токи формируются при помощи транзисторов и набора масштабных резисторов соответствующих номиналов или при помощи резистив-ной матрицы многозвенного типа; выбор зависит от специфики преобразователя. Для устройств с токовым выходом напряжение на выходе может изменяться от 0,5 В (для некоторых типов, например 1406) до 25 В и более (например, DAC-08). Выходы могут быть рассчитаны как на режим отвода, так и отдачи тока.

В большинстве преобразователей этого типа источники тока фактически все время включены, а их выходные токи коммутируются в зависимости от значения входного кода на землю или на выходную шину. Это обеспечивает повышение точности и быстродействия, а ключи легко реализуются на транзисторах или диодах (рис. 9.39). В первой схеме источники тока промасштабированы с помощью ре-зисторной цепной схемы, а их выходы подключаются к выходной шине или к шине U+ в зависимости от значения входного цифрового сигнала. Площади эмиттерных переходов транзисторов соотносятся, как показывают цифры на рисунке, что позволяет обеспечить постоянную плотность эмиттерных токов. Операционный усилитель с транзистором Т^п формирует отрицательное опорное напряжение для смещения источников тока, задавая соответствующее значение (/бэ. Стабильное положительное опорное напряжение Ч-t/on можно получить от внутреннего либо от внешнего источника. Это напряжение используется для получения коллекторного тока транзистора Топ. равного IkoJRo, и, следовательно, стабильного напряжения на эмиттере относительно U . Транзисторы Тд-Тг, которые обеспечивают необходимые двоично-взвешенные токи, получают требуемое напряжение смещения за счет того, что потенциал базы выше потенциала эмиттера на величину и^э.

Сама по себе схема ключа предельно проста. Каждый ключ, как показано на рисунке, состоит из двух прп-транзисторов. База одного из них соединена с опорным источником, напряжение которого должно на несколько вольт превышать базовый потенциал транзистора, образующего источник тока. Этот ключ можно рассматривать, как пару каскодно-включенных транзисторов, причем эмиттерный ток протекает к коллектору того транзистора, который имеет более высокий потенциал базы. Напряжение управления ключа (подаваемое на базу транзистора Ti) имеет д)азмах, уровни которого лишь на доли вольта выше или ниже напряжения на базе транзистора Tz, за счет чего достигается полная коммутация тока. Такой ключ отличается высоким быстродействием и обеспечивает широкий диапазон выходного напряжения. Вторая схема даже проще первой, за счет использования диодных ключей. Выходные токи отдельных источников в соответствии с управляющим напряжением, приложенным к катодам левых (по схеме) диодов, протекают на выходную шину (через правые диоды каждой пары) или ответвляются в левые диоды. Эта схема обладает сравнительно узким выходным диапазоном, так как управ-Jляющee надрягеение должно иметь больший'размах, чем диапазон

ВЫХОДНОГО напряжения, но зато обеспечивает очень высокое быстро действие; даже дешевые ЦАП (дешевле 10 долл.) с токовым выходом имеют время установления меньше 100 не.

Формирование выходного сигнала напряжения. Существует несколько способов, с помощью которых для ЦАП с выходом по току организуется выход по напряжению. Некоторые способы показаны на рис. 9.40. Если емкость нагрузки невелика и большие значения выходного напряжения не требуются, достаточно включить резистор

а

0-100 мВ

ото до-Ш 3

ото да + !0 В

Рис 9 40 Формирование выхода по напряжению для ЦАП с выходом йо току.

на землю. Для того чтобы получить полную шкалу выходного напряжения 100 мВ при выходном сопротивлении 100 Ом и обычной шкале выходного тока 1 мА, требуется резистор нагрузки с сопротивлением 100 Ом. Если емкость выхода такого ЦАП не превышает совместно с емкостью нагрузки 100 пФ, полученное быстродействие можно характеризовать временем установления 100 не. Рассматривая влияние постоянной времени /С-цепи на реакцию выхода ЦАП, не следует упускать из виду, что выходное напряжение установится с точностью до Vg МЗР за время, составляющее несколько постоянных времени. Например, время установления выхода с точностью 1/2048 для 10-разрядного преобразователя будет составлять 7,bRC,

-Для того чтобы получить большой диапазон выходного напряжения или согласовать выход с низкоомной нагрузкой или с нагрузкой^г имеющей большую емкость, можно использшать схему с операцион ным усилителем (усилитель тока с выходом по напряжению), как показано на рис. 9.40, б. Конденсатор, подключенный параллельно резистору обратной связи, нужен для того, чтобы обеспечить устой-,

