Цифроаналоговый преобразователь

,ЯО, 17359 РЕСПУБЛИН 1) Н 03 М 1/66 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ВИДЕТЕЛЬСТВ У К АВТОРСК СУДАРСТВЕННЦЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЦТИЯРИ ПЮТ СССР(56) Авторское свидетельство СССИ 995310, кл, Н 03 К 13/02, 1981Авторское свидетельство СССРМ 836791, кл. Н 03 К 13/02, 1979 2(54) ЦИФРОАНАЛОГОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (57) Изобретение относится к измерительной технике, автоматике, и может бьть использовано при создании, высококачественных аналого-цифровых преобразователей и измерительных систем контроля параметров изделий электронной техники. Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) содержит ис" точник 1 опорного напряжения, весовые резисторы, операционный усилитель 3, задающий генератор 4, основ- Е /У3 17359994 ной элемент И 5, дополнительные ни содержит счетчик 23, цифровые комэлементы И б, П-триггеры 7 МОЯ-тран- параторы 24, 25, КЗ-триггер 26, элезисторы 8,9;шину 10 сдвига, вычитаю-мент И 27. Введение регистра кода щий счетчик 11,: преобразователи 125периода, триггера, вычитающего счетчи" кода в интервал времени, резистор 13 ка, формирователя импульсов, одно- регистр 14 сдвига, КЗ-триггер 15, ре" вибратора, элемента И расширяет об" гистр 1 б.кода периода, регистр 17 ласть применения ЦАП за счет обеспепреобразуемого кода, формирователь 18 . чения возможности управления крутиз.- .импульсов, источник 19, одновибратор . 1 О ной характеристики преобразования.,20, конденсатор 21, резистор 22 шину что позволяет регулировать уровень 28 "Пуск", выходную шину 29. Преоб- выходного сигнала. 2 з.п.ф"лы, 4 ил. разователь 12 кода в интервал време Изобретение относится к измерительной технике, автоматике, а также к технике преобразования цифровых ве" ,личин в аналоговые и может быть использовано при создании высокоточных, аналого-цифровых .преобразователей и, систем контроля параметров изделий электронной техникиИзвестно устройство преобразования кода в постоянный сигнал, содержащее генератор импульсов, .два счетчика, триггер, переключатель, источник эталонного постоянного сигнала и фильтр нижних частот (ФНЧ), причем первый вход триггера соединен с пер" вым входом первого ачетчика .и шиной управляющего 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 управляющему входу переключателя, нервый и второй аналоговые входы которого сое динены соответственно с выходом источника эталонного постоянного сигна". ла и общей шиной, выход переключате" ля через ФНЧ подключен к выходу уст" ройства, вторые входы второго счет цика соединены с шинами преобразуемо . го кода, третий вход второго счетчи. ка подключен к шине "Пуск", а выход первого счетчика соединен. счетвер.тым входом триггера.Известно, нто,степень Фильтрации напряжения на выходе ЦАП зависит от постоянной времени ФНЧ: чем больше эта постоянная времени, тем меньше пульсация на выходе ЦАП, Однако ФНЧ с большой постоянной времени представ- ляет собой конструктивно сложное уст" ройство, а сам П обладает при Этомбольшим временем установления. Следовательно, недостатком известного;устройства является низкое быстродей.ствие.Наиболее близким по техническойсущности к предлагаемому является,:,цифроаналоговый преобразователь, - со"держащий задающий генератор, регистрпреобразуемого кода, шину начальнойустановки. преобразователь кода. в.широтно-импульсный:(ШИМ) сигнал, ФорЗО мирователь сдвинутых ШИМ-сигналов,сумматор ШИМ-сигналов, ФНЧ. Выходзадающего генератора соединен с первым входом преобразователя кода вШИМ-сигнал и с первым входом форми", З 5 рователя сдвинутых ШИМ-сигналовШинаначальной установки соединенас вторыми входами преобразователя кода в ШИМ-сигнал и Формирователясдвинутых ШИМ- сигналов. Групповой 40 выход регистра преобразуемого и-разрядного кода соединен с групповымвходом, преобразователя кода в ШИМсигнал, выход которого подключен квходу формирователя сдвинутых ШИМ сигналов, а групповой выход ш сдви"нутых последовательностей соединенс групповым входом сумматора; выходкоторого подключен к входу ФЙЧ, выходкоторого соединен с выходной клем-, 50. мой устройства.