Книги, научные публикации
Министерство путей сообщения Российской Федерации Дальневосточный государственный университет путей сообщения Кафедра "Электроснабжение транспорта" А.Г. Иванов В.Д. Кулажский С.В. Матющенко
АНАЛОГОЦИФРОВЫЕ И ЦИФРОАНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ Методическое пособие по курсовому и дипломному проектированию для студентов всех форм обучения по специальностям 1001, 1002, 1004, 2104 Хабаровск 2001 Рецензент: Вычислительный центр Дальневосточного отделения Российской академии наук (ученый секретарь, доцент, кандидат технических наук И.А. Кривошеев) Кандидат педагогических наук, доцент кафедры УОбщая физикаФ Хабаровского государственного педагогического университета Н.П. Петровых Методическое пособие содержит теоретические сведения, структуры, методику расчетов, основные требования и порядок проектирования аналого цифровых (АЦП) и цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП), а также приложение, в котором приведены основные технические данные современных интегральных схем АЦП и ЦАП.
Пособие предназначено для студентов электроэнергетических специальностей 1001, 1002,1004, 2104 всех форм обучения, выполняющих курсовой и дипломный проекты по дисциплинам "Средства диспетчерского и технологического управления", "Релейная защита и автоматика", "Измерительные комплексы", "Основы микропроцессорной техники".
ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ 1 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА 2 АНАЛОГОВЫЙ ПОРТ ВВОДА 2.1 Разработка устройства выборки и хранения 2.1.1 Устройство выборки и хранения со стробированием прямоугольными импульсами при малой постоянной времени 2.1.2 Устройство выборки и хранения с модуляцией импульсов генератора пилообразного напряжения 2.2 Разработка аналого-цифрового преобразователя 2.2.1 Определение разрядности аналого-цифрового преобразователя 2.2.2 Последовательный аналого-цифровой преобразователь со ступенчатым пилообразным напряжением 2.2.3 Аналого-цифровой преобразователь следящего типа 2.2.4 Аналого-цифровой преобразователь параллельного типа 2.3 Расчет блока управления 3 РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ ЦИФРО-АНАЛОГОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ 4 БЛОК МИКРОПРОЦЕССОРА 4.1 Разработка принципиальной схемы устройства ПРИЛОЖЕНИЕ (справочное). МИКРОСХЕМЫ АЦП И ЦАП Список литературы ВВЕДЕНИЕ Техническую основу современных средств преобразования информации составляют электронные устройства, выполняющие как линейные, так и нелинейные операции. Переход на интегральные микросхемы и микропроцессорную технику открывает большие возможности для улучшения свойств устройств релейной защиты и автоматики, измерения и передачи аналоговых и интегральных параметров, в том числе по системам телемеханики, управления объектами электроэнергетики и регулирования режимов их работы.
Рассмотренные вопросы применения, принципов работы и проектирования аналого-цифровых (АЦП) и цифро-аналоговых (ЦАП) преобразователей помогут студентам в освоении теоретического материала, при курсовом и дипломном проектировании по дисциплинам "Средства диспетчерского и технологического управления", "Релейная защита и автоматика", "Измерительные комплексы" и "Основы микропроцессорной техники".
Глубокое изучение указанных устройств обусловлено тем обстоятельством, что АЦП и ЦАП применяются для связи цифровой микропроцессорной и вычислительной техники с объектами контроля и управления, т.е. для преобразования в реальном масштабе времени аналоговых входных сигналов в цифровой код и для обратного преобразования цифровой информации в аналоговый выходной сигнал информационно-управляющих устройств.
Методическое пособие содержит приложение, в котором приведены основные электрические параметры и технические характеристики современных интегральных схем ЦАП и АЦП отечественного производства.
1 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА Структурная схема устройства контролирования параметра на базе микропроцессора (далее по тексту устройство) представлена на рисунке 1.1.
Рисунок 1.1 - Структурная схема устройства контролирования параметра на базе микропроцессора: ДВП - датчик входного параметра;
ВхБ - входной блок;
АПВ - аналоговый порт ввода;
БМП - блок микропроцессора;
ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь;
р - входной параметр;
= р - преобразованное значение входного параметра;
аву - аналоговый выход устройства;
ЦВУ - цифровой выход устройства ДВП представляет собой трансформатор напряжения (ТН) или тока (ТТ) (рисунок 1.2), на выходе которого присутствует переменное значение контролируемого параметра.
Рисунок 1.2 - Датчики входного параметра: а) ТТ;
б) ТН ВхБ (рисунок 1.3) содержит преобразователь напряжения или тока, который осуществляет понижение переменного значения входного параметра, подаваемого со вторичной обмотки ТН (ТТ), и преобразование его в постоянное напряжение, величина которого пропорциональна величине входного параметра.
Рисунок 1.3 - Входной блок устройства АПВ содержит делитель напряжения, устройство выборки и хранения (УВХ), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок местного управления и буферный регистр (рисунок 1.4).
Рисунок 1.4 - Структурная схема аналогового порта ввода устройства БМП (рисунок 1.5) включает в себя микропроцессор, генератор тактовых импульсов (ГТИ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), а также выходной буферный регистр (БРг).
Рисунок 1.5 - Структурная схема блока микропроцессора Работа устройства заключается в следующем. Переменное значение контролируемого параметра, представляющее собой напряжение или ток с датчика входного параметра на входной блок, где преобразуется в постоянное напряжение, пропорциональное входному параметру, и подается на аналоговый порт ввода. АПВ производит преобразование аналоговой формы сигнала в цифровую. С выхода АПВ полученный двоичный n разрядный код поступает в БМП, где происходит его обработка в соответствии с заложенной в ПЗУ и ОЗУ программой. Результат обработки информации в цифровой форме через шину данных подается на вход ЦАП, где преобразуется в аналоговый сигнал (напряжение), или на БРг. Выход ЦАП является аналоговым выходом устройства, БРг является цифровым выходом устройства.
2 АНАЛОГОВЫЙ ПОРТ ВВОДА 2.1 Разработка устройства выборки и хранения Устройство выборки и хранения аналогового сигнала служит для фиксации мгновенных значений сигналов в определенные моменты времени. УВХ необходимо при обработке быстроизменяющихся сигналов с целью согласования их динамических характеристик с динамическими характеристиками АЦП. В этом случае удается расширить динамический диапазон АЦП, снизить динамическую погрешность, выполнить точную временную привязку значения кода к реальному моменту получения отсчета.
В основе работы УВХ лежит операция стробирования. В зависимости от варианта предлагается два типа УВХ: со стробированием прямоугольными импульсами при малой постоянной времени и с модуляцией импульсов генератора пилообразного напряжения (ГПН). Эти УВХ рассматриваются ниже в порядке вариантов.
2.1.1 Устройство выборки и хранения со стробированием прямоугольными импульсами при малой постоянной времени Схема УВХ рассматриваемого типа и диаграмма, поясняющая ее работу, представлены на рисунке 2.1.
При подаче стробирующего импульса Uстр на разрешающий вход электронного ключа последний открывается (момент времени t1), и начинается заряд накапливающего конденсатора Сн под воздействием входного напряжения Uвх. Длительность стробирующего импульса tстр много больше времени заряда конденсатора tстр >> RC, поэтому конденсатор за время tстр успевает зарядиться до любого допустимого значения Uвх. По окончании стробирующего импульса (момент t2) электронный ключ разорвет цепь RCн, и на конденсаторе останется значение напряжения Uвх, соответствующее моменту t2. Это значение входного напряжения будет храниться в УВХ до подачи следующего стробирующего импульса и так далее. Это напряжение через выходной усилитель подается на выход УВХ.
