивлением менее 25 Ом. Для достижения максимальной точности преобразования необходимо применять термостабильные резисторы R1 и R2. Напряжение на выводе 12 не должно превышать 15 В. При использовании обоих выходов ЦАП необходимо учитывать, что при ращения протекающих по этим цепям токов равны по величине, но противоположны по знаку. Значительно большими функциональными возможностями обладает ЦАП КР1118ПА2. На входе этого ЦАП имеется 11-разрядный регистр. В ЦАП использован комбинированный способ взвешивания разрядных токов, что позволило исключить влияние геометрии транзисторов и резисторов, а также технологического разброса размеров этих элементов на точностные параметры [57]. Выходное напряжение ЦАП при колебаниях температуры и напряжения питания стабилизируется внутренним ОУ посредством сравнения с (Уоп= -1,024 В. Для компенсации погрешностей преобразования ЦАП напряжение (/ьп можно регулировать в пределах -0,8... - 1,2 В. При этом сопротивление нагрузки /? (см. рис. П9, б.) должно быть не менее 10 кОм. Подключаемый к выводу 3 конденсатор корректирует АЧХ ОУ. Для работы БИС КР1118ПА2 от ТТЛ схем необходимо к выводу 9 подключить второй источник питания (/ 2 = 5 В. Необходимо при применении ЦАП учитывать, что выводы 5, 6, 8 соединены с общей шиной аналоговой части БИС, а вывод 10 с общей шиной цифровой части БИС. Для работы от парафазных информационных и управляющих цифровых сигналов на выводы {14) и 12 (13) должны подаваться парафазные сигналы от генераторов стробирующих тактовых импуль(]ов. Наличие десяти информационных, синхронизирующего и пяти управляющих цифровых входов позволяет (см. табл. 9.1): преобразовывать в напряжение прямой или обратный двоичный или биполярный с дополнением до двух код; устанавливать выходное напряжение в конечную точку характеристики преобразования, не меняя входного кода; устанавливать выходное напряжение в начальную точку характеристики преобразования, не меняя входного кода и состояния триггеров внутреннего регистра. Таблица 9.1 Режим работы ЦАП КР1118ПА2
Окончание табл. 9.1
Неиспользуемые разрядные входы ЦАП могут оставаться не-задействованными, что будет соответствовать подаче на них напряжения лог. 1. Эти входы можно подключить через резисторы сопротивлением 45 кОм к источнику (/ 2, если требуется подать на них напряжение лог. 0. В табл. 9.1 знаком X обозначено произвольное состояние, а (Увых в режимах 1-6 устанавливается после подачи фронта импульса на вывод 12. ГЛАВА 10. ПРОГРАММНО-УПРАВЛЯЕМАЯ СИГНАЛОВ. ОБРАБОТКА АНАЛОГОВЫХ Снижение стоимости микропроцессоров и ЦАП сделало экономически целесообразным автоматическую обработку под управлением микроконтроллеров аналоговых сигналов в малых измерительных и управляющих системах. Такие системы требуют минимального внимания от оператора, так как микропроцессор обеспечивает их разумность . Программируемые цифро-аналоговые системы испапьзуются сейчас для управления производственными процессами, поддержания искусственного климата, управления автомобилями, в медицинской электронной аппаратуре, в аппаратуре высококачественного воспроизведения звука, в быту и т. д. Описание схем накоторых устройств этого типа приведено ниже. В системах цифрового управления обработкой аналоговых сигналов наибольшее распространение получили два варианта их построения. В первом ЦАП применяется в каждом канале аналогового сигнала, а во втором варианте выход одного ЦАП подключен ко многим УВХ. Необходимость решения задачи хранения аналоговой информации при сопряжении микроЭВМ со многими исполнительными устройствами, управляемыми аналоговыми сигналами, возникает тогда, когда необходимо либо одновременно выдавать результат работы ЭВМ на многие датчики, либо управлять работой медленнодействующих устройств (изменение