Белополский Аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи 2010

цательной обратной связью. Такое включение ОУ уменьшает его входное сопротивление (Rвх.ОУ = RОС(1+ K )) и обеспечивает вы-

полнение условия Rвх.ОУ << Rвых.ЦАП . В данной схеме, в отличие от схемы прямого включения матрицы R −2R , при котором Rвых.ЦАП = const , выходное сопротивление ЦАП зависит от вход-

ного кода: Rвых.ЦАП =Uоп IΣ = 2RD и меняется в пределах от 2R

до ∞. Поэтому сопротивление нагрузки для ЦАП должно быть много меньше 2R , чтобы не создавать дополнительной погрешности, которая к тому же будет меняться в зависимости от входного кода. Это обеспечивает суммирующий ОУ. В этом случае

Uвых = IΣRОС =	UОПRОС	∑n	ai 2−i .
	R i=1

Рис.3.3. Упрощенная структурная схема ЦАП, используемого в ИС К572ПВ1

Использование ОУ на выходе ЦАП позволяет увеличить размах выходного напряжения, уменьшить выходное сопротивление всей схемы, увеличить нагрузочную способность ЦАП, сделать независимыми подстройку коэффициента передачи (шкалы преобразования) и смещения нуля. Включение дополнительного источника постоянного смещения на входе ОУ, равного 1СР, позволяет организовать биполярный режим ЦАП, при этом его выходная характеристика смещается на половину напряжения полной шкалы.

51

Операционный усилитель на выходе ЦАП вносит дополнительные статические и динамические погрешности, связанные со смещением его нуля, входными токами и погрешностью внешних резисторов, а также с его инерционностью. Общая статическая погрешность ЦАП будет определяться погрешностью опорного напряжения, операционного усилителя и погрешностью резисторов матрицы и цепи обратной связи ОУ, т.е.

δЦАП = δUоп +δОУ +δR =	Uоп	+
	Uоп

RОС

(R

)

+

1

+

U

смо

+

I

вх

/ / R

+

R

ОС

вых.ЦАП

вых.ЦАП

RОС

т

(δRОС −δRвых.ЦАП )ai 2−i.

+

∑

Rвых.ЦАП i=1

Для оценки дополнительной погрешности из-за изменения температуры необходимо знать температурные коэффициенты опорного напряжения (ТКН UОП ), резисторов ( ТКРЦАП и ТКРRОС ) и

температурный дрейф смещения нуля и входного тока ОУ, с помощью которых можно найти дополнительные погрешности для всех трех составляющих основной погрешности ЦАП.

Чтобы минимизировать основную погрешность, обычно используют усилители с минимальными входными токами, а в качестве резисторов RОС используют резисторы, размещенные на одном

кристалле с матрицей R −2R и топологически идентичные резисторам матрицы. Это позволяет минимизировать разброс сопротивлений и их температурных коэффициентов и обеспечивает стабильность параметров преобразователя.

Длительность переходного процесса установления тока i-го разряда ЦАП будет определяться эквивалентной постоянной времени τЦАП , которая постоянна для любого разряда ЦАП и допустимой

погрешностью установления δуст :

tуст.i = τЦАП ln (1 δуст.i ).

52

Абсолютное значение погрешности установления не должно превышать половины младшего разряда (МР), т.е.

уст = ±0,5 1МР =(UопR) 2−n ,

в этом случае будет δуст.i =	уст/ Ii = уст/2i и
tуст.i = τЦАП ln (Ii уст )	= τЦАП (n +1 −i)ln 2 0,7(n +1−i)τЦАП .

Максимальное время установления имеет старший разряд (СР, i = 1) ЦАП tуст.1 0,7n τЦАП , поэтому в схемах АЦП так организу-

ют логику работы, чтобы этот разряд был уже включен в момент запуска АЦП.

Включение ОУ на выходе ЦАП увеличивает общее время установления, которое в этом случае будет

tуст.экв = tуст2 .ЦАП +tуст2 .ОУ ,

где tуст.ОУ – время установления переходного процесса на выходе

ОУ с погрешностью ± 0,5 1 МР. Для достижения максимального быстродействия АЦП, обеспечиваемого схемой ЦАП, суммирующий ОУ не включают, а выходной ток IΣ подают непосредственно

на вход быстродействующего компаратора, работающего в этом случае в режиме сравнения токов.

В ЦАП может возникать еще один вид динамической погрешности, обусловленный сменой кодов на входах ЦАП и проявляющийся в виде переходных всплесков. Такие всплески представляют собой острые пики выходного сигнала, возникающие за счет несинхронности отпирания и закрывания аналоговых ключей в разных разрядах ЦАП. Наиболее значительно они проявляются при продолженных переходах, когда при смене значения входного кода на единицу в младшем разряде, меняются значения всех разрядов, например при переходе от кода 011...1 к коду 100...0. Погрешность, вносимая коммутационной помехой, характеризуется длительностью и амплитудой этой помехи и особенно проявляется в быстродействующих ЦАП, у которых сведены к минимуму паразитные емкости, которые могли бы их сгладить. Радикальным способом подавления выбросов является использование устройств выборкихранения или стробируемых компараторов.