Рисунок 2.1 - Схема УВХ со стробированием прямоугольными импульсами при малой постоянной времени (а) и диаграммы, поясняющие ее работу (б) В качестве сопротивления R можно выбрать резистор типа МЛТ-0, (номиналы от 8,2 Ом до 3 МОм, допуск 5 %, ряд E24), а в качестве емкости СН - конденсатор К10-50 МПО (номиналы от 1100 до 30000 пФ, допуск 5 %, ряд E24). При этом необходимо, чтобы было равно RC RC. (2.1) 2.1.2 Устройство выборки и хранения с модуляцией импульсов генератора пилообразного напряжения УВХ с модуляцией импульсов генератора пилообразного напряжения (ГПН) состоит из ГПН, компаратора К, накапливающего конденсатора Сн и выходного усилителя У (рисунок 2.2, а). При подаче на ГПН стробирующего импульса (момент времени t1), напряжение на его выходе сбрасывается до нуля, накапливающий конденсатор разряжается, компаратор устанавливается в положение "1". ГПН начинает вырабатывать линейно возрастающее напряжение. В момент времени t2, когда напряжение на выходе ГПН сравняется со входным, срабатывает компаратор (рисунок 2.2, а), на его выходе появляется "0", блокирующий ГПН. Напряжение на выходе УВХ при этом остается равным входному напряжению Uвх, соответствующему моменту времени t2. В момент времени t3 приходит следующий стробирующий импульс и процесс повторяется.
Рисунок 2.2 - Схема УВХ с модуляцией импульсов ГПН (а) и диаграмма, поясняющая ее работу (б) Длительность стробирующего импульса в рассматриваемом типе УВХ должна превышать время, необходимое для достижения напряжением, вырабатываемым ГПН, значения от нуля до максимально допустимого значения Uвх.
На принципиальной схеме устройства необходимо изобразить заданный тип УВХ в соответствии с рисунками 2.1, а или 2.2, а, подключив три его вывода к соответствующим элементам для обеспечения работоспособности устройства (в соответствии со структурной схемой, представленной на рисунке 1.2).
БУ формирует управляющие импульсы: импульсы выборки, поступающие в УВХ и фиксирующие моменты дискретизации, импульсы сброса счетчика последовательного АЦП с пилообразным напряжением (в случае применения такого типа АЦП ) и импульсы разрешения записи выходного кода АЦП в буферный регистр БМП. Структурная схема БУ представлена на рисунке 2.3.
Рисунок 2.3 - Структурная схема БУ: ГТИ - генератор тактовых импульсов;
S - одновибратор 2.2 Разработка аналого-цифрового преобразователя 2.2.1 Определение разрядности аналого-цифрового преобразователя В преобразовании сигналов из аналоговой формы в цифровую можно выделить следующие процессы: дискретизацию, квантование, кодирование.
Процесс дискретизации заключается в том, что из непрерывного во времени сигнала (в рассматриваемом случае таким сигналом является напряжение) выбираются отдельные его значения, соответствующие тактовым моментам времени (на рисунке 2.4 это моменты времени t0, t1...), следующим через определенный временной интервал Т, называемый тактовым интервалом.
Операция квантования состоит в округлении значений аналогового напряжения, выбранных в тактовые моменты времени, до ближайшего уровня квантования (рисунок 2.4). Уровни квантования сдвинуты друг относительно друга на величину, называемую шагом квантования.
Каждому уровню квантования присваивается порядковый номер (0, 1, 2, 3 и т.д.).
Рисунок 2.4 - Сетка уровней квантования На диаграмме рисунка 2.4 значение напряжения в тактовый момент времени t0 заменяется ближайшим к нему уровнем квантования с номером 3, в момент t1 - уровнем 6, t2 - 7, t3 - 7, t4 - 3, t5 - 1, t6 - 2, t7 - 3. Смысл операции кодирования заключается в представлении полученной в результате квантования последовательности десятичных чисел (3, 6, 7, 7, 3, 1, 2, 3) двоичным кодом. Теперь рассматриваемая выше последовательность будет выглядеть следующим образом: 011, 110, 111, 111, 011, 001, 010, 011.
Необходимое количество уровней квантования проектируемого устройства, (2.2) где L - ширина диапазона изменения тока (напряжения), А (В);
m - максимальный шаг квантования, А (В).
Шаг квантования, А (В), определяется исходя из заданной точности (шума квантования):
, (2.3) где - шум квантования, %.
Далее необходимо определить минимальное количество разрядов АЦП, которое может обеспечить рассчитанное число уровней квантования.
Количество разрядов определяется как ближайшее целое число по условию (2.4) Исходя из рассчитанного количества разрядов определяется действительное число уровней квантования N' = 2n, (2.5) действительное значение шага квантования, А (В), (2.6) а также действительное значение шума квантования, выраженное в процентах от ширины диапазона измерений. (2.7) Рассчитанная разрядность АЦП определяет разрядность микропроцессора и ЦАП.
Для проектирования устройства предлагается использовать один из трех типов АЦП (в зависимости от варианта): последовательный АЦП со ступенчатым пилообразным напряжением;
АЦП следящего типа;
параллельный АЦП.
2.2.2 Последовательный аналого-цифровой преобразователь со ступенчатым пилообразным напряжением Структурная схема преобразователя данного типа приведена на рисунке 2.5, а.
Тактовым импульсом (ТИ) счетчик Сч сбрасывается в нулевое состояние.
Нулевое напряжение Uoc = 0 возникает на выходе ЦАП, преобразующего число счетчика в пропорциональное напряжение. Устанавливается неравенство Uвх > Uос, при котором компаратор К подает на вход элемента И уровень логической "1". При этом импульсы генератора импульсной последовательности ГИП проходят через элемент И на вход счетчика.
Каждый поступивший на вход счетчика импульс вызывает увеличение хранившегося в нем числа на единицу, на одну элементарную ступеньку напряжение возрастает на выходе ЦАП. Таким образом, напряжение Uос растет по ступенчатому закону, как показано на рисунке 2.5, б.
В момент времени, когда напряжение Uос достигает уровня, превышающего Uвх, компаратор выдает уровень логического "0", и в дальнейшем прекращается доступ импульсов генератора в счетчик. Полученное к этому моменту времени в счетчике число пропорционально напряжению Uвx.
Рисунок 2.5 - Схема последовательного АЦП со ступенчатым пилообразным напряжением (а) и диаграмма его работы (б) 2.2.3 Аналого-цифровой преобразователь следящего типа Рассмотренный выше тип АЦП работает в циклическом режиме. В нем каждый очередной тактовый импульс устанавливает преобразователь в исходное состояние, после чего начинается процесс преобразования.
Быстродействие такого преобразователя ограничивается, главным образом, быстродействием счетчика (а именно, быстродействием триггеров его младших разрядов, в которых переключение происходит с высокой частотой).
На практике часто используется нециклический преобразователь, структурная схема которого представлена на рисунке 2.6, а.
Рисунок 2.6 - Схема АЦП следящего типа (а) и диаграмма его работы (б) Эта схема отличается от схемы преобразователя предыдущего типа тем, что в ней используется реверсивный счетчик Сч, управляемый сигналами с выхода компаратора К. При Uвх > Uос счетчик устанавливается в режим прямого счета, поступающие на вход импульсы генератора ГИП последовательно увеличивают в нем число, растет напряжение Uос, до уровня напряжения Uвх. При Uвх < Uос счетчик переводится в режим обратного счета, при котором убывает число в счетчике и, следовательно, убывает напряжение Uос, пока не будет достигнуто значение Uвх.
Таким образом, все происходящие во времени изменения напряжения Uвх отслеживаются напряжением Uос на выходе ЦАП.
В необходимые моменты времени с выхода счетчика могут сниматься числа, пропорциональные значениям Uвх.
2.2.4 Аналого-цифровой преобразователь параллельного типа Диаграмма работы АЦП параллельного типа представлена на рисунке 2.7, схема АЦП представлена на рисунке 2.8.