Известное устройство реализуетпреобразование. кода в постоянныйсигнал на принципе суммированиясдвинутых на одинаковый интервал ШИМ 55 соседних последовательностей, В тоже время сдвиг Т ШИМ соседнихпоследовательностей должен быть постоянный, так как в противном случаене получится эквивалента суммирова1 71 Гс 1ния, пропорционального преобразуемо-вателя. импульсов и основного элемента му коду, Постоянство сдвига рпределя- И и является входной шиной "Пуск", ет постоянство периода сигнала, посту" второй вход основного элемента И подпающего на вход ФНЧ, а при сохранении ключен к выходу задающего генератора5постоянства постоянной времени ФНЧ- импульсов, а выход соединен с входа некотррого постоянного уровня выход- ми синхронизации вычитающего счетчиного сигналазНацение которого мо- ка, основного преобразователя кода в жет быть оптимальным. Если предполо- интервал времени и сумматора инфорУ жить, что в системном калибраторе 1 О мационные входы выцитающего счетчика напряжения предполагается регулиро- являются входной шиной нСдви "й "диг вание шкалы или наклона характерис- вход разрешения записи подключен к тики преобразований, то известное выходу формирователя импульсов ачустроиство не обеспечивает этого ка- выход соединен с вторым входом формирователя импульсов и входом синхроцества.Целью изобретения является расши- ,низации регистра сдвига, первые и вторение области применения за счет обес- рые информационные входы первого допечения воэможности управления кру-. полнительного преобразователя кода тизной характеристики преобразования. в интервал времени объединены соотПоставленная цель достигается тем, Ю ветственно с соответствующими первычто в цифроаналоговый преобразова- ми и соответствующими вторыми инфортель, содержащий задающий генератоР мационными входами осталвных щдоимпульсов, регистр преобразуемого ко- полнительных преобразователей кода в да, выходы которого соединены с со- . интервал времени, первые из которых ответствующими первыми информацион у 5 подключены к соответствующим выходам ными входами основного преобразовате - регистра преобразуемого кода, ва прео разуемого кода, вход ля кода в интервал времени, блок фор- стробирования первого дополнительномирования сдвинутых во времени импуль го преобразователя ко 1 а в интервал сов, выходы которого соединены с со- времени объединен с входами стробироответствующими иинформационными О вания остальных шдополнительных входами сумматора, выход котоРого преобразователей кода в интервал вресоединен с входом фильтра нижних час- мени и подключен к выходу триггеранУ тот, выход которого является выходнои Б-вход которого подключен к управ - шиной, введены регистр кода периода ляющему выходу основного преобразотриггер, выцитающий счетчик, формиро- вателя кода в интервал времени инЭ ватель импульсов, одновибратор и ос- З 5 формационный выход которого соединен новной элемент И, а блок формирова- с и-м входом сумматора, вход стробиния сдвинутых во времени импульсов рования подключен к выходу триггера, выполнен в виде ш дополнительных . а вторые информационные входы объедипреобразователей кода в интервал вре- нены с соответствующими вторыми инмени, в дополнительных элементов И формационными входами блока формиро-:40и регистра сдвига, информационный вания сдвинутых во времени импульсов вход которого подключен к шине ло- и подключены к соответствующим выгической единицы, а выходы соедине- ходам регистра периода, второй вход ны с первыми входами соответствую- первого дополнительного элемента И щих дополнительных элементов И, вы 45 объединен с вторыми входами остальходы которых соединены с входами ных шдополнительных элементов И синхронизации соответствующих дополни- и соединен с выходом основного элетельных преобразователей кода в ин- мента И.