Цифроаналоговый преобразователь Советский патент 1992 года по МПК H03M1/66 

ной элемент И 5, дополнительные элементы И 6, D-триггеры 7 МОП-транзисторы 8,ST,шину 10 сдвига, вычитающий счетчик 11, преобразователи 12 кода в интервал времени, резистор 13, регистр 1 сдвига, RS-триггер 15, регистр 16.кода периода, регистр 17 преобразуемого кода, формирователь 18 импульсов, источник 19, одновибратор 20, конденсатор 21, резистор 22у шину 28 1- Пуск, выходную шину 29. Преобразователь 12 кода в интервал времени содержит счетчик 23, цифровые компараторы 2k, 25, RS-триггер 26, элемент И 27. Введение регистра кода периода, триггера, вычитающего счетчи ка, формирователя импульсов, одно- вибратора, элемента И расширяет область применения ЦАП за счет обеспечения возможности управления крутизной характеристики преобразования, что позволяет регулировать уровень выходного сигнала. 2 з.п.ф-лы, t ил.

Изобретение относится к измерительной технике, автоматике, и может использовано при создании, высококачественных аналого-цифровых преобразователей и измерительных систем контроля параметров изделий электронной техники. Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) содержит источник 1 опорного напряжения, весовые резисторы, операционный усилитель 3, задающий генератор k, основ- 19 (Л -J со ел со СО со Ј

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.

Известно устройство преобразования кода в постоянный сигнал, содержащее генератор импульсов, два счетчика, триггер, переключатель, источник эталонного постоянного сигнала и фильтр нижних частот (ФНЧ), причем первый вход триггера соединен с первым входом первого счетчика и шиной управляющего сигнала Пуск, второй вход триггера подключен к выходу генератора импульсов, к второму входу первого счетчика и первому входу второго счетчика, третий вход триггера соединен с выходом второго счетчика, выход триггера подключен к управляющему входу переключателя, аервый и второй аналоговые входы которого соеч динены соответственно с выходом источника эталонного постоянного сигнала и общей шиной, выход переключателя через ФНЧ подключен к выходу уст- ройства, вторые входы .второго счетч чика соединены с шинами преобразуемо го кода, третий вход второго счетчика подключен к шине Пуск, а выход первого счетчика соединен с четвер- ,тым входом триггера.

Известно, что степень фильтрации напряжения на выходе ЦАП зависит от постоянной времени ФНЧ: чем больше эта постоянная времени, тем меньше пульсация на выходе ЦАП. Однако ФНЧ с большой постоянной времени представляет собой конструктивно сложное устройство, а сам обладает при Этом

большим временем установления. Следовательно, недостатком известногоs устройства является низкое быстродействие.

Наиболее близким по технической

СУЩНОСТИ к предлагаемому является - цифроаналоговый преобразователь, содержащий задающий генератор, регистр преобразуемого кода, шину начальной установки, преобразователь кода в ши- ротно-импульсный (ШИМ) сигнал, формирователь сдвинутых ШИМ-сигналов, сумматор ШИМ-сигналов, ФНЧ. Выход задающего генератора соединен с первым входом преобразователя кода в ШИМ-сигнал и с первым входом форми-

рователя сдвинутых ШИМ-си г налов .. Шина начальной установки соединена с вторыми входами преобразователя кода в ШИМ-сигнал и формирователя сдвинутых ШИМ- сигналов .Групповой

выход регистра преобразуемого п-раз- рядного кода соединен с групповым входом , преобразователя кода в ШИМ- сигнал, выход которого подключен к входу формирователя сдвинутых ШИМсигналов, а групповой выход m сдвинутых последовательностей соединен с групповым входом сумматора , выход которого подключен к входу ФНЧ, выход которого соединен с выходной клемт,

мой устройства.

Известное устройство реализует преобразование кода в постоянный сигнал на принципе суммирования сдвинутых на одинаковый интервал ШИМ

соседних последовательностей, В то же время сдвиг Т ШИМ соседних последовательностей должен быть постоянный, так как в противном случае не получится -эквивалента суммирова5173

ния, пропорционального преобразуемому коду. Постоянство сдвига рпределя- ет постоянство периода сигнала, поступающего на вход ФНЧ, а при сохранении постоянства постоянной времени ФНЧ- некотррого постоянного уровня выходного сигнала,.значение которого может быть оптимальным; Если предположить, что в системном калибраторе напряжения предполагается регулирование шкалы или наклона характеристики преобразований, то известное устройство не обеспечивает этого качества.

Целью изобретения является расширение области применения за счет обеспечения возможности управления крутизной характеристики преобразования.