Рисунок 2.7 - Диаграмма работы работы АЦП параллельного типа Рисунок 2.8 - Схема АЦП параллельного типа АЦП параллельного типа содержит делитель, состоящий из набора последовательно включенных резисторов с одинаковым сопротивлением R, компараторов К и кодирующей логики. На один из входов каждого компаратора подается опорное напряжение Uоп, снимаемое с делителя, причем эти напряжения отличаются друг от друга на величину U (см.
рисунок 2.7). Вторые входы компараторов объединены и на них подано входное напряжение Uвх. Работу АЦП данного типа можно рассмотреть по диаграмме, изображенной на рисунке 2.7. При достижении входным напряжением значения опорного напряжения первого компаратора U (момент времени t1) последний срабатывает и подает сигнал активного уровня со своего выхода на первый вход устройства кодирующей логики, на выходе которого при этом появляется число "1" в двоичном коде. При дальнейшем возрастании входного напряжения в момент времени t сработает второй компаратор и на выходе АЦП появится "2" и т.д. В данном случае значение U представляет собой шаг квантования.
Для реализации вышеописанного в качестве устройства кодирующей логики нужно применить двоичный шифратор с приоритетом старшего входа.
Принципиальную схему АЦП следует составить согласно структурным схемам, приведенным на рисунках 2.5, а, 2.6, а или 2.8, в зависимости от заданного варианта. Принципиальная схема АЦП должна быть выполнена на формате А4 в виде отдельного приложения.
Для составления схем последовательного АЦП со ступенчатым пилообразным напряжением и АЦП следящего типа по справочной литературе [4, 5] необходимо выбрать микросхему двоичного счетчика (реверсивного или нет - в зависимости от варианта) и применить такое их количество, чтобы обеспечить разрядность, рассчитанную в п. 2.2.1. Для обеспечения нормальной работоспособности схемы требуется подать на незадействованные входы микросхем сигналы "0" и "1" согласно таблице состояний счетчика. Микросхемы соединяются между собой согласно указаниям справочной литературы [4, 5]. Схемы ЦАП, применяемые в данных типах АЦП, на принципиальной схеме АЦП показываются также, как на структурной схеме (см. рисунки 2.5, а и 2.6, а), все остальные элементы - условными функциональными обозначениями.
Для составления принципиальной схемы АЦП параллельного типа требуется выбрать микросхему двоичного шифратора с приоритетом старшего входа и применить такое их количество, чтобы обеспечить разрядность, рассчитанную в п. 2.2.1. Для обеспечения нормальной работоспособности схемы требуется подать на незадействованные входы микросхем сигналы "0" и "1" согласно таблице состояний шифратора. Микросхемы соединяются между собой согласно указаниям справочной литературы [4, 5].
Границы составленной схемы выполняются пунктирной линией. Все входы и выходы схемы изображаются в виде клемм и нумеруются по порядку (рисунок 2.9).
Рисунок 2.9 - Порядок изображения выводов принципиальной схемы АЦП (ЦАП) 2.3 Расчет блока управления Блок управления формирует импульсы, управляющие работой аналогового порта ввода. Временные диаграммы работы БУ представлены на рисунке 2.10. Целью расчета БУ является определение частот одновибратора и ГТИ для выбора параметров их времязадающих элементов. Времязадающими элементами одновибратора и ГТИ являются резистор и конденсатор, подключаемые к соответствующим выводам микросхем, на которых они собраны. Параметры резистора и конденсатора подбираются по номинальным значениям из справочной литературы [4, 5] исходя из условия (для микросхем К155 АГ1 или К555 АГ1), (2.8) где Т - длительность импульса, мкс.
Рисунок 2.10 - Временные диаграммы работы блока управления В формуле (2.8) для сопротивления и емкости принимаются размерности килоомы и нанофарады соответственно. Сопротивление резистора R может находиться в пределах 1,5Ц43 кОм. Выбор параметров элементов осуществляется исходя из того, чтобы сопротивление, выбранное из номинального ряда, находилось в вышеуказанных пределах, а произведение его и емкости, выбранной из номинального ряда емкостей для принятого типа конденсатора, было наиболее близко к рассчитанному по (2.8) значению.
Допускается использование других микросхем, но при этом для расчета параметров R и С необходимо пользоваться рекомендациями соответствующей справочной литературы.
Для одновибратора длительность импульса, мкс,, (2.9) где - время выборки УВХ, мкс.
Для ГТИ длительность импульса, мкс,, (2.10) где tацп - максимальное время преобразования АЦП, мкс.
После расчета длительностей импульсов по формулам (2.9) и (2.10) для одновибратора и ГТИ производится подбор параметров их времязадающих элементов с использованием формулы (2.8) (или другой согласно справочной литературе для микросхем, кроме К155 АГ1, К555 АГ1). При выборе времязадающих элементов рекомендуется использовать резисторы марки МЛТ, ОМЛТ и других мощностью 0,125 Вт и конденсаторы любой марки с номинальным напряжением 10Ц15 В.
Принципиальную схему блока управления следует составить соответствующей структурной, приведенной на рисунке 1.3. Для этого можно использовать один из двух нижеследующих вариантов.
Вариант 1: применить микросхемы одновибраторов (ждущих мультивибраторов). Для составления схемы понадобится три одновибратора, на двух из которых собирается ГТИ, представляющий собой мультивибратор.
При этом одновибраторы соединяются между собой в соответствии с рекомендациями, указанными в справочной литературе [4, 5] или другой, по которой выбирались микросхемы. Необходимо обратить внимание на то, что в одном корпусе микросхемы может находиться несколько устройств.
Вариант 2: применить микросхемы мультивибратора (автогенератора) и одновибратора (ждущего мультивибратора).
Для составления принципиальной схемы БУ применяются либо указанные выше микросхемы, либо иные, выбранные по справочной литературе. К соответствующим выводам микросхем подключаются резисторы и конденсаторы, указания по выбору которых приведены выше. Разработанная схема БУ приводится на общей принципиальной схеме устройства. Три или два (в зависимости от заданного типа АЦП) выхода получившейся схемы БУ с соответствующих выводов микросхем необходимо подключить к нужным элементам для обеспечения работоспособности устройства (в соответствии со структурной схемой, представленной на рисунке 1.3).
3 РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ ЦИФРО-АНАЛОГОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ Для проектирования устройства предлагается использовать один из трех типов ЦАП (в зависимости от варианта): с суммированием напряжений;
с суммированием напряжений на аттенюаторе сопротивлений;
с суммированием токов.
Одна из таких схем с суммированием напряжений на операционном усилителе приведена на рисунке 3.1. В регистр входного числа помещаются двоичные числа, предназначенные для перевода в пропорциональные им значения напряжения на выходе. Будем считать, что напряжение на выходе каждого из триггеров регистра может принимать одно из двух возможных значений: Е при состоянии "1" и 0 при состоянии "0".
Напряжения с выходов триггеров передаются на выход ЦАП через операционный усилитель, работающий в режиме взвешенного суммирования напряжений (аналогового сумматора). Для каждого триггера предусматривается отдельный вход в сумматоре с определенным коэффициентом передачи. (3.1) Рисунок 3.1 - Схема ЦАП с суммированием напряжений Таким образом, напряжение с выхода триггера n-го разряда передается на выход усилителя с коэффициентом передачи ;
(3.2) для (n - 1)-го разряда ;
(3.3) для (n - 2)-го разряда:
и т.д. (3.4) Следует обратить внимание на то, что коэффициенты передачи усилителя с отдельных его входов находятся в том же соотношении, что и весовые коэффициенты соответствующих разрядов двоичного числа. Taк, Кn в 2 раза больше Kn-1 и весовой коэффициент n-го разряда в 2 раза больше весового коэффициента (n - 1)-го разряда. Следовательно, напряжения, передаваемые на выход усилителя с выходов триггеров отдельных разрядов, находящихся в состоянии "1", пропорциональны весовым коэффициентам разрядов.
