Антилогарифмический цифро-аналоговый преобразователь Советский патент 1990 года по МПК G06G7/24 

Изобретение относится к преобразовательной технике, в частности к преобразователям цифровой формы информации в аналоговую, и может быть использовано в составе логарифмических аналого-цифровых преобразователей, а также в информационно-измерительных и управляющих устройствах и системах.

Цель изобретения - повышение точности преобразования.

На фиг. 1 приведена структурная схема преобразователя; на фиг. 2 - функциональная схема каскада затухания; на фиг. 3 - функциональная схема преобразователя кода на фиг. 4 - графики зависимости случайной погрешности |5( каскада затухания от величины затухания А} каскада при разном количестве S ; входящих в каскад цифро- аналогового преобразователя (ЦАП).

Антилогарифмический ЦАП содержит входную шину 1 n-разрядного цифрового кода (разряды 14,1г,...,1), п каскадов 2 затухания, аналоговый мульти- плексор 3, повторитель 4 напряжения, аналоговый выход 5, дешифратор 6, аналоговый вход 7, шину 8 логической единицы.

Вся совокупность п каскадов затухания z разбита на m групп (mЈn), каждая из которых содержит один или несколько последовательно соединенных каскадов 2 затухания, причем выход каскада, являющегося в j-н группе (,2,,..,m) последним, соединен с (j-H)-M сигнальным входом аналогового

а

сл со оо

01

Мультиплексора 3, цервыи сигнальный уход которого соединен с аналоговым чходом 7 устройства.

Каждый i-й каскад затухания (фиг. 2) состоит из одного или нескольких (S;) последовательно соединенных по аналоговому сигналу р-раз- рядных умножающих ЦАП 9, ,...,9К, . . ., 9д; и имеет аналоговый вход )0, ана- /|юговый выход 11, первый управляющий ход 12, соединенный с i-м разрядом ходной шины 1 устройства и второй Управляющий вход 13, соединенный с ходом 8 логической единицы. Цифро- ые входы каждого ЦАП 9 разбиты на ве группы с суммарным весом o iносящихся к ним разрядов и N со- фтветственно (,2,...,n; ,2, . „, S | ) . Все цифровые входы ЦАП пер- фой группы соединены с первым управляющим входом 12 каскада затухания, i все цифровые входы второй группы - Ј вторым управляющим входом 3 кассора 3. Па второй вход j-ro цифрового коммутатора 14 подан фиксированный код Na(j4-,} , соответствующий включению (j+)-ro канала аналогового мультиплексора 3.

Каждый j-й элемент И 5 имеет количество входов, соответствующее количеству каскадов 2 в j-й группе

Q каскадов затухания (фиг, 1), обозначение отих входов на фиг. 3 (Т(,..., 1П) совпадает с обозначением соответствующих входов управления антилогарифмического ЦАП на фиг. 1.

5Когда на всех разрядах входной

шины 1 присутствуют логические единицы (этот случай соответствует нулевому затуханию устройства), на выходах всех элементов И 15 такжа имеютQ ся логические егдинипы, при этом на выход каждого цифроьо о коммутатора проходит код с его первого входа,

т.во на выходе 17 будет код Na,, a

о

в мультиплексоре 3 включен пер

Изобретение относится к преобразовательной технике, в частности к преобразователям цифровой формы информации в аналоговую, и может быть использовано в информационно измерительных и управляющих устройствах и системах. Цель изобретения - повышение точности преобразования. Антилогарифмический ЦАП содержит несколько каскадов затухания, выполненных на умножающих ЦАП, аналоговый мультиплексор, повторитель напряжения и преобразователь кода, состоящий из нескольких элементов И и коммутаторов. Повышение точности достигается за счет группирования каскадов затухания и использования аналогового мультиплексора для исключения погрешностей и шумов несрабатывающих при определенных кодах старших каскадов затухания, а также за счет использования нескольких однотипных ЦАП в каждом каскаде затухания для уменьшения случайных погрешностей преобразования. 4 ил.

када, а значит и с шиной 8 логической 25 вый канал. Аналоговый сигнал при этом единицы устройства.