чивость, поскольку выходная емкость ЦАП в комбинации с сопротивлением обратной связи составляют фазосдвигающую цепь; это, к сожалению, снижает быстродействие усилителя. Рассмотренная схема имеет одну интересную особенность: для того чтобы обеспечить высокое быстродействие даже недорогого ЦАП, нужен относительно дорогостоящий быстродействующий операционный усилитель. Практически последняя схема (в) обеспечивает лучшие характеристики, так как ей не нужен компенсирующий конденсатор. Относитесь внимательно к напряжению сдвига, так как оно усиливается в 100 раз операционным усилителем.

Стандартные модули ЦАП обладают точностью от 6 до 18 бит и временем установления от 25 не до 100 мкс (для ЦАП с наивысшей точностью). Цены колеблются от нескольких долларов до нескольких сотен долларов. Типичный, повсеместно используемый 12-разрядный преобразователь DAC-80 (со встроенным опорным источником) стоимостью 20 долл. имеет при выходе по напряжению время установления 3 мкс, а при выходе по току - 0,3 мкс.

9.20. Интегрирующие ЦАП

Преобразователи частоты в напряжение. Иногда в качестве цифрового входа преобразователя может выступать последовательность импульсов или каких-либо других периодических сигналов некоторой частоты. В этом случае может оказаться удобнее производить прямое преобразование в напряжение, а не кодирование частоты с последующим преобразованием полученного числа при помощи рассмотренных методов. При прямом преобразовании частоты в напряжение на каждом такте входного сигнала формируется импульс напряжения или тока фиксированной величины (то есть фиксированный заряд).

Импульсная последовательность усредняется при помощи интегратора или /С-фильтра низкой частоты, и полученное выходное напряжение оказывается пропорциональным средней входной частоте. Конечно, на выходе получаются пульсации, и для того, чтобы снизить их до уровня точности Ц/А-преобразования (то есть до /а МЗР), необходимо установить фильтр низкой частоты, который в свою очередь замедляет выходную реакцию преобразователя. Для того чтобы выходные пульсации не превышали Vg МЗР, постоянная времени Т простого /?С-фильтра нижних частот должна быть не менее T=0,69(rtH-l)To, где То - период выходного сигнала я-разрядного преобразователя частоты в напряжение, соответствующий максимальной входной частоте. При изменении частоты входного сигнала в диапазоне полной шкалы сигнал на выходе /С-цепи достигает уровня Ч2 МЗР за время, равное 0,69(4-1) от постоянной времени фильтра. Другими словами, время установления по выходу на уровне МЗР составляет примерно t=0,b{n-\-\)To. Десятиразрядный преобразователь частоты в напряжение с максимальной входной частотой.

J00 кГц при использовании сглаживающего iC-фильтра обеспечивает время установления выходного напряжения 0,6 мс. Применяя более сложные фильтры низкой частоты (с крутым спадом), можно получить лучшие характеристики. Однако не спешите увлекаться фильтрами, поскольку в большинстве случаев выход по напряжению для преобразователя частоты не требуется. В следующем разделе будут рассматриваться существенно инерционные нагрузки в сочетании с широтно-импульсной модуляцией.

Широтно-импульсная модуляция. При этом виде модуляции производится формирование последовательности импульсов фиксированной частоты, длительность которых пропорциональна входному коду. Это легко сделать при помощи счетчика, компаратора и высокочастотного генератора тактовых сигналов (см, упражнение 9.2). Здесь также можно использовать простейший фильтр нижних частот и получить напряжение на выходе, пропорциональное усредненному времени действия импульса, т, е. входному цифровому коду. Однако чаще всего такое Ц/А-преобразование используется в тех случаях, когда в качестве нагрузки применяется система с очень медленной реакцией, В этом случае широтно-импульсный модулятор вырабатывает точные порции энергии, которые усредняются нагрузкой, Так^ например, нагрузка может быть емкостной (как в ключевом регуляторе, см. гл. 5), термической (термостатированная ванна с нагревателем), механической (сервопривод лентопротяжки) или электромагнитной (крупный электромагнитный исполнительный механизм).

Упражнение 9.2, Спроектируйте схему формирования импульсной последовательности с частотой следования 10 кГц и с преобразованием входного двоичного 8-разрядного кода в длительность импульса, Используйте счетчики и компараторы с соответствующими расширителями.

