Меню

Перемножитель напряжений с использованием цап принцип действия

Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП), принцип работы, типы

Содержание

Что такое ЦАП?

Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) — предназначены для преобразования цифровых сигналов в аналоговые. Такое преобразование необходимо, например, при восстановлении аналогового сигнала, предварительно преобразованного в цифровой для передачи на большое расстояние или хранения (таким сигналом, в частности, может быть звук). Другой пример использования такого преобразования — получение управляющего сигнала при цифровом управлении устройствами, режим работы которых определяется непосредственно аналоговым сигналом (что, в частности, имеет место при управлении двигателями).

Васильев Дмитрий Петрович Профессор электротехники СПбГПУ

К основным параметрам ЦАП относят разрешающую способность, время установления, погрешность нелинейности и др.

Разрешающая способность — величина, обратная максимальному числу шагов квантования выходного аналогового сигнала. Время установления t уст — интервал времени от подачи кода на вход до момента, когда выход­ной сигнал войдет в заданные пределы, определяемые погрешностью.

Погрешность нелинейности — максимальное отклонение графика зависимости выходного напряжения от напряжения, задаваемого цифровым сигналом, по отношению к идеальной прямой во всем диапазоне преобразования.

Как и рассматриваемые аналого-цифровые преобразователи (АЦП), ЦАП являются «связующим звеном» между аналоговой и цифровой электроникой. Существуют различные принципы построения АЦП.

Схема ЦАП с суммированием весовых токов

На рис. 3.88 приведена схема ЦАП с суммированием весовых токов.

Ключ S 5 замкнут только тогда, когда разомкнуты все ключи S 1…S 4 (при этом u вых= 0). U 0

— опорное напряжение. Каждый резистор во входной цепи соответствует определенному разряду двоичного числа.

По существу этот ЦАП — инвертирующий усилитель на основе операционного усилителя. Анализ такой схемы не представляет затруднений. Так, если замкнут один ключ

что соответствует в первом и нулям в остальных разрядах.

Абрамян Евгений Павлович Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Из анализа схемы следует, что модуль выходного напряжения пропорционален числу, двоичный код которого определяется состоянием ключей S1. S4. Токи ключей S1. S4 суммируются в точке «а», причем токи различных ключей различны (имеют разный «вес»). Это и определяет название схемы.

Из вышеизложенного следует, что u вых= − ( U 0R oc / R ) · S 1 − ( U 0R oc / (R/2) ) · S 2 – − ( U 0R oc / (R/4) ) · S 3 − ( U 0R oc / (R/8) ) · S 4 = = − ( U 0R oc / R ) · ( 8S 4 + 4S 3 + 2S 2 + S 1)

где S i ,i = 1, 2, 3, 4 принимает значение 1, если соответствующий ключ замкнут, и 0, если ключ разомкнут.

Состояние ключей определяется входным преобразуемым кодом. Схема проста, но имеет недостатки: значительные изменения напряжения на ключах и использование резисторов с сильно отличающимися сопротивлениями. Требуемую точность этих сопротивлений обеспечить затруднительно.

ЦАП на резистивной матрицы R — 2R

Рассмотрим ЦАП на основе резистивной матрицы R — 2R(матрицы постоянного сопротивления) (рис. 3.89).

В схеме использованы так называемые перекидные ключи S 1…S 4, каждый из которых в одном из состояний подключен к общей точке, поэтому напряжения на ключах невелики. Ключ S 5 замкнут только тогда, когда все ключи S 1…S 4 подключены к общей точке. Во входной цепи использованы резисторы всего с двумя различными значениями сопротивлений.

Васильев Дмитрий Петрович Профессор электротехники СПбГПУ

Из анализа схемы можно увидеть, что и для нее модуль выходного напряжения пропорционален числу, двоичный код которого определяется состоянием ключей S1. S4. Анализ легко выполнить, учитывая следующее.