тервал времени, выходы которых явля- Кроме того, каждый преобразователь ются соответствующими выходами блока 5 О кода в интервал времени выполнен в формирования сдвинутых во времени им" виде счетчика, первого и второго циф пульсов, вход обнуления регистра ровых компараторов, КЗ-триггера и сдвига объединен с входами установки элемента И, первый вход и выход кото- основного и ш дополнительных пре" рого являются соответственно входом образователей кода в интервал време" 55 стробирования и информационным выхони, с К-входом триггера и подключен дом преобразователя кода в интервал к выходу одновибратора, вход которого времени, а второй вход соединен с объединен с первыми входами формиро" инверсным выходом КБ-триггера, Я-вход173которого соединен с выходом второго . цифрового компаратора, а К-вход сое-. динен с выходом первого цифрового компаратора, объединен с первым входом обнуления счетчика и является управ-, ляющим выходом преобразователя кода в интервал времени, второй вход обнуления и счетный вход счетчика яв ляются соответственно входом установки и входом синхронизации преобразователя кода в интервал времени, а выходы соединены с соответствующими первыми входами соответственно первого и второго цифровых компараторов, вторые входы которых являются соответственно вторыми и первыми информационными входами преобразова - теля кода в интервал времени.Сумматор выполнен в виде источника опорного напряжения, и триггеров, и токоограничивающих элементов на резисторах и двух групп ключей, каждая из которых выполнена на и МОП- транзисторах, исток первого МОП-транзистора первой группы объединен с ис" токами остальных иИОП-транзисторов данной группы и является выходом сумматора, затвор -го ИОП-транзистора первой группы подключен к инверсному выходу х-го триггера, пря - мой выход которого соединен с зат.= вором -го МОП-транзистора второй группы, а информационный вход явля. ется 1-м информационным входом сум" матора, где 1=1, 2(в+1), где щ=п, вход синхронизации первого триггера объединен с входами синхро" низации остальных итриггеров и является входом синхронизации сумматора, выход источника опорного напряжения соединен с первыми выводами и резисторов, второй вывод -го .резистора соединен со стоками д-х МОП-транзисторов первой и второй групп, истоки МОП-транзисторов второй группы подключены к общей шине.На фиг.1 представлена функциональная схема цифроаналогового преобразователя; на фиг.2 - временные диаграммы и эпюры напряжений, поясняющие работу устройства; на Фиг.3 - схема формирователя импульсов; на фиг.4- ,временные диаграммы и эпюры напряжений для импульсных последовательностей, полученных при различных значениях управляющих параметров,Цифроаналоговый преобразователь содержит источник 1 опорного напря 5999 8жения, весовые резисторы 2-2 я, операционный усилитель 3, задающий генератор 4, основной элемент И 5, элементы И 6-6 я П-триггеры 7- 7;,анзисторы 8 8 п и 91 9 шину 10 сдвига, вычитающий счетчик 11,преобразователи 12- .12 я кода в интервал времени (Формирователи длительности), резистор 13, регистр 14сдвига, КЯ-триггер 15, регистр 16кода периода, регистр 17 преобразуемого кода, формирователь 18 импульсов, источник 19, одновибратор 20,конденсатор 21, резистор 22, шину28 "Пуск", выходную шину 29.Преобразователь 12 кода в интервал времени содержит счетчик 23, цифровые компараторы 24 и 25, КВ-триг 2 О гер 26 и элемент И 27.формирователь 18 импульсов содержит конденсаторы 30 и 31, резисторы32-34 и диоды 35 и 36,Причем операционный усилитель 3,конденсатор 21 и резистор 22 образу"ют фильтр нижних частот (ФНЧ), Сумматор выполнен на и триггерахп токоограничивающих элементах (резисторах) 2- 2 , двух группах ключеи(полевых транзисторах) 8- 8 и9 - 9.Блок формирования сдвинутых вовремени импульсов выполнен в видеа дополнительных преобразователей12- 12 кода в интервал времени,35 т дополнительных элементов И 6- 6и регистра 14 сдвига.Цифроаналоговый преобразовательработает следующим образомНа выходе регистра 16 кода перио 40 да Формируется код Мц, определяющийпериод последовательностей ШИИ-сигналов преобразуемого кода Н.