Усредняющий умножитель частоты. Для построения простого ЦАП можно использовать умножитель (делитель) частоты, описанный в разд. 8.27. С его помощью входной параллельный код, двоичный или двоично-десятичный, преобразуется в среднюю частоту следования импульсов. Как и в рассмотренном выше преобразователе частоты в напряжение, простым усреднением можно получить постоянное выходное напряжение, пропорциональное входному коду. При этом результирующая постоянная времени будет довольно значительной, так как время усреднения на выходе умножителя частоты должно быть равно наибольшему периоду выходного сигнала умножителя. Умножители частоты целесообразно использовать в ЦАП, если нагрузка существенно инерционна (см. предыдущий раздел).

Такие преобразователи, по-видимому, лучше всего пригодны для построения цифровых систем регулирования температуры, в которых по каждому импульсу с выхода умножителя частоты на нагреватель подается полный период сетевого напряжения, В этом случае умножитель должен быть построен таким образом, чтобы самая низ-

) Удвоенная частота сетевого напряжения.- Прим. переа.

кая частота его выходного сигнала была бы кратна 120 ГцЧ Для коммутации сетевого напряжения используются твердотельные реле (триаки), управляемые логическими сигналами.

Обратите внимание, что три последних способа преобразования основывались на усреднении во времени, тогда как методы с использованием резистивных многозвенных схем и источников тока являлись мгновенно действующими . Примерно с таким же положением мы столкнемся при рассмотрении методов аналого-цифрового преобразования. Как можно будет убедиться, между преобразованием мгновенного значения сигнала и усреднением входного сигнала имеется существенное различие.

9.21. ЦАП с умножением

Большинство рассмотренных методов пригодны для построения множительных ЦАП , выходной сигнал которых равен произведению входного напряжения или тока на входной цифровой код. Например, в ЦАП с градуируемым источником тока выбор внутреннего источника можно производить путем программирования входного тока. Преобразователь без собственного опорного источника можно превратить в множительный ЦАП, используя входной аналоговый сигнал (сомножитель) в качестве опорного. Однако для этой цели пригодны не все ЦАП, поэтому следует внимательно изучать их паспортные данные. Документация на ЦАП, имеющие подходящие для этого случая характеристики (широкий диапазон входного аналогового сигнала, высокое быстродействие и т. п.), обычно снабжается пометкой умножающий ЦАП . Таковы, например, 12-разрядные множительные ЦАП AD7521, DAC348, DAC921 и 562 стоимостью от 10 до 20 долл.

Множительные ЦАП (так же, как и АЦП) дают возможность производить логометрические измерения и преобразования. Если какой-нибудь датчик (например, термистор) подключить к напряжению питания, которое одновременно используется для формирования опорного напряжения ЦАП или АЦП, изменение этого напряжения не скажется на результате измерения. Эта идея необычайно плодотворна, так как позволяет достичь значительно большей точности измерений или управления, ч^м это может обеспечить стабильность источника питания или опорного напряжения, или, наоборот, снизить требования к стабильности и точности источника. Логометриче-ский принцип в своей простейшей форме применяется в классической мостовой схеме, где путем регулировки двух отношений приравнивается нулю дифференциальный сигнал, взятый с двух выходов делителей напряжения (см. разд. 14.02). За счет логометрирования достигается высокая выходная стабильность частоты при сильных изменениях напряжения питания в устройствах типа 555 (см. разд. 4.13).

Напряжение на конденсаторе С/?-цепи, подключенной к источнику питания сравнивается с фиксированным значением, полученным

от того же источника {UVkk или UU-k.k)- Результирующая выходная частота зависит только от постоянной времени /С-цепи. Эта важная тема будет освещаться в данной главе более подробно при рассмотрении АЦП, а также в гл. 14, посвященной методам научных измерений.

9.22. Аналого-цифровые преобразователи

Существует много способов А/Ц-преобразования, каждый из которых обладает своими достоинствами и недостатками. Поскольку,

как правило, проще приобрести готовый модуль или ИМС АЦП, чем заниматься его разработкой, мы будем рассматривать различные методы А/Ц-преобразования до некоторой степени сжато, ставя основной целью облегчить грамотный выбор АЦП для требуемого применения. В следующем разделе мы приведем типовые примеры использования АЦП. В гл. 11 будут рассмотрены АЦП, использующие те же принципы и имеющие возможность простого сопряжения с микропроцессорами.

