Файл: 1. Основные параметры и характеристики логических элементов.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 22.11.2023
Просмотров: 318
Скачиваний: 3
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Рис. 7.2. Идеальная (1) и вариант реальной (2) характеристики для: а – АЦП, б – ЦАП
Нелинейность ( ) – отклонение действительной характеристики преобразования от оговоренной линейной, т.е. это разность реального напряжения, соответствующего выбранному значению кода и напряжения, которое должно соответствовать этому коду в случае идеальной характеристики преобразования устройства (рис. 7.2, а). Для ЦАП это напряжение измеряется относительной центров ступеней указанных характеристик (рис. 7.2, б). В качестве оговоренной линейной характеристики используют либо прямую, проведенную через точки 0 и , либо прямую, обеспечивающую минимизацию , например, среднеквадратическое отклонение всех точек которой от реальной характеристики минимально. Величину измеряют в ЕМР ( ) или процентах ( , где – абсолютное значение нелинейности). В справочной литературе обычно задается максимально возможная величина .
Дифференциальная нелинейность ( ) – это отклонение действительного шага квантования от его среднего значения ( ) (рис. 7.2, б). Величина измеряется либо в ЕМР ( ), либо в процентах ( ).
Динамические свойства ЦАП и АЦП обычно характеризуются следующими параметрами:
Максимальная частота преобразования ( ) – наибольшая частота дискретизации, при которой заданные параметры соответствуют установленным нормам.
Время установления выходного сигнала ( ) – интервал от момента заданного изменения кода на входе ЦАП до момента, при котором выходной аналоговый сигнал окончательно войдет в зону заданной ширины, симметрично расположенную относительно установившегося значения. Обычно ширина этой зоны задается равной 1ЕМР (рис. 7.3). Отсчет времени ведется от момента достижения входным сигналом значения половины логического перепада. В силу выражения (5.2), значение связано с условием . Аналогичный параметр для АЦП называют временем преобразования ( ).
Рис. 7.3. Определение времени преобразования ЦАП
68. ЦАП с матрицей взвешенных коэффициентов
Принцип построения ЦАП, реализующих метод суммирования токов, иллюстрируется рис. 7.4, а. Данное устройство в общем случае содержит (по числу разрядов входного позиционного кода ) источников тока и управляемых разрядами этого кода переключателей . Если в -м разряде входного кода присутствует сигнал логической 1 ( ), соответствующий переключатель подключает эталонный источник тока к сопротивлению нагрузки (вывод «а» схемы). В противном случае ( ), переключатель закорачивает соответствующий источник и ток не протекает через нагрузку.
В результате ток резистора
(7.7)
пропорционален значению входного кода. При условии выходное напряжение схемы также пропорционально входному коду.
Рис. 7.4. Структурная схема ЦАП с суммированием токов (а) и ее реализация с использованием матрицы взвешенных резисторов (б)
На практике для получения напряжения, пропорционального входному коду, к выводам «а», «b» подключают операционный усилитель (ОУ) (рис. 7.4, б). Напряжение между входами ОУ всегда равно нулю. Поэтому для рассматриваемой схемы и по первому закону Кирхгофа . Откуда
(7.8)
т.е. выходное напряжение ОУ прямо пропорционально выходному току ЦАП и сопротивлению и не зависит от сопротивления выходной нагрузки ОУ.
В простейшем случае для получения эталонных источников тока можно к источнику напряжения подключить ряд резисторов, сопротивления которых пропорциональны весовым коэффициентам входного кода (рис. 4,б). Такие резисторы называют взвешенными. Так как для ОУ , то токи резисторов схемы будут обратно пропорциональны их сопротивлениям , где , и для выходного напряжения устройства справедливо выражение (7.8).
Недостатком такого решения является широкий диапазон изменения сопротивлений взвешенных резисторов, используемых для формирования разрядных токов. К тому же для обеспечения точности преобразования абсолютные значения сопротивлений этих резисторов должны выдерживаться с прецизионной точностью. Так, в случае 12-разрядного ЦАП сопротивления разрядных резисторов должны отличаться в раз, что весьма трудно выполнить технологически. Поэтому для получения источников эталонного тока часто используют резистивные матрицы, выполненные только на резисторах двух номиналов и .
