Типы преобразователей

Типовая внешняя характеристика кремниевого ФЭ для внутреннее сопротивление, обусловленное материалом ФЭ, электродами и контактами отводов; q - площадь ФЭ) представлена на рис. 2. Известно, что в заатмосферных условиях , а на уровне Земли (моря) при расположении Солнца в зените и поглощении энергии света водяными парами с относительной влажностью 50% либо при отклонении от зенита на в отсутствии паров воды . ФЭП монтируются на панелях, конструкция которых содержит механизмы разворота и ориентации. Для повышения КПД примерно до 0,3 применяются каскадные двух- и трехслойные исполнения ФЭП с прозрачными ФЭ верхних слоев. КПД ФЭП существенно зависит от оптических свойств материалов ФЭ и их терморегулирующих защитных покрытий. Коэффициенты отражения уменьшают технологическим способом просветления освещаемой поверхности (для рабочей части спектра). Обусловливающие заданной коэффициент поглощения покрытия способствует установлению необходимого теплового режима в соответствии с законом Стефана-Больцмана, что имеет важное значение: например, при увеличении Т от 300 до 380 К КПД ФЭП снижается на 1/3

5.Аналого-цифровые преобразователи

Предварительные замечания об АЦП

Кроме чисто «цифрового» сопряжения (ключи, лампы в т. п.), которое обсуждалось в нескольких предыдущих разделах, часто требуется точно преобразовать аналоговый сигнал в число, пропорциональное амплитуде этого сигнала и наоборот. Это необходимо в тех случаях, когда ЭВМ или процессор следят или управляют экспериментом или процессом, а также, если цифровая техника используется для выполнения «обычно» аналоговых функции. Аналого-цифровое преобразование необходимо для применений, в которых аналоговая информация подвергается промежуточному преобразованию в цифровую форму для помехозащищенной передачи (например, «цифровая звукотехника» или импульсно-кодовая модуляция -- ИКМ). А/Ц преобразование необходимо для целого ряда измерительных устройств (включая обычные настольные приборы, такие, как цифровые мультиметры, и более экзотические приборы, как, например, усреднители переходных процессов, «ловушки игольчатых импульсов» в осциллографы с цифровой памятью). Они также нужны в устройствах формирования в обработки сигналов, таких, как цифровые синтезаторы и шифраторы данных.

И наконец, эти методы преобразования, которые мы ниже рассматриваем, играют важную роль в аналоговых дисплеях, применяемых в сочетании с цифровой техникой, например приборные индикаторы или двухкоординатные дисплеи (графопостроители), управляемых от ЭВМ. А/Ц- или Ц/А-преобразователи можно использовать даже в относительно простых электронных устройствах, поскольку уже в ближайшем будущем стоимость аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) будет совсем незначительной (порядка 5 долл.). Коды. В АЦП часто используются смещенный и дополнительный коды, а иногда прямой код и код Грея.

Погрешности преобразователей. Погрешности А/Ц- и Ц/А преобразователей -- весьма сложная тема, о которой можно писать и писать... Как утверждает Берни Гордон из Аnаlоgiс, если разработчик рассчитывает получить преобразователь высокой точности, основываясь исключительно на паспортных данных, значит, он недостаточно ясно представляет себе этот вопрос. Не придерживаясь в точности указанной точки зрения, рассмотрим четыре основных типа погрешностей преобразования. Приведем говорящие сами за себя диаграммы четырех основных типов погрешностей: погрешности сдвига, погрешности шкалы, нелинейности немонотонности (рве. 9.35).

Аналого-цифровые преобразователи

Существует много способов А/Ц - преобразования, каждый из которых обладает своими достоинствами и недостатками. Поскольку, как правило, проще приобрести готовый модуль или ИМС АЦП, чем заниматься его разработкой, мы будем рассматривать различные методы А/Ц - преобразования до некоторой степени сжато, ставя основной целью облегчить грамотный выбор АЦП для требуемого применения. В следующем разделе мы приведем типовые примеры использования АЦП.