Дешифратор 6 (фиг. 3) содержит m цифровых коммутаторов 14,,, 14, ...,

15,

14, тг элементов И 15,,

15т, входную шину 16 n-разрядного да, поле седине ИНУЮ к вхоа.ной шине 1 антчпогаряфмического ЦАП, выходную ргину 17 и (т+1) цифрою ,ix шин 18 j, 18л ,..„., 18 т+, задания фикслрованных (сонстант N,s ...,Мд(т+л ,15

Антилогарифмический ЦАП работает Следующим образом.

На входную шину 1 поступает цифровой код В, определяемый битами Ь;°,

В 2 ;-Bis

i l

где В. - весовые коэффициенты разрядов ,

40

проходит с входной шины 7 на выход 5 устройства, мкнуя все-каскады 2 затухания,

s

Когда на любом из входов i-й группы появляется логический nout., j-й коммутатор подключает код Nq,« л ,

уи этом мультиплексор 3 подключает через (j+1)-и канал вход повторителя 4 (гьиг. $) к выходу j-й группы каскадов 2 затухания.

При работе устройства с напряжениями одной полярности число каскадов затухания в калсдой группе должно быть четным для исключения инверсии сигнала .

Внутри каскада 2-1 затухания бит Ъ; кода В поступает на первую группу

Внутри каскада 2-1 затухания бит Ъ; кода В поступает на первую группу

На аналоговый вход 7 подается пос- Цифровых входов всех ЦАП 9 каскада,

имеющих суммарные веса N (к.тИ,2, . ,.,S-). Затухание k-ro ЦАП 9 в

тоянное напряжение V. Каждый бит Ь; управляет своим J-м каскадом 2 затухания антилогарифмического ЦАП., устанавливая его в одно из 2-х состояний: в состояние нулевого затухания или в состояние фиксированного затухания А;. Входной код В с шины 1 одновременно поступает на вход, 16 дешифратора 6, выход 17 которого управляет состоянием мультиплексора 3. На первый вход первого цифрового коммутатора 14 подан фиксированный код N, , соответствующий включению первого канала аналогового мультиплек1-м каскаде 2 затухания имеет вид )-,Uoge S SliJLS&JL

(О

50

55

-,К Ч, J- «-.&аN

где об - масштабный коэффициент; а - основание логарифма;

Ч,-1

-суммарный вес всех q разрядо

ЦАП 9,

Поскольку Ъ{ принимает только два значения: 0 или 1, выражение (1) мож но записать в виде

А;к (b;)b;- A;K, где Ь; - инверсия бита.

вый канал. Аналоговый сигнал при этом

проходит с входной шины 7 на выход 5 устройства, мкнуя все-каскады 2 затухания,

s

Когда на любом из входов i-й группы появляется логический nout., j-й коммутатор подключает код Nq,« л ,

уи этом мультиплексор 3 подключает через (j+1)-и канал вход повторителя 4 (гьиг. $) к выходу j-й группы каскадов 2 затухания.

При работе устройства с напряжениями одной полярности число каскадов затухания в калсдой группе должно быть четным для исключения инверсии сигнала .

Внутри каскада 2-1 затухания бит Ъ; кода В поступает на первую группу

Цифровых входов всех ЦАП 9 каскада,

1-м каскаде 2 затухания имеет вид )-,Uoge S SliJLS&JL

(О

0

5

-,К Ч, J- «-.&аN

где об - масштабный коэффициент; а - основание логарифма;

Ч,-1

-суммарный вес всех q разрядов

ЦАП 9,

Поскольку Ъ{ принимает только два значения: 0 или 1, выражение (1) можно записать в виде

А;к (b;)b;- A;K, где Ь; - инверсия бита.

К

Ь;А;, (2)

Затухание i-ro каскада, равное А;(Ъ;)Ъ;А;К Ь; А;

принимает два значения: при затухание нулевое, при затухание максимально и равно А.

Выберем

А; , (3) где & - требуемая разрешающая способность антилогарифмического ЦАП.