температуры, наведение антенн и др.). В системе, использующей ЦАП в каждом канале, информация хранится в буферном регистре (например, если это ЦАП К572ПА2), т. е. выходной аналоговый сигнал поддерживается постоянным сколь угодно долго. В то же время если применить один ЦАП с несколькими УВХ для хранения информации, то она^ будет теряться из-за разряда запоминающего'конденсатора УВХ (см. гл. 8). Когда время хранения должно быть большим, целесообразно применять первый вариант, т. е. хранить информацию в цифровой форме. Если время хранения аналоговой информации невелико, то очевидно преимущество второго .варианта, который и проще, и дешевле. Кроме подсистем вывода цифровой информации на исполнительные устройства, управляемые аналоговыми сигналами, ЦАП в современной электронной аппаратуре широко применяют для цифрового управления обработкой аналоговых сигналов. Используя ЦАП, можно синтезировать любой сигнал и выполнять различные математические операции над аналоговыми сигналами под управлением микроЭВМ- 10.1. УСИЛИТЕЛИ С ЦИФРОВЫМ УПРАВЛЕНИЕМ Усилители с программируемым коэффициентом передачи нашли широкое применение в автоматике и вычислительной технике. В частности, они используются для расширения динамического диапазона системы связи ЭВМ с объектом. В настоящее время повышение точности и быстродействия таких усилителей весьма актуально в связи с массовым внедрением в средства измерения и ,п})еобразования информационно-измерительных систем, в основе которых лежит микроЭВМ. Большинство существующих программируемых усилителей строятся на ОУ. Коэффициент передачи таких усилителей определяется глубиной ОС, которая изменяется под управлением аналогового мультиплексора. Последний обычно подключает к цепи ОС резисторы в соответствии с управляющим цифровым кодом. К572ПА1 К572ПА1 21 U2R ZR\A2RU J U L R 2R J----U  J 2 г^М 2-pL Lk\ 4q-j- □- 2-Pl L I  бых Рис. 10.1. Схемы программируемых усилителей с КМОП ЦАП в цепи обратной связи (а) и во входной цепи (б) ОУ Использование КМОП ЦАП в цепи ОС ОУ позволяет непосредственно управлять коэффициентом передачи с помощью цифровых сигналов. На рис. 10.1 показаны на примере К572ПА1 включения КМОП ЦАП, обеспечивающие усиление и ослабление аналогового входного сигнала в зависимости от значения цифрового кода. В схеме на рис. 10,1, а матрица резисторов R-2R включена между выходом и инвертирующим входом ОУ. Входной аналоговый сигнал подается на внешний вывод внутреннего резистора Ro.c- Таким образом, выходное напряжение ОУ выполняет роль опорного напряжения ЦАП, а ток в цепи ОС /о.с. = /вых ?н, где (ai2+ 022- + ... ...-l-aio2 ) =/?/ о,-2~. Поскольку (/вх =/о.с/?о.с, то коэффициент передачи такого ОУ при по1азанном на схеме включении ЦАП равен 7С^= -1/ аг2~\ Величины Oi, 02, аю имеют значения 1=1 О или 1 в зависимости от того, какое напряжение дог. О или лог. 1) подается на входы ЦАП. Следовательно, коэффициент передачи входного напряжения изменяется от 0,999 (когда все ai=l) до,1024 (когда только aio=l, а остальные ai = 0). В отличие от рассмотренной схемы в представленной на рис. 10.1, б в цепь ОС ОУ включается постоянный внутренний резистор /?о.с, содержащийся в ЦАП, а матрица резисторов с управляемым сопротивлением Rm используется в качестве входного резистора. Таким образом, ОУ вновь применяется в инвертирующем включении с постоянным резистором в цепи ОС, сопротивление которого Ro.cR< По существу схема является аттенюатором с цифровым управлением. Входной аналоговый сигнал выполняет роль опорного напряжения ЦАП. Ток, протекающий через резистор равен - lo.c. = (fBx а,2-)/R. Ток, протекающий по цепи ОС ОУ, равен 1=1 Io.c=Usb,s/Ro.c. Следовательно, коэффициент передачи ОУ при по- казанном на схеме включении ЦАП равен Kv=- 2 . Коэф- фициент