53

Основные характеристики и параметры АЦП типа К572ПВ1

Основными характеристиками АЦП являются: разрешающая способность, точность и быстродействие. Разрешающая способность определяется разрядностью n и максимальным диапазоном входного аналогового напряжения Uвх.макс (полной шкалой). Точ-

ность определяется погрешностью полной шкалы δЦАП , нелиней-

ностью – отклонением усредненной (сглаженной) характеристики от идеальной прямой и дифференциальной нелинейностью – максимальным отклонением приращения входного аналогового сигнала от шага квантования при изменении цифрового выходного кода на смежное значение. Быстродействие АЦП характеризуется временем преобразования tпр , т.е. интервалом времени от момента

заданного изменения сигнала на входе до появления на выходе установившегося кода.

В лабораторной работе изучается интегральная схема К572ПВ1, представляющая собой 12-разрядный умножающий ЦАП со схемой управления и логическими устройствами и с внешним источником опорного напряжения Uоп . При подключении внешнего компара-

тора микросхема К572ПВ1 может выполнить функции АЦП поразрядного уравновешивания с выводом параллельного двоичного кода через выходные каскады с тремя состояниями. В режиме анало- го-цифрового преобразования существует возможность организации синхронной и циклической работы ИС, произвольного уменьшения разрядности преобразования и вывода данных в последовательном коде. Изменение режимов работы производится коммутацией небольшого числа внешних выводов или программным способом с применением нескольких дополнительных логических ИС.

Функциональная схема АЦП К572ПВ1 приведена на рис. 3.4, где указано также назначение выводов микросхемы. Аналоговая часть ИС включает ЦАП на основе инвертированного включения матрицы R −2R и две группы прецизионных резисторов, используемых для подключения внешнего ОУ или компаратора. Цифровая часть ИС включает необходимые для образования АЦП поразрядного уравновешивания логические узлы и дополнительные устройства для работы в режиме цифроаналогового преобразования.

54

Рис. 3.4. Функциональная схема ИС К572ПВ1

В составе микросхемы имеются устройства для организации побайтового обмена информацией с 8-разрядной шиной данных микропроцессора (МП). Взаимодействие АЦП с МП осуществляется с помощью управляющих сигналов: запуск (или гашение и преобразование – Г и П), по которому МП запускает АЦП; управление старшими или младшими разрядами, по которым из АЦП считываются в МП поочередно соответственно старший или младший байт. Сигнал "Конец преобразования" (или готовность данных – ГД) служит для информации МП о завершении преобразования и возможности переходить к считыванию данных. В таблице приведены значения управляющих сигналов на входах схемы К572ПВ1 при ее взаимодействии с микропроцессором.

55

	Управление режимом работы ИС К572ПВ1				Таблица
Режим	Информаци-	Входы управления			Вход стро-
	онно-цифро-				бирования
		старшие	младшие	режим
	вые выходы	разряды	разряды	АЦП/ЦАП	ЦАП
	(выводы 4.. .15)	(выв.2)	(выв. 16)	(выв. 1 7)	(выв.29)
АЦП	1...12(4...15)	1	1	0	1
	1...4(4...7)	1	0	0
	5...12(8...15)	0	1	0
	разомкнуты	0	0	0
ЦАП	1...12(4...15)	1	1	1	1
	1...4(4...7)	0	1	1
	5...12(8...15)	1	0	1
Хране-	–	–	–	–	0
ние в
регист-
реЦАП

Работа схемы в режиме АЦП осуществляется в соответствии с описанным выше принципом поразрядного уравновешивания. Временные диаграммы работы АЦП приведены на рис. 3.5. Преобразование осуществляется за 12 рабочих и 2 вспомогательных тактов, включающих 2 тактовых импульса каждый. Первый (начальный) вспомогательный такт используется для синхронизации системы и установления всех устройств в начальное состояние, второй (конечный) – для формирования сигнала "Конец преобразования" (ГД) и организации циклической работы. Каждый такт занимает по длительности два импульса генератора тактовых импульсов (ГТИ). При этом выходная информация формируется к началу следующего такта. Считывание данных можно производить с момента появления положительного фронта сигнала "Конец преобразования" до поступления следующего импульса запуска.