69. ЦАП с матрицей R-2R
В качестве примера рассмотрим приведенную на рис. 7.5 схему 4-разрядного ЦАП с матрицей . Схема включает матрицу, четыре переключателя на МДП-транзисторах и , четыре инвертора и ОУ с цепью отрицательной обратной связи (ООС). На входы инвертора подаются сигналы разрядов входного кода , а на вход матрицы – напряжение от эталонного источника .
Рассмотрим сначала работу матрицы . Для удобства предположим, что на вход ЦАП подан нулевой код (0000). Тогда выходными сигналами инверторов включены транзисторы переключателей , и нижние выводы всех резисторов матрицы подключены к общей шине.
Рис. 7.5. Структурная схема ЦАП с матрицей
Работа матрицы основана на том, что выходное сопротивление любой отсекаемой от нее выходной части схемы, содержащей целое число звеньев, определяется параллельным соединением двух цепей, сопротивления каждой из которых равно . Поясним это. Между узлом «а» матрицы и общей шиной параллельно включены два резистора ( – включен). Поэтому выходное сопротивление матрицы относительно узла «а» равно . Между узлом «b» и общей шиной схемы также параллельно включены резистор и последовательно соединенные резистор и выходное сопротивление матрицы относительно узла «a», равное . Поэтому выходное сопротивление матрицы, измеренное относительно узла «b», также равно и т.д.
Согласно сказанному полное выходное сопротивление матрицы, измеренное относительно узла «d», равно , и ток, отбираемый матрицей от источника ,
(7.9)
Так как сопротивления ветвей матрицы, подключенных к точке «d» равны, то .
Ток , втекающий в узел «с», также разделяется пополам, т.е. и т.д.
Из приведенного анализа видно, что через переключатели протекают токи, значения которых пропорциональны весовым коэффициентам двоичного кода.
Если на входы некоторых инверторов поданы сигналы логической 1, то в соответствующих переключателях включены транзисторы и токи, пропорциональные весовым коэффициентам данных разрядов, попадают на инвертирующий вход ОУ. В этом случае, согласно принципу суперпозиции, для входного тока ОУ справедливо выражение (7.7), а для выходного напряжения усилителя – выражение (7.8).
Определим напряжение, которое может быть сформировано на выходе схемы на рис. 7.5 при подаче на ее вход кода 1111. Из (7.8) с учетом (7.7) и (7.9) получаем
. (7.10)
В общем случае, учитывая, что выражение в скобках представляет сумму членов геометрической прогрессии со знаменателем ½ для -разрядного кода можно записать
. (7.11)
Полученные выражения показывают, что в ЦАП рассматриваемого типа максимальное выходное напряжение на меньше опорного напряжения , причем
. (7.12)
Величина численно равна 1ЕМР. Обычно соблюдается условие .
При увеличении числа разрядов рабочие токи матрицы уменьшаются и становятся соизмеримыми с собственными шумами используемых элементов. Так, для 12-разрядного ЦАП отношение токов старшего и младшего разрядов равно 211 = 2048. Максимальный разрядный ток, определенный из условия допустимой рассеиваемой интегральной схемой мощности, обычно ограничивается на уровне в несколько миллиампер. Тогда токи младших разрядов ЦАП лежат на уровне десятых, сотых долей микроампера, что не позволяет обеспечить требуемую точность преобразования.
70. ЦАП с весовым суммированием выходных сигналов
Решением проблемы является использование метода, основанного на выделении из структуры многоразрядного устройства нескольких однотипных ЦАП (групп) с меньшей разрядностью и последующим суммированием результатов, полученных в каждой из групп с помощью собственного масштабного сумматора. Реализацию данного принципа поясним с использованием структурной схемы 12-разрядного ЦАП, показанной на рис. 7.6.