Если в состоянии "1" находятся одновременно триггеры нескольких разрядов, то напряжение на выходе усилителя равно сумме напряжений, передаваемых на этот выход от отдельных триггеров. Пусть цифры отдельных разрядов двоичного числа в регистре - аn, аn-1,..., а1. Тогда напряжение на выходе усилителя (3.5) где N - десятичное значение двоичного числа, введенного в регистр.
Из выражения (3.5) видно, что напряжение на выходе ЦАП пропорционально значению числа в регистре.
Рассмотрим работу ЦАП в случае, когда в схеме, изображенной на рисунке 3.1, вместо регистра входного числа находится двоичный счетчик. Если подать на вход этого счетчика последовательность импульсов, то с приходом каждого очередного импульса число в счетчике будет увеличиваться на единицу и напряжение на выходе ЦАП будет возрастать на ступеньку, соответствующую единице младшего разряда счетчика. Величина такой ступеньки. Таким образом, напряжение на выходе ЦАП будет иметь ступенчатую форму, как показано на рисунке 3.2. После поступления (2n - 1) импульсов все разряды счетчика будут содержать "1", на выходе ЦАП образуется максимальное напряжение (3.6) При большом числе разрядов и Далее очередным импульсом счетчик будет сброшен в нулевое состояние, нулевым будет и выходное напряжение ЦАП. После этого счетчик начинает счет импульсов сначала и на выходе ЦАП вновь формируется напряжение ступенчатой формы.
Рисунок 3.2 - Диаграмма работы ЦАП с суммированием напряжений Суммарная абсолютная погрешность преобразователя Uвых должна быть меньше выходного напряжения, соответствующего единице младшего разряда входного двоичного числа:
(3.7) Отсюда можно получить условие для относительной погрешности:
(3.8) Это соотношение определяет связь между относительной погрешностью преобразователя и числом его разрядов n. Так, при n = 10 0,001 = 0,1%.
Недостатки рассмотренной схемы преобразователя:
а) используются высокоточные резисторы с различными сопротивлениями;
б) трудно обеспечить высокую точность выходного напряжения триггеров регистра.
Недостатки предыдущей схемы (см. рисунок 3.1) устранены в схеме ЦАП, приведенной на рисунке 3.3, где показана схема трехразрядного преобразователя.
Нетрудно построить схему с любым заданным числом разрядов.
Особенности этой схемы состоят в том, что, во-первых, используются резисторы лишь с двумя значениями сопротивлений (R и 2R) и, во-вторых, выходные напряжения триггеров непосредственно не участвуют в формировании выходного напряжения ЦАП, а используются лишь для управления состоянием ключей, т.е. устранены отмеченные выше недостатки предыдущей схемы ЦАП (см. рисунок 3.1).
Рассмотрим подробнее работу такого преобразователя. В каждом разряде имеется два ключа, через один из них в аттенюатор сопротивлений подается напряжение Е, через другой - нулевое напряжение.
Рисунок 3.3 - Схема ЦАП с суммированием напряжений на аттенюаторе сопротивлений Определим напряжения, возникающие на выходе ЦАП от единиц отдельных разрядов числа, помещаемого в регистр. Пусть в регистр введено число 1002. Триггер старшего разряда регистра входного числа находится в состоянии "1", и в третьем разряде открыт ключ Кл3, в остальных разрядах - триггеры в состоянии "0", и открыты ключи Кл'2 и Кл'1, (рисунок 3.4, а).
Последовательными преобразованиями можно получить схему (рисунок 3.4, д), из которой следует, что напряжение в точке А3 UА3 = Uвых = Е / 3.
Если в регистр поместить число 0102, то аттенюатор можно представить схемой, показанной на рисунке 3.4, а. Путем преобразования ее можно привести к схеме, представленной на рисунке 3.4, в.
Возникающее в точке А2 напряжение имеет то же значение, что и в предыдущей схеме в точке А3. Из рисунка 3.5 видно, что при передаче на выход преобразователя, это напряжение делится на два и, таким образом, Uвых = 0,5 UА2 = 0,5 Е / 3.
Можно показать, что при числе 0012 напряжение в точке A1 UА1= E/3. При передаче этого напряжения в точку А2 и далее от точки А2 к точке А напряжение каждый раз делится на два и Uвых = 0,25 Е / 3.
Рисунок 3.4 - Преобразование схемы аттенюатора сопротивлений Рисунок 3.5 - Преобразование схемы аттенюатора сопротивлений Итак, напряжение на выходе, соответствующее единицам отдельных разрядов двоичного числа в регистре, пропорционально весовым коэффициентам разрядов. При n-разрядном регистре, обозначив цифры разрядов двоичного числа аn, аn-1,..., а1, получим выражение напряжения на выходе ЦАП:
(3.9) Из выражения (3.9) видно, что выходное напряжение ЦАП пропорционально значению числа N, помещаемого в регистр.
Аппаратурные погрешности преобразования в данной схеме связаны с отклонениями сопротивлений резисторов от их номинальных значений, неидеальностью ключей (сопротивление реального ключа в закрытом состоянии не равно бесконечности, а в открытом - не равно нулю), нестабильностью источника напряжения Е. Наибольшее влияние на погрешность ЦАП оказывают эти отклонения в старших разрядах.
На рисунке 3.6 показан еще один вариант схемы ЦАП - схема с суммированием токов на аттенюаторе сопротивлений. Вместо источника стабильного напряжения Е в данной схеме используются источники стабильного тока I. Если триггер регистра входного числа находится в состоянии "1", ток I источника через открытый ключ втекает в аттенюатор сопротивлений;
если триггер в состоянии "0", то открывается другой ключ, который замыкает источник. На рисунке 3.7, а показана схема, соответствующая числу 10002. Путем преобразований она приводится к эквивалентным схемам на рисунках 3.7, б и 3.7, в, откуда следует UA4 = Uвых = R I. Такое же напряжение образуется в любой из точек А1, А2, А3, А4, если соответствующий разряд регистра содержит единицу. При передаче напряжения между этими точками напряжение делится на два и, следовательно, выходное напряжение (3.10) Принципиальную схему ЦАП следует составить согласно структурным схемам, приведенным на рисунках 3.1, 3.2, 3.6, в зависимости от заданного варианта. Принципиальная схема ЦАП должна быть выполнена на формате А4 в виде отдельного приложения. В каждом варианте требуется выбрать микросхему регистра входного двоичного числа по справочной литературе [3, 4] или другой. В качестве вышеуказанного регистра можно применить любой простой регистр. При выборе необходимо ознакомиться с таблицей состояний применяемой микросхемы и на чертеже показать такую расстановку сигналов уровней "0" и "1" по входам, чтобы обеспечить работоспособность устройства. Границы составленной схемы выполняются пунктирной линией. Все входы и выходы схемы изображаются в виде клемм и нумеруются по порядку (см. рисунок 2.9).
Рисунок 3.6 - Схема ЦАП с суммированием токов Рисунок 3.7 - Преобразование схемы аттенюатора сопротивлений ЦАП с суммированием токов 4 БЛОК МИКРОПРОЦЕССОРА Все элементы блока микропроцессора изображаются на общей принципиальной схеме устройства.
В качестве микропроцессора и генератора тактовых импульсов (ГТИ) блока микропроцессора применяются микросхемы КР 580 ИК 80 А и КР 580 ГФ соответственно, условные функциональные обозначения и описание работы которых в виде таблиц необходимо привести в пояснительной записке, пользуясь [8]. Микросхема ГТИ подключается к микросхеме микропроцессора через соответствующие выходы [8].
