ЦИФРОАНАЛОГОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2011 года по МПК H03M1/66 

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], (прототип), 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-прототипа 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.

Сущность изобретения

Задачей, на которую направлено изобретение, является создание цифроаналогового преобразователя, выполняющего преобразование на базе широтно-импульсной и амплитудной модуляции, обладающего сравнительной простотой и высокой линейностью характеристики преобразования.

Поставленная задача достигается за счет того, что цифроаналоговый преобразователь содержит 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, дополнительно введены 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 (3₃), 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.

Перечень чертежей

На фиг.1 представлена схема цифроаналогового преобразователя с широтно-импульсной модуляцией.

Цифроаналоговый преобразователь содержит источник 1 опорного напряжения, резисторы 2₁-2₇ с сопротивлением R, а также 2₈ с сопротивлением kR, операционный усилитель 3₁, фильтрующий операционный усилитель 3₂, задающий генератор импульсов 4, элемент И 5, второй счетчик 6, первый счетчик 7, RS-триггер 8, конденсаторы 9 и 10, элемент ИЛИ 11, элемент 12 задержки, блок 13 задания кода, узел 14 начального запуска, управляемый ключ 15, первый и второй управляемые ключи 16₁-16₂, выходную шину 17.

На фиг.2 представлены эпюры 18-22 напряжений на выходах соответствующих элементов схемы.

Эпюра (временная диаграмма) 18 - сигнал на выходе Q RS-триггера 8 при преобразовании двоичного кода N=000…001, равного единице;

временная диаграмма 19 - сигнал на выходе операционного усилителя 3₁;

эпюры напряжений 20: 20₁ - на выходе делителя напряжений 2₄-2₆ при отключенном конденсаторе 10 в режиме преобразования кода N=000…001, 20₂ - на выходе делителя напряжений 2₄-2₆ при подключенном конденсаторе 10 к прямому входу фильтрующего операционного усилителя 3₂ в режиме преобразования кода N=000…001; временная диаграмма 21 - сигнал на выходе Q RS-триггера 8 при преобразовании двоичного кода N=000…010, равного двум; эпюры напряжений 22: 22₁ - на выходе делителя напряжений 2₄-2₆ при отключенном конденсаторе 10 в режиме преобразования кода N=000…010; 22₂ - на выходе делителя напряжений 2₄-2₆ при подключенном конденсаторе 10 к прямому входу фильтрующего операционного усилителя 3₂ в режиме преобразования кода N=000…010.

На фиг.3 представлены эпюры 23 напряжений, поясняющие работу фильтра нижних частот (ФНЧ) при подаче на его вход широтно-импульсного сигнала прямоугольной формы.

Отличительные признаки

Отличительными признаками заявленного устройства по сравнению с прототипом являются:

1. В состав ЦАП дополнительно входят: элемент задержки, элемент ИЛИ, амплитудный модулятор, выполненный на операционном усилителе 3₁, резисторах 2₁-2₃ и управляемом ключе 15;

суммирующий узел (смеситель) на резисторах 2₄-2₆, один из входов которого подключен через первый управляемый ключ 16₁ к источнику опорного напряжения, а другой вход соединен с выходом амплитудного модулятора на операционном усилителе 3₁, а выход смесителя через второй управляемый ключ 16₂ подключен к накопительному конденсатору 10 и к фильтрующему усилителю 3₂, усиливающему постоянную составляющую в (1+k) раз.

Сведения, подтвержцающие возможность осуществления

Сущность изобретения поясняется чертежами фиг.1÷3.

ЦАП работает согласно схеме, фиг.1, следующим образом. С узла 14 начального запуска, выполненного, например, в виде одновибратора, поступает короткий положительный импульс на сброс двоичных счетчиков 6 и 7, тем самым, синхронизируя начало их работы. Этот же импульс, пройдя через логический элемент 11 ИЛИ и элемент задержки, выполненный, например, на двух логических инверторах, соединенных последовательно, поступает на вход разрешения Е записи в счетчик 7 установленного в блоке 13 кода N. Кроме того, импульс начальной установки проходит через логический элемент ИЛИ - 11 и устанавливает RS-триггер в единичное состояние. После установки счетчика 6 в нулевое состояние, а счетчика 7 в состояние кода N, заданное блоком 13 задания кода преобразования, один из них - счетчик 6 начинает работать на сложение, а другой - счетчик 7 на вычитание. Этот процесс продолжается до тех пор, пока на выходе переполнения «<0» вычитающего счетчика 7 не появится импульс, переводящий триггер 8 в нулевое состояние. Далее счетчик 7 остается в статическом состоянии, так как сигнал с выхода Q RS-триггера перекрывает клапан, выполненный на элементе И 5. Счетчики 6 и 7 должны быть одинаковой разрядности, и цикл преобразования ЦАП выбирают исходя из этой разрядности. Цикл преобразования заканчивается в тот момент, когда на выходе переполнения «≥» счетчика 7, работающего на сложение, появится импульс переполнения, а RS-триггер снова перейдет в единичное состояние.

Таким образом, длительность положительного импульса на выходе Q RS-триггера пропорциональна коду N. По импульсу переполнения счетчика 6 также через некоторое время задержки, заданное элементом 12, производится перепись данных в вычитающий счетчик 7. Далее цикл преобразования повторяется. Если тактовая частота задающего генератора 4 равна f_t, то длительность импульса на выходе Q RS-триггера при преобразовании кода N=000…001, равного единице, будет равна 1/f_t. Если N=000…010, то длительность импульса на выходе Q RS-триггера, равного двум, будет равна 2/f_t, и так далее.

Если такой сигнал непосредственно подать на вход ФНЧ, выполняющего операцию интегрирования на интервале Т_ц, то результат этой операции можно представить согласно фиг.3 (эпюры 23) вольт-секундной площадью геометрических фигур OAD и OBCD, полученных для N=100…000 и N=111…111 соответственно. При строгой линейности интегрирования площадь фигуры OAD в два раза меньше площади фигуры OBCD, без учета погрешности на квант преобразования, соответственно в таком же соотношении и средние значения напряжений за цикл преобразования. Однако, чтобы, например, обеспечить линейность интегрирования простым RC-фильтром с погрешностью линейности 1% необходимо ограничить время интегрирования интервалом времени t≤0,02 τ, где τ - постоянная времени этого фильтра. Одновременно с проблемами линейности следует учитывать, что при очень больших значениях постоянных времени интегрирования значительно уменьшается выходной диапазон ФНЧ по напряжению.

Использование в устройстве-прототипе импульсов ШИМ, сдвинутых на одинаковый интервал времени в пределах цикла (Т_ц) с последующим их суммированием, позволяет уменьшить постоянную времени τ ФНЧ, или уменьшить время установления ЦАП с ШИМ. Однако, как уже отмечалось, такое построение ЦАП (см. прототип) приводит к слишком сложной структуре.

В заявленном устройстве время установления ЦАП можно сделать меньше, чем у классических ЦАП с ШИМ (см., например, [2, 3]) за счет введения элементов (см. фиг.1) с позициями 2_i, 3_i, 10, 15, 16_i.

Сопротивления всех резисторов 2₁-2₇ равны R. В этом случае операционный усилитель 3₁ с подключенными к нему элементами 2₁-2₃, 15 представляет на одном интервале полупериода задающего генератора 4 инвертор, а на другом - дифференциальный усилитель. Поэтому на его выходе образуется двухполярный сигнал (см. эпюра 19), частота которого равна частоте импульсов генератора 4. Резисторы 2₄-2₆, сопротивления которых также равны R, образуют сумматор - смеситель, на один вход которого поступает сигнал с выхода операционного усилителя 3₁, а другой вход подключен через первый управляемый ключ 16₁ к выходу источника 1 опорного напряжения. Первый управляемый ключ 16₁ управляется RS-триггером 8, причем длительность положительного управляющего импульса пропорциональна преобразуемому коду N, а на время действия этого импульса первый управляемый ключ 16₁ находится в замкнутом состоянии. Эпюра 18 соответствует этому импульсу управления при N=000…001, а эпюра 21 - при N=000…010. Соответственно, для этих же двух случаев построены эпюры 20 и 22 напряжений на выходе смесителя - сумматора. Прямоугольные импульсы эпюр 20, 22 на интервале ШИМ импульса, определенного сигналом Q RS-триггера 8, положительны и имеют амплитуду - 2U_оп/3. На остальной же части цикла Т_ц преобразования размещаются двухполярные прямоугольные импульсы амплитудой +U_оп/2, - -U_оп/2. Такой результат (диаграммы 20₁ и 22₁) получается на выходе смесителя 2₄-2₆, если второй управляемый ключ 16₂ разомкнут. Если же второй управляемый ключ 16₂ будет замкнут, то к выходу смесителя 2₄-2₆ подключается интегрирующая емкость 10 и прямой вход операционного усилителя 3₂. В то же время второй управляемый ключ 16₂ работает с частотой задающего генератора 4 в диапазоне ШИМ импульса, поступающего с выхода Q RS-триггера 8. На время его размыкания сохраняется заряд, достигнутый в предыдущем такте на емкости 10. Эпюра 22₂ отображает этот процесс ростом напряжения от такта к такту в пределах ШИМ импульса.

Элементы обратной связи 2₇-2₈, 9 с операционным усилителем 3₂ выполняют фильтрацию по переменной составляющей и усиление по постоянной составляющей сигнала (см. эпюры 20₂, 22₂), поступающего на прямой вход этого фильтрующего усилителя 3₂. Регулировку усиления среднего значения напряжения на выходе 17, равного, например, U_оп, можно выполнить резистором 2₈-kR, подобрав коэффициент k.

В целом же, для любого преобразуемого кода N, модулированный по ШИМ, а затем по амплитудной модуляции, сигнал (см. эпюры 20₁, 22₁), является во всем диапазоне преобразования (на интервале Т_ц) периодическим со скважностью Q=2, то есть имеет постоянный частотный дискретный спектр, а частота первой гармоники этого спектра (равна частоте тактового генератора) во много раз выше частоты цикла 1/Т_ц преобразования ЦАП. То есть, снимаемый с выхода смесителя (2₄-2₆) сигнал состоит практически из одних и тех же гармоник, изменяется лишь их амплитуда. Следовательно, зная тактовую частоту, несложно подобрать ФНЧ с требуемой полосой пропускания, что, в свою очередь, позволит получить хорошую линейность по шкале преобразования ЦАП и повысить быстродействие.

В устройстве фиг.1 элементы: второй управляемый ключ 16₂ и конденсатор 10 представляют не УВХ (в строгом смысле слова), с нормированными параметрами по дрейфу (скорости спада), а дополнительный фильтр НЧ, у которого постоянная времени зависит от состояния второго управляемого ключа 16₂. Если этот ключ 16₂ замкнут, то постоянная времени τ_з дополнительного фильтра значительно меньше, чем постоянная времени τ_раз при разомкнутом управляемом ключе 16₂, а квант преобразования определяется разностью напряжений на конденсаторе 10 в такте преобразования. Доводку же кванта h преобразования (или полной шкалы преобразования) ЦАП до установленного значения можно выполнить, например, регулировкой коэффициента передачи активного фильтра по постоянной составляющей, т.е. изменением величины сопротивления 2₈.

Исходя из приведенного описания работы устройства - ЦАП, его функциональной и принципиальной схемы, не трудно заключить, что заявленное устройство цифроаналогового преобразования обладает основными характеристиками (точностью преобразования и быстродействием), близкими к характеристикам устройства-прототипа, однако имеет более простую техническую реализацию.

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. №1735999 СССР, Н03М 1/66. Цифроаналоговый преобразователь / Г.С.Власов, С.Е.Лях и В.Г.Сараев. // Опубл. 1992, бюл. №19.

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. Технический результат: повышение линейности характеристики преобразования. Цифроаналоговый преобразователь содержит задающий генератор импульсов (4), весовые резисторы (2_1-8), источник опорного напряжения (1), 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 (9), а его выход является выходной шиной цифроаналогового преобразователя, два счетчика импульсов (6, 7), элемент И (5), один из входов которого соединен с выходом задающего генератора, а выход подключен к вычитающему входу первого счетчика, блок задания кода (13), узел начального запуска (14), три управляемых ключа (15, 16_1-2) RS-триггер (8). Введены элемент ИЛИ (11), элемент задержки (12), амплитудный модулятор, образованный операционным усилителем (3₁), второй конденсатор (10), сумматор-смеситель на трех весовых резисторах (2_4-6), 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 операционного 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. 3 ил.

Цифроаналоговый преобразователь, 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, отличающийся тем, что дополнительно введены 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), a 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 операционного 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.