ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ЦИФРОАНАЛОГОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2008 года по МПК H03M1/66 

Изобретение относится к области автоматики, информационно-измерительной и вычислительной техники, а именно к устройствам для нелинейного преобразования цифрового кода в аналоговую величину.

Устройства с нелинейным преобразованием часто используются в электронике, автоматике и информационно-измерительной технике. Например, устройства с логарифмической функцией преобразования используются для сжатия динамического диапазона сигналов (Гусев В.Г. Электроника и микропроцессорная техника: Учеб. для вузов / В.Г.Гусев, Ю.М.Гусев. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2004. - 790 с.; с.486). При этом часто непрерывная нелинейная функция заменяется упрощенной, полученной с помощью кусочно-линейной аппроксимации и реализуемой с помощью последовательно подключаемых масштабирующих резисторов. Получаемая ломаная кривая состоит из соединенных между собой в ключевых точках отрезков прямых вида

y_i=k_ix+С,

где k_i - коэффициент наклона, С - постоянная составляющая.

Последовательное (по мере изменения выходной величины) подключение резисторов может осуществляться с помощью отпираемых в нужные моменты времени диодов (Гусев В.Г. Электроника и микропроцессорная техника: Учеб. для вузов / В.Г.Гусев, Ю.М.Гусев. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2004. - 790 с.; с.488). При таком решении с заданной степенью точности может быть реализована любая нелинейная функция. Сложность данного метода заключается в индивидуальной подгонке значений каждого резистора.

Для преобразования цифрового кода в аналоговую величину используют микросхемы интегральных цифроаналоговых преобразователей (ЦАП), которые линейно преобразуют входной цифровой код в аналоговую величину - напряжение или ток. Для управления преобразованием микросхемы ЦАП имеют также управляющий вход для подачи опорного напряжения (Федорков Б.Г., Телец В.А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 320 с.; с.58-59).

Функциональные ЦАП представляют собой класс приборов, производящих одновременно нелинейное и цифроаналоговое преобразования. Они применяются, например, в цифроуправляемых калибраторах фазы для реализации тригонометрических функций (Сапельников В.М., Кравченко С.А., Чмых М.К. Проблемы воспроизведения смещаемых во времени электрических сигналов и их метрологическое обеспечение - Уфа: Изд. Башкирск. гос. ун-та, 2000. - 196 с.).

Известен преобразователь одного цифрового кода в два аналоговых сигнала, воспроизводящих разные функциональные зависимости (Патент РФ №2286013 С2, МПК Н03М 1/66; опубл. 20.10.2006), содержащий два постоянных запоминающих устройства (ПЗУ), два ЦАП, два усилителя, электронный генератор, регистр, электронные ключи и инвертор.

Недостатком устройства является то, что функциональное преобразование в нем осуществляется только с помощью ПЗУ, хранящих значения функции для всех возможных значений входного кода. Это является неприемлемым при работе с быстроизменяющимися сигналами из-за низкого быстродействия элементов памяти.

Известен функциональный ЦАП (А.с. СССР №702388, МКИ G06J 3/00; опубл. 05.12.79), построенный на двух масштабных цифроуправляемых резисторах и двух операционных усилителях. Его недостатком является аппроксимация только синусно-косинусных зависимостей, что ограничивает область применения ЦАП.

Устройством, наиболее близким к предлагаемому, является функциональный ЦАП (Сапельников В.М. Нелинейный цифроаналоговый преобразователь - дискретный аналог синусно-косинусного потенциометра // Измерительная техника. - 1997. - №1. - С.32-34), содержащий линейный ЦАП, управляемый многопозиционный двухсекционный ключ и источник опорного напряжения. Линейный ЦАП регулирует выходное напряжение от одной ключевой точки до другой, приближенно воспроизводя в i-ом интервале требуемую функциональную зависимость. Многопозиционный ключ используется для изменения интервала. Устройство может применяться не только для синусно-косинусного, но и многих других функциональных преобразований.

Недостатками известного преобразователя являются использование наборов резисторов нестандартных номиналов, что вызывает сложности при изготовлении устройства как в дискретном, так и в интегральном исполнениях.

Также недостатком устройства является включение линейного ЦАП таким образом, что ни один из его аналоговых входов не соединен с общим проводом. Это значительно сужает круг пригодных для применения серийно выпускаемых умножающих ЦАП: для большинства схем ЦАП требуется, чтобы опорное напряжение и напряжение питания измерялись относительно потенциала одной точки.

Кроме того, к недостаткам данного устройства следует отнести сложность расчета номиналов резисторов и сложность настройки.

Задача изобретения - упрощение конструкции устройства и повышение технологичности его изготовления за счет применения однотипных и стандартных элементов.

