ЦИФРОАНАЛОГОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2020 года по МПК H03M1/66 

Изобретение относится к цифроаналоговым преобразователям и может быть использовано в устройствах преобразования цифрового кода в аналоговое напряжение. [Н03М 1/66]

Известны различные типы цифроаналоговых преобразователей [Федорков Б.Г., Телец В.А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 320 с.], построенные как на резистивных матрицах различного типа, так и на основе преобразования частоты в напряжение.

К недостаткам известных цифроаналоговых преобразователей можно отнести технологическую сложность и дороговизну изготовления прецизионных резистивных матриц, а второго типа цифроаналоговых преобразователей - недостаточную точность и линейность характеристики преобразования.

Также из уровня техники известен ЦИФРОАНАЛОГОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ [RU 146932 U1, опубл. 20.10.2014 г.], содержащий n-разрядный регистр, отличающийся тем, что содержит дополнительный n-разрядный регистр, к входам регистров подключены соответствующие выходы блока управления, а к выходам регистров подключены n-разрядные резисторные R-2R-матрицы, одна пара выходов резисторных матриц через резисторы с сопротивлением 2⋅R Ом подключена к заземлению, а другая пара выходов матриц подключена к входам трансформатора, вход блока управления является входом цифроаналогового преобразователя, а его выходом является выход трансформатора.

Недостатком данного аналога также является применение резистивных матриц, которые характеризуются повышенными требованиями к точности задания номинала используемых резисторов небольшим сроком службы, а также нестабильностью номиналов сопротивлений резисторов вследствие влияния внешних факторов, например, температуры и атмосферного давления.

Наиболее близким по технической сущности является ЦИФРОАНАЛОГОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ДЕЛЕНИЕМ ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ [RU 2155444 С1, опубл. 27.08.2000 г.], содержащий первый источник опорного напряжения, n разрядных ячеек, каждая из которых имеет делитель опорного напряжения, n ключевых элементов, n клемм для подключения цифрового кода, соединенных с соответствующими ключевыми элементами, отличающийся тем, что он содержит дополнительный цифроаналоговый преобразователь, m дополнительных клемм для подключения цифрового кода, подключенных к дополнительному цифроаналоговому преобразователю, при этом n клемм для подключения цифрового кода соединены с дополнительным цифроаналоговым преобразователем, усилитель, неинвертирующий вход которого подключен к выходу дополнительного цифроаналогового преобразователя, а инвертирующий вход его подключен к выходу делителя напряжения, выполненного на первом и втором последовательно соединенных резисторах, а его выход подключен к первому выходу выпрямительного моста, второй источник переменного опорного напряжения, делитель опорного напряжения каждого из n разрядных ячеек выполнен в виде трансформатора напряжения с последовательно соединенными первой и второй первичными обмотками и вторичной обмоткой, при этом вторичные обмотки трансформаторов всех n разрядных ячеек соединены последовательно, каждая из n разрядных ячеек содержит первый диод, анод которого соединен с первым источником опорного напряжения, выполненным в виде источника переменного опорного напряжения, катод первого диода соединен с началом первой первичной обмотки соответствующего трансформатора, второй диод, анод которого соединен со вторым источником переменного опорного напряжения, а катод его соединен с концом второй первичной обмотки соответствующего трансформатора, шунтирующий диод, анод которого соединен с общей точкой последовательно соединенных первой и второй первичных обмоток соответствующего трансформатора и через соответствующий ключевой элемент - с шиной заземления, катод шунтирующего диода соединен с шиной питания, а первый вход выпрямительного моста соединен с началом вторичной обмотки трансформатора первой разрядной ячейки, второй вход выпрямительного моста соединен с концом вторичной обмотки трансформатора n-й разрядной ячейки, а второй выход соединен с сопротивлением нагрузки, подключенным к шине заземления, и первым резистором делителя напряжения, второй резистор делителя напряжения соединен с шиной заземления и параллельно соединен с конденсатором.

Основной технической проблемой прототипа является использование большого количества диодов, 2 источников опорного переменного напряжения, а также 3 точек подключения к первичным обмоткам трансформаторов, что усложняет конструктивное исполнение, а также снижает точность цифроаналогового преобразования.

Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.

Техническим результатом изобретения является сокращение количества и номенклатуры используемых электронных элементов, а также повышение точности цифроаналового преобразования.