Устройство состоит из трех 4-разрядных ЦАП. Так как кратность изменения сопротивлений в этом случае для каждого из них равна восьми, то для формирования весовых токов можно использовать как матрицы , так и взвешенные резисторы. На входы первого ЦАП подаются старшие разряды входного кода ( ), на входы второго ЦАП – средние разряды ( ), а на входы третьего ЦАП – младшие разряды кода ( ). Выходной сигнал ЦАП старших разрядов подается на выход устройства непосредственно, а сигналы ЦАП средних и младших разрядов через делители тока ( , и , ), имеющие коэффициенты деления 1/16 и 1/128 соответственно. Таким образом, при использовании рассматриваемой структурной схемы существует только два делителя с большими коэффициентами деления. В реальных схемах точность этих коэффициентов обеспечивается лазерной подгонкой соответствующих резисторов.
Рис. 7.6. Структурная схема ЦАП с весовым суммированием выходных сигналов
71. Области применения ЦАП
Наиболее часто ЦАП используются для сопряжения устройств цифровой обработки сигналов с системами, работающими с аналоговыми сигналами. Кроме этого, ЦАП используются в качестве узлов обратной связи в аналого-цифровых преобразователях и в устройствах сравнения цифровых величин с аналоговыми.
Области применения ЦАП достаточно широки. Они применяются в системах передачи данных, в измерительных приборах и испытательных установках, в синтезаторах напряжения и генераторах сложных функций, для формирования изображений на экранах дисплеев и др. В связи с этим разработано и выпускается большое количество интегральных микросхем ЦАП.
Промышленностью ЦАП выпускаются в виде интегральных микросхемы и содержат в своем составе резистивную матрицу R-2R, электронные ключи и резистор обратной связи Rос. Для подключения токосуммирующего операционного усилителя имеются специальные выводы. Схема десятиразрядного ЦАП, построенного на базе ИМС К572ПА1, показана на рис. 7.7.
Основные параметры наиболее широко используемых ЦАП приведены в таблице 1. В таблице 1 использованы следующие обозначения: n – число разрядов управляющего кода; tуст – время установления выходного напряжения; Iвых – максимальный выходной ток; dлн – нелинейность преобразования ЦАП; Uп – напряжение питания; Uоп – опорное напряжение.
Таблица 5.1
72. АЦП времяимпульсного типа
Схема преобразователя данного типа приведена на рис. 7.8, а, временные диаграммы, иллюстрирующие процессы в преобразователе – на рис. 7.8, б. В схеме этого типа ЦАП не используется.
Рис. 7.8. Структурная схема АЦП времяимпульсного типа
Рассмотрим работу преобразователя. Очередным тактовым импульсом счетчик сбрасывается в нулевое состояние и одновременно запускается генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН). Выходное напряжение ГЛИН поступает на входы компараторов К1 и К2, на другие входы которых подаются соответственно нулевое напряжение и подлежащее преобразованию в числовую форму напряжение на входе схемы (Вх). В момент времени, когда линейно изменяющееся напряжение, нарастая от небольших отрицательных значений, проходит нулевое значение, выдает импульс первый компаратор. Этим импульсом триггер устанавливается в состояние 1. В момент, когда линейно изменяющееся напряжение достигает значения , выдается импульс вторым компаратором. Этим импульсом триггер возвращается в состояние 0.
Время , в течение которого триггер находится в состоянии 1, пропорционально входному напряжению. Таким образом, входное напряжение преобразуется во временной интервал, длительность которого пропорциональна значению входного напряжения.
В течение времени с выхода триггера подается высокое напряжение на вход элемента И, и импульсы генератора импульсной последовательности (ГИП) проходят через элемент на вход счетчика Сч. Очевидно, устанавливающееся в счетчике число пропорционально , а следовательно, и .
Для получения нового отсчета напряжения следует вновь подать импульс запуска. Таким образом, импульсы запуска должны следовать с частотой дискретизации входного напряжения. Покажем, как определяются параметры элементов преобразователя.
По заданной относительной погрешности преобразователя определяется максимальное число , до которого счетчик должен производить счет: . Число разрядов счетчика находится как минимальное , удовлетворяющее неравенству .
Процесс преобразования значения в число занимает время , пропорциональное . Максимальное значение называется временем преобразования:
, (7.13)
где и – соответственно период и частота генератора импульсов.