Тогда из (2) общее затухание устройства

(b;)SB ,

где

В

Ъ ВТаким образом затухание антилогарифмического ЦАП линейно зависит от входного кода В. Поскольку затухание связано логарифмической зависимостью с коэффициентом передачи устройства Ки, то

Т V

вы V6x.

Ј6

;.,

т.е. зависимость выходного напряжени устройства от входного кода является показательной (антилогарифмической) функцией.

Рассчитаем веса N(4-,,H ;кдля каждого ЦАП 9 в каскадах 2, обеспечивающих требуемое затухание (3) каждого каскада, и оцепим улучшение погрешности преобразования за счет использования нескольких ЦАП 9 в каскадах 2, а также приведем обоснование повышения точности антилогарифмического ЦАП за счет введения мультит плексора 3.

Сначала рассмотрим несколько ЦАП 9 в каскаде 2. Левую часть выражения (4) можно разбить на слагаемые про- ИЗВОЛЬНБМ образом. Однако для снижения случайной погрешности 1-го каскада 2 необходимо стремиться к возможно более равномерному распределению А между ЦАП, входящими в каскад, т.е.

,Тогда искомый вес д; s7

Величина N,

N,

(5)

(6)

,2;к в силу того, что А; может быть задано непрерывным и произвольным образом, является непррывной. Физически реализуемыми решениями являются натуральные значения N к Ы„;;

«к

Обозначим N

натуральное

ЧИСЛО

Случай . Следует принять

N

(7)

Случай . В качестве нулевого приближения примем (7).

При этом затухание k-no ЦАП в i-м каскаде будет

A.-siloga , (S)

а затухание 1-го

о каскада 2

я

ж

15

20

-- /

А; ZA;K . (9)

Ksl

Величина парциональной систематической погрешности преобразования, обусловленной дискретностью формирования логарифмических уровней (погрешность метода), составит

fljiH 1-го каскада 2

Д; А;-А;. Для Д ; к справедлива оценка

(Ю) (И)

25

0,5

М;к/т„« «ы 8«

N,

35

S;oO

(12)

Механизм снижения систематической 3Q погрешности при увеличении S; обусловлен двумя факторами.

Первый фактор следует из характера зависимости (12). Для снижения погрешности необходимо с ростом А; увеличивать S; .

Второй фактор. При S, i 2 возможна взаимная компенсация погрешностей (10) путем уточнения нулевого приближения (7) следующим образом:

40NfelK-NziK qK,

где ± 1; ±2, ... и я:«Н2 .

При этом в силу несимметричной зависимости (12) относительно точки заданного затухания А( можно подобрать такие q: , что погрешности (10) в значительной мере компенсируются.

Случайная погрешность /З. одного ЦАП, выраженная в логарифмических единицах-затухания, обусловленная наличием смещения и нелинейности, выражается формулой

|i;K oiloga (1+ AN

45

50

N,

.-8е

) 03)

где UNn- погрешность, учитывающая нелинейность и смещение, выраженная в единицах младшего разряда (ЕМР).

Случайные погрешности разных экземпляров ЦАП, входящих в i-й каскад,

Можно с некоторым приближением считать независимыми, поэтому случайная погрешность 1-го каскада составит

I4

;(s;,A;)logo (.).

N0.

(14)

Здесь также имеет место снижение Погрешности с увеличением при боль- пих А;, обусловленное двумя факторами .

Первый фактор.обусловлен тем, что ; в (14) зависит от отношения A;/S(

Второй фактор, С увеличением числа ЦАПов в каскаде затухание растет пропорционально S, а случайная по- jrpeuiHocTb (в относительных едиыяцах) ропорционально 4si .

Поэтому существуют такие затуха- }шя A (S;, , S;4), в которых при раз- Йых вариантах выполнения 1-го кас

$сада, отличающихся числами Sj, и S,-2, случайные погрешности A; (S;, A;), ft (S;a А;) одинаковы p;(S;( , A;)-fJ;(Sja, А,-) (15)

Совместное решение (14) и (15) дает

(16)

где

s,.4t

Графики зависимости (14) построе-

ны на фиг. 4 и на них отмечены точки (16).