Указанный технический результат достигается за счет того, что цифроаналоговый преобразователь, содержащий трансформаторы с первичной и вторичной обмотками, источник опорного напряжения и ключи, отличающийся тем, что у трансформаторов коэффициенты трансформации соответствуют 2^N-1, где N - порядковый номер разряда цифрового кода соответствующего трансформатора, к одним концам первичных обмоток трансформаторов подключены операционные усилители, а к другим заземления, при этом к входам операционных усилителей подключены ключи, выполненные с возможностью коммутации входов операционных усилителей с источником опорного напряжения или заземлением в соответствии со значением разряда цифрового кода, вторичные обмотки трансформаторов объединены в общую цепь, которая с одной стороны подключена к заземлению, а с другой к выходной клемме.

В частности, трансформаторы содержат сердечники.

В частности, однотипные цифроаналоговые преобразователи с небольшой разрядностью объединены в цифроаналоговые преобразователи с большей и кратной им разрядностью, при этом выходы цифроаналоговых преобразователей с небольшой разрядностью через операционные усилители подключены к одним концам первичных обмоток трансформаторов, к другим концам которых подключены заземления, при этом вторичные обмотки трансформаторов объединены в общую цепь, которая с одной стороны подключена к заземлению, а с другой к выходной клемме.

В частности, разрядность цифроаналоговых преобразователей с небольшой разрядностью составляет 2, 4 или 8 разрядов.

Указанный технический результат достигается за счет того, что цифроаналоговый преобразователь, содержащий трансформаторы с первичной и вторичной обмотками, источник опорного напряжения и ключи, отличающийся тем, что у трансформаторов коэффициенты трансформации соответствуют 2^N-1, где N - порядковый номер разряда цифрового кода соответствующего трансформатора, к одним концам первичных обмоток трансформаторов подключены заземления, а к другим последовательно соединенные ключи и операционные усилители, при этом ключи выполнены с возможностью коммутации первичных обмоток с источником опорного напряжения или заземлением в соответствии со значением разряда цифрового кода, к концам вторичных обмоток трансформаторов подключены заземления и резисторы номиналом R Ом, выходы которых объединены в общую цепь, которая подключена к выходной клемме.

В частности, трансформаторы содержат сердечники.

В частности, однотипные цифроаналоговые преобразователи с небольшой разрядностью объединены в цифроаналоговые преобразователи с большей и кратной им разрядностью, при этом выходы цифроаналоговых преобразователей с небольшой разрядностью через операционные усилители подключены к первичным обмоткам трансформаторов, к которым также подключены заземления, к концам вторичных обмоток трансформаторов подключены заземления и резисторы номиналом R Ом, выходы которых объединены в общую цепь, которая подключена к выходной клемме.

В частности, разрядность цифроаналоговых преобразователей с небольшой разрядностью составляет 2, 4 или 8 разрядов.

Краткое описание чертежей.

На фиг. 1 показана схема 1 варианта реализации цифроаналогового преобразователя с последовательным соединением вторичных обмоток трансформаторов. На фиг. 2 показана схема 2 варианта реализации цифроаналогового преобразователя с параллельным соединением вторичных обмоток трансформаторов через сопротивления. На фиг. 3 показана блок-схема цифроаналогового преобразователя из группы цифроаналоговых преобразователей меньшей размерности.

На схемах обозначено: 1 - трансформаторы, 2 - первичные обмотки трансформаторов, 3 -вторичные обмотки трансформаторов, 4 - операционные усилители; 5 - заземления, 6 - ключи, 7 - источник опорного напряжения, 8 - выходная клемма, 9 - резисторы номиналом R Ом, 10 - 4-разрядные цифроаналоговые преобразователи.

Осуществление изобретения.

По первому варианту реализации цифроаналоговый преобразователь (см. Фиг. 1) содержит трансформаторы 1 с первичными 2 и вторичными обмотками 3, коэффициенты трансформации которых соответствуют 2^N-1, где N - порядковый номер разряда цифрового кода соответствующего трансформатора. Таким образом, коэффициенты трансформации начиная с верхнего - первого трансформатора 1 соответственно составляют: 1:1, 2:1, 4:1, 8:1.

К одним концам первичных обмоток 2 трансформаторов 1 подключены операционные усилители 4, а к другим заземления 5. К входам операционных усилителей 4 подключены ключи 6, выполненные с возможностью коммутации входов операционных усилителей 4 с источником опорного напряжения 7 - U⁺ или заземлением 5 в соответствии со значением разряда цифрового кода.