Устройство управления (УУ) изображается на схеме по образцу рисунка 4.1 и через шину управления подключается к соответствующим выводам микросхем ГТИ, микропроцессора, ОЗУ и ПЗУ.
Микросхемы ОЗУ и ПЗУ выбираются по справочной литературе [4, 5] или другой. Выходы выбранных микросхем памяти должны обязательно иметь третье (высокоимпендансное) Рисунок 4.1 - Изображение состояние. Управляющие входы микросхем через шину устройства управления на схеме:
управления соединяются с УУ.
ШУ - шина управления Для подключения ОЗУ и ПЗУ к шине данных при помощи соответствующих разрешающих входов можно использовать незадействованные адресные выходы микросхемы микропроцессора, подключив их через шину адреса.
4.1 Разработка принципиальной схемы устройства Принципиальная схема устройства контролирования входного параметра на базе микропроцессора выполняется в виде отдельного приложения на формате А3. На схеме показывается полностью развернутый блок микропроцессора в соответствии с вышеуказанными рекомендациями, принципиальная схема блока управления АПВ, развернутый входной блок. Блоки АЦП и ЦАП показываются на схеме по образцу рисунка 4.2. Подключение входов и выходов блоков должно быть осуществлено в соответствии с нумерацией клемм, показанной на принципиальных схемах АЦП и ЦАП (приложение).
Рисунок 4.2 - Изображение АЦП (ЦАП) на общей принципиальной схеме устройства Входы и выходы элементов схемы соединяются между собой либо непосредственно, либо через три шины: шину данных (ШД), шину адреса (ША) и шину управления (ШУ). Шины на схеме показываются жирной линией, подключение микросхем и блоков к шинам - по аналогии с рисунком 4.3.
К шине данных подключаются выходы данных АПВ, входы данных ЦАП, информационные выходы ОЗУ и ПЗУ, информационные выводы микросхемы микропроцессора. К шине адреса подключаются адресные выводы микросхемы микропроцессора, адресные выходы ОЗУ и ПЗУ, входы перевода выходов микросхем буферного регистра БМП, ОЗУ и ПЗУ в третье состояние. К шине управления подключаются выходы устройства управления, а также управляющие входы микросхем БМП.
АЦП подключается к шине данных через буферный регистр, имеющий третье состояние выходов. Микросхему (или несколько микросхем, что зависит от рассчитанной разрядности устройства) буферного регистра необходимо выбрать по справочной литературе (например [3, 4]) и выходы схемы АЦП подключить к ее входам. Тактовый вход буферного регистра подключается к соответствующему выходу БУ, а вход, переводящий выходы буферного регистра в третье состояние, - через шину адреса к одному из незадействованных адресных выходов микропроцессора.
Рисунок 4.3 - Подключение микросхем к шинам Информационные входы входного регистра ЦАП подключаются к шине данных непосредственно. Тактовый вход регистра подключается через шину адреса к одному из незадействованных адресных выходов микропроцессора (можно к тому же, к которому подключен буферный регистр АЦП, но так, чтобы в один и тот же момент времени на подключенные к нему входы регистров АЦП и ЦАП, если они не являются инверсными по отношению друг к другу, подавались инверсные сигналы).
ПРИЛОЖЕНИЕ (справочное) МИКРОСХЕМЫ АЦП И ЦАП Микросхема К572ПА Микросхемы К572ПА2 и КР572ПА Микросхема К594ПА Микросхема К1108ПА Микросхема К1118ПА Микросхема К1118ПА Микросхема К1118ПА Микросхемы АЦП К572ПВ1 и КР572ПВ Микросхема К1107ПВ Микросхема К1107ПВ Микросхема К1107ПВЗ Микросхема К1107ПВ Микросхема КР1107ПВ Микросхема К1108ПВ Микросхема К1108ПВ Микросхема АЦП К1113ПВ Микросхемы К572ПВ2 и КР572ПВ Микросхема КР572ПВ Микросхема К572ПА Микросхема умножающего ЦАП типа К572ПА1 (А, Б, В, Г) (рисунок 1) является универсальным структурным звеном для построения микроэлектронных ЦАП, АЦП и управляемых кодом делителей тока.
Благодаря малой потребляемой мощности, достаточно высокому быстродействию, возможности реализации полного двух- и четырехквадратного умножения, небольшим габаритам ЦАП К572ПА1 находит широкое применение в различной аппаратуре.
Микросхема ЦАП К572ПА1 предназначена для преобразования 10 разрядного прямого параллельного двоичного кода на цифровых входах в ток на аналоговом выходе, который пропорционален значениям кода и опорного напряжения. Для работы в режиме с выходом по напряжению к ИС ЦАП К572ПА1 подключатся внешний ИОН и операционный усилитель (ОУ) с целью создания отрицательной обратной связи (ЦОС), работающей в режиме Рисунок 1 - Микросхема суммирования токов.
К572ПА Нумерация и назначение выводов микросхемы: 1 - аналоговый выход 1;
- аналоговый выход 2;
3 - общий вывод;
4 - цифровой вход 1 (СР);
5 - 12 - цифровые входы 2 - 9;
13 - цифровой вход 10 (МР);
14 - напряжение источника питания;
15 - опорное напряжение;
16 - вывод резистора обратной связи.
Основные электрические параметры:
Не менее Не более - число разрядов b 10 - - дифференциальная нелинейность, %:
LD К572ПА1А -0,1 0, К572ПА1Б -0,2 0, К572ПА1В -0,4 0, К572ПА1Г -0,8 0, - время установления выходного тока tsI, мкс - - выходной ток смещения нуля I00, нА - - абсолютная погрешность преобразования в конечной точке шкалы, МР -30 Fa - ток потребления ICC, мА - Точность ЦАП определяется значением абсолютной погрешности прибора, нелинейностью и дифференциальной нелинейностью. Абсолютная погрешность представляет отклонение значения выходного напряжения (тока) от номинального расчетного, соответствующего конечной точке характеристики преобразования. Абсолютная погрешность обычно измеряется в единицах младшего значащего разряда (МР). Нелинейность прибора L характеризуется идентичность минимальных приращений выходного сигнала во всем диапазоне преобразования и определяется как наибольшее отклонение выходного сигнала от прямой линии абсолютной точности, проведенной через ноль и точку максимального значения выходного сигнала.
Дифференциальная нелинейность LD характеризует идентичность соседних приращений сигнала. Ее определяют как минимальную разность погрешности нелинейности двух соседних квантов в выходном сигнале.
Время установления - это интервал времени от подачи входного кода до вхождения выходного сигнала в заданные пределы. Максимальная частота преобразования - это наибольшая частота дискретизации, при которой параметр ЦАП соответствует заданному значению.
Нормы на электрические параметры данной интегральной схемы (ИС) и возможность ее согласования с КМОП цифровой ИС обеспечиваются при напряжении источника питания 15 В 10 % и опорном напряжении 10,24 В.
Для работы ЦАП с ТТЛ схемами требуются дополнительные резисторы согласования уровней. Непосредственное согласование ЦАП с ТТЛ цифровыми ИС возможно при питании от источника 5 В 10%. Однако электрические параметры в этом случае ухудшаются. Преобразователь К572ПА1 допускает работу при напряжении питания в диапазоне от 5 до 7 В и изменении опорного напряжения в пределах 17 В без гарантии норм на параметры.
Микросхемы К572ПА2 и КР572ПА Микросхемы умножающего ЦАП К572ПА2 (А, Б, В) (рисунок 2) или КР572ПА2 (А, Б, В), как и ИС К572ПА1, являются универсальными структурными звеньями для построения микроэлектронных ЦАП, АЦП и управляемых цифровым кодом делителей тока. Они предназначены для преобразования 12-разрядного прямого двоичного кода на цифровых входах в ток на аналоговом выходе, который пропорционален значениям кода и (или) опорного напряжения.
