Ю П Колонтаєвський - Електроніка імікросхемотехніка - страница 25

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60 

(14)

О—

R=7..15k6m "

2R

R

R

2R

2R

Io /22

2R

I0 /210

f} О в

BK

BK

(4) 6

210

BK

(5)

29

R 33

0V

К572ПА1

(16) -о--

DA

-+>L

О

Ueux

(13)

20

Двійковий код

Рис. 8.15 - Структура ІМС К572ПА1 Вхідним аналоговим сигналом ЦАП є опорна напруга Um, що визна­чає величину напруги, яка відповідає молодшому двійковому розряду. Вхідний струм І що протікає під дією Um, ділиться за двійковим зако­ном у вузлах резисторної матриці R-2R. З рис. 8.16 можна бачити:

приведені до місць перетинів

l0=U0 п /R „->

Uo п

т

X

R

-> C

--> B R

2R А-А, В-В та С-С опори час-г~ тини резисторів, що відтина­ються у напрямку стрілок, дорівнюють 2R і тому зна­чення струмів, які протікають через резистори 2R, зменшу­ються удвічі зліва направо.

Рис. 8.16 - Резисторна матриця R-2R

Метод перетворення полягає в підсумовуванні у відповідності до заданих значень двійкового коду усіх розрядних струмів, зважених за двійковим законом і пропорційних значенню опорної напруги.

Струми віток резисторної матриці через ключі на К-МОН-транзисто-рах надходять на два аналогові виходи: на той чи інший - у залежності

V

ід значень двійкових розрядів коду на відповідних цифрових входах. Значення струмів складають:

для першого виходу -    І1 = —— ^ 2-і аі; (8.14)

10

X 2"

U 10

для другого виходу -     І2 = 2 і йі, (8.15)

Rem  і=1

де Uon - опорна напруга;

Rexe - еквівалентний опір резисторної матриці, що має номінальне значення 10 кОм (фактично - від 7 до 15 кОм);

а, - пряме значення (для а =1) двійкового коду на ,-тому вході;

О- інверсне значення (для а =0) двійкового коду на ,-тому вході.

Двійковий закон розподілення струмів у вітках матриці виконується за умови однаковості потенціалів обох її виходів. Це забезпечується підмиканням першого виходу до інвертуючого входу допоміжного ОП, охопленого НЗЗ, а другого - до неінвертуючого входу ОП і нульової точки схеми (як відомо з пп. 4.6.2, потенціали інвертуючого і неінвер­туючого входів ОП, охопленого НЗЗ, за умови роботи у лінійному ре­жимі, майже однакові).

Отже, матриця R-2R підмикається до ОП, утворюючи з ним інвер­туючий підсилювач з програмованим коефіцієнтом підсилення. Його можна розглядати також як перетворювач струму, що надходить з ви­ходу резисторної матриці, у напругу на виході ОП (див. пп. 4.6.4). У результаті, кожному значенню двійкового коду на цифрових входах ЦАП відповідає деяке значення напруги на виході ОП, оскільки, забезпечу­ючи різницю потенціалів між своїми входами близькою до нуля, ОП відводить через резистор зворотного зв'язку R33 сумарний струм, що надходить до виходу (1) ІМС. Цей струм складається зі струмів рези­сторів 2R, підімкнених ключами до виходу (1) відповідно до значення двійкового коду і визначається розрядами а. =1.

Слід зазначити, що при практичній реалізації подібних пристроїв, задля зменшення взаємних впливів, що можуть призводити до збоїв у роботі, так звані "цифрову землю" і "аналогову землю" (обидві відповідають ну­льовому потенціалу схеми) слід виконувати у вигляді окремих провідників.

Аналітичний вираз, що зв язує значення напруги на виході U11 зі зна­ченням двійкового коду на цифрових входах ЦАП, такий

-1      . г\Ъ-2       ,       . г\Ь

Ueux = Uon R33 (2   a + 2   a2 +... + 2

де R

33   опір резистора зворотного зв язку; b - кількість розрядів перетворювача (у даному разі

at + аъ)/R, (8.16) 10), причому

старшим є розряд з індексом b.