передачи будет максимален (/С(у = 1), если все а/=1, т. е. когда на входы ЦАП поданы напряжения, соответствующие лог. 1. Если же aio=l, а все остальные а, = 0, то коэффициент передачи Lbx будет минимален и равен Ку ~ 10~. В обеих схемах на рис. 10.1 значение Kv неопределено при а, = 0, т. е. когда на все входы ЦАП поданы напряжения соответствующие лог. 0. В этом случае в первой схеме 10 а во второй /С,/<С 10~. Обычно не возникает проблем с применением ЦАП в качестве аттенюатора. Вместе о тем если в схеме усилителя применен высокочастотный ОУ (например, К154УДЗ или К154УД4), то возможно возникновение самовозбуждения, т. е. усилитель начинает генерировать произвольные сигналы при некоторых цифровых кодах на входе ЦАП. Объясняется это значительной (30 ... 120 пФ) паразитной емкостью ЦАП, действующей по цепи вывода /. Для исключения влияния этой емкости обычно бывает достаточно включения между выходом и инвертирующим входом ОУ корректирующего конденсатора емкостью около 100 пФ. Чтобы уменьшить влияние входного тока ОУ на коэффициент передачи, неинвертирующий вход следует заземлить через резистор сопротивлением 10 кОм для ЦАП К572ПА1 и К572ПВI и 30 кОм для К572ПА2. В рассмотренных выше схемах обычно проявляется прямо пропорциональная зависимость времени установления выходного напряжения от требуемого коэффициента передачи аттенюатора. Этот недостаток можно устранить двумя способами: введением положительной ОС [58] или с помощью программного управления коэффициентом передачи второго усилителя, включаемого в цепь общей ОС с аттенюатором [59]. Обычно чем большее усиление требуется в усилителе с программируемым коэффициентом передачи, тем хуже динамические характеристики схемы. Чтобы минимизировать влияние коэффициента усиления на время установления выходного напряжения ОУ в схеме на рис. 10.2, одновременно с изменением общего коэффициента передачи меняется соответствующим образом коэффициент передачи вспомогательного каскада усилителя. Если АЧХ всего усилителя однополюсная и отсутствует ограничение на скорость нарастания выходных напряжений обоих усилителей, то время установления (7вых определяется частотой среза двухкаскадного усилителя, охваченного цепью общей отрицательной ОС с помощью ЦАП1- Частота среза /ер=/п(1+p/Co), где /Со - это коэффициент усиления схемы при разомкнутой цепи общей ОС. Коэффициент передачи усилителя на базе А2 определяет ЦАП2. Коэффициент передачи всей схемы усилителя /Сп=1/р. Время установления будет оставаться неизменным при всех значениях коэффициента передачи схемы, если изменять Ко пропор- ционально изменениям /( так, чтобы значение р/Со оставалось постоянным. Для достижения этого в схему и введен усилитель А2 с местной ОС, коэффициент передачи которого изменяется с помощью ЦАП2. В [59] приведена схема', где в качестве ЦАП использованы резисторные сборки с ключами, выполненными на основе К590КН6. Было получено время установления напряжения 10 В с точностью 0,1%, равное 7 мкс, при изменении коэффициента передачи в диапазоне 1 ...128. Управляемый с помощью ЦАП усилитель напряжения можно выполнить на базе перемножителя. Если на вход X перемножителя подать аналоговый сигнал, а ко входу Y подключить ЦАП, то изменение напряжения на выходе перемножителя будет определяться выражением Иьих = КyVх, где Ky = KnlJу, К„ - коэффициент передачи перемножителя. Регулирование безразмерного коэффициента Ку осуществляется с помощью напряжения Uу. По сравнению с регулируемыми усилителями на ОУ в усилителе на перемножителях серии 525 значительно шире полоса пропускания. При нелинейности передаточной характеристики менее 1 % можно, например, с помощью К525ПС1 получить полосу пропускания до 1 МГц. Для этого необходимо воспользоваться либо низкоомным и сопротивлениями в