Параллельное кодирование

Этот метод заключается в следующем: входное напряжение подается одновременно на первые входы каждого из n компараторов, а их вторые входы подключены к n источникам равномерно изменяющихся опорных напряжений (n источников). Приоритетный шифратор формирует выходной цифровой сигнал, соответствующий самому старшему сработавшему компаратору (рис. 9.4 1). Способ параллельного кодирования (иногда он называется способом «мгновенного» кодирования) отличается наибольшим быстродействием. Время задержки при передаче сигнала от входа к выходу равно сумме запаздываний компараторов и шифратора. Если взять компараторы типа NE521 и шифратор 74148, можно получить типовое значение времени задержки менее 20 нс. Параллельные преобразователи, выпускаемые промышленностью, имеют от 16 до 256 уровней квантования (от 4 до 8 разрядов выходного кода). При большем числе разрядов АЦП становятся чрезмерно дорогостоящими и громоздкими. Преобразователь ТDC10007J фирмы ТRW имеет 256 уровней квантования при времени преобразования 33 нс., а его стоимость в настоящее время составляет несколько сотен долларов. Для создания таких высококачественных преобразователей требуются предельно быстродействующие компараторы (15 нс) с величиной переключающего напряжения не более 1/256 полной шкалы, при этом для работы шифратора отводится 15 нс; в реальных устройствах приоритетные шифраторы должны вырабатывать на выходе код Грея для того, чтобы избежать возникновения ошибок при входных уровнях, близких порогам компаратора.

Метод последовательного приближения (поразрядного уравновешивания)

При данном широко распространенном методе преобразования формируются пробные коды, которые поступают на ЦАП, а выходной сигнал последнего сравнивается при помощи компаратора с аналоговым входным сигналом. Обычно в исходном состоянии все разряды устанавливаются в «0». Затем каждый из них, начиная со старшего, поочередно устанавливается в «1». Если выходной сигнал ЦАП не превышает уровень входного аналогового сигнала, разряд остается в состоянии «1», в противном случае он сбрасывается обратно в «0». для n-разрядного АЦП необходимо совершить n таких шагов. Подобный процесс может быть представлен, как двоичный поиск, начинающийся с середины. В модуле АЦП последовательного приближения имеются вход НАЧАЛО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ и выход ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ВЫПОЛНЕНО. Все преобразователи имеют параллельный цифровой выход (все разряды выводятся одновременно по n отдельным шинам) и, как правило, еще в последовательный выход (n разрядов выходного кода выдаются последовательно, начиная с СЗР, по одной выходной линии).

АЦП последовательного приближения имеют относительно высокую точность и высокое быстродействие: для n -разрядного преобразования требуется время только на n обращений к ЦАП. Для стандартных устройств стоимостью от 10 до 400 долл. типовые значения времени преобразования составляют от 1 до 50 мкс при точности от 8 до 12 разрядов. Преобразователи такого типа оперируют мгновенными значениями входного сигнала, поэтому если за время преобразования сигнал изменится, погрешность не превысит величину этого изменения. Для АЦП подобного типа крайне нежелательны выбросы на входе. Эти довольно точные в целом преобразователи могут обладать существенной нелинейностью и давать сбои в кодах.

В модификации, известной под названием «следящего» АЦП, используется реверсивный счетчик, который последовательно формирует пробные коды. Реакция на скачки входного сигнала получается довольно медленная, но гладкие изменения отрабатываются быстрее, чем в преобразователе с последовательным приближением. Скорость отслеживания быстрых изменений пропорциональна тактовой частоте собственного генератора преобразователя.

Преобразователь напряжения в частоту

При данном методе входное аналоговое напряжение преобразуется в последовательность импульсов, частота которой пропорциональна входному уровню. Это легко сделать, если заряжать конденсатор током, пропорциональным входному сигналу ,а затем разряжать его после того как линейно нарастающее напряжение достигнет заданного порога. Для получения большей точности данный метод используют в сочетании с обратной связью. В одном из вариантов метода выход преобразователя частоты в напряжение сравнивается с уровнем входного аналогового сигнала, а частота формируемых им импульсов подстраивается до такой величины, при которой на входы компаратора будут поступать одинаковые уровни. В более распространенных методах используется принцип «уравновешивания заряда».