Бсли период импульсов задающегогенератора 4 с, апериод ЮИМ-сигна 4 лов равен ТИ о Работа преобразователя начинается50 по сигналу, поступающему на клемму28 "Пуск",Через одновибратор 20, формирующий короткий импульс по переднему фронту запускающего сигнала 08(фиг.2),55 обнуляется регистр 14 сдвига и КЗтриггер 15. При этом по сигналу9сдвига информацию - код К сдвига.Этот код определяет длительностьсдвига Формируемых ШИМ-сигналов идолжен быть заранее определен: Оц. К др ае ееи(фиг.1) .С приходом на вычитающий вход счетчика 11 импульсов последний производит последовательное вычитание изчисла, пропорционального коду К, записанному .первоначально в этот счетчик 11. церез период Тк, пропорцио"нальный коду К, на выходе переполне"ния счетчика 11 будет появлятьсяимпульс переполнения, поступающийна формирователь 18 импульсов, формирующий новый импульс параллельнойзаписи на счетчик 11, а также поступающий на вход синхронизации регист"ра 14 сдвига, который последовательно заполняется присутствующей на егоР-входе логической единицей.По переднему фронту сигнала запуска Ь 8 производится формирование импульса С на .выходе одновибратора 20,который производит начальную установ"ку КЯ-триггера 15 и счетчиков 23 препреобразователей 12- 12 кода винтервал времени, По мере заполнения регистра 14 сдвина происходитпоследовательная установка его разрядов в единичное состояние и откры вание при этом элементов И б- б я 1выходными сигналами А, В, С, регистра 14 сдвига (эпюры 0 Н,111, цФиг.2).Таким образом, начало заполнениясчетчиков 23 преобразователей 12 ко"да в интервал времени происходит со,сдвигом по времени на интервалы, кратные Т (фиг.2 и 4),В .момент, когда код на выходесчетчиков 23 преобразователей 12кода в интервал времени равен кодурегистров 16 и 17, цифровые компара"торы 24 и 25 выдаат сигнал равенствакодов. А так как код И во всех слу"чаях должен быть больше преобразуемо"го кода 0 (или равен ему), то компаратор 25 всегда опережает срабатывание компаратора 24. После срабаты 735999 10вания компаратора 24 обнуляется счетчик 23 каждого преобразователя 12 кода в интервал времени и цикл повторяется. В каждом цикле Т каЖдым формирователем 121- 12формируетсяШИМ-сигнал, длительность которогозависит от кода, установленногона выходе задатчика кодов. ШИМ-сиг 1 О нал формирует КЗ-триггер 26, который переключается по мере срабатывания цифровых компараторов 24 и 25.Сигнал на выходе этого КБ-триггера26 представлен на Фиг.2 эпюрой Ь.15 Сигнал с выхода цифрового компаратора 24 первого яреобразователя 12кода в интервал времени подаетсятакже на Б-вход КБ-триггера 15 ипо истечении интервала времени ТЦ2 О с момента запуска устанавливает егов единичное состояние, разрешая с.этого момента прохождение импульсных последовательностей Г,Г, ,Гпна выход преобразователей 12 кодад в интервал времени.Первая пауза (Фиг,2, эпюра 0 )9длительностью Т 1 после начала работыустройства необходима, чтобы выравнять время установления преобразователя для различных преобразуемых кодов (с различными значениями Т иТк) и минимизировать его,Далее, сдвинутые одна относительно другой на величину Т импульсные последовательности Г 1,ГГя35 поступают через 0-триггеры 7 - 71 ии аналоговые ключи, выполненные наМОП-транзисторах 8- 8 и 9- 9на выход сумматора и на вход усред 40няющего устройства ФНЧ, выполненного для конкретной реализации на операционном усилителе 3, конденсаторе21 и резисторе 22, на выходе которого образуется постоянное напряжениеУ (Фиг.2,эпюра 11).Изменение периода следованияШИМ-сигналов Г 1,ГГ можно про-извести путем изменения содержимогоМ 1 на выходе регистра 1 б кода. Приэтом необходимо также изменить зна чение кода К, поступающего на инфор.мационные входы счетчика 11, т,е,необходимо обеспечить соотношение11 1735999 где Е - значение эталонного сигнаола опорного источника 1;Я - код, установленный в регистре 16 периода;М - код, установленный в регистре 17 преобразуемогокода (причем допускаетсячто код М больше максимального кода 0 регистра17)Среднее значение суммарного ШИИ- сигнала равно: Ео 015У = - г --- (а 2 а 2+Чй 2 -1 и2-е г-е+1(7) Следует иметь в виду что изменение ТЬ в сторону уменьшения ограничено разрядностью преобразования. В про- . тотипе это значение может быть выб" рано минимальным для данной разряднос ти, т.