Поставленная цель достигается тем, что в цифроаналоговый преобразователь, содержащий задающий генератор импульсов, регистр преобразуемого кода, выходы которого соединены с со- . ответствующими первыми информацией- ными входами основного преобразователя кода в интервал времени, блок формирования сдвинутых во времени импульсов, выходы которого соединены с соответствующими п-1 информационными

входами сумматора, выход которого соединен с входом фильтра нижних частот, выход которого является выходной шиной, введены регистр кода периода, триггер, вычитающий счетчик, формиро ватель импульсов, одновибратор и ос- новной элемент И, а блок формирования сдвинутых во времени импульсов выполнен в виде m дополнительных преобразователей кода в интервал времени, m дополнительных элементов И и регистра сдвига, информационный вход которого подключен к шине логической единицы, а выходы соединены с первыми входами соответствующих дополнительных элементов.И, вы- ходы которых соединены с входами синхронизации соответствующих дополнительных преобразователей кода в интервал времени, выходы которых являются соответствующими выходами блока формирования сдвинутых во времени импульсов, вход обнуления регистра сдвига объединен с входами установки основного и m дополнительных преобразователей кода в интервал време- ни, с R-входом триггера и подключен к выходу одновибратора, вход которого объединен с первыми входами формиро

д 5

0 5

0

5 0 5 0 5

)6

вателя импульсов и основного элемент И и является входной шиной Пуск, второй вход основного элемента И подключен к выходу задающего генератора импульсов, а выход соединен с входа ми синхронизации вычитающего счетчика, основного преобразователя кода в интервал времени и сумматора, информационные входы вычитающего счетчика являются входной шиной Сдвиг, вход разрешения записи подключен к выходу формирователя импульсов, а выход соединен с вторым входом формирователя импульсов и входом синхро- низации регистра сдвига, первые и вторые информационные входы первого дополнительного преобразователя кода в интервал времени объединены соответственно с соответствующими первыми и соответствующими вторыми информационными входами остальных т-1 дополнительных преобразователей кода в интервал времени, первые из которых подключены к соответствующим выходам регистра преобразуемого кода, вход стробирования первого дополнительного преобразователя кода в интервал времени объединен с входами стробирования остальных m-l дополнительных преобразователей кода в интервал времени и подключен к выходу триггера, S-вход которого подключен к управ - ляющему выходу основного преобразователя кода в интервал времени, информационный выход которого соединен с n-м входом сумматора, вход стробирования подключен к выходу триггера, а вторые информационные входы объединены с соответствующими вторыми информационными входами блока формиро- вания сдвинутых во времени импульсов и подключены к соответствующим выходам регистра периода, второй вход первого дополнительного элемента И объединен с вторыми входами остальных т-1 дополнительных элементов И и соединен с выходом основного элемента И.

Кроме того, каждый преобразователь кода в интервал времени выполнен в виде счетчика, первого и второго циф-п ровых компараторов, RS-триггера и элемента И, первый вход и выход которого являются соответственно входом стробирования и информационным выходом преобразователя кода в интервал времени, а второй вход соединен с инверсным выходом RS-триггера, S-вход

которого соединен с выходом второго цифрового компаратора, а R-вход соединен с выходом первого цифрового компаратора , объединен с первым входом обнуления счетчика и является .управляющим выходом преобразователя кода интервал времени,- второй вход обнуления и счетный вход счетчика являются соответственно входом установки и входом синхронизации преобразователя кода в интервал времени, о выходы соединены с соответствующими первыми входами соответственно первого и второго цифровых компараторов, вторые входы которых являются соответственно вторыми и первыми информационными входами преобразова- теля кода в интервал времени.

Сумматор выполнен в виде источника опорного напряжения, п триггеров, п токоограничивающих элементов на резисторах и двух групп ключей, каждая из которых выполнена на п МОП- транзисторах, исток первого МОП-транзистора первой группы объединен с истоками остальных п-1 МОП-транзисторо данной группы и является выходом сумматора, затвор 1-го МОП-транзистора первой группы подключен к инверсному выходу 1-го триггера, прямой выход которого соединен с затвором 1-го МОП-транзистора второй группы, а информационный вход является i-м информационным входом сумматора, где , 2,...,(m-Н ), где , вход синхронизации первого триггера объединен с входами синхронизации остальных п-1 триггеров и является входом синхронизации сумматора, выход источника опорного напряжения соединен с первыми выводами п резисторов, второй вывод i-го- резистора соединен со стоками 1-х МОП-транзисторов первой и второй групп, истоки МОП-транзисторов второй группы подключены к общей шине.