Рисунок 2 - Микросхема К572ПА Нумерация и назначение выводов (для ИС КР572ПА2 в скобках): 2(32) - аналоговый выход 2;
4(33) - аналоговая земля;
6(34) - вход регистра 1;
8(35) - 19(6) - цифровые входы 1 - 12;
21(8) - вход регистра 2;
22(9) - цифровая земля;
24(10) - напряжение источника питания U СС2;
30(13) - вывод конечного резистора матрицы;
38(27) - опорное напряжение U REF;
47(28) - вывод резистора обратной связи;
48(31) - аналоговый выход 1;
1, 3, 5, 7, 23, 25 - 29, 31 - 37, 39 - 46 - незадействованные выводы.
Основные электрические параметры:
Не менее Не более - число разрядов b 12 - - дифференциальная нелинейность, %:
LD К572ПА2А (КР572ПА2А) -0,025 0, К572ПА2Б (КР572ПА2Б) -0,05 0, К572ПА2В (КР572ПА2В) -0,1 0, - время установления выходного тока tsI, мкс - - выходной ток смещения нуля I00, нА - - абсолютная погрешность преобразования в конечной точке шкалы, МР -20 Fa - ток потребления ICC1, ICC2, мА - Метод преобразования в ИС К572ПА2 и КР572ПА2 предполагает суммирование всех разрядных токов, взвешенных по двоичному закону и пропорциональных значению опорного напряжения на входе 38(27) в соответствии с заданным значением двоичного кода на цифровых входах ЦАП.
Преобразователь рассчитан на работу от двух источников питания U СС1 = 5 В 5 % и U СС2 = 15 В 5 % при опорном напряжении U REF = 10,24 В мВ. Наличие отдельного вывода для питания входных усилителей инверторов от источника +5 В 5 % позволяет подключить его к ТТЛ схемам без дополнительных резисторов. Точность преобразования при этом не ухудшается.
Микросхемы К572ПА2 и КР572ПА2 допускают эксплуатацию при изменении напряжений источников питания U СС1 от 4,7 до 17 В, U СС2 от 12 до 17 В, опорного напряжения U REF в диапазоне 22,5 В. Но при этом не гарантируются нормы на электрические параметры, и необходимо выполнение условия U СС1 U СС2, а U Н1 U СС1.
Облегченный режим эксплуатации ИС К572ПА2 (КР572ПА2) обеспечивается при U СС1 = 5 В 5 %, U СС2 = 15 В + 5 %, U REF = 10 В +1 %.
Микросхема К594ПА Микросхема типа К594ПА1 (рисунок 3) представляет собой параллельный ЦАП с суммированием токов, комбинированной матрицей (взвешенных R и 2R резисторов), предназначена для преобразования 12 разрядного двоичного кода в ток и работает со стандартными уровнями сигналов от ТТЛ и КМОП ЦИС.
Рисунок 3 - Микросхема К594ПА Нумерация и назначение выводов микросхемы: 1 - вход сдвига выходного уровня;
2 - выход-вход сдвига выходного уровня;
3 - выход;
4 - обратная связь UORN=10 В;
5 - обратная связь UORN=20 В;
6 - общий;
7 - цифровой вход 12 (МР);
8 - 17 - цифровые входы 11 - 2;
18 - цифровой вход 1 (СР);
- напряжение источника питания U CC1;
20 - управление логическим порогом;
21 - инвертирующий вход ОУ;
22 - инвертирующий вход ОУ;
23 - вход источника опорного напряжения U REF;
24 - напряжение источника питания U CC2.
Основные электрические параметры:
Не менее Не более - число разрядов b 12 - -0,012 0, - дифференциальная нелинейность LD, % - время установления выходного тока tsI, мкс - 3, - выходной ток I0, мА - 2, - ток потребления ICC1, мА - - ток потребления ICC2, мА - Микросхема К594ПА1 обеспечивает нормы на электрические параметры при номинальном значении U REF = 10,24 В с допустимыми отклонениями % и стабильности поддержания напряжения 0,005 %. Амплитудные значения пульсации ИОН могут достигать 150 мкВ, но значения напряжений переходных или паразитных сигналов не должно превышать 200 мкВ при длительности воздействия не более 0,3 мкс.
Номинальное значение емкости нагрузки ИС - 10 пФ. Суммарная емкость нагрузки может превышать номинальное значение, но при этом нормы на временные параметры ЦАП не гарантируются.
Микросхема К1108ПА Микросхема 12-разрядного ЦАП типа К1108ПА (рисунок 4) предназначена для построения блоков аналогового вводаЦвывода с повышенным быстродействием. Микросхема выполняет функцию линейного преобразования 12-разрядного параллельного кода в выходной униполярный или биполярный ток и допускает согласование с ТТЛ ЦИС.
Рисунок 4 - Микросхема К1108ПА Нумерация и назначение выводов: 1 - напряжение источника питания U CC1;
2 - напряжение источника питания U CC2;
3 - выход ОУ компенсации;
- опорное напряжение U REF;
5 - вывод резистора;
6 - общий вывод матрицы R - 2R;
7 - вывод резистора;
8 - аналоговый выход;
9 - вывод резистора обратной связи R ОС2;
11 - вход ОУ компенсации;
12 - общий;
13 цифровой вход 1 (СР);
14 - 23 - цифровые входы 2 - 11;
24 - цифровой вход 12 (МР).
Основные электрические параметры:
Не менее Не более - число разрядов b 12 - 0,024 0, - дифференциальная нелинейность LD, % - время установления выходного тока tsI, нс:
К1108ПА1А - К1108ПА1Б - - абсолютная погрешность преобразования в -30 конечной точке шкалы Fa, МР - ток потребления ICC1, мА 15 - ток потребления ICC2, мА 46 Микросхема ЦАП К1108ПА1 работает от двух источников питающих напряжений U CC1=5 В 5%, U CC2=15 В 5% и от ИОН с U REF=10,24 В 1 %.
Микросхема может работать в режиме суммирования токов на внешнем резисторе в составе АЦП последовательного приближения. Тогда напряжение на выходе 8 не должно превышать 1 %.
Микросхема К1118ПА Микросхема быстродействующего 8-разрядного ЦАП К1118ПА1 (рисунок 5) предназначена для преобразования параллельного двоичного кода в ток и совместима с ЭСЛ ЦИС. Она принимается в системах обработки высокочастотных сигналов, системах сбора и обработки данных, измерительной технике, устройствах ввода - вывода ЭВМ и в других устройствах.
Рисунок 5 - Микросхема К1118ПА Нумерация и назначение выводов микросхемы: 1 - цифровой вход 8 (МР);
2 - 7 - цифровые входы 2 - 7;
8 - цифровой вход 1 (СР);
9 - напряжение источника питания;
10 - инвертирующий вход усилителя;
11 - коррекция усилителя;
12 - опорное напряжение;
13 - неиспользуемый вывод;
14 - выход;
15 - выход дополняющий;
16 - общий.
Основные электрические параметры:
Не менее Не более - число разрядов b 8 - -0,195 0, - нелинейность L, % - время установления выходного тока tsI, нс - - выходной ток смещения нуля I00, мкА - - абсолютная погрешность преобразования в -5 конечной точке шкалы Fa, МР - ток потребления ICC, мА - Номинальное значение напряжения источника питания для ЦАП К1118ПА UCC = -5,2 в, а его допустимые отклонения могут находиться в пределах 5 %.
Амплитуда напряжений пульсации не должна превышать 65 мВ.
Номинальное значение опорного напряжения U REF составляет 10,56 В при стабильности 1 %, а амплитуда пульсаций не превышает 5 мВ.
Микросхема К1118ПА Быстродействующая 8-разрядная ИС ЦАП К1118ПА (рисунок 6) предназначена для преобразования параллельного двоичного кода в ток. По входным логическим уровням она совместима с ЭСЛ ЦИС серий К100, К500. Микросхема может быть использована в различных электронных устройствах.