Значення вихідної напруги в кінцевій точці діапазону становить

U*       = U Rn(1 -2-b)/R (8.17)

а найменше при усіх а = 0 - дорівнює нулеві.

Розрахунковий приріст вихідної напруги при зміні вхідного коду на одиницю молодшого розряду (крок квантування) складає

h = Uon R33/2b R. (8.18) Реально найбільше значення вихідної напруги при значеннях усіх роз­рядів двійкового коду а = 1 становить

вих макс

R33

-И,

(8.19)

бо десятирозрядний ЦАП працює з числами, що у десятковій системі числення відповідають від 0 до 1023.

Для забезпечення стабільності роботи задають R33 = R, а сам ре­зистор R33 розміщують на кристалі ІМС разом з матрицею R-2R.

Електричну принципову схему цифроаналогового перетворювача, ви­конаного на основі ІМС К572ПА1, наведено на рис. 8.17. Якщо задати U = 10,24 В, то отримаємо U      = 10,24 В, а h = 10 мВ за номінально-

оп ? ? L вих макс 3 3

го значення вхідного струму матриці 1 мА (фактично - від 0,5 до 2 мА).

13

D

DA 140УД7

§

CD

12

11

10

+12 В ­

14.

20 21

D/A

2

22 23

 

1

24

 

 

25 26

 

У

2'

2

29 +U

К572ПА1

0V>

~jKyD1wVD2

 

 

 

 

 

+U

 

-U

16

+12 В

■-12 В

Ueux

1

15

-10,24 В

Рис. 8.17 - Цифроаналоговии перетворювач на основі ІМС К572ПА1

2

6

1

2

4

9

8

6

5

очнісні показники перетворювача залежать від точності виконання співвідношень R33 /R = 1 та R /2R = 0,5 для усіх ланок матриці. Якщо формулу (8.16) переписати, вважаючи

R33 /2bR = k, (2b-1a1+2b-2a2+...2b-ia+20ab) = X,

отримаємо: Ueux = kUon X, (8.20)

звідки видно, що даний ЦАП може бути використано також як помно­жувач аналогової величини Uon (що може приймати значення від мінус 17 до +17 В) на двійкове число X.

Більш точними є ЦАП на основі методу перерозподілу заряду. Вони будуються на основі конденсаторної матриці з співвідношенням ємностей кратним 2".

Такий ЦАП має три етапи роботи.

На першому етапі ОП, що також входить до його складу, працює як повторювач, а усі конденсатори матриці підімкнуто до вхідного кон­такту пристрою і накопичують заряд, пропорційний вхідній напрузі.

На другому етапі схема керування перемикає конденсатори від входу на нульовий провідник. Тепер на вхід ОП, що працює вже як нуль-орган, подається напруга, що дорівнює вхідній Uex але з протилежним знаком.

Ну і на третьому етапі розпочинається перерозподіл заряду, коли до джерела опорної напруги Uon підмикається спочатку конденсатор стар­шого розряду матриці. На вході нуль-органу отримуємо напругу, що дорівнює (0,5 Uon - U). Схема керування, залежно від того, змінився стан на виході нуль-органу чи ні, залишає конденсатор у попередньому стані або знову перемикає його на нульовий провідник. Надалі те ж саме робиться з іншими конденсаторами, доки напруга на вході нуль-органу не знизиться до нуля і зміниться стан на його виході. Тоді відно­шення сумарної ємності, підімкненої до нульового провідника, до ємності, що була підімкнена до Uon, буде еквівалентна відношенню UJ Um.

Підвищена точність ЦАП забезпечується тим, що пристрій час від часу переводиться у режим самоналаштування. У цьому режимі до кожного з конденсаторів матриці підмикаються допоміжні конденсато­ри малої ємності доти, доки сумарна ємність не стане більшою за суму ємностей конденсаторів молодших розрядів на ємність конденсатора самого молодшого розряду. При цьому точність налаштування скла­дає 0,25 ємності цього розряду.