Пусть каждый из ключей S 1…S 4 подключен к общей точке. Тогда, как легко заметить, напряжение относительно общей точки в каждой следующей из точек «a»…«d» в 2 раза больше, чем в предыдущей. К примеру, напряжение в точке «b» в 2 раза больше, чем в точке «а» (напряжения U а, U b, U c и U d в указанных точках определяются следующим образом:

Читайте также:  Тиристорные преобразователи напряжения для асинхронного электропривода

Допустим, что состояние указанных ключей изменилось. Тогда напряжения в точках «a»…«d» не изменятся, так как напряжение между входами операционного усилителя практически нулевое.

Из вышеизложенного следует, что:

u вых= − ( U 0R oc / 2R ) · S 4 − ( (U 0/2) R oc / 2R ) · S 3 – ( (U 0/4) R oc / 2R ) · S 2 − ( (U 0/8) R oc / 2R ) · S 1 = − ( U 0R oc/ 16R) · ( 8S 4+ 4S 3+ 2S 2 + S 1)

где S i , i = 1, 2, 3, 4 принимает значение 1, если соответствующий ключ замкнут, и 0, если ключ разомкнут.

ЦАП для преобразования двоично-десятичных чисел

Рассмотрим ЦАП для преобразования двоично-десятичных чисел (рис. 3.90).

Для представления каждого разряда десятичного числа используется отдельная матрица R − 2R (обозначены прямоугольниками). Z 0…Z 3 обозначают числа, определенные состоянием ключей каждой матрицы R − 2R.

Абрамян Евгений Павлович Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Принцип действия становится понятным, если учесть, что сопротивление каждой матрицы R, и если выполнить анализ фрагмента схемы, представленного на рис. 3.91.

Из анализа следует, что

U 2 = U 1 · [ ( R||9R) / (8,1R + R||9R) ]

R||9R = (R · 9R) / (R + 9R) = 0,9R

Следовательно, U 2 = 0,1 U 1. С учетом этого получим?

u вых= − ( U 0R oc / 16R ) · 10 −3 ( 10 3 · Z 3 + 10 2 · Z 2 + 10 · Z 1 + Z 0)

Наиболее распространенными являются ЦАП серий микросхем 572, 594, 1108, 1118 и др. В табл. 3.2 приведены…

Источник



Применение ЦАП

Схемы применения цифро-аналоговых преобразователей относятся не только к области преобразования код — аналог. Пользуясь их свойствами можно определять произведения двух или более сигналов, строить делители функций, аналоговые звенья, управляемые от микроконтроллеров, такие как аттенюаторы, интеграторы. Важной областью применения ЦАП являются также генераторы сигналов, в том числе сигналов произвольной формы. Ниже рассмотрены некоторые схемы обработки сигналов, включающие ЦА-преобразователи.

Обработка чисел, имеющих знак

До сих пор при описании цифро-аналоговых преобразователей входная цифровая информация представлялась в виде чисел натурального ряда (униполярных). Обработка целых чисел (биполярных) имеет определенные особенности. Обычно двоичные целые числа представляются с использованием дополнительного кода. Таким путем с помощью восьми разрядов можно представить числа в диапазоне от -128 до +127. При вводе чисел в ЦАП этот диапазон чисел сдвигают до 0. 255 путем прибавления 128. Числа, большие 128, при этом считаются положительными, а числа, меньшие 128, — отрицательными. Среднее число 128 соответствует нулю. Такое представление чисел со знаком, называется смещенным кодом. Прибавление числа, составляющего половину полной шкалы данной разрядности (в нашем примере это 128), можно легко выполнить путем инверсии старшего (знакового) разряда. Соответствие рассмотренных кодов иллюстрируется табл. 1.

Чтобы получить выходной сигнал с правильным знаком, необходимо осуществить обратный сдвиг путем вычитания тока или напряжения, составляющего половину шкалы преобразователя. Для различных типов ЦАП это можно сделать разными способами. Например, у ЦАП на источниках тока, диапазон изменения опорного напряжения ограничен, причем выходное напряжение имеет полярность обратную полярности опорного напряжения. В этом случае биполярный режим наиболее просто реализуется включением дополнительного резистора смещения Rсм между выходом ЦАП и входом опорного напряжения (рис. 18а). Резистор Rсм изготавливается на кристалле ИМС. Его сопротивление выбрано таким, чтобы ток Iсм составлял половину максимального значения выходного тока ЦАП.