Знал эти точки, можно сделать од- Нозначный выбор в зависимости от требуемого затухания каскада А: при ; () и (2) следует выбрат

ч 1 - ь,-),

А;(1) и (2)сА;сА; (2) к (3) следует выбирать

А ; (2) и (3)А;сА; (3) и (4) следует выбрать и т.д.

При этом случайная погрешность 1-го каскада минимальна.

Случайную погрешность X1;: одного ЦАП, обусловленная погрешностью &Ny ЕМР полной шкалы (иначе называемой погрешностью масштаба)9 получим из (13) при

( ). (17)

Погрешность полной шкалы 1-го кас

када составит

м.ТсГ y;(S;)ciloga. (1+ ).(16

0

5

0

Эта погрешность сказывается при малых затуханиях и растет пропорционально . При больших затуханиях ею можно пренебречь.

Расчеты по приведенным соотношениям показывают, что может быть реализован антилогарифмический ЦАП с применением 12-разрядных ЦАП 9 с диапазоном 81, 91 дБ, имеющий систематическую погрешность преобразования, не превышающую тысячных долей децибела, случайную погрешность 0,03 дБ (на границе указанного диапазона) и разрешающую способность 0,01 дБ.

Снижение погрешности за счет введения мультиплексора 3 обусловлено следующим обстоятельством,

В устройстве каскады соединены по аналоговому сигналу в порядке возрастания формируемых затуханий А; . При малых затуханиях часть старших каскадов не участвует в формироэании результирующего затухания А. Дня исключения погрешности этих каскадов с помощью мультиплексора 3 изменяется точка съема выходного напряжения.

Погрешность блоков 3 и 4 в основном определяется конечными сопротивлениями открытого канала г г- льти- гшексора, входного сопротивления повторителя R и смещением повтори- -лля U

д

0

5

5

см

U см

(1+TW

Уп-Ы1о8в(Н JL).

Элементная база позволяет легко выполнить $ п Ј V; ,

Если в каскадах 2 затухания и в повторителе 4 применены однотипные операционные усилители, будет выполняться и соотношение

Pn {Ь . Поэтому можно считать погрешности

любого старшего каскада 2 и блоков 3 и 4 соизмеримыми. В этих предположениях уменьшение погрешности антилогарифмического преобразователя обеспечивается в диапазоне затуханий О-Д/2, где Д - полный диапазон устройства .

Таким образом, применение в каскадах затухания интегральных ЦАП позволяет уменьшить погрешность преобразования и улучшить разрешающую способность устройства, а изменение точки съема выходного напряжения в зависимости от величины входного кода

с помощью аналогового мультиплексора позволяет уменьшить погрешность преобразования в области малых затуханий

Формула изобретения

входом аналогового мультиплексора, первый информационный вход которого соединен с аналоговым входом антило- гарифмяческого цифроаналогового преобразователя, выход аналогового муль- типлексора соединен с входом повториЛкГЪ

1-я tpynna

j-n группа

7-7

1-й

&.

входной код f Фие-t

теля напряжения, первый вход управления каждого 1-го каскада (,2, ...,п) затухания соединен с i-м входом дешифратора и соединен с входом 1-го разряда входной шины антилогарифмического цифроаналогового преобразователя, второй управляющий вход 1-го каскада затухания соединен с шиной логической единицы, цифровой выход дешифратора подключен к входу управления аналогового мультиплексора.

2„ Преобразователь по п. 1, отличающийся тему что, с целью повышения точности преобразования; в нем каждый каскад затухания содержит один или несколько последовательно соединенных по аналоговому сигналу умножающих цифроаналоговых преобразователей, аналоговый вход первого цифроаналогового преобразователя каскада затухания соединен с аналоговым входом каскада, аналоговый выход последнего цифроаналогового преобразователя каскада затухания соединен с аналоговым выходом каскада, а цифровые входы каждого умножающего цифроаналогового преобразователя разделены на две группы, причем все цифровые входы первой группы объединены и соединены с первым управляющим входом каскада, все цифровые входы второй группы объединены и соединены с вторым управляющим входом каскада затухания.

Swwf

i-s

-f-(«

Ч-п.

MJLjKl. я группа

,A7 А1яъ,б)

.и

га еруплв