8.7.2. АЦП

Світ, що нас оточує, є аналоговим. До аналогових належать процеси, що змінюються за законом безперервної функції. Так, звуки та зобра­ження надходять до наших органів відчуття у вигляді коливань - зву­кових або електромагнітних. Ці коливання сприймаються органами відчуттів (слух, зір) і у вигляді імпульсів передаються до мозку. Але інформація, що передається аналоговим способом, легко викривляєть­ся у тракті передачі та потребує величезних обсягів пам'яті при вико­ристанні в техніці. Спосіб "оцифровування" інформації спрощує проце­си передачі і опрацювання інформації. Оцифровування - це процес пе­ретворення аналогової інформації в цифрову. До цифрових належать процеси, що змінюються за законом дискретної функції - звичайно, це двійковий цифровий код. Техніка, яка працює з такою інформацією, на­зивається цифровою. Цифрова інформація легко контролюється, дає стабільну і регульовану якість опрацювання і представлення процесів. Вона потребує менших ємностей для зберігання. Отже, для світу тех­ніки цифрова інформація підходить набагато більше, ніж аналогова.

Процес оцифровування аналогової інформації проходить два основні етапи. На першому аналогова інформація розбивається на невеликі рівні частини. На другому етапі кожна частина аналізується і зашифровується спеціальними алгоритмами у коди з послідовності одиниць і нулів.

АЦП може бути побудовано на основі ЦАП, лічильника імпульсів і ком­паратора. Спрощена структурна схема такого АЦП наведена на рис. 8.18.

Цикл перетворення аналогового сигналу, представленого як напруга U, у двійковий код, складається з таких операцій.

Напруга Uex подається на вхід пристрою - один з входів компара­тора К. Сигнал з виходу компаратора дозволяє роботу генератора імпульсів ГІ.

Сигнал Пуск встановлює нульовий стан і дозволяє роботу лічильни­ка імпульсів ЛІ, що починає заповнюватись імпульсами ГІ.

Код з виходу ЛІ подається на цифрові входи ЦАП (входи керування ключами). У результаті з виходу ЦАП ступінчасто зростаюча напруга надходить на другий вхід компаратора. Після досягнення цією напругою значення Uex компаратор забороняє роботу генератора, а на виході ЛІ маємо прямий паралельний двійковий код, що відповідає значенню U.

Вхід о-

Uex

Пуск о—

ж

Рис. 8.18 - Структурна схема АЦП

Реально ж для збільшення швидкості перетворення застосовують більш складний алгоритм. До входів ЦАП замість лічильника підми-кається регістр пам'яті. Після пуску схема керування встановлює регістр у стан, якому відповідає одиниця у старшому розряді і нулі у всіх інших. При цьому на виході ЦАП формується напруга, що дорів­нює половині діапазону перетворення. Якщо вона менша за U, то в старший розряд регістра записується нуль, а у другий за старшинством одиниця. Це відповідає напрузі на виході ЦАП, рівній половині попе­редньої. У разі перевищення Ura цієї напруги одиниця встановлюється у третьому за старшинством розряді і вихідна напруга ЦАП збільшуєть­ся у 1,5 разу. Описана процедура повторюється доти, доки на виході ЦАП не сформується напруга, що відрізняється від Ura не більш ніж на ту, що відповідає одиниці молодшого розряду ЦАП.

Перетворювачі, що працюють за таким алгоритмом, називають АЦП послідовного наближення.

На рис. 8.19 наведено умовне позначення ІМС функціонально зак­інченого (такого, що не вимагає використання допоміжних елементів) АЦП послідовного наближення К1113ПВ1. Він призначений для ро­боти з мікропроцесорними пристроями і є сумісним з мікропроцесорами, що працюють з ТТЛ-рівнями сигналів. Його вихідні вузли мають три ста­ни: два логічних (0 та 1) і третій - стан високого імпедансу - стан відімкнен-ня, що забезпечує просте спряження з шиною даних мікропроцесора.