Вторичные обмотки 3 трансформаторов объединены в общую цепь, которая с одной стороны подключена к заземлению 5, а с другой к выходной клемме 8 - V_вых.

Операционные усилители 4 обеспечивают усиление опорного напряжения перед подачей его на первичные обмотки 2 трансформаторов 1.

По второму варианту реализации цифроаналоговый преобразователь (см. Фиг. 2) также содержит трансформаторы 1 с первичными 2 и вторичными обмотками 3, коэффициенты трансформации которых соответствуют 2^N-1, где N - порядковый номер разряда цифрового кода соответствующего трансформатора. Таким образом, коэффициенты трансформации начиная с верхнего - первого трансформатора 1 соответственно составляют: 1:1, 2:1, 4:1, 8:1.

К одним концам первичных обмоток 2 трансформаторов 1 подключены операционные усилители 4, а к другим заземления 5. К входам операционных усилителей 4 подключены ключи 6, выполненные с возможностью коммутации первичных обмоток 2 с источником опорного напряжения 7 - U⁺ или заземлением 5 в соответствии со значением разряда цифрового кода.

К концам вторичных обмоток 3 трансформаторов 1 подключены заземления 5 и резисторы 9 номиналом R Ом, выходы которых объединены в общую цепь, которая подключена к выходной клемме 8 - V_вых.

По 1 и 2 вариантам реализации операционные усилители 4, могут являться, например, повторителями или усиливать напряжение. Усилители 4 согласуют выходные сопротивления ключей 6 и сопротивления первичных обмоток 2 трансформаторов 1. Указанные варианты реализации цифроаналоговых преобразователей могут объединяться в цифроаналоговые преобразователи большей размерности (см. Фиг. 3), например, из 4 цифроаналоговых преобразователей 10 с одинаковыми входными цепями D1-D4, выполненных по первому варианту реализации (см. Фиг. 3), выходы которых через операционные усилители 4 подключены к трансформаторам 1, выполненным также по первому варианту реализации. Таким образом формируется 16-разрядный цифроаналоговый преобразователь с входами R1-R16.

Цифроаналоговый преобразователь используется следующим образом.

Для всех вариантов реализации пусть напряжение, соответствующее младшему разряду цифрового кода, составляет 1 В, при этом работу цифроаналоговых преобразователей поясним преобразованием цифрового кода «1101» в аналоговое напряжение. Для этого ключи 6 устанавливают в соответствии со значениями цифрового кода, при этом первый, второй и четвертый ключи 6, начиная с верхнего замыкают на источник опорного напряжения 7, а третий сверху ключ 6 замыкают на заземление.

После этого у цифроаналогово преобразователя по первому варианту реализации на выходных обмотках 3 трансформаторов 1 формируется следующие напряжения начиная с верхнего: на вторичной обмотке 2 первого трансформатора 1 - 1 В, на вторичной обмотке 2 второго трансформатора 1 - 0,5 В, на вторичной обмотке 2 четвертого трансформатора 1 - 0,125 В. При этом данные напряжения в выходной шине складываются и на выходной клемме 8 формируется напряжение 1,625 В, соответствующее заданному цифровому коду «1101».

У цифроаналогово преобразователя по второму варианту реализации на выходных обмотках 3 трансформаторов 1 также формируются напряжения, соответствующие их коэффициентам трансформации, которые на выходной клемме 8 складываются с учетом ослабления, вносимого параллельными резисторами 9 номиналом R Ом.

Рассмотренные цифроаналоговые преобразователи могут быть объединены для построения цифроаналогово преобразователя большей разрядности.

Для чего, например, можно объединить 4 4-разрядных цифроаналоговых преобразователя 10, выполненных по первому варианту реализации (см. Фиг. 3), выходы которых через операционные усилители 4 подключены к трансформаторам 1, выполненным по первому варианту реализации.

Цифроаналоговые преобразователи 10 производят промежуточное суммирование выходных напряжений групп разрядов R1-R4, R5-R8, R9-R12, R13-R16 цифрового кода, после чего операционные усилители 4 согласуют выходные сопротивления цифроаналоговых преобразователей 10 и подают их на трансформаторы 1, которые производят окончательное суммирование и на выходной клемме формируют напряжение, соответствующее значению цифрового кода R1-R16.