з-раарйдньт

двоичный

рыход

АЦП параллельного кодирования

самому старшему

Параллельное кодирование. Этот метод заключается в следующем: входное напряжение подается одновременно на первые входы каждого из п компараторов, а их вторые входы подключены к п источникам равномерно изменяющихся опорных напряжений {п источников). Приоритетный шифратор формирует выходной цифровой сигнал, соответст-сработавшему компаратору (рис.

Способ параллельного кодирования (иногда он называется способом мгновенного кодирования) отличается наибольшим быстродействием. Время задержки при передаче сигнала от входа к выходу равно сумме запаздываний компараторов и шифратора. Если взять компараторы типа NE521 и шифратор 74148, можно получить типовое значение времени задержки менее 20 не. Параллельные преобразователи, выпускаемые промышленностью, имеют от 16 до 256 уровней квантования (от 4 до 8 разрядов выходного кода). При большем числе разрядов АЦП становятся черезмерно дорогостоящими и громоздкими. Преобразователь TDC1007J фирмы TRW имеет 256 уровней квантования при времени преобразования 33 не, а его стоимость в настоящее время составляет несколько сотен долларов. Для создания таких высококачественных преобразователей требуются предельно быстродействующие компараторы (15 не) с величиной переключающего напряжения не более 1/256 полной шкалы, при этом для работы шифратора отводится 15 не; в реальных устройствах приоритетные шифраторы должны вырабатывать на выходе код Грея для того, чтобы избежать возникновения ошибок при входных уровнях, близких порогам компаратора.

Метод последовательного приближения (поразрядного уравновешивания). При данном широко распространенном методе преобразования формируются пробные коды, которые поступают на ЦАП, а выходной сигнал последнего сравнивается при помощи компаратора с аналоговым входным сигналом. Обычно в исходном состоянии все разряды устанавливаются в О . Затем каждый из них, начиная со старшего, поочередно устанавливается в Ь. Если выходной сигнал ЦАП не превышает уровень входного аналогового сигнала, разряд остается в состоянии 1 , в противном случае он сбрасывается обратно в О . Для -разрядного АЦП необходимо совершить п таких шагов. Подобный процесс может быть представлен, как двоичный поиск, начинающийся с середины. В модуле АЦП последовательного приближения имеются вход НАЧАЛО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ и выход ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ВЫПОЛНЕНО. Все преобразователи имеют параллельный цифровой выход (все разряды выводятся одновременно по п отдельным шинам) и, как правило, еще и последовательный выход {п разрядов выходного кода выдаются последовательно, начиная с СЗР, по одной выходной линии).

АЦП последовательного приближения имеют относительно высокую точность и высокое быстродействие: для -разрядного преобразования требуется время только на п обращений к ЦАП. Для стандартных устройств стоимостью от 10 до 400 долл. типовые значения времени преобразования составляют от 1 до 50 мкс при точности от 8-до 12 разрядов. Преобразователи такого типа оперируют мгновенными значениями входного сигнала, поэтому если за время преобразования сигнал изменится, погрешность не превысит величину этого изменения. Для АЦП подобного типа крайне нежелательны выбросы

на входе. Эти довольно точные в целом преобразователи могут обладать существенной нелинейностью и давать сбои в кодах.

В модификации, известной под названием следящего АЦП, используется реверсивный счетчик, который последовательно формирует пробные коды. Реакция на скачки входного сигнала получается довольно медленная, но гладкие изменения отрабатываются быстрее, чем в преобразователе с последовательным приближением. Скорость отслеживания быстрых изменений пропорциональна тактовой частоте собственного генератора преобразователя.

Преобразование напряжения в частоту. При данном методе входное аналоговое напряжение преобразуется в последовательность импульсов, частота которой пропорциональна входному уровню. Это легко сделать, если заряжать конденсатор током, пропорциональным входному сигналу, а затем разряжать его после того, как линейно нарастающее напряжение достигнет заданного порога. Для получения большей точности данный метод используют в сочетании с обратной связью. В одном из вариантов метода выход преобразователя частоты в напряжение сравнивается с уровнем входного аналогового сигнала, а частота формируемых им импульсов подстраивается до такой величины, при которой на входы компаратора будут поступать одинаковые уровни. В более распространенных методах используется принцип уравновешивания заряда . Эти методы далее будут рассматриваться подробнее (в особенности метод дозированного заряда с запоминающим конденсатором ).