Типовой диапазон частот выходных сигналов преобразователей напряжения в частоту лежит в пределах от 10 кГц до 1 МГц (для максимального входного напряжения). Имеющиеся в настоящее время преобразователи имеют эквивалентную разрешающую способность 12 бит (точность 0,01 %), Они удобны и недороги, особенно в тех случаях, когда требуется передавать сигнал по кабелю, или если нужен частотный, а не кодовый выход. Если быстродействие не является важным фактором, можно достаточно просто получить цифровой код, пропорциональный среднему значению входного сигнала. Для этого надо подсчитать число выходных импульсов‚ преобразователя напряжения в частоту за фиксированный интервал времени. Этот метод широко используется в цифровых панельных приборах средней точности (3 цифры).

Одностадийное интегрирование

Этот метод заключается в следующем: генератор линейно изменяющегося напряжения (источник тока и конденсатор) запускается в начале преобразования, после чего счетчик начинает считать импульсы, поступающие от стабилизированного тактового генератора. Когда линейно изменяющееся напряжение станет равным входному уровню, компаратор остановит счет; полученное число будет пропорционально входному сигналу и может быть использовано в качестве выходного кода. Этот метод иллюстрируется рис. 9.42. В конце преобразования конденсатор разряжается, счетчик сбрасывается и преобразователь готов к очередному циклу работы. Метод одностадийного преобразования прост, но он накладывает жесткие ограничения на стабильность и точность конденсатора и компаратора. В тех случаях, когда требуется высокая точность, он не используется. Указанные недостатки (а также ряд других) позволяет устранить метод с «двухстадийного» интегрирования, который применяется в тех случаях, когда требуется обеспечить Высокую точность. В тех случаях, когда абсолютная точность не нужна, но зато требуется высокая разрешающая способность и равномерное распределение смежных уровней, до сих пор применяют метод одностадийного интегрирования. В качестве примера можно привести анализатор амплитуды импульсов, в котором амплитуда фиксируется пиковым детектором и преобразуется в адресный сигнал. Поскольку здесь необходимо обеспечить равенство ширины каналов (т.е. шагов квантования уровня), преобразователь с последовательным приближением непригоден. Метод одностадийного интегрирования используется также в преобразователях интервала времени в амплитуду

Методы уравновешивания заряда

Существует ряд методов, общей особенностью которых является использование конденсатора для отслеживания отношения уровня входного сигнала к эталонному. Все эти методы основаны на усреднении (интегрировании) входного сигнала за фиксированный интервал времени, относящийся к одному измерению. При этом достигаются два важных преимущества: 1. Поскольку входной и эталонный сигналы подаются на один и тот же конденсатор, к его собственной стабильности и точности не предъявляется высоких требований. К компаратору также предъявляются пониженные требования. Это позволяет при том же качестве применяемых элементов получить большую точность или снизить стоимость при той же точности. 2. Входной сигнал преобразователя пропорционален среднему значению входного сигнала на фиксированном интервале интегрирования. Выбирая время интегрирования кратным периоду сетевого напряжения , можно обеспечить нечувствительность преобразователя к сетевым наводкам с частотой 60 Гц и ее гармоникам. Чувствительность к помехам в функции их частоты для времени интегрирования 0,1 с показана на рис. 9.43. Для того чтобы сетевые наводки частотой 60 Гц хорошо подавлялись, надо точно сформировать интервал интегрирования. Даже не значительная погрешность (доли процента) тактовой частоты вызовет неполное подавление наводок. Здесь желательно применять генератор с кварцевой стабилизацией частоты. Недостатком метода уравновешивания заряда является низкое по сравнению с методом последовательного приближения быстродействие.