Заявленный технический результат изобретения достигается за счет использования трансформаторов 1 с коэффициентами трансформации - для первого варианта реализации 2^N-1:1 и для второго варианта реализации 2^N-1:1 и последующего сложения напряжений на выходных обмотка 3 трансформаторов 1 для первого варианта реализации и за счет ослабления резисторами номиналом R Ом и последующим сложением для второго варианта реализации.

Заявленные технические решения позволяют с высокой точностью осуществлять цифроаналоговое преобразование с использованием минимального количества и номенклатуры электронных элементов.

Группа изобретений относится к цифроаналоговым преобразователям и может быть использована в устройствах преобразования цифрового кода в аналоговое напряжение. Техническим результатом является повышение точности цифроаналового преобразования, а также сокращение количества и номенклатуры используемых электронных элементов. В одном из вариантов устройство содержит трансформаторы с первичной и вторичной обмотками, источник опорного напряжения и ключи, причем у трансформаторов коэффициенты трансформации соответствуют 2^N-1, где N - порядковый номер разряда цифрового кода соответствующего трансформатора, к одним концам первичных обмоток трансформаторов подключены операционные усилители, а к другим заземления, при этом к входам операционных усилителей подключены ключи, выполненные с возможностью коммутации входов операционных усилителей с источником опорного напряжения или заземлением в соответствии со значением разряда цифрового кода, вторичные обмотки трансформаторов объединены в общую цепь, которая с одной стороны подключена к заземлению, а с другой к выходной клемме. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Цифроаналоговый преобразователь, содержащий трансформаторы с первичной и вторичной обмотками, источник опорного напряжения и ключи, отличающийся тем, что у трансформаторов коэффициенты трансформации соответствуют 2^N-1, где N - порядковый номер разряда цифрового кода соответствующего трансформатора, к одним концам первичных обмоток трансформаторов подключены операционные усилители, а к другим заземления, при этом к входам операционных усилителей подключены ключи, выполненные с возможностью коммутации входов операционных усилителей с источником опорного напряжения или заземлением в соответствии со значением разряда цифрового кода, вторичные обмотки трансформаторов объединены в общую цепь, которая с одной стороны подключена к заземлению, а с другой к выходной клемме.

2. Цифроаналоговый преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что трансформаторы содержат сердечники.

3. Цифроаналоговый преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что однотипные цифроаналоговые преобразователи с небольшой разрядностью объединены в цифроаналоговые преобразователи с большей и кратной им разрядностью, при этом выходы цифроаналоговых преобразователей с небольшой разрядностью через операционные усилители подключены к одним концам первичных обмоток трансформаторов, к другим концам которых подключены заземления, при этом вторичные обмотки трансформаторов объединены в общую цепь, которая с одной стороны подключена к заземлению, а с другой к выходной клемме.

4. Цифроаналоговый преобразователь по п. 3, отличающийся тем, что разрядность цифроаналоговых преобразователей с небольшой разрядностью составляет 2, 4 или 8 разрядов.

5. Цифроаналоговый преобразователь, содержащий трансформаторы с первичной и вторичной обмотками, источник опорного напряжения и ключи, отличающийся тем, что у трансформаторов коэффициенты трансформации соответствуют 2^N-1, где N - порядковый номер разряда цифрового кода соответствующего трансформатора, к одним концам первичных обмоток трансформаторов подключены заземления, а к другим последовательно соединенные ключи и операционные усилители, при этом ключи выполнены с возможностью коммутации первичных обмоток с источником опорного напряжения или заземлением в соответствии со значением разряда цифрового кода, к концам вторичных обмоток трансформаторов подключены заземления и резисторы номиналом R Ом, выходы которых объединены в общую цепь, которая подключена к выходной клемме.

6. Цифроаналоговый преобразователь по п. 5, отличающийся тем, что трансформаторы содержат сердечники.

7. Цифроаналоговый преобразователь по п. 5, отличающийся тем, что однотипные цифроаналоговые преобразователи с небольшой разрядностью объединены в цифроаналоговые преобразователи с большей и кратной им разрядностью, при этом выходы цифроаналоговых преобразователей с небольшой разрядностью через операционные усилители подключены к первичным обмоткам трансформаторов, к которым также подключены заземления, к концам вторичных обмоток трансформаторов подключены заземления и резисторы номиналом R Ом, выходы которых объединены в общую цепь, которая подключена к выходной клемме.

8. Цифроаналоговый преобразователь по п. 7, отличающийся тем, что разрядность цифроаналоговых преобразователей с небольшой разрядностью составляет 2, 4 или 8 разрядов.