На фиг.1 представлена функциональная схема цифроаналогового преобразователя; на фиг о 2 - временные диаграммы и эпюры напряжений, поясняющие работу устройства; на фиг.З - схема формирователя импульсов; на фиг.k - .временные диаграммы и эпюры напряжений для импульсных последовательностей, полученных при различных значениях управляющих параметров.

Цифроаналоговый преобразователь содержит источник 1 опорного напряжения, весовые резисторы , операционный усилитель 3, задающий генератор k, основной элемент И 5, элементы И 6,,-6я,, D-триггеры 7,,- 7.„,

МОП-транзисторы и 9 - 9п шину 10 сдвига, вычитающий счетчик 11, преобразователи 12,,- 12П кода в интервал времени (формирователи длительности), резистор 13, регистр И сдвига, RS-триггер 15, регистр 16 кода периода, регистр 17 преобразуемого кода, формирователь 18 импульсов, источник 19, одновибратор 20,

e конденсатор 21, резистор 22, шину 28 Пуск, выходную шину 29.

Преобразователь 12 кода в интервал времени содержит счетчик 23, цифровые компараторы 2k и 25, RS-триггер 26 и элемент И 27.

Формирователь 18 импульсов содержит конденсаторы 30 и 31, резисторы диоды 35 и 36.

Причем операционный усилитель 3, i

5 конденсатор 21 и резистор 22 образуют фильтр нижних частот (ФНЧ). Сумматор выполнен на п триггерах , п токоограничивающих элементах (резисторах) 2,- 2Ч, двух группах ключей

.(полевых транзисторах) 8h и V 9,.

Блок формирования сдвинутых во времени импульсов выполнен в виде m дополнительных преобразователей 12t- 12Гп Кода в интервал времени,

5 m дополнительных элементов И 6 и регистра 14 сдвига.

Цифроаналоговый преобразователь работает следующим образом.

На выходе регистра 16 кода перио да формируется код N, определяющий период последовательностей ШИМ-сиг- налов преобразуемого кода N.

Если период импульсов задающего генератора 4 ty, а период ШИМ-сигна5 лов равен Тц, то

V ц

(D

Работа преобразователя начинается по сигналу, поступающему на клемму 28 Пуск.

Через одновибратор 20, формирующий короткий импульс по переднему фронту запускающего сигнала иг.(фиг.2), обнуляется регистр Ik сдвига и KS- триггерг 15. При этом по сигналу Пуск формирователь 18 вырабатыва- ет сигнал, переписывающий с шины 10

сдвига информацию - код К сдвига. Этот код определяет длительность сдвига формируемых ШИМ-сигналов и должен быть заранее определен:

К

Ж п

где п - количество ШИМ-последова- тельностей, формируемых на выходах преобразователей 12П кода в интервал времени и обозначенных Ff- F (фиг.1).

С приходом на вычитающий вход счетчика 11 импульсов последний производит последовательное вычитание из числа, пропорционального коду К, записанному первоначально в этот счетчик 11. Через период Тк, пропорциональный коду К, на выходе переполнения счетчика 11 будет появляться импульс переполнения, поступающий на формирователь 18 импульсов, формирующий новый импульс параллельной записи на счетчик 11, а также поступающий на вход синхронизации регистра 1 сдвига, который последовательно заполняется присутствующей на его D-входе логической единицей.

По переднему фронту сигнала запуска UZg производится формирование импульса G на .выходе одновибратора 20 который производит начальную установку RS-триггера 15 и счетчиков 23 пр преобразователей 12П кода в интервал времени. По мере заполнения регистра k сдвина происходит последовательная установка его разрядов в единичное состояние и открывание при этом элементов И 6ц- 6 выходными сигналами А, В, С,.., регистра Ik сдвига (эпюры иД,иД, И, фиг.2).

Таким образом, начало заполнения счетчиков 23 преобразователей 12 кода, в интервал времени происходит со сдвигом по времени на интервалы, крат-, ные 1 (фиг.2 и k).