Двухстадийное интегрирование

Этот изящный и широко распространенный метод преобразования позволяет избежать большинства трудностей, которые присущи методу одностадийного интегрирования, и связаны со стабильностью параметров конденсатора и компаратора. На рис. 9.44 иллюстрируется идея метода. Сначала конденсатор в течение фиксированного промежутка времени заряжается током, точно пропорциональным входному сигналу, после чего он разряжается постоянным током до тех пор, пока напряжение на нем снова не станет равным нулю. Время разряда конденсатора пропорционально значению входного сигнала и используется для подсчета тактовых импульсов фиксированной частоты при помощи счетчика. Полученное число, пропорциональное входному уровню, является выходным цифровым сигналом. Метод двухстадийного интегрирования позволяет получить высокую точность, не предъявляя чрезмерно высоких требований к стабильности компонентов. В частности, здесь нет надобности иметь высокостабильный конденсатор, поскольку скорость изменения его напряжения, как на стадии заряда, так и разряда обратно пропорциональна емкости С. Более того, дрейф или сдвиг шкалы компаратора самокомпенсируется, так как каждая стадия преобразования начинается и заканчивается при одном и том же напряжении, а зачастую и с одним и тем же наклоном. В самых точных преобразователях циклу преобразования предшествует цикл «автокоррекции нуля», во время которого на вход преобразователя подается нулевой сигнал. Так как в обоих циклах используются те же самые интегратор и компаратор, то, вычитая результат, полученный в цикле «автокоррекции», из последующего результата измерения, получают эффективное снижение погрешностей в начальном участке шкалы преобразования. Однако погрешности по всей шкале при этом не корректируются. Заметим, что при использовании метода двухстадийного интегрирования даже к стабильности тактовой частоты не предъявляются высокие требования. Дело в том, что на первой стадии фиксированный интервал интегрирования получают делением частоты тех же самых тактовых импульсов, которые используются при счете. Если тактовая частота снизится на 10%, то на 10% повысится уровень, которого достигает линейно нарастающее напряжение на первой стадии, и соответственно на 10% увеличивается время разряда. Так как последнее отсчитывается с помощью тех же тактовых импульсов, частота которых снизилась на 10%, то окончательное число получится неизменным! В двухстадийном преобразователе с внутренней автокоррекцией нуля высокую стабильность должен иметь только разрядный ток. Прецизионные эталонные источники тока и напряжения получить достаточно легко, причем в этом типе преобразователя при помощи регулировок эталонного тока задается коэффициент преобразования. Двухстадийное интегрирование широко применяется в прецизионных цифровых мультиметрах, а также в преобразовательных модулях с разрешающей способностью от 10 до 18 бит. В некритичных к быстродействию применениях этот способ обеспечивает хорошие характеристик точности и стабильности при низкой стоимости и обладает высокой помехоустойчивостью к сетевым наводкам и прочим помехам. Используя преобразователь, основанный на этом способе, вы всегда получите наивысшую точность при заданных затратах. С увеличением входного сигнала выходной код растет строго монотонно.

Дельта-сигма преобразователи

Существует несколько методов А/Ц - преобразования , основанных на компенсации входного (среднего) тока коммутируемым зарядом или током внутреннего источника. Функциональная схема дельта-сигма- преобразователя приведена на рис. 9.45. Входное напряжение подается на интегратор, выходной сигнал которого сравнивается с фиксированным напряжением, например с нулем. Импульсы тока фиксированной длительности (то есть с фиксированным приростом заряда) на каждом такте подключаются, в зависимости от состояния выхода компаратора, либо к суммирующей точке интегратора, либо к земле. В суммирующей точке поддерживается нулевой средний ток, то есть преобразование основано на принципе уравновешивания. Счетчик подсчитывает количество импульсов, которые поступают на суммирующую точку за интервал времени, определяемый путем отсчета заданного числа тактовых импульсов, например 4096. Число, полученное в счетчике за это время, пропорционально среднему значению входного сигнала и может быть использовано в качестве выходного кода. В дельта - сигма - преобразователях для формирования импульсов тока также можно использовать резистор и стабилизированный источник опорного напряжения, поскольку суммирующая точка фактически находится под потенциалом земли. В этом случае необходимо убедиться, что сопротивление замкнутого ключа меньше сопротивления резистора и изменения сопротивления ключа не вызовут дрейфа.

