МИКРОСХЕМЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

ЦИФРОАНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ


Под цифроаналоговыми преобразователями (ЦАП) по­нимают устройства, позволяющие осуществить переход от инфор­мации в цифровой форме к информации в аналоговой форме. Эти преобразователи широко используют в системах цифровой обработ­ки данных, в устройствах управления, для вывода информации из ЭВМ и передачи ее на исполнительные устройства и т. п.

В ЦАП входным сигналом является цифровой код в различных системах счисления, а выходным — соответствующее ему значение аналоговой величины в виде напряжения постоянного тока, времен­ного интервала и т. п. В ЦАП, построенных на микросхемах, в ка­честве входного сигнала чаще всего используют двоичный позицион­ный код или построенный на его основе десятичный код. Выходным сигналом является напряжение постоянного тока. Подобные ЦАП и будут рассмотрены далее.

Цифроаналоговое преобразование состоит в суммировании эта­лонных значений напряжения, соответствующих разрядам входного кода, причем в суммировании будут участвовать только те этало­ны, для которых в соответствующих разрядах стоит единица. Структурная схема ЦАП в общем виде показана на рис. 6.1. Для ЦАП выходное напряжение определяется следующим образом:

где Uon — опорное (эталонное) значение напряжения; йь Ь2, ..., Ьп — коэффициенты двоичных разрядов, принимающие значе­ния 0 или 1.

Основными параметрами ЦАП являются:

1. Разрешающая способность, определяемая количеством двоич­ных разрядов входного кода и характеризующаяся возможным ко­личеством уровней аналогового сигнала.

Рис. 6.1. Структурная схе­ма ЦАП

2. Точность, определяемая наибольшим значением отклонения аналогового сигнала от расчетного. Она обычно выражается в виде половины уровня сигнала, соответствующего младшему значащему разряду (МЗР). Суммарная ошибки, вносимая элементами ЦАП, не должна превышать указанную погрешность квантования.

3. Нелинейность, характеризующаяся максимальным отклоне­нием линейно-нарастающего выходного напряжения от прямой ли­нии, соединяющей точки нуля и максимального выходного chi нала (обычно не выше +1/2 значения МЗР).




4. Время преобразования (установления), определяемое интер­ валом времени от момента подачи цифрового сигнала до момента достижения выходным сигналом установившегося значения.

Как правило, ЦАП содержит резистивную матрицу, с помощью которой формируются выходные сигналы, пропорциональные вход­ному коду; набор токовых ключей, реализующих коэффициенты двоичных разрядов; выходной усилитель и источник опорного ста­билизированного напряжения. Кроме того, обычно в схему вклю­чают устройство, обеспечивающее согласование входа ЦАП с циф­ровыми микросхемами.

Рассмотрим принципы построения основных узлов ЦАП.

Резистивная матрица может иметь различную структуру. Один из ее вариантов (с весовыми резисторами) показан на рис. 6.2,а. Здесь каждому разряду соответствует свой разрядный ток I1, I2, ..., 1п. Эти токи задаются с помощью матрицы резисторов, со­противления которых удваиваются при переходе от старшего раз­ряда к младшему. Основной недостаток рассмотренной структуры — широкий диапазон сопротивлений и их высокая требуемая точность, особенно при большом числе разрядов входного кода. Другой ва­риант резистивной матрицы (с резистивной сеткой R — 2R), полу­чивший широкое распространение, показан на рис. 6.2,6. Здесь используются резисторы только двух номиналов. Формирование тока, соответствующего данному разряду, в этой схеме осуществ­ляется как за счет последовательных, так и параллельных цепей сопротивлений. При переходе от старшего разряда к младшему ток изменяется в два раза (как и в схеме, показанной на рис. 6.2,а). Токовые ключи, предназначенные для коммутации элементов резистивной матрицы, должны иметь высокое быстродействие и не вносить заметных погрешностей в разрядные токи. Ключи для быстродеиствующих ЦАП строятся обычно на биполярных транзисто­рах и диодах, для преобразователей среднего и низкого бьгтподей-ствия широко применяются ключи на КМДП-транзнсторах характеризующихся малым потреблением энергии.