Типовой диапазон частот выходных сигналов преобразователей напряжения в частоту лежит в пределах от 10 кГц до 1 МГц (для максимального входного напряжения). Имеющиеся в настоящее время преобразователи имеют эквивалентную разрешающую способность 12 бит (точность 0,01%). Они удобны и недороги, особенно в тех случаях, когда требуется передавать сигнал по кабелю, или если нужен частотный, а не кодовый выход. Если быстродействие не является важным фактором, можно достаточно просто получить цифровой код, пропорциональный среднему значению входного сигнала. Для этого надо подсчитать число выходных импульсов преобразователя напряжения в частоту за фиксированный интервал времени. Этот метод широко используется в цифровых панельных приборах средней точности (3 цифры).

Одностадийное интегрирование. Этот метод заключается в следующем; генератор линейно изменяющегося напряжения (источник тока и конденсатор) запускается в начале преобразования, после чего счетчик начинает считать импульсы, поступающие от стабилизированного тактового генератора. Когда линейно изменяющееся напряжение станет равным входному уровню, компаратор остановит счет; полученное число будет пропорционально входному сигналу и может быть использовано в качестве выходного кода. Этот метод иллюстрируется рис. 9.42.

В конце преобразования конденсатор разряжается, счетчик сбрасывается и преобразователь готов к очередному циклу работы. Метод одностадийного преобразования прост, но он накладывает жесткие ограничения на стабильность и точность конденсатора и компаратора. Б тех случаях, когда требуется высокая точность, он не используется.

конденсатор закоро-\

чен ал землю

Интервал разрешени5{

Рис. 9.42, Одностадийный АЦП.

Указанные недостатки (а также ряд других) позволяет устранить метод двухстадийного интегрирования, который применяется тех случаях, когда требуется обеспечить высокую точность.

Б тех случаях, когда абсолютная точность не нужна, но зато требуется высокая разрешающая способность и равномерное распределение смежных уровней, до сих пор применяют метод одностадийного интегрирования. В качестве примера можно привести анализатор амплитуды импульсов (см. разд. 14.16), в котором амплитуда фиксируется пиковым детектором и преобразуется в адресный сигнал. Поскольку здесь необходимо обеспечить равенство ширины каналов (т. е. шагов квантования уровня), преобразователь с последовательным приближением непригодер. Метод одностадийного интегрирования используется также в преобразователях интервала времени в амплитуду.

9.23, Методы уравновешивания заряда

Существует ряд методов, общей особенностью которых является использование конденсатора для отслеживания отношения уровня входного сигнала к эталонному. Все эти методы основаны на усреднении (интегрировании) входного сигнала за фиксированный интервал

времени, относящийся к одному измерению. При этом достигаются два важных преимущества:

1. Поскольку входной и эталонный сигналы подаются на один и тот же конденсатор, к его собственной стабильности и точности не предъявляется высоких требований. К компаратору также предъявляются пониженные требования. Это позволяет при том же качестве применяемых элементов получить большую точность или снизить стоимость при той же точности.

2. Входной сигнал преобразователя пропорционален среднему значению входного сигнала на фиксированном интервале интегрирования. Выбирая время интегрирования кратным периоду сетевого напряжения, можно обеспечить нечувствительность преобразователя к сетевым наводкам с частотой 60 Гц и ее гармоникам. Чувствительность к помехам в функции их частоты для времени интегрирования 0,1 с показана на рис. 9.43.

.Асимптота интргриро-вания за

1 10 100

Частота, Гц

Рис. 9 43 Зжсимость коэффициента ослабления помех (КОП) интегрирующими АЦП от частоты помехи.

Для того чтобы сетевые наводки частотой 60 Гц хорошо подавлялись, надо точно сформировать интервал интегрирования. Даже незначительная погрешность (доли процента) тактовой частоты вызовет неполное подавление наводок. Здесь желательно применять генератор с кварцевой стабилизацией частоты. В разд. 9.31 при анализе умножителя сетевой частоты мы рассмотрим метод синхронизации преобразователя с уравновешиванием заряда, обеспечивающий хорошее подавление сетевых наводок.

Недостатком метода уравновешивания заряда является низкое по сравне1ию с методом последовательного приближения быстродействие.

Двухстадайное интегрирование. Этот изящный и широко распространенный метод преобразования позволяет избежать большинства трудностей, которые присущи методу одностадийного интегрирования и связаны со стабильностью параметров конденсатора и ком-

Частота сети переменного тока в СЩА равна 60 Гц.- Прим. перев.