Читайте также:  Виды выпрямителей напряжения переменного тока

В принципе, аналогично можно решить задачу смещения выходного тока и для ЦАП на МОП-ключах. Для этого нужно проинвертировать опорное напряжение, а затем сформировать из -Uоп ток смещения, который следует вычесть из выходного тока ЦАП. Однако для сохранения температурной стабильности лучше обеспечить формирование тока смещения непосредственно в ЦАП. Для этого в схему на рис. 8а вводят второй операционный усилитель и второй выход ЦАП подключают ко входу этого ОУ (рис. 18б).

Второй выходной ток ЦАП, согласно (10),

(21)

На входе ОУ1 ток I’вых суммируется с током Iмр, соответствующим единице младшего разряда входного кода. Суммарный ток инвертируется. Ток, протекающий через резистор обратной связи Rос ОУ2, составляет

Это в случае N=8 с точностью до множителя 2 совпадает с данными табл. 6, с учетом того, что для преобразователя на МОП-ключах максимальный выходной ток

Если резисторы R2 хорошо согласованы по сопротивлению, то абсолютное изменение их величины при колебаниях температуры не влияет на выходное напряжение схемы.

У цифро-аналоговых преобразователей с выходным сигналом в виде напряжения, построенных на инверсной резистивной матрице (см. рис. 9), можно более просто реализовать биполярный режим (рис. 18в). Как правило, такие ЦАП содержат на кристалле выходной буферный усилитель. Для работы ЦАП в униполярном включении свободный вывод нижнего по схеме резистора R не подключают, либо подключают к общей точке схемы для удвоения выходного напряжения. Для работы в биполярном включении свободный вывод этого резистора соединяют со входом опорного напряжения ЦАП. ОУ в этом случае работает в дифференциальном включении и его выходное напряжение с учетом (16)

(26)

Перемножители и делители функций

Как уже указывалось выше, ЦА-преобразователи на МОП-ключах, допускают изменение опорного напряжения в широких пределах, в том числе и смену полярности. Из формул (8) и (17) следует, что выходное напряжение ЦАП пропорционально произведению опорного напряжения на входной цифровой код. Это обстоятельство позволяет непосредственно использовать такие ЦАП для перемножения аналогового сигнала на цифровой код.

При униполярном включении ЦАП выходной сигнал пропорционален произведению двухполярного аналогового сигнала на однополярный цифровой код. Такой перемножитель называют двухквадрантным. При биполярном включении ЦАП (рис. 18б и 18в) выходной сигнал пропорционален произведению двухполярного аналогового сигнала на двухполярный цифровой код. Эта схема может работать как четырехквадрантный перемножитель.

Деление входного напряжения на цифровой масштаб MD=D/2 N выполняется с помощью схемы двухквадрантного делителя (рис. 19).

В схеме на рис. 19а преобразователь на МОП-ключах с токовым выходом работает как преобразователь «напряжение-ток», управляемый кодом D и включенный в цепь обратной связи ОУ. Входное напряжение подается на свободный вывод резистора обратной связи ЦАП, размещенного на кристалле ИМС. В этой схеме выходной ток ЦАП

что при выполнении условия Rос=R дает

Следует отметить, что при коде «все нули» обратная связь размыкается. Предотвратить этот режим можно, либо запретив такой код программно, либо включив между выходом и инвертирующим входом ОУ резистор с сопротивлением, равным R·2 N+1 .

Источник

Решение проблем с помощью умножающего цифро-аналогового преобразователя

Analog Devices AD5453 AD5664 ADA4637-1

Thomas Tzscheetzsch, Analog Devices

Вопрос:

Как можно использовать умножающий ЦАП не по прямому назначению?

Решение проблем с помощью умножающего цифро-аналогового преобразователя

Ответ:

Большинство цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) работает с фиксированным положительным опорным напряжением и выходным напряжением или током, пропорциональным произведению опорного напряжения на установленный цифровой код. С так называемыми умножающими цифро-аналоговыми преобразователями (УЦАП) это не так. Их опорное напряжение может меняться, часто в диапазоне ±10 В. На напряжение аналогового выхода можно влиять как опорным напряжением, так и цифровым кодом, – в обоих случаях, динамически.

Читайте также:  Анализ напряженного состояния при плоском изгибе главные напряжения при плоском поперечном изгибе

Приложения

При соответствующем подключении такой ЦАП может усилить, ослабить или инвертировать сигнал относительно опорного напряжения. Это дает возможность использовать УЦАП в генераторах сигналов, программируемых фильтрах и усилителях с программируемым коэффициентом усиления, а также во многих других приложениях, где требуется регулировать смещение или усиление.

На Рисунке 1 показан УЦАП с усилителем на выходе, который, в зависимости от входного кода ЦАП, может усиливать или ослаблять сигнал.

Рисунок 1. Схема с программируемым коэффициентом усиления.

Расчет схемы

Выходное напряжение схемы VOUT рассчитывается по следующей формуле:

где G – коэффициент усиления схемы.

Помимо коэффициента усиления и установленного на входе ЦАП цифрового кода D, выходное напряжение ограничено напряжением питания операционного усилителя. В представленном примере выходное напряжение усилителя ADA4637-1, питающегося от источника ±15 В, не должно выходить за границы ±12 В, чтобы оставить достаточный диапазон регулирования. Усиление G определяется сопротивлениями резисторов R2 и R3:

Все резисторы (от R1 до R3) должны иметь одинаковые температурные коэффициенты сопротивления, которые, однако, не обязательно должны быть такими же, как у внутренних резисторов ЦАП. Резистор R1 служит для согласования сопротивления внутреннего резистора ЦАП (RFB) с внешними резисторами R2 и R3 в соответствии со следующими соотношениями:

Сопротивления резисторов должны выбираться такими, чтобы операционный усилитель оставался в рабочем диапазоне при максимальном входном напряжении. (ЦАП может работать с опорными напряжениями ±10 В). Следует также отметить, что входной ток операционного усилителя умножается на сопротивление (RFB + R2 ‖ R3), что оказывает значительное влияние на напряжение смещения. По этой причине был выбран операционный усилитель ADA4637-1 с очень низкими входными токами и очень низким напряжением смещения. Для исключения неустойчивости системы с замкнутой петлей обратной связи, проявляющейся в так называемом «звоне», между выводами IOUT1 и RFB микросхемы включен конденсатор 4.7 пФ. Это особенно важно при использовании быстрых усилителей.

Как уже было сказано, напряжение смещения усилителя умножается на коэффициент усиления с замкнутой обратной связью. Когда усиление, установленное внешними резисторами, меняется с каждым приращением кода ЦАП, это произведение добавляется к требуемому значению, порождая ошибку дифференциальной нелинейности. Если ошибка достаточно велика, она может привести к немонотонному поведению ЦАП. Для исключения этого эффекта необходимо выбирать усилитель с низким напряжением смещения и низкими входными токами.

Преимущества перед другими схемами

В принципе, в подобной схеме могут использоваться и стандартные ЦАП, если они имеют внешний вход опорного напряжения, но между ними и УЦАП есть ряд существенных отличий. Стандартные ЦАП могут работать только с однополярными напряжениями с ограниченными амплитудами на опорном входе. Помимо амплитуды, у них очень ограничена полоса пропускания входа опорного напряжения. Полоса пропускания в умножающем включении указывается в справочных данных. Для 16-битного ЦАП AD5664, например, она составляет 340 кГц. Умножающие ЦАП способны работать с двуполярными напряжениями, которые, к тому же, могут быть выше напряжения на опорном входе. Полоса пропускания у них также намного выше; типовое значение для AD5453 равно 12 МГц.

Заключение

Умножающие цифро-аналоговые преобразователи не так широко распространены, однако они предоставляют множество возможностей. Помимо «самодельных» широкополосных усилителей с программируемым усилением, они, благодаря низкому потреблению мощности менее 50 мкВт, также очень хорошо подходят для мобильных приложений.

Материалы по теме

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Источник