Рис. 6.2. Резистивные матрицы:



а — с весовыми резисторами; б — с резистивной сеткой R = 2R



Рис. 6.3. Варианты полупроводниковых ключей:

a - на биполярных транзисторах и диодах; б - на КМДП транзис­торах

Один из вариантов ключа на биполярных полупроводниковых приборах показан на рис. б.З.а. Если на цифровой вход подан сиг нал 0, транзисторы Tit T2 и диод Д, закрыты и ток выходной шины течет через открытый транзистор Та. При подаче на вход сигнала 1 транзисторы Тг, Т2 и диод Д, открываются, а диод Д2 закрывается и отключает выходную шину. Транзистор T3 все время открыт по этому через резисторы матрицы течет постоянный ток Этим дости гается отсутствие отрицательного влияния на быстродействие по стоянных времени эмиттерных цепей и постоянных времени завися­щих от сопротивлений матрицы.

Вариант ключа на КМДП-транзисторах показан на оис 6.3,6 В этой схеме транзисторы Т, — Т3 служат для согласования с ми­кросхемами на входе ЦАП, транзисторы Г4 — Т7 используются для управления ключевыми транзисторами Т8 — Тв, которые подкчючают разрядные токи резистивной матрицы к одной из двух выходных шин. Через транзистор Т3 осуществляется положительная обратная связь для уменьшения времени переключения (до 500 не)



Рис. 6.4. Восьмиразрядный преобразователь двоичного кода в ток 252ПА1

Выходным усилителем обычно служит ОУ, который суммирует разрядные токи. Напряжение на выходе ОУ пропорционально вход­ному коду:



где Roy — сопротивление обратной связи ОУ; N — входной код.

Рассмотренные основные узлы ЦАП выпускаются отечественной промышленностью в виде отдельных микросхем и в комплекте Отдельные резистивные матрицы содержатся в микросхемах К228ПП1, К265ПП1-7 разрядов, К252ПН1 - 10 разрядов К304ИД1, 3, 5-5, 7, 9 разрядов, 301НС1 — 10 разрядов и др.

 



Рис. 6.5. Восьмираз­рядный преобразова­тель двоичного кода в напряжение

Ключи в виде многоканальных коммутаторов содержатся в ми­кросхемах: К190КТ1 (5 каналов), К190КТ2 (4 канала) 240КШ (1 канал), 240КН2 (3 канала), 240КНЗ (4 канала), К252КТ1 (4 канала), К594КТ1 (4 канала) и др.



В качестве усилителя можно использовать ОУ серий 140, 153, 240, 252 и др. Стабилизированные источники напряжения содержат­ся в сериях 142, 240, 275 и т. п.

Отечественная промышленность выпускает микросхемы серии К252, которые можно использовать для построения ЦАГГ К252ПА1 К252ПА2, К252ПАЗ, К252ПН1.

Микросхема К252ПА1 — восьмиразрядный преобразователь дво­ичного кода в ток — содержит резистивную матрицу с весовыми резисторами и ключи на биполярных транзисторах и диодах. Схема преобразователя показана на рис. 6.4. Входной код подается на выводы 2, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 12. С выводов 17, 19, 20, 21, 23, 24, 25, 27 снимаются разрядные токи. Их величина составляет от 2 5 (для первого разряда) до 0,019 мА (для восьмого). Входное напря­жение не менее 2,4 В. Относительная погрешность не более +0,4 %

Микросхема К252ПА2 подобна микросхеме К252ПА1, но отли­чается полярностью выходного тока опорного источника напряже­ния и включением диодов. Для того чтобы на базе указанных ми­кросхем построить преобразователь код — напряжение, на выходе нужно подключить ОУ, как показано на рис. 6.5.