е. 12Для того, чтобы составить аналитическую зависимость выходного сигнала преобразования от кода К сдви" га, нужно Формулу (2) записать в ви" де Тц = и Т, а выражение (6) примет вид:+ а, 2 а.е, 2),(4) Так как амплитуда переменной составляющей уменьшается в и раз, то, используя известное выражение, можно записать3ее,ееп Еи(5) где 3 я, ( Ь ,) - относительная (абсо"лютная) погрешностьфильтрации.В то же время в и раз уменьшаетсяпериод переменной составляющей,поэтому окончательно можно записать ЮжшЬ Тц(6)и 8 П 2 Из соотношения (6) при неизменной постоянной времени ФНЧ и заданной .погрешности преобразования выбирается количество преобразователей.кода в интервал времени п = а+1. Иэ 1формулы (6) также рекомендуется вы бирать полосу пропускания ФНЧ, т.е.,его параметры, определяемые постоян"ной времени. где г . - разрядность преобразуемогокода.Как следует из Формулы (4) и эпюр напряжений , и ,. (Фиг.4), результирующий сигнал имеет постоянную (первое слагаемое) и импульсную (второе слагаемое) составляющие. Причем период следования импульсов переменной оставляющей уменьшен в п раз,(8) М мин 1. Цифроаналоговый преобразователь,содержащий задающий генератор импуль - 55 сов, регистр преобразуемого кода,выходы которого соединены с соответствующими первыми информационнымивходами основного преобразователя 2 О Для расширения области примененияпоследнее является необязательным.Для предлагаемого технического решения выражение (7) можно использовать ограниченно, при условии, что 25 Т превышает или равно (8).Часто возможность регулировкикрутизны, характеристики преобразования позволяет повысить гибкостьсистемного калибратора с ШИИ-преобразованием;.и допускает определенноеувеличение погрешности фильтрации (5).В то же время, если системный калибратор на ЮИИ-преобразовании предполагается использовать при меньшей разрядности г преобразуемого кода И, 35 то преобразователь позволяет изменятькрутизну преобразования с одновременным уменьшением погрешности Фильтрации 3- (6) и (7)При выборе значения Тц, превышаю щего значение (8), с точки зренияпогрешности Фильтрации 9 можетбыть введен .дополнительный преобразователь 12 я+1 кода в интервал времени.ф 5 Таким образом, расширение областиприменения цифроаналогового преоб" .разователя возможно эа счет обеспе"чения управления крутизной характеристики преобразования.505 10 15 20 25 30 35 40 45 50 131 /кода в интервал времени, блок Форми=рования сдвинутых во времени импулЬсов, выходы которого соединены ссоответствующими иинформационными входами сумматора, выход которого соединен с входом фильтра нижнихчастот, выход которого является выходной шиной, о т л и ч а ю щ и йс я тем, цто, с целью расширения области применения за счет обеспечения.возможности управления крутизнойхарактеристики преобразования, внего введены регистр кода. периода,триггер, выцитающий счетчик, формирователь импульсов, одновибратор и основной элемент И а блок фррмированиясдвинутых яо времени импульсов выпол -.нен в виде: п 1 дополнительных преобразователей кода в интервал времени,щ дополнительных элементов И и регистра сдвига, информационный входкоторого подключен к шине логическойединицы, а выходы соединены с первыми входами соответствующих дополнительных элементов И, выходы которыхсоединены с входами синхронизации соответствующих дополнительных преобра,",зователей кода в интервал времени,выходы которых являются соответствующими выходами блока Формирования сдвинутых во времени импульсов, входобнуления регистра сдвига объединен с входами установки основного и ндополнительных преобразователей кодав интервал времени, с К-входом триггера и подключен к выходу одновибратора,вход которого объединен с первымивходами формирователя импульсов иосновного