ЦАП з широтно-імпульсною модуляцією

  ВСТУП

Останні десятиліття обумовлені широким впровадженням у галузі народного господарства засобів мікроелектроніки й обчислювальної техніки, обмін інформацією з якими забезпечується лінійними аналоговими і цифровими перетворювачами (АЦП і ЦАП).

Сучасний етап розвитку характеризується великими і надвеликими інтегральними схемами ЦАП і АЦП, які володіють високими експлуатаційними параметрами: швидкодією, малими похибками, багаторозрядністю. Включення великих інтегральних схем(ВІС) ЦАП і АЦП єдиним, функціонально закінченим блоком сильно спростило впровадження їх у прилади та установки, що використовуються як у наукових дослідженнях, так і в промисловості і дало можливість швидкого обміну інформацією між аналоговими та цифровими пристроями.

Згідно Закону України «Про державну підтримку розвитку індустрії програмної продукції» головні завдання держпідтримки - створення умови для інноваційного розвитку IT-індустрії в Україні, збільшення числа робочих місць в галузі, залучення інвестицій і т.д., що забезпечить нам більш швидкий розвиток технологій.

Актуальність  теми:

Аналого-цифрові та цифроаналогові перетворювачі утворюють клас перетворювачів форми інформації (ПФІ), що широко застосовуються в різних галузях людської діяльності. Параметри і характеристики перетворювачів залежать від галузі використання і складності розв'язуваних задач. Водночас, у процесі експлуатації, під впливом таких природних чинників, як змінення температури навколишнього середовища, старіння елементів аналогових вузлів, параметри елементів ПФІ змінюються, а це у свою чергу призводить до зростання похибок перетворення та параметричної відмови пристрою в цілому.

Починаючи з кінця 80-х–початку 90-х років для коригування статичних  похибок багаторозрядних ПФІ  у процесі їх експлуатації використовуються структурно-алгоритмічні методи: самокоригування (для двійкових ПФІ) і самокалібрування (ПФІ з ваговою надлишковістю). Основний недолік самокоригування – це зменшення швидкодії перетворення, оскільки розрахована поправка вводиться в процесі основного перетворення в аналоговий спосіб. Самокалібрування передбачає використання систем числення із ваговою надлишковістю (надлишкові позиційні системи числення НПСЧ) і його відмітною особливістю є можливість створення високоточних, метрологічно стабільних ПФІ, побудованих на неточних елементах, без застосування спеціальних технологічних прийомів. Разом з тим, у ПФІ з ваговою надлишковістю є можливість істотно скоротити час перетворення і підвищити швидкодію за рахунок компенсації динамічних похибок першого і другого роду. Для підвищення точності ПФІ процедуру цифрового самокалібрування ваг розрядів слід виконувати в процесі роботи ПФІ, через певні проміжки часу. Оскільки міжкалібрувальний інтервал ЦАП і АЦП, що самокалібруються безпосередньо впливає як на коефіцієнт готовності таких пристроїв, так і на їх продуктивність - то прогнозування вказаного інтервалу дасть змогу будувати високопродуктивні ЦАП і АЦП, що самокалібруються, із ваговою надлишковістю.

Таким чином, питання  дослідження високопродуктивних ЦАП і АЦП, що самокалібруються із ваговою надлишковістю з прогнозованим інтервалом самокалібрування є актуальним.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Загальні відомості

 

Цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП) призначений для перетворення числа у вигляді двійкового коду у напругу або струм, пропорційний значенню цифрового коду. Схемотехніка ЦАП дуже різноманітна. На рис.1 показана класифікація схем ЦАП за схемотехнічними показниками.

     Рис.1–Класифікація схем ЦАП

Окрім того, інтегральні  мікросхеми ЦАП мають класифікацію за такими ознаками:

· По вигляду цифрового сигналу: або з токовим виходом, або у вигляді напруги.

· По типу цифрового інтерфейсу: з послідовним введенням, або з паралельним введенням вхідного коду.

· По кількості ЦАП на кристалі: одно канальні або багатоканальні.

· По швидкодії: помірної або високої швидкодії.

 

 

 

 

 

 

2 Послідовні  ЦАП

 

2.1 ЦАП з широтно-імпульсною модуляцією

 

Дуже часто ЦАП входить  у склад мікропроцесорних систем. В такому випадку, якщо не потрібна висока швидкодія, цифро-аналогове  перетворення може бути дуже просто здійснене за допомогою широтно-імпульсної модуляції (ШІМ). Схема ЦАП з ШІМ наведена на рис.2.1.

Рис.2.1 а) Схема послідовного ЦАП; б) діаграма напруг.