нагрузке К525ПС1 (порядка 100 Ом), либо схемой нагрузки, показанной на рис. 3.10. При использовании схемы на перемножителе в качестве аттенюатора ослабление в ней равно О дБ при максимальном управляющем напряжении. При уменьшении управляющего сигнала ослабление возрастает со скоростью 20 дБ на декаду. Однако такая скорость приращения коэффициента ослабления сохраняется только в небольшом диапазоне изменения управляющего сигнала, примерно равном 40 дБ. Более того, при уменьшении усиления возрастает коэффициент нелинейных искажений, который может достигать 5%. Такая величина нелинейных искажений не позволяет использовать перемножитель, например, для управления усилением в аппаратуре высококачественного  1-йр2-йр10-йр Рис. 10.2. Схема программируемого усилителя с постоянным временем установления Рис. 10.3. Схема программируемого усилителя на перемножителе  1-йр 10-й р , 2-йр воспроизведения и записи звуковых сигналов. Причина увеличения нелинейных искажений при расширении динамического диапазона управляющего напряжения лежит в оснОве самого метода нормировки токов, используемого в К525ПС1 [14]. Если необходимо сохранить на выходе с высокой точностью форму входного сигнала в широком динамическом диапазоне, можно воспользоваться схемой, в которой ЦАП введен в цепьуправления током перемножителя К525ПС1 (рис. 10.3). На входе А2 включен, ЦАП К572ПА1, на который подается отрицательное опорное напряжение. При смене цифрового кода на входе ЦАП изменяется напряжение на выходе А2. На базе А2 построен преобразователь напряжения в ток, обеспечиваюший нормальный режим работы пере-мн&жителя. Чтобы устранить действие Uck усилителя. А2, можно ввести обычную для К525ПС1 цепь регулировки (см. рис. 3.9) по входу Y (вывод 9). В схеме на рис. 10.3, включив вместо источника Uan второй ЦАП К572ПА1, можно расширить ее динамический диапазон до 100 дБ и получить нелинейные искажения меньше 1 %. Здесь К525ПС1 используется в нестандартном режиме работы - двух-квадрантного (а не четырехквадрантного) перемножителя за счет того, что отключен генератор тока в узле умножения . (вывод 15) и заземлены выводы и 12. Напряжение [/вх может изменяться в диапазоне - 10 ... -flO В. Следует иметь в виду, что точность работы преобразователя напряжения в ток на базе ЦАП существенно влияет на динамический диапазон ослабления, сигналов. На основе БИС К572ПА1 можно построить импульсный программируемый усилитель для рентгеноспектрометрического усилительно-преобразовательного тракта [60]. Схема чрезвычайно проста, поскольку состоит из трех последовательно включенных каскадов: буферного предусилителя на ОУ К,574УД1 в инвертирующем включении, линейного аттенюатора на К572ПА1 и оконечного усилителя на ОУ К574УД1 в инвертирующем включении. Первый и третий каскады в основном введены для согласования с источником сигнала и нагрузкой самого аттенюатора на ЦАП. Импульсный сигнал с предусилителя подается на вход опорного напряжения ЦАП. БИС К572ПА1 включена по базовой схеме (см. гл. 9) с ОУ К574УД1 на выходе. Таким образом, ЦАП здесь используется непосредственно в канале передачи импульсного сигнала, а не в цепи ОС ОУ. Несмотря на это БИС К572ПА1 не оказывает существенного влияния на динамические характеристики схемы, если достаточна точность, соответствующая 8 разрядам при передаче импульсов длительностью от 0,5 до 10 мкс. В схеме была получена интегральная нелинейность характеристики регулирования 0,5%, а время нарастания импульса амплитудой 10 В на выходе такого импульсного усилителя не превышало 0,2 мкс. В диапазоне регулирования коэффициента передачи от 16 до 255 обеспечивалась передача входных сигналов амплитудой 0,5 ... 500 мВ. . , . 1 ... 24 25 26 27 28 29 30 ... 38 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||