Поставленная задача достигается тем, что в функциональный цифроаналоговый преобразователь, содержащий линейный цифроаналоговый преобразователь и источник опорного напряжения, в отличие от прототипа, введены первое и второе постоянные запоминающие устройства, второй и третий линейные цифроаналоговые преобразователи и сумматор, причем входная цифровая шина подключена к адресным цифровым входам первого и второго постоянных запоминающих устройств и цифровым входам первого линейного цифроаналогового преобразователя, цифровые выходы обоих постоянных запоминающих устройств подключены к соответствующим цифровым входам второго и третьего линейных цифроаналоговых преобразователей, источник опорного напряжения соединен с управляющими входами второго и третьего линейных цифроаналоговых преобразователей, аналоговый выход второго линейного цифроаналогового преобразователя соединен с управляющим входом первого линейного цифроаналогового преобразователя, аналоговый выход которого подключен к первому входу сумматора, а аналоговый выход третьего линейного цифроаналогового преобразователя подключен ко второму входу сумматора, выход сумматора является выходом всего устройства.

На чертеже показана структурная схема функционального ЦАП.

Функциональный ЦАП содержит два постоянных запоминающих устройства 1 (ПЗУ 1) и 2 (ПЗУ 2), на входы которых подается цифровой код N. Выходы элементов ПЗУ подключены к цифровым входам линейных ЦАП 3 (ЛЦАП 2) и 4 (ЛЦАП 3) соответственно. Опорное напряжение для ЦАП 3 и 4 подается с источника опорного напряжения 5 (ИОН). Выходной сигнал ЦАП 3 является опорным напряжением для линейного ЦАП 6 (ЛЦАП 1), на цифровой вход которого также подается входной код N. Выходные сигналы ЦАП 4 и 6 суммируются операционным усилителем 7. В память ПЗУ 1 заложены значения коэффициентов наклона прямых, а в память ПЗУ 2 - значения функции в ключевых точках аппроксимации.

Устройство работает следующим образом.

Входной цифровой сигнал N подается на ПЗУ 1 (1), откуда производится выборка кода, соответствующего коэффициенту наклона прямой К_i на данном участке i. Этот код преобразуется ЛЦАП 2 (3) в напряжение, являющееся опорным для ЛЦАП 1 (6). Опорное напряжение для ЛЦАП 1 (6) будет зависеть только от номера участка аппроксимации i, следовательно, на вход ПЗУ 1 (1) достаточно подавать лишь старшие биты управляющего сигнала N.

Одновременно цифровой сигнал N подается на вход ЛЦАП 1 (6). Полученный на выходе ЛЦАП 1 (6) сигнал будет пропорционален произведению опорного напряжения и входного цифрового кода. В дальнейшем он суммируется операционным усилителем (ОУ) (7) с напряжением ЛЦАП 3 (4), которое соответствует постоянной величине С. Значение этой постоянной величины хранится в ПЗУ 2 (2), также зависит от номера интервала аппроксимации и равно значению аппроксимируемой функции в предыдущей ключевой точке.

Таким образом, устройство реализует на каждом из участков аппроксимации i интерполяцию линейной зависимостью

U(N)=K_i·N+C_i,

где К_i - коэффициент наклона прямой, С_i - постоянная величина, i - номер участка аппроксимации.

Предлагаемая структура содержит только стандартные однотипные ЦАП и элементы ПЗУ. Использование общей нулевой точки для напряжения питания и опорного напряжения ЦАП позволяет использовать стандартные умножающие ЦАП. Также схема не содержит резисторов различных номиналов, наличие которых предполагало бы сложность изготовления, настройки и подгонки и большую стоимость устройства. Кроме того, замена резисторов в схеме на ЦАП позволяет уменьшить температурную зависимость устройства, т.к. номиналы резистора обратной связи и резисторов матрицы R-2R внутри микросхемы ЦАП при изменении температуры изменяются равно пропорционально, а следовательно, их отношение остается постоянным.

Таким образом, построение функционального ЦАП по рассмотренной структуре позволяет упростить его структурную схему и повысить технологичность изготовления.

Изобретение относится к области автоматики, информационно-измерительной и вычислительной техники, а именно к устройствам для преобразования кода, и может быть применено в микроэлектронных аналого-цифровых вычислительных устройствах. Техническим результатом изобретения является упрощение схемы функционального цифроаналогового преобразователя и повышение ее технологичности. Устройство содержит два постоянных запоминающих устройства, три умножающих цифроаналоговых преобразователя, сумматор и источник опорного напряжения. 1 ил.

Функциональный цифроаналоговый преобразователь, содержащий первый линейный цифроаналоговый преобразователь и источник опорного напряжения, отличающийся тем, что дополнительно содержит первое и второе постоянные запоминающие устройства, второй и третий линейные цифроаналоговые преобразователи и сумматор, причем входная цифровая шина подключена к адресным цифровым входам первого и второго постоянных запоминающих устройств и цифровым входам первого линейного цифроаналогового преобразователя, цифровые выходы обоих постоянных запоминающих устройств подключены к соответствующим цифровым входам второго и третьего линейных цифроаналоговых преобразователей, источник опорного напряжения соединен с управляющими входами второго и третьего линейных цифроаналоговых преобразователей, аналоговый выход второго линейного цифроаналогового преобразователя соединен с управляющим входом первого линейного цифроаналогового преобразователя, аналоговый выход которого подключен к первому входу сумматора, а аналоговый выход третьего линейного цифроаналогового преобразователя подключен ко второму входу сумматора, выход сумматора является выходом всего устройства.