В момент, когда код на выходе счетчиков 23 преобразователей 12 кода в интервал времени равен коду регистров 16 и 17, цифровые компараторы 2 и 25 выдают сигнал равенства кодов, А так как код Мц во всех случаях должен быть больше преобразуемого кода N (или равен ему), то компаратор 25 всегда опережает срабатывание компаратора 2 После срабаты

10

735999Ю

вания компаратора 2k обнуляется счетчик 23 каждого преобразователя 12 кода в интервал времени и цикл повторяется . В каждом цикле Тц каждым фор- . мирователем 12,- 12п формируется ШИМ-сигнал, длительность которого зависит от кода, установленного на выходе задатчика кодов. ШИМ-сигнал формирует RS-триггер 26, который переключается по мере срабатывания цифровых компараторов 2k и 25. Сигнал на выходе этого RS-триггера 26 представлен на фиг.2 эпюрой иг6. Сигнал с выхода цифрового компаратора 2k первого яреобразователя 12 кода в интервал времени подается также на S-вход RS-триггера 15 и по истечении интервала времени Тц с момента запуска устанавливает его в единичное состояние, разрешая с этого момента прохождение импульс15

20

ных последовательностей Р,,Рг,...,Fn на выход преобразователей 12 кода

в интервал времени.

Первая пауза (фиг.2, эпюра ) длительностью Т ц после начала работы устройства необходима, чтобы вырав- нять время установления преобразователя для различных преобразуемых кодов (с различными значениями Тц и Tk) и минимизировать его.

Далее, сдвинутые одна относительно другой на величину Т импульсные последовательности F.F, ...,Fn поступают через D-триггеры 7П и аналоговые ключи, выполненные на МОП-транзисторах 8П и 9П на выход сумматора и на вход усредняющего устройства ФНЧ, выполненного для конкретной реализации на операционном усилителе 3, конденсаторе 21 и резисторе 22, на выходе которого образуется постоянное напряжение (фиг.2,эпюра U29).

Изменение периода следования ШИМ-сигналов F,,FtF4 можно произвести путем изменения содержимого N (, на выходе регистра 16 кода. При этом необходимо также изменить значение кода К, поступающего на информационные входы счетчика 11, т.е. необходимо обеспечить соотношение (2).

Среднее значение одного ШИМ-си1- нала равно:

Ucp,

Eo N

5,Г

(3)

11

где ЕО - значение эталонного сигнала опорного источника 1; N - код, установленный в регистре 16 периода; N - код, установленный в регистре 17 преобразуемого кода (причем допускается что код N больше максимального кода N регистра 17).

Среднее значение суммарного ШИМ- сигнала равно:

173599912

Для того, чтобы составить аналитическую зависимость выходного сигнала преобразования от кода К сдви- га, нужно формулу (2) записать в ви- де Т ц п -Т к, а выражение (6) примет t вид:

ft п-Тк 5

10

Тк

(7)

Следует иметь в виду, что изменение Т в сторону уменьшения ограничено разрядностью преобразования. В прототипе это значение может быть выб- ., рано минимальным для данной разрядное-1 ти, т.е.

и . Г

исрг- n L

( аг.еи-2( +

+,..+а г(-2 ) + -р а0-2 +

- -1

+ а,- 2 +...+а,,е,-2 )J,(4)

где г .- разрядность преобразуемого

кода.

Как следует из формулы () и эпюр наряжений 2Г, и 5Г2 (фиг. О, результи- рующий сигнал имеет постоянную (первое слагаемое)и импульсную (второе слагаемое) составляющие. Причем период следования импульсов переменной составляющей уменьшен в п раз.

Так как амппитуда переменной составляющей уменьшается в п раз, то, используя известное выражение, можно записать

8„ 4

, П(

П

П

(5)

где 0П( (й«() относительная (абсолютная) погрешность фильтрации.

В то же время в п раз уменьшается период переменной составляющей, поэтому окончательно можно записать

0.

ТУ

8-0- П2

(6)

Из соотношения (6) при неизменной постоянной времени ФНЧ и заданной . погрешности преобразования выбирает ся количество преобразователей.кода в интервал времени п пн-1. Из формулы (6) также рекомендуется выбирать полосу пропускания ФНЧ, т.е. его параметры, определяемые постоян ной времени.

ft п-Тк 5

Тк

(7)

Следует иметь в виду, что изменение Т в сторону уменьшения ограничено разрядностью преобразования. В прототипе это значение может быть выб- рано минимальным для данной разрядное-1 ти, т.е.

Тц.мим (2 O t u.

(8)

Для расширения области применения последнее является необязательным. Для предлагаемого технического решения выражение (7) можно использовать ограниченно, при условии, что Ц превышает или равно (8).

Часто возможность регулировки крутизны,характеристики преобразования позволяет повысить гибкость системного калибратора с ШИМ-преоб- разованием, и допускает определенное увеличение погрешности фильтрации (5), В то же время, если системный калибратор на ШИМ-преобразовании предполагается использовать при меньшей разрядности г преобразуемого кода N, то преобразователь позволяет изменять крутизну преобразования с одновременным уменьшением погрешности фильтрации #„- (6) и (7).