Схемы включения микросхемы К572ПВ1 в режиме 12-раз- рядного АЦП приведены на рис. 3.6. В АЦП по схеме рис. 3.6, а между выходом ЦАП и входом компаратора напряжения (КН) включен буферный ОУ для обеспечения максимальной точности и стабильности статических параметров преобразования. В АЦП по схеме рис. 3.6, б буферный ОУ не включается, а компаратор (КТ)

56

(Uвых

работает в режиме сравнения токов с выхода ЦАП и входного сигнала, что обеспечивает достижение максимального быстродействия. Режим источника тока для входного сигнала обеспечивается подключением Uвх на вход компаратора через резистор R (см.

рис. 3.6, б).

Рис.3.5. Временные диаграммы работы АЦП К572ПВ1

– напряжение на выходе компаратора в момент сравнения)

Типовое время преобразования составляет 110 мкс. Включение резисторов R/2, R/4, и 2R в цепи обратной связи ОУ (для схемы рис. 3.6, а) или на входе компаратора (для схемы рис. 3.6, б) позволяет изменять Uвх от 0,5Uоп до 2Uоп соответственно. Полярность

входного напряжения может быть любой и устанавливается соответствующим выбором полярности опорного напряжения.

Разрядность преобразования может быть уменьшена до произвольного числа разрядов подачей на вывод 27 повторного сигнала "Запуск" (Г и П) по окончании (n + 1)-го такта. Соединение выводов 22 и 28 переводит схему из синхронного режима работы в циклический, при этом на вывод 27 должен быть подан логический 0.

57

Рис. 3.6. Схема включения микросхемы К572ПВ1 в режиме АЦП: а – с буферным ОУ; б – повышенного быстродействия

58

Рис.3.7. Схема включения микросхемы К572ПВ1 в режиме ЦАП

Схема включения ИС в режиме ЦАП с параллельным вводом информации приведена на рис. 3.7. С поступлением логической 1 на вывод 17 сдвигающий регистр переходит в режим буферного регистра. Запись информации в буферный регистр и регистр ЦАП осуществляется подачей на вывод 26 сдвоенного импульса при наличии на выводе 27 логического 0. Минимальная длительность пары тактовых импульсов 5 мкс. Информация стирается во всех регистрах при подаче на вывод 27 логической 1 с одновременным поступлением пары тактовых импульсов. Запоминание информации в регистре ЦАП происходит при поступлении на вывод 29 ("Вход стробирования") логической 1. Преобразователь работает от двух источников питания: UCC1 = 5 15 В и UCC2 = 15 В. При согласовании микросхемы с ТТЛ схемами напряжение питания UCC1 долж-

но быть 5 В ± 5 %, а при согласовании с КМОП схемами – 15 В ± 5 %. При любом напряжении UCC1 напряжение высокого

уровня на входе сравнения (вывод 23) не должно превышать 10 В. Выходной ток БИС при Uоп = 10 В равен 1 мА. Входной ток

управления должен быть не более 1 мкА. Нормальное функционирование ИС обеспечивается при тактовой частоте, не превышающей 250 кГц.

59

При работе с микросхемой необходимо соблюдать последовательность установления электрических режимов, рекомендованных для ИС. Источник UCC1 должен подключаться после включения

источника UCC 2 . Не допускается даже кратковременное превыше-

ние напряжения UCC1 над напряжением UCC 2 . Напряжение на цифровых входах не должно превышать напряжения UCC1 .

Описание лабораторного макета

Макет, используемый в лабораторной работе, включает в себя ИС К572ПВ1, работающую как в режиме АЦП, так и в режиме ЦАП, компаратор напряжения (К), суммирующий ОУ, генераторы тактовых импульсов (мультивибратор (МВ), одновибратор (ОВ), формирователь (Форм.) и источник опорного напряжения. Лицевая панель макета показана на рис. 3.8.

На лицевую панель макета выведены: выводы ИС, необходимые для коммутаций, переводящих микросхему К572ПВ1 в нужный режим работы; переключатель S1 для перевода режима работы схемы из синхронного в циклический; переключатель S2 для перевода схемы из режима работы в качестве АЦП в режим ЦАП; переключатели для ввода цифрового двоичного кода в режиме работы ЦАП; поразрядная индикация на световых диодах либо входного цифрового кода (режим ЦАП), либо выходного кода (режим АЦП).

Мультивибратор генерирует тактовые импульсы (ТИ) и запускающие импульсы (ЗИ) с частотой в 8 раз меньшей, чем частота ТИ. Запускающие импульсы поступают на формирователь, преобразующий длинный импульс ЗИ в короткий, который затем подается на вход Г и П микросхемы. В синхронном режиме запускающие импульсы можно подавать на формирователь как с мультивибратора, так и с одновибратора, запускаемого с помощью кнопки "Однократный запуск". В циклическом режиме работы необходимо подать первый запускающий импульс на вход Г и П микросхемы, что делается также с помощью ОБ.

Питание макета осуществляется от трех источников питания:

± 15 и + 5 В. В макете предусмотрена блокировка напряжений питания ± 15 В при превышении ими значения ± 16 В соответственно.

60