элемента И и является входной шиной "Пуск", второй вход основного элемента И подключен к выходу задающего генератора импульсов,а выход соединен с входами синхронизации выцитающего счетчика, основного преобразователя кода в интервалвремени и сумматора, информационные входы вычитающего счетчика являются входной шиной "Сдвиг", вход раз решения записи подклюцен к выходу формирователя импульсов, а выход соединен с вторым входом формироватет ля импульсов и входом синхронизации регистра сдвига, первые и вторые информационные входы первого дополни, тельного преобразователя кода в ин" тервал времени объединены соответф . ственно с соответствующими первыми и соответствующими вторыми информа - ционными входами остальных шдо" полнительных преобразователей кодав интервал времени, первые из которых подклюцены к соответствующим выходам регистра преобразуемого кода,вход стробирования первого дополнительного преобразователя кода в интервал времени объединен с входамистробирования остальных щ.дополнительных преобразователей кода в интервал времени, и подключен к выходутриггера, Б-вход которого подключенк управляющему выходу основного преобразователя кода в интервал времени, информационный выход которогосоединен с и-м входом сумматора, входстробирования подключен к выходутриггера, а вторые информационныевходы объединены с соответствующимивторыми информационными входами блока формирования сдвинутых во времени импульсов и подключены к соответствующим выходам регистра периода,второй вход первого дополнительногоэлемента И объединен с вторыми входами остальных шдополнительных элементов И и соединен с выходом основного элемента И,35999 14 2. Преобразователь по п.1, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что каждый преобразователь кода в интервал времени выполнен в виде счетцика, первого и второго цифровых компараторов, КБ-триггера и элемента И, первый вход и выход которого являются соответственно входом стробирования и информационным выходом преобразователя кода в интервал времени, а второй вход соединен с инверсным выходом КБ-триггера, Б-вход которого соединен с выходом второго цифрового компаратора, а К-вход соединен с выхо; дом первого цифрового компаратора, объединен с первым входом обнуления счетчика и является управляющим выходом преобразователя кода в интервал времени, второй вход обнуления и сцетный вход счетчика являются соответственно входом установки и входом синхронизации преобразователя кодав интервал времени, а выходы соединены с соответствующими первыми входами соответственно первого и второго цифровых компараторов, вторыевходы которых является соответственно вторыми и первыми информационнымивходами преобразователя кода в интервал времени., 1513. Преобразователь по п.1, о т -, л и ч а ю щ и й с я тем, что сумматор выполнен в Виде источника опорного напряжения., и триггеров, а токоограничивающих элементов на резисторах и двух групп ключей, каждая из которых выполнена на п МОП-транзисторах, исток первого МОП-тоанзистора первой группы.обьединен с истоками остальных иМОП-транзисторов данной группы и является выходом сумматора, затвор -го ИОП-транзистора первой группы под. ключен к инверсному выходу -го триггера, прямой выход которого соединен с затвором ь-го МОП-транзисто 735999 16ра второй группы, а информационныйвход является -м информационнымвходом сумматора, где, д 1,2а+1, где аи, вход синхронизации первого триггера объединен с вхо-,дами синхронизации остальных и триггеров и является входом синхронизации сумматора, выход источника опор 10 ного напряжения соединен с первымивыводами и резисторов, второй вывод -го резистора соедиНен со стоками -х МОП-транзисторов первойи второй групп, истоки МОП-транзисторов второй группы подключены кобщей шине.1735999 Составитель Г.ВлаПетраш Техред М,дрдык Редакт Корректор Л,Пилипен льский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 10 вводственно-и Заказ 1821 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ С113035, Иосква, Ж, Раушская наб., д. 4/5