Вихід ШІМ-модулятора керує  роботою ключа S. В залежності від коду формується імпульс ШІМ, тривалість якого прямо пропорційна значенню цифрового коду. Схема формування показана на рис.2.2. Код на виході лічильника лінійно зростає з кожним імпульсом тактової частоти Fтакт. Поки цей код менший за двійковий код, на виході.

Рис.2.2 Схема формування коду

Схеми порівняння кодів (СПК) буде сигнал логічної одиниці. Як тільки код лічильника зрівнюється  з війковим кодом, на виході СПК встановлюється логічний нуль. Цей імпульс керує  ключем S. Фільтр у схемі рис.2.1а виділяє середнє значення напруги, як це показане на рис.2.1б. Ця схема забезпечує майже ідеальну лінійність перетворення і не має прецизійних елементів. Її головний недолік – низька швидкодія.

 

2.2 ЦАП на перемикаємих конденсаторах

 

У попередній схемі потрібно 2^N тактів імпульсів синхронізації. В схемі рис.2.3 для цього потрібно значно менше тактів.

               

Рис.2.3 Схема ЦАП на перемикаємих конденсаторах.

В цій схемі ємності  конденсаторів С1 та С2 рівні. Перед  початком циклу перетворення конденсатор  С2 розряджається ключем S Вхідне війкове слово задається у вигляді послідовного коду. Його перетворення здійснюється послідовно, починаючи з молодшого розряду d0. кожен такт перетворення складається з двох полу тактів. В першому полутакті конденсатор С1 заряджається до опорної напруги Uоп при d0=1 за допомогою замикання ключа S1, або розряджається до нуля при d0=0 за допомогою замикання ключа S2. На другому полу такті при розімкнутих ключах S1, S2 та S4 замикається ключ S3, що викликає ділення заряду навпіл між С1 та С2. В результаті одержимо:

                                                    (2.1)

Доки на конденсаторі С2 зберігається заряд, процедура зарядження конденсатора С1 повинна бути повторна для наступного розряду d1 вхідного слова. Після нового циклу перезаряджання напруга на конденсаторах буде

          (2.2)

Таким же чином виконується  перетворення для інших розрядів слова. В результаті для N-розрядного ЦАП вихідна напруга буде дорівнювати:

                                     (2.3)

Якщо потрібно зберегти результат перетворення будь-який тривалий час, до виходу схеми треба підключити ПВЗ. Після закінчення циклу перетворення потрібно провести цикл вибирання, перевести  ПВЗ в режим збереження і знову почати перетворення.

Таким чином ця схема  виконує перетворення вхідного коду за 2N квантів, що значно менше, ніж у ЦАП з ШІМ. Тут потрібно лише два узгоджених конденсатори невеликої ємності. Конфігурація аналогової частини схеми не залежить від розрядності перетворюваного коду. Але по швидкодії послідовний ЦАП значно уступає паралельним ЦАП, що обмежує сферу його застосування.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Паралельні  ЦАП

 

3.1 ЦАП з сумуванням вагових струмів

 

Більшість схем паралельних  ЦАП засновані на сумуванні струмів, сила кожного з яких пропорційна вазі цифрового війкового розряду, причому повинні сумуватись тільки суми розрядів, значення яких дорівнює 1. Наприклад, потрібно перетворити двійковий 4-розрядний код в аналоговий сигнал струму. У старшого значущого розряду (СЗР) вага дорівнює 2³ = 8, у третього 2² = 4, у другого 2¹ = 2 і у молодшого (МЗР) 2⁰ = 1. Якщо вага МЗР дорівнює струму I1 = 1 мА, то I2 = 2 мА, I3 = 4 мА, I4 = 8 мА. Наприклад, коду 1001 відповідає струм Iвих = 9 мА. Тому потрібна схема, що забезпечує генерацію та комутацію по заданих законах точних вагових струмів. Найпростіша схема показана на рис.3.1.

               

Рис.3.1 Цап з сумуванням вихідних струмів

Опори резисторів вибирають  так, щоб при замкнених ключах через них протікав струм відповідний вазі розряду Ключ повинен бути замкнений тоді, коли відповідний йому біт вхідного слова дорівнює одиниці. Вихідний струм визначається співвідношенням

                                                (3.1)

При високій розрядності ЦАП резистори, що задають струм, повинні бути погоджені з високою точністю. Найбільш жорсткі вимоги по точності висуваються к резисторам старших розрядів, оскільки розкид в них не повинен перевищувати струму молодшого розряду. Тому розкид опору у к-му розряді повинен бути меншим, ніж DR/R = 2^-k.

З цієї вимоги виникає, що розкид опору резистора, наприклад  у 10-му розряді не повинен перевищувати 0,05%.

Розглянута схема має  кілька недоліків. По перше, при різних вхідних кодах, струм, що споживається від джерела опорної напруги (ДОН), буде різним, а це впливає на величину вихідної напруги ДОН. По друге, значення опорів вихідних резисторів можуть відрізнятись у тисячі разів, а це робить проблемною реалізацію цих резисторів у напівпровідникових інтегральних мікросхемах. Окрім того, значення опорів старших розрядів у багато розрядних цап може бути зіставленим з опором замкненого ключа, а це приведе до похибки перетворення. По трете, у цій схемі до ключів прикладається значна напруга, що ускладнює їх реалізацію.

Ці недоліки усунуті у схемі  ЦАП AD7520 (вітчизняний аналог 572ПА1), що розроблений фірмою Analog Devices. Ця схема показана на рис.3.2. У якості ключів тут використовуються МОН-транзистори.

Рис.3.2 Схема ЦАП з ключами та матрицею постійного імпедансу

У цій схемі завдання вагових коефіцієнтів ступенів перетворювача здійснюється за посередництвом послідовного ділення опорної напруги за допомогою резистивної матриці постійного імпедансу. Головний елемент такої матриці є подільник напруги рис.3.3, який повинен задовольняти наступній умові: якщо він завантажений опором Rн, то його вхідний опір також повинен приймати значення Rн. Коефіцієнт ослаблення кола a =U2/U1 при цьому завантаженні повинен мати задане значення. При виконанні цих умов одержуємо наступні вирази для опорів

                                                                                           (3.2)

                                                                                       (3.3)

При двійковому кодуванні a = 0,5. Якщо покласти Rн =2R, то Rs = R,             a Rp = 2R.

 

             

Рис.3.3 побудова ступені матрицею постійного імпедансу

Оскільки у будь-якому  положенні перемикачів Sk вони з’єднують нижні виводи резисторів з загальною шиною схеми, джерело опорної напруги навантажене на постійний вхідний опір Rвх = R. Це гарантує незмінність опорної напруги при будь-якому вхідному коді ЦАП.

Згідно рис.3.2 вихідні струми схеми визначаються співвідношеннями:

                                                                    (3.4)    

                                                                            (3.5)

а вхідний струм

                                                       (3.6)

 Нижні виводи резисторів 2R матриці при будь-якому положенні перемикачів Sk з’єднані з загальною шиною через низький опір замкнених ключів, тоді напруги на ключах завжди невеликі. Це спрощує побудову ключів та схем керування ними та дозволяє використати опорну напругу з великого діапазону напруг, у тому числі і різної полярності. Оскільки вихідний струм ЦАП залежить від Uоп линійно. перетворювачі цього типу можна використовувати для множення аналогового сигналу (подаючи його на вхід опорної напруги) на цифровий код. Такі ЦАПи називають перемножуючими.

Точність цієї схеми знижує та обставина, що для ЦАП, які мають високу розрядність, необхідно погоджувати опору R0 ключів з розрядними струмами. Особливо це важливо для ключів старших розрядів. Наприклад, в 10-розрядному ЦАП AD7520 ключові МОН-транзистори шести старших розрядів зроблені різними по площі та їхній опір R0 наростає згідно двійковому коду (20, 40, 80,:, 640 Ом). Таким способом зрівнюються (до 10 мВ) падіння напруги на ключах перших шести розрядів, що забезпечує монотонність та лінійність перехідної характеристики ЦАП. 12-розрядний ЦАП 572ПА2 має диференціальну нелінійність до 0,025% (1 МЗР).ЦАП на МОН ключах мають відносно низьку швидкодію через велику вхідний ємності МОН-ключів. Той же 572ПА2 має час установлення вихідного струму при зміні вхідного коду від 000 ... 0 до 111 ... 1, рівне 15 мкс. 12-розрядний DAC7611 фірми Burr-Braun має час встановлення вихідної напруги 10 мкс. У той же час ЦАП на МОН-ключах мають мінімальну потужність споживання. Той же DAC7611 споживає всього 2,5 мВт. Останнім часом з'явилися моделі ЦАП розглянутого вище типу з більш високою швидкодією. Так 12-розрядний AD7943 має час встановлення струму 0,6 мкс і споживану потужність усього 25 мкВт. Мале власне споживання дозволяє живити такі мікропотужні ЦАП прямо від джерела опорної напруги. При цьому вони можуть навіть не мати виводу для підключення ДОН, наприклад, AD5321.