К "Ж"

ЦАП

ПІ

Вихідний код

Дозвіл роботи

20Є

ЕЛЕКТРОНІКА І МІКРОСХЕМОТЕХНІКА

ивх-

13

D

11

15

14.

16.

AI

A/D

20 21

B/C

 

22 23

 

 

 

V

 

24

25 26 27 28

 

 

 

 

К1113ПВ1

29 DR +U

<0V

 

-U

18

6

5

2

1

17

,10

\12

+5 В -15 В

Рис. 8.19 - ІМС АЦП К1113ПВ1

гежим роооти АЦП у мікро­процесорній системі визнача­ється сигналами керування від мікропроцесора.

При надходженні на вхід гас­іння і перетворення В/C логіч­ного нуля, АЦП починає цикл перетворення вхідної напруги U у двійковий код.

Після завершення перетворен­ня на виході готовності даних DR з'являється сигнал логічної 1, що є запитом для мікропроце­сора на прийом коду. У вихідному стані і стані перетворення на цьо­му виході утримується сигнал 1. Після прийому коду мікропроцесор подає на вхід В/C сигнал логіч­ної 1, що встановлює АЦП у вихідний стан, після чого він готовий до нового циклу перетворення.

Цей АЦП може опрацьовувати вхідну інформацію у вигляді однопо-лярної напруги до 10,24 В, або двополярної ±5,12 В. У однополярному режимі на вхід керування зсувом нуля V треба подати сигнал логічного 0, а у двополярному - залишити його вільним.

Точності перетворення ±1/2 одиниці молодшого розряду цифрового коду досягають вмиканням між виводом "аналогової землі" GA і кор­пусом OV резистора опором від 5 до 50 Ом (використовують резистор змінного опору).

Насамкінець слід зазначити, що елементарним пристроєм перетворен­ня аналогової величини у дискретну є компаратор, який фіксує факт пере­вищення однієї напруги іншою і може мати на виході сигнали, що відпові­дають логічним 0 або 1. При цьому найбільш швидкодіючим є побудова­ний на основі лінійки компараторів АЦП паралельного кодування. На­пруга U тут подається на перші входи всіх компараторів одразу. На другі їхні входи подається напруга з дільника, що складається з резисторів одного номіналу. Таким чином, значення напруги, з яким відбувається по­рівняння Ura двома сусідніми компараторами, відрізняється на напругу,що відповідає молодшому розряду. Схема шифрування формує вихідний код, який відповідає старшому компаратору з тих, що спрацювали. Цей код записується в вихідний регістр пам'яті. Але апаратні затрати цього методу надзвичайно великі. Так, для восьмирозрядного АЦП потрібно 255 компараторів і близько 3-104 активних компонентів (транзисторів).

8.8. Мультивібратори і одновібратори на логічних елементах і тригерах

При побудові цифрових мікроелектронних пристроїв необхідні гене­ратори імпульсів часто будують на таких же ІМС, що й весь пристрій у цілому: на логічних елементах або тригерах. При цьому є велика кількість схемних рішень. Наведемо деякі з них.

Оскільки для забезпечення генерації треба мати коефіцієнт підси­лення відповідного пристрою, більший за одиницю, і фазовий зсув вхідного сигналу на 360 електричних градусів, то мультивібратор може бути побудований на двох логічних елементах з інверсією (НІ) на виході.

На рис. 8.20 наведена одна і-

з найпростіших схем мульти­вібратора, виконаного на еле­ментах К-МОН-логіки.

До цього часу наголошува­лось, що у логічного елемента залежно від комбінації вхідних сигналів (що являють собою 0

1

Дозвіл роботи <

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60 


Похожие статьи

Ю П Колонтаєвський - Електроніка імікросхемотехніка