При выборе значения Гц, превышаю- щего значение (8), с точки зрения погрешности фильтрации Ј„ может быть введен .дополнительный преобразователь 12п+- кода в интервал времени.

Таким образом, расширение области применения цифроаналогового преобразователя возможно за счет обеспечения управления крутизной характеристики преобразования.

Формула изобретения

кода в интервал времени, блок форми- рования сдвинутых во времени импуль- сов, выходы которого соединены с соответствующими п-1 информационными входами сумматора, выход которого соединен с входом фильтра нижних частот, выход которого является выходной шиной, отличающий- с я тем, что, с целью расширения области применения за счет обеспечения возможности управления крутизной характеристики преобразования, в него введены регистр кода.периода, триггер, вычитающий счетчик, формирователь импульсов, одновибратор и ос новной элемент И,, а блок фррмирования сдвинутых яо времени импульсов выполнен в виде, m дополнительных преобразователей кода в интервал времени, та дополнительных элементов И и регистра сдвига, информационный вход которого подключен к шине логической единицы, а выходы соединены с первыми входами соответствующих дополнительных элементов И, выходы которых соединены с входами синхронизации соответствующих дополнительных пр еобрая зователей кода в интервал времени, выходы которых являются соответствующими выходами блока формирования сдви нутых во времени импульсов, вход обнуления регистра сдвига объединен с входами установки основного и m дополнительных преобразователей кода в интервал времени, с R-входом тригге ра и подключен к выходу одновибратора вход которого объединен с первыми входами формирователя импульсов и основного элемента И и является входной шиной Пуск, второй вход основного элемента И подключен к выходу задающего генератора импульсов, а выход соединен с входами синхронизации вычитающего счетчика, основного преобразователя кода в интервал времени и сумматора, информационные входы вычитающего счетчика являются входной шиной Сдвиг, вход разрешения записи подключен к выхдду формирователя импульсов, а выход соединен с вторым входом формировате.- ля импульсов и входом синхронизации регистра сдвига, первые и вторые информационные входы первого дополнительного преобразователя кода в интервал времени объединены соответ ственно с соответствующими первыми и соответствующими вторыми информа - ционными входами остальных т-1 дополнительных преобразователей кода в интервал времени, первые из которых подключены к соответствующим выходам регистра преобразуемого кода, вход стробирования первого дополнительного преобразователя кода в интервал времени объединен с входами стробирования остальных т-1 дополниJQ тельных преобразователей кода в интервал времени, и подключен к выходу триггера, S-вход которого подключен к управляющему выходу основного преобразователя кода в интервал времеjc ни, информационный выход которого соединен с n-м входом сумматора, вход стробирования подключен к выходу триггера, а вторые информационные входы объединены с соответствующими

20 вторыми информационными входами блока формирования сдвинутых во време ни импульсов и подключены к соответствующим выходам регистра периода, второй вход первого дополнительного

25 элемента И объединен с вторыми входами остальных т-1 дополнительных элементов И и соединен с выходом основного элемента И.

30 2. Преобразователь по п.1, от - личающийся тем, что каждый преобразователь кода в интервал времени выполнен в виде счетчика, первого и второго цифровых компараторов, RS-триггера и элемента И, первый

вход и выход которого являются соответственно входом стробирования и информационным выходом преобразователя кода в интервал времени, а второй ,Q вход соединен с инверсным выходом RS-триггера, S-вход которого соединен с выходом второго цифрового компаратора, а R-вход соединен с выхо,- дом первого цифрового компаратора, . объединен с первым входом обнуления счетчика и является управляющим выходом преобразователя кода в интервал времени, второй вход обнуления и счетный вход счетчика являются соот- 50 ветственно входом установки и входом синхронизации преобразователя кода в интервал времени, а выходы соединены с соответствующими первыми входами соответственно первого и второ- ,е го цифровых компараторов, вторые входы которых являются соответственно вторыми и первыми информационными входами преобразователя кода в интервал времени.

. 51

ра второй группы, а информационный вход является i-м информационным входом сумматора, где, ,2,..., 5 га+1, где го п-1, вход синхронизации первого триггера объединен с вхо-, дами синхронизации остальных п-1 триггеров и является входом синхронизации сумматора,выход источника опорJQ ного напряжения соединен с первыми выводами п резисторов, второй вывод 1-го резистора соединен со стоками 1-х МОП-транзисторов первой и второй групп, истоки МОП-транзис15 торов второй группы подключены к .общей шине.