Десятиразрядный преобразователь двоичного кода в ток можно построить на двух микросхемах — К252ПАЗ (рис. 6.6) и К252ПН1 (рис. 6.7). В первую входят резистивная матрица с весовыми рези­сторами и диодные ключи, во вторую — схемы управления ключа­ми. Функциональная схема ЦАП на базе указанных микросхем приведена на рис. 6.8. Относительная погрешность этого преобразо­вателя не более ±0,1 %.



Рис. 6.6. Резистивная матрица 252ПАЗ

Рассмотренные преобразователи построены по гибридной тех­нологии. В последние годы все большее внимание уделяется ЦАП выполненным на базе полупроводниковой технологии с использова­нием тонкопленочных резисторов на кристалле. Примером такого преобразователя является десятиразрядный ЦАП — микросхема К572ПА1А, содержащая матрицу резисторов и ключи на КМДП-транзисторах. Принципиальная схема преобразователя показана на рис. 6.9.


В схеме использована матрица с резистивной сеткой R—2R с резисторами двух номиналов R1 — R9, R22=10 кОм±30 % R10 — R21 = 20 кОм±30 %. Параметры преобразователя: Eи п=15 В Uоп = 10,24 В, U'вх>2,4 В, U°Вх<0,8 В. По входам ЦАП согласо­аан с ТТЛ микросхемами. Нелинейность не более +0,8 % от полной шкалы, время установления входного тока Tуст — 5 мкс. Имеются разновидности этой микросхемы: К572ПА1Б, К572ПА1В, К572ПА1Г, имеющие соответственно 9, 8 и 7 разрядов.



Рис. 6.7. Схема управления 252ПН1

Схемы преобразователя код — напряжение, выполненные на базе микросхем К572ПА1А, показаны на рис. 6.10. В первом случае (а) выходное напряжение однополярное, во втором (б) — двуполяр-ное. Значения выходного напряжения в рассматриваемых схемах при различных входных кодах показаны в табл. 6.1.

Опорное напряжение в обеих схемах может выбираться разной полярности. Это позволяет использовать схему на рис. 6.10,а как двухкаадрантный преобразователь, а схему на рис. 6.10,6 — как че­ты рехквадрантный.

Таблица 6.1

Входной код

Схема (рис. 6. 10, а)

Схема (рис. 6.10,6)

1111111111

-Uоп(1-2-10)

-Uоп(1-2-10)

1000000001

-U0п(1/2+2-10)

-Uон (2-l0)

1000000000

 — U0П /2

0

0111111111

-Uon (1/2-2-10)

+Uоп(2-10)

0000000001

-Uон (2-l0)

+Uon(l-2-10)

0000000000

0

+Uоп



Рис. 6.8- Десятиразрядный преобразователь двоич­ного кода в напряжение



Рис. 6.9. Десятиразрядный ЦАП К572ПА1А

Другим примером ЦАП, выполненного на базе полупроводнико­вой технологии, служит двенадцатиразрядный преобразователь К594ПА1, содержащий резистивную матрицу, биполярные токовые ключи и ОУ. Он имеет меньшее, чем у рассмотренного выше пре­образователя время установления Густ = 3,5 мкс.

Перспективы развития ЦАП: уменьшение Густ до десятых до­лей микросекунд и менее в результате повышения быстродействия ключей и уменьшения времени установки ОУ; повышение точности преобразователя (до 0,05 — 0,003%) за счет улучшения качества резистивных матриц, ключей, стабильности источника опорного на­пряжения и увеличения разрядности преобразователя (до 14 — 16).



Рис. 6.10. Варианты построения преобразователей двоичного кода в напряжение на базе микросхем К572ПА1А.

а — двухквадрантный преобразователь; б — четырехквадрантный преобразо­ватель


Содержание раздела