АЦП с коммутируемым конденсатором

К методу уравновешивания заряда тесно примыкает метод «дозированного заряда с запоминающим конденсатором» или метод «коммутируемого конденсатора». Этот метод заключается в следующем: сначала путем периодического заряда от стабилизированного источника опорного напряжения на конденсаторе запасается фиксированное количество электричества, после чего конденсатор разряжается на суммирующую точку. Как и в предыдущем случае, к выходу интегратора подключен компаратор, который управляет частотой переключения конденсатора. Выходной код формируется путем подсчета этой частоты па фиксированном интервале времени. Этот метод хорош для схем, в которых используется один источник питания, поскольку действующая полярность заряда, который передается от конденсатора в суммирующую точку, может быть изменена с помощью соответственно подключенных ключей на полевых транзисторах (т. е. путем коммутации обеих обкладок конденсатора). Примером устройства, использующего описанный метод, является преобразователь напряжения в частоту типа LМ33I, характерное преимущество которого заключается в том, что он работает от одного источника питания +5 В.

Замечания по поводу интегрирующих АЦII

При использовании метода двухстадийного интегрирования, а также всех методов, уравновешивания заряда входной сигнал усредняется на фиксированном интервале времени. По этой причине данные методы обеспечивают нечувствительность к сетевым наводкам как основной частоты, так и ее гармоникам. Методы‚ уравновешивания заряда в основном точны и недороги (для них, в частности требуется высокочастотный компаратор) и обеспечивают строго монотонные выходные характеристики. Однако по сравнению с методом последовательного приближения эти методы не отличаются высоким быстродействием. Так, на пример, преобразователь АDС100 фирмы Burr Brown при разрешающей способности 16 бит обеспечивает время преобразования 200 мс, его стоимость 200 долл. для сравнения: 16-разрядный преобразователь последовательного приближения DC - 160 фирмы Аnаlog Devices с временем преобразования 400 мкс стоит 1720 долл. В методах коммутируемого конденсатора и дельта - сигма - преобразования в отличие от двойного интегрирования используются компараторы низкой точности, которые подключают к выходам интеграторов, однако эти методы требуют точных схем коммутации заряда. В то же время двухстадийные методы нуждаются в высокой воспроизводимости характеристик компараторов, но не предъявляют таких высоких требований к ключам, по крайней мере в отношении быстродействия и инжекции заряда. Отметим одну интересную особенность интегрирующих методов (одно- и двухстадийное интегрирование и уравновешивание заряда): интегратор может иметь вход как по току, так и по напряжению с последовательно включенным резистором. Действительно, некоторые преобразователи имеют два входа, один из которых соединен непосредственно с суммирующей точкой. Этот вход используется для связи непосредственно с устройствами, которые являются источниками тока. Когда используется токовый вход, напряжение сдвига интегратора не играет роли, в то время как при использовании входа по напряжению (с последовательно включенным внутренним резистором) операционный усилитель интегратора дает ошибку, равную напряжению сдвига по входу. Токовый вход полезно иметь в тех случаях, когда надо получить широкий динамический диапазон, в особенности, если АЦП применяется совместно с устройствами, имеющими токовый выход, такими, например, как фотоумножители или фотодиоды . Здесь нужно опасаться таких недоразумений: сведения о точности АЦП, приводимые в паспортных данных, могли быть определены только для токового входа, хотя преобразователь имеет входы как по току, так и по напряжению. Если у такого преобразователя использовать вход по напряжению, то не следует рассчитывать на получение хороших характеристик при малых сигналах. Отметим, что все методы уравновешивания заряда включают в себя точный преобразователь напряжения в частоту и могут использоваться в этом качестве, если требуется частотный выход

6.Цифро-аналоговые преобразователи

Задача заключается в преобразовании величины, которая задана двоичным (или многозначным двоично-десятичным) числом в пропорциональный уровень напряжения или тока. Приведем ряд наиболее распространенных методов.

Подключение масштабирующих резисторов к суммирующей точке

Соединяя набор резисторов с точкой суммирования операционного усилителя, мы получим выходной сигнал, пропорциональный сумме входных напряжений с учетом весовых коэффициентов (рис. 9.36). Напряжение на выходе этой схемы изменяется от нуля до --10 В, причем максимальное напряжение на выходе соответствует входному числу 64. На самом деле максимальное число на входе всегда равно 2n-1, то есть всему множеству битов без 1, или 63; при этом выходное напряжение равно --10*63/64. Путем соответствующего выбора резистора обратной связи можно добиться, чтобы выходное напряжение изменялось от нуля до -- 6,3 В (то есть выходное напряжение 1 В эквивалентно 1/10 входного кода). Если добавить инвертирующий усилитель или подать постоянное смещение в точку суммирования, можно получить выход положительной полярности. Изменяя должным образом величины входных резисторов, можно получить преобразование многозначного двоично-десятичного кода или любых других взвешенных кодов. Подаваемые напряжения должны иметь точно фиксированные опорные уровни, а резисторы меньших номиналов должны иметь соответственно большую точность. Принимая внимание, что ключи реальных схем выполняются на биполярных или полевых транзисторах, заметим, что сопротивление ключа должно составлять менее чем 1/2nот сопротивления самого низкоомного резистора.

Многозвенная цепная схема R--2R

Интересным вариантом предшествующей схемы является многозвенная цепная схема типа R--2R; она непосредственно формирует выходное напряжение, используя набор резисторов только двух номиналов (рис. 9.37). Выходное напряжение приведенной схемы изменяется от нуля до +10 В, а конечное значение выходного сигнала соответствует входному числу 16 (для максимального входного кода 15 выходное напряжение также составляет 10*15/16). С некоторыми изменениями схему R--2R можно использовать для преобразования двоично-десятичного кода.

Применение масштабирующих источников тока

При данном методе преобразования входной двоичный код управляет включением источников, генерирующих токи, в соответствии с их весовыми коэффициентами (рис. 9.38). Эти токи суммируются, в суммарный ток либо непосредственно используется в качестве выходного, либо преобразуется в напряжение посредством операционного усилителя. Масштабные токи формируются при помощи транзисторов и набора масштабных резисторов соответствующих номиналов или при помощи резистивной матрицы многозвенного типа; выбор зависит от специфики преобразователя. Для устройств с токовым выходом напряжение на выходе может изменяться от 0,5 В (для некоторых типов, например 1406) до 25 В и более (например, DАC-08). Выходы могут быть рассчитаны как на режим отвода, так и отдачи тока. В большинстве преобразователей этого типа источники тока фактически все время включены, а их выходные токи коммутируются в зависимости от значения входного кода на землю или на выходную шину. Это обеспечивает повышение точности и быстродействия, а ключи легко реализуются на транзисторах или диодах (рис. 9.39). В первой схеме источника тока промасштабированы с помощью резисторной цепной схемы, а их выходы подключаются к выходной шине или к шине U+ в зависимости от значения входного цифрового сигнала. Площади эмиттерных переходов транзисторов соотносятся, как показывают цифры на рисунке, что позволяет обеспечить постоянную плотность эмиттерных токов. Операционный усилитель с транзистором Топ формирует отрицательное опорное напряжение для смещения источников тока, задавая соответствующее значение UБЭ. Стабильное положительное опорное напряжение +Uоп можно получить от внутреннего, либо от внешнего источника. Это напряжение используется для получения коллекторного тока транзистора Топ, равного Iк= Uоп /Rоп, следовательно, стабильного напряжения на эмиттере относительно U_. Транзисторы ТА-ТГ, которые обеспечивают необходимые двоично-взвешенные токи, получают требуемое напряжение смещения за счет того, что потенциал базы выше потенциала эмиттера на величину UБЭ. Сама по себе схема ключа предельно проста. Каждый ключ, как показано на рисунке, состоит из двух npn-транзисторов. База одного из них соединена с опорным источником, напряжение которого должно на несколько вольт превышать базовый потенциал транзистора, образующего источник тока. Этот ключ можно рассматривать, как пару каскадно-включенных транзисторов, причем эмиттерный ток протекает к коллектору того транзистора, который имеет более высокий потенциал базы. Напряжение управления ключа (подаваемое на базу транзистора Т1) имеет размах, уровни которого лишь на доли вольта выше или ниже напряжения на базе транзистора Т2 за счет достигается полная коммутация тока. Такой ключ отличается высоким быстродействием и обеспечивает широкий диапазон выходного напряжения. Вторая схема даже проще первой, за счет использования диодных ключей. Выходные токи отдельных источников в соответствии с управляющим напряжением, приложенным к катодам полевых (по схеме) диодов, протекают на выходную шину (через правые диