SU1735999A1 - Цифроаналоговый преобразователь - Google Patents

Abstract

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

Description

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, формировател  импульсов, одно- вибратора, элемента И расшир ет область применени  ЦАП за счет обеспечени  возможности управлени  крутизной характеристики преобразовани , что позвол ет регулировать уровень выходного сигнала. 2 з.п.ф-лы, t ил.

Изобретение относитс  к измерительной технике, автоматике, а также к технике преобразовани  цифровых величин в аналоговые и может быть использовано при создании высокоточных, аналого-цифровых преобразователей и систем контрол  параметров изделий электронной техники.

Известно устройство преобразовани  кода в посто нный сигнал, содержащее генератор импульсов, два счетчика , триггер, переключатель, источник эталонного посто нного сигнала и фильтр нижних частот (ФНЧ), причем первый вход триггера соединен с первым входом первого счетчика и шиной управл ющего 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 управл ющему входу переключател , аервый и второй аналоговые входы которого соеч динены соответственно с выходом источника эталонного посто нного сигнала и общей шиной, выход переключател  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 напр жени  на выходе ЦАП зависит от посто нной времени ФНЧ: чем больше эта посто нна  времени, тем меньше пульсаци  на выходе ЦАП. Однако ФНЧ с большой посто нной времени представл ет собой конструктивно сложное устройство , а сам обладает при Этом

большим временем установлени . Следовательно , недостатком известногоs устройства  вл етс  низкое быстродействие .

Наиболее близким по технической

СУЩНОСТИ к предлагаемому  вл етс  - 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 преобразовател  кода в ШИМ-сигнал и с первым входом форми-

ровател  сдвинутых ШИМ-си г налов .. Шина начальной установки соединена с вторыми входами преобразовател  кода в ШИМ-сигнал и формировател  сдвинутых ШИМ- сигналов .Групповой

выход регистра преобразуемого п-раз- р дного кода соединен с групповым входом , преобразовател  кода в ШИМ- сигнал, выход которого подключен к входу формировател  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 посто нный сигнал на принципе суммировани  сдвинутых на одинаковый интервал ШИМ

соседних последовательностей, В то же врем  сдвиг Т ШИМ соседних последовательностей должен быть посто нный , так как в противном случае не получитс  -эквивалента суммирова5173

ни , пропорционального преобразуемому коду. Посто нство сдвига рпредел - ет посто нство периода сигнала, поступающего на вход ФНЧ, а при сохранении посто нства посто нной времени ФНЧ- некотррого посто нного уровн  выходного сигнала,.значение которого может быть оптимальным; Если предположить , что в системном калибраторе напр жени  предполагаетс  регулирование шкалы или наклона характеристики преобразований, то известное устройство не обеспечивает этого качества .

Целью изобретени   вл етс  расширение области применени  за счет обеспечени  возможности управлени  крутизной характеристики преобразовани .

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

входами сумматора, выход которого соединен с входом фильтра нижних частот , выход которого  вл етс  выходной шиной, введены регистр кода периода, триггер, вычитающий счетчик, формиро ватель импульсов, одновибратор и ос- новной элемент И, а блок формировани  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  вл ютс  соответствующими выходами блока формировани  сдвинутых во времени импульсов , вход обнулени  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

вател  импульсов и основного элемент И и  вл етс  входной шиной Пуск, второй вход основного элемента И подключен к выходу задающего генератора импульсов, а выход соединен с входа ми синхронизации вычитающего счетчика , основного преобразовател  кода в интервал времени и сумматора, информационные входы вычитающего счетчика  вл ютс  входной шиной Сдвиг, вход разрешени  записи подключен к выходу формировател  импульсов, а выход соединен с вторым входом формировател  импульсов и входом синхро- низации регистра сдвига, первые и вторые информационные входы первого дополнительного преобразовател  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 стробировани  первого дополнительного преобразовател  кода в интервал времени объединен с входами стробировани  остальных m-l дополнительных преобразователей кода в интервал времени и подключен к выходу триггера, S-вход которого подключен к управ - л ющему выходу основного преобразовател  кода в интервал времени, информационный выход которого соединен с n-м входом сумматора, вход стробировани  подключен к выходу триггера, а вторые информационные входы объединены с соответствующими вторыми информационными входами блока формиро- вани  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  вл ютс  соответственно входом стробировани  и информационным выходом преобразовател  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 обнулени  счетчика и  вл етс  .управл ющим выходом преобразовател  кода интервал времени,- второй вход обнулени  и счетный вход счетчика  вл ютс  соответственно входом установки и входом синхронизации преобразовател  кода в интервал времени, о выходы соединены с соответствующими первыми входами соответственно первого и второго цифровых компараторов , вторые входы которых  вл ютс  соответственно вторыми и первыми информационными входами преобразова- тел  кода в интервал времени.

Сумматор выполнен в виде источника опорного напр жени , п триггеров, п токоограничивающих элементов на резисторах и двух групп ключей, кажда  из которых выполнена на п МОП- транзисторах, исток первого МОП-транзистора первой группы объединен с истоками остальных п-1 МОП-транзисторо данной группы и  вл етс  выходом сумматора, затвор 1-го МОП-транзистора первой группы подключен к инверсному выходу 1-го триггера, пр мой выход которого соединен с затвором 1-го МОП-транзистора второй группы, а информационный вход  вл етс  i-м информационным входом сумматора , где , 2,...,(m-Н ), где , вход синхронизации первого триггера объединен с входами синхронизации остальных п-1 триггеров и  вл етс  входом синхронизации сумматора , выход источника опорного напр жени  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 функциональна  схема цифроаналогового преобразовател ; на фиг о 2 - временные диаграммы и эпюры напр жений, по сн ющие работу устройства; на фиг.З - схема формировател  импульсов; на фиг.k - .временные диаграммы и эпюры напр жений дл  импульсных последовательностей , полученных при различных значени х управл ющих параметров.

Цифроаналоговый преобразователь содержит источник 1 опорного напр жени , весовые резисторы , операционный усилитель 3, задающий генератор k, основной элемент И 5, элементы И 6,,-6 ,, 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 формировани  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 формируетс  код N, определ ющий 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 преобразовател  начинаетс  по сигналу, поступающему на клемму 28 Пуск.

Через одновибратор 20, формирующий короткий импульс по переднему фронту запускающего сигнала иг.(фиг.2), обнул етс  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 определ ет 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 переполнени  счетчика 11 будет по вл тьс  импульс переполнени , поступающий на формирователь 18 импульсов, формирующий новый импульс параллельной записи на счетчик 11, а также поступающий на вход синхронизации регистра 1 сдвига, который последовательно заполн етс  присутствующей на его D-входе логической единицей.

По переднему фронту сигнала запуска UZg производитс  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 заполнени  регистра k сдвина происходит последовательна  установка его разр дов в единичное состо ние 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 заполнени  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 случа х должен быть больше преобразуемого кода N (или равен ему), то компаратор 25 всегда опережает срабатывание компаратора 2 После срабаты

10

735999Ю

вани  компаратора 2k обнул етс  счетчик 23 каждого преобразовател  12 кода в интервал времени и цикл повтор етс  . В каждом цикле Тц каждым фор- . мирователем 12,- 12п формируетс  ШИМ-сигнал, длительность которого зависит от кода, установленного на выходе задатчика кодов. ШИМ-сигнал формирует RS-триггер 26, который переключаетс  по мере срабатывани  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  реобразовател  12 кода в интервал времени подаетс  также на S-вход RS-триггера 15 и по истечении интервала времени Тц с момента запуска устанавливает его в единичное состо ние, разреша  с этого момента прохождение импульс15

20

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

в интервал времени.

Перва  пауза (фиг.2, эпюра ) длительностью Т ц после начала работы устройства необходима, чтобы вырав- н ть врем  установлени  преобразовател  дл  различных преобразуемых кодов (с различными значени ми 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 усредн ющего устройства ФНЧ, выполненного дл  конкретной реализации на операционном усилителе 3, конденсаторе 21 и резисторе 22, на выходе которого образуетс  посто нное напр жение (фиг.2,эпюра U29).

Изменение периода следовани  ШИМ-сигналов F,,FtF4 можно произвести путем изменени  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 допускаетс  что код N больше максимального кода N регистра 17).

Среднее значение суммарного ШИМ- сигнала равно:

173599912

Дл  того, чтобы составить аналитическую зависимость выходного сигнала преобразовани  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 уменьшени  ограничено разр дностью преобразовани . В прототипе это значение может быть выб- ., рано минимальным дл  данной разр дное-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 .- разр дность преобразуемого

кода.

Как следует из формулы () и эпюр нар жений 2Г, и 5Г2 (фиг. О, результи- рующий сигнал имеет посто нную (первое слагаемое)и импульсную (второе слагаемое) составл ющие. Причем период следовани  импульсов переменной составл ющей уменьшен в п раз.

Так как амппитуда переменной составл ющей уменьшаетс  в п раз, то, использу  известное выражение, можно записать

8„ 4

, П(

П

П

(5)

где 0П( (й«() относительна  (абсолютна ) погрешность фильтрации.

В то же врем  в п раз уменьшаетс  период переменной составл ющей, поэтому окончательно можно записать

0.

ТУ

8-0- П2

(6)

Из соотношени  (6) при неизменной посто нной времени ФНЧ и заданной . погрешности преобразовани  выбирает с  количество преобразователей.кода в интервал времени п пн-1. Из формулы (6) также рекомендуетс  выбирать полосу пропускани  ФНЧ, т.е. его параметры, определ емые посто н ной времени.

ft п-Тк 5

Тк

(7)

Следует иметь в виду, что изменение Т в сторону уменьшени  ограничено разр дностью преобразовани . В прототипе это значение может быть выб- рано минимальным дл  данной разр дное-1 ти, т.е.

Тц.мим (2 O t u.

(8)

Дл  расширени  области применени  последнее  вл етс  необ зательным. Дл  предлагаемого технического решени  выражение (7) можно использовать ограниченно, при условии, что Ц превышает или равно (8).

Часто возможность регулировки крутизны,характеристики преобразовани  позвол ет повысить гибкость системного калибратора с ШИМ-преоб- разованием, и допускает определенное увеличение погрешности фильтрации (5), В то же врем , если системный калибратор на ШИМ-преобразовании предполагаетс  использовать при меньшей разр дности г преобразуемого кода N, то преобразователь позвол ет измен ть крутизну преобразовани  с одновременным уменьшением погрешности фильтрации #„- (6) и (7).

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

Таким образом, расширение области применени  цифроаналогового преобразовател  возможно за счет обеспечени  управлени  крутизной характеристики преобразовани .

Claims (3)

1. Цифроаналоговый преобразователь, содержащий задающий генератор импуль - сов, регистр преобразуемого кода, выходы которого соединены с соответствующими первыми информационными входами основного преобразовател 

кода в интервал времени, блок форми- ровани  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  вл етс  выходной шиной, отличающий- с   тем, что, с целью расширени  области применени  за счет обеспечени  возможности управлени  крутизной характеристики преобразовани , в него введены регистр кода.периода, триггер, вычитающий счетчик, формирователь импульсов, одновибратор и ос новной элемент И,, а блок фррмировани  сдвинутых  о 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 еобра  зователей кода в интервал времени, выходы которых  вл ютс  соответствующими выходами блока формировани  сдви нутых во времени импульсов, вход обнулени  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 формировател  импульсов и основного элемента И и  вл етс  входной шиной Пуск, второй вход основного элемента И подключен к выходу задающего генератора импульсов, а выход соединен с входами синхронизации вычитающего счетчика, основного преобразовател  кода в интервал времени и сумматора, информационные входы вычитающего счетчика  вл ютс  входной шиной Сдвиг, вход разрешени  записи подключен к выхдду формировател  импульсов, а выход соединен с вторым входом формировате.- л  импульсов и входом синхронизации регистра сдвига, первые и вторые информационные входы первого дополнительного преобразовател  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 стробировани  первого дополнительного преобразовател  кода в интервал времени объединен с входами стробировани  остальных т-1 дополниJQ тельных преобразователей кода в интервал времени, и подключен к выходу триггера, S-вход которого подключен к управл ющему выходу основного преобразовател  кода в интервал времеjc ни, информационный выход которого соединен с n-м входом сумматора, вход стробировани  подключен к выходу триггера, а вторые информационные входы объединены с соответствующими

20 вторыми информационными входами блока формировани  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 - личающийс  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  вл ютс  соответственно входом стробировани  и информационным выходом преобразовател  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 обнулени  счетчика и  вл етс  управл ющим выходом преобразовател  кода в интервал времени, второй вход обнулени  и счетный вход счетчика  вл ютс  соот- 50 ветственно входом установки и входом синхронизации преобразовател  кода в интервал времени, а выходы соединены с соответствующими первыми входами соответственно первого и второ- ,е го цифровых компараторов, вторые входы которых  вл ютс  соответственно вторыми и первыми информационными входами преобразовател  кода в интервал времени.

. 51

3. Преобразователь по п.1, о т -. личающийс  тем, что сумматор выполнен в виде источника опорного напр жени , п триггеров, п то- коограничивающих элементов на резисторах и двух групп ключей, кажда  из которых выполнена на п МОП-транзисторах , исток первого МОП-тоан- зистора первой группы объединен с истоками остальных п-1 МОП-транзисторов данной группы и  вл етс  выходом сумматора, затвор 1-го МОП-транзистора первой группы подключен к инверсному выходу 1-го триггера, пр мой выход которого соединен с затвором 1-го МОП-транзисто3599916

ра второй группы, а информационный вход  вл етс  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  вл етс  входом синхронизации сумматора,выход источника опорJQ ного напр жени  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.