Рисунок 6 - Микросхема К1118ПА Нумерация и назначение выводов микросхемы: 1 - цифровой вход 1 (СР);
2 - 7 - цифровые выходы 2 - 7;
8 - цифровой вход 8 (МР);
12 - напряжение источника питания UCC1;
13 - напряжение источника питания UCC2;
16 - общий цифровой;
17 - общий аналоговый;
18 - аналоговый выход (прямой);
19 - аналоговый выход (инверсный);
21 - выход ИОН;
24 - прямой выход ОУ;
9 - 11, 14, 15, 20 - незадействованные выводы.
Основные электрические параметры:
Не менее Не более - число разрядов b 8 - -0,195 0, - дифференциальная нелинейность LD, % -0,195 0, - нелинейность L, % - время установления выходного тока tsI, нс - - выходной ток смещения нуля I00, мкА - - абсолютная погрешность преобразования в -20 конечной точке шкалы Fa, МР - ток потребления ICC1, мА -80 - Микросхема К1118ПА3 функционирует в диапазоне рабочих температур от 0 до 70 С при напряжениях питания UCC1 = - 5,2 В 5 %, UCC2 = 5,0 В 5%, входных логических уровнях U1Н =-(0,81- 0,96) В и U1L=-(1,65 - 1,85) В.
Микросхема К1118ПА Микросхема 10-разрядного быстродействующего ЦАП типа К1118ПА2 (рисунок 7) предназначена для обработки высокочастотных сигналов и может быть использована в системах сбора и обработки данных в реальном масштабе времени, измерительной аппаратуре. Микросхема построена на основе ЭЛС структур и по входным логическим уровням совместима с ТТЛ и ЭЛС ЦИС.
Рисунок 7 - Микросхема К1118ПА Нумерация и назначение выводов микросхемы: 1, 40 - незадействованные выводы;
2 - напряжение источника питания UCC1;
3 - компенсация характеристики ОУ;
4 - опорное напряжение UREF ;
5, 6, 8 - общие (аналоговые);
7 - выход;
9 - напряжение источника питания UCC2;
10 - общий цифровой;
11 - прямой вход С;
12 Цпрямой вход G;
13 - инверсный вход С;
14 - инверсный вход G;
15, 18, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38 - инверсные входы D1 - D9, D10A, D10B;
16, 19, 23, 25, 27, 29, 31, 33 35, 37, 39 - прямые входы D1 - D9, D10A, D10B;
17 - вход 2С;
20 - вход Н;
21 - вход L.
Основные электрические параметры:
Не менее Не более - число разрядов b 10 - -1 - дифференциальная нелинейность LD, МР -1/2 1/ - нелинейность L, МР - время установления выходного напряжения tsU, нс - - абсолютная погрешность преобразования в - конечной точке шкалы Fa, мВ - ток потребления ICC1, мА - - ток потребления ICC2,мА -120 - Микросхема К1118ПА2 функционирует в диапазоне рабочих температур от - 10 до 700 С в режимах ТТЛ (при U CC1 = 5 В 5 %, U CC2 = - 5 В 5 %) или ЭЛС (при U CC1 = 0, U CC2 = -5 В 5%).
Микросхемы АЦП К572ПВ1 и КР572ПВ Полупроводниковые БИС 12-разрядного микромощного АЦП типа К572ПВ1 (А, Б, В) и КР572ПВ1 (А, Б, В) (рисунок 8) являются универсальными многофункциональными узлами для устройств аналогового вводаЦвывода МП систем низкого и среднего быстродействия. Совместно с внешними КН или ОУ, ИОН, ГТИ микросхемы выполняют функции АЦП последовательных приближений с выводом параллельного двоичного кода через выходные каскады с тремя состояниями умножающего ЦАП с параллельным и последовательным вводом информации.
Рисунок 8 - Микросхема КР572ПВ Нумерация и назначение выводов (для КР572ПВ1 в скобках): 1 - последовательный вход;
2 - вход управления СР;
3 - напряжение питания UСС1;
4 - 15 - цифровой вход - выход (от СР к МР);
16 - вход управления МР;
17 - вход управления режимом;
22(18) - выход Цикл;
23(19) - вход сравнения;
24(20) - напряжение питания UСС2;
25(21) - вход ТИ;
26(22) - выход Конец преобразования;
27(23) - вход Запуск;
28(34) - вход Цикл;
29(26) - вход стробирования ЦАП;
30(27) - цифровая земля;
31(28) - конечный вывод РМ R - 2R;
32(29) - общий вывод резисторов R/2, R/4;
40(31) - вывод резистора R/4;
41(32) - вывод резистора R/2;
42(33) - опорное напряжение U REF;
43(24) - аналоговый вход 1;
44(35) - аналоговый вход 2;
45(37) - общий вывод резисторов аналоговых входов 1 и 2;
46(38) - аналоговый выход 1;
47(39) - аналоговый выход 2;
48(40) - аналоговая земля;
18 - 21, 33 - 39 (25, 30, 36) - незадействованные выводы.
Основные электрические параметры:
Не менее Не более - число разрядов b 12 - - дифференциальная нелинейность LD, %:
К572ПВ1А -0,1 0, К572ПВ1Б -0,2 0, К572ПВ1В -0,4 0, - нелинейность L, %:
К572ПВ1А -0,05 0, К572ПВ1Б -0,1 0, К572ПВ1В -0,2 0, - абсолютная погрешность преобразования в -127 конечной точке шкалы Fa, МР - ток потребления ICC1, мА - - ток потребления ICC2, мА 5 - Преобразователь работает от двух источников питания UСС1 = (5ч15) В 5 % и UСС2 = 15 В 5 %. При согласовании микросхемы с ТТЛ схемами напряжение питания UСС1 устанавливают 5 В 5 %, а при согласовании с КМОП схемами 15 В 5 %. При любом UСС2 напряжение высокого уровня на входе сравнения не должно быть менее 10 В.
Микросхема К1107ПВ Полупроводниковая БИС 6-разрядного быстродействующего АЦП типа КП07ПВ1 (рисунок 9) выполняет функцию параллельного преобразования входного напряжения, изменяющегося в диапазоне от - 2,0 В до 0, в один из видов цифрового кода: двоичного (прямого или обратного) и с дополнением до двух (прямого или обратного).
Основными областями применения БИС являются радиолокация, телевидение, антенные системы, устройства у вводаЦвывода цифровой информации и др. Одна микросхема Рисунок 9 - Микросхема К1107ПВ1параллельного АЦП типа К1107ПВ1 способна заменить 64 КН типа К597СА2, 25 ИС серий 133, 130, 106, 555, прецизионный делитель напряжения.
Основные электрические параметры:
Не менее Не более - число разрядов b 6 - -0,5 0, - дифференциальная нелинейность LD, МР -0,5 0, - нелинейность L, МР - время преобразования tС, нс - - абсолютная погрешность преобразования в -0,1 0, конечной точке шкалы Fa, мВ - ток потребления ICC1, мА - - ток потребления ICC2,мА -150 - Нумерация и назначение выводов микросхемы: 1 - выход 4;
2 - выход 5;
- выход 6 (МР);
4 - тактовый сигнал;
5, 43 - общий (цифровая земля);
8, 39 - напряжение источника питания UСС1;
9 - опорное напряжение UREF1;
10, 13, - вход (аналоговый сигнал);
11, 14 - общий (аналоговая земля);
12 - вывод корректировки нелинейности;
16 - опорное напряжение UREF2;
24, 37, 38 - напряжение источника питания UСС2;
44 - управление выходным кодом (вход 1);
45 - выход 1 (СР);
46 - выход 2;
47 - выход 3;
48 - управление выходным кодом (вход 2);
6, 7, 17Ц23, 25Ц36, 40Ц42 - незадействованные выводы.
Микросхема К1107ПВ Полупроводниковая БИС 8-разрядного быстродействующего АЦП считывания типа К1107ПВ2 (рисунок 10) выполняет преобразования входного напряжения, изменяющегося в диапазоне от Ц2 В до 0, в один из видов цифрового кода: двоичного (прямого или обратного) или дополнительного (прямого или обратного).
Области применения БИС К1107ПВ2 и ее функциональная электрическая схема во многом аналогичны БИС К1107ПВ1;
разница состоит в том, что число КН АЦП увеличено до 256, дешифратор имеет 256 входов и выходов, число логических элементов и ячеек Рисунок 10 - Микросхема К1107ПВ буферного регистра рассчитано для 8 разрядного цифрового кода на выходе АЦП. В БИС К1107ПВ2 имеется возможность управления видом выходного кода.
Регулировка U10 и F s производится изменением UREF1 и UREF2 в пределах 1 В, а нелинейность корректируется путем подключения соответствующего вывода схемы к источникам UREF1 или UREF2 в зависимости от знака.
Номинальные значения опорных напряжений и напряжений источников питания устанавливаются так же, как и для БИС К1107ПВ1. Допуски на их изменения те же.
Основные электрические параметры:
Не менее Не более - число разрядов b 8 - -1 - дифференциальная нелинейность LD, МР -0,5 0, - нелинейность L, МР - время преобразования tС, нс - - абсолютная погрешность преобразования в -0,1 0, конечной точке шкалы Fa, мВ - ток потребления ICC1, мА - - ток потребления ICC2,мА -450 - Нумерация и назначение выводов микросхемы: 11 - опорное напряжение UREF2, 13, 15, 16, 18, 20 - аналоговый вход;
14, 19 - общий (аналоговая земля);
17 - корректировка нелинейности;
22 - опорное напряжение UREF1;
28, 43 - напряжение источника питания UСС1;
29, 42 - общий (цифровая земля);
30 - тактовый сигнал;
32 - цифровой выход 8 (МР);
33Ц35 цифровые выходы 7 - 5;
36 - управление выходным кодом (вход 2);
37Ц39 - цифровые выходы 4Ц2;
40 - цифровой выход 1 (СР);
41 - управление выходным кодом (вход 1);
47Ц50 - напряжение источника питания UСС2;
1 - 10, 12, 21, 23 - 27, 31, 44 - 46, 51 - 64 - незадействованные выводы.
Микросхема К1107ПВЗ Микросхема К1107ПВЗ (А, Б) (рисунок 11) представляет собой 6-разрядный АЦП, выполненный по стандартной схеме преобразователя считывания. В процессе работы ей не требуется внешняя ИС УВХ, поскольку применение в цифровой части схемы ЭСЛ структур позволяет производить выборку аналогового сигнала с частотой fС, равной 100 МГц (группа А) и 50 МГц (группа Б).
Выходные логические уровни обеспечивают непосредственное сопряжение БИС с ЦИС серий К500, К100, К1800 и их бескорпусных аналогов.
Рисунок 11 - Микросхема К1107ПВ Нумерация и назначение выводов микросхемы: 1 - общий (аналоговая земля);
2 - опорное напряжение UREF1;
3 - аналоговый вход;
4 - опорное напряжение UREF2;
5 - напряжение контроля гистерезиса UH;
6 - вход тактовых импульсов;
7 - напряжение источника питания UCC1;
8 - напряжение источника питания UCC2;
9 - цифровой выход 6 (МР);
10Ц13 - цифровые выходы 5Ц2;
14 - цифровой выход 1 (СР);
15 - цифровой выход 7 (РП);
16 - общий (цифровая земля).
Номинальные значения напряжений источников питания: UCC1 = = 5 B %;
UCC2 = - 5,2 В 5 %;
UREF1 = 2,5 В;
UREF2 = -2,5 В.
Основные электрические параметры:
Не менее Не более - число разрядов b 6 - - максимальная частота преобразования fC, МГц:
К1107ПВ3А 100 - К1107ПВ3Б 50 - -0,25 0, - нелинейность L, МР - время преобразования tС, нс - - ток потребления ICC1, мА - - ток потребления ICC2,мА -80 - В предельном режиме эксплуатации напряжения UCC1, UCC2 не должны выходить из диапазона 6 В, входное и опорное напряжения не должны превышать 3 В.
Микросхема К1107ПВ Микросхема К1107ПВ4 - это БИС быстродействующего 8 разрядного АЦП считывания, которая предназначена для преобразования входного напряжения в диапазоне 2,5 В в прямой параллельный двоичный код с ЭСЛ-уровнями (рисунок 12).
Рисунок 12 - Микросхема К1107ПВ Нумерация и назначение выводов микросхемы: 1Ц3 - опорное напряжение UREF1;
4 - общий (цифровая земля);
10 - цифровой выход 9, разряд переполнения;
12, 13, 15, 16, 19, 19, 21, 22 - цифровые выходы с 1 (СР) по (МР);
31 - вывод корректировки нелинейности 0,75UREF;
32 - напряжение источника питания UCC1;
34 - напряжение источника питания UCC2;
37 - вывод корректировки нелинейности 0,25UREF;
47 - вход тактового сигнала;
52Ц54 - опорное напряжение UREF1;
60 - аналоговый вход;
61 - вывод напряжения контроля гистерезиса UH;
62 - вывод корректировки нелинейности 0,5UREF;
- общий (аналоговая земля);
5Ц9, 11, 14, 17, 20, 23Ц30, 35, 86, 38Ц46, 48Ц51, 55Ц59, 63 - незадействованные выводы.
Основные электрические параметры:
Не менее Не более - число разрядов b 8 - - частота преобразования fC, МГц - - нелинейность L, МР -1 - время преобразования tС, нс - - ток потребления ICC1, мА - - ток потребления ICC2, мА - В БИС К1107ПВ4 использована типовая для класса преобразователей считывания функциональная электрическая схема. Поскольку в ней отсутствует выходной регистр, то часть периода тактирования проходит при неопределенной цифровой информации на выходе. Во время выборки записывается новая информация, а предыдущая не сохраняется. Период, в течение которого на цифровых выходах код не определен, равен длительности периода выборки и сдвинут во времени относительно его начала.
Микросхема К1107ПВ4 обеспечивает нормы на основные электрические параметры при подаче напряжений питания UCC1 = 5 В 5 %;
UCC2 = 5,2 В 5 % и опорных напряжениях UREF1 = 2,5 В;
UREF2 = -2,5 В.
Микросхема КР1107ПВ Микросхема КР1107ПВ5 быстродействующего параллельного 6-разрядного АЦП с дополнительным разрядом переполнения сопрягается по выходу с УСЛ ЦИС (рисунок 13).
Рисунок 13 - Микросхема К1107ПВ Нумерация и назначение выводов микросхемы: 1 - общий (аналоговая земля);
2 - опорное напряжение UREF1;
4 - аналоговый вход;
5 - опорное напряжение UREF2;
6 - напряжение контроля гистерезиса UН;
8 - вход импульсов;
11 - напряжение источника питания UCC1;
12 - напряжение источника питания UCC2;
13 - цифровой выход 1 (МР);
16Ц19 - цифровые выходы 2Ц5;
20 - цифровой выход 6 (СР);
21 - выход разряда переполнения;
24 - общий (аналоговая земля);
3, 7, 9, 10, 14, 15, 22, 23 - незадействованные выводы.
Основные электрические параметры:
Не менее Не более - число разрядов b 8 - - частота преобразования fC, МГц:
группа А 100 - группа Б 50 - - нелинейность L, МР -1/4 1/ - время преобразования tС, нс - - ток потребления ICC1, мА - - ток потребления ICC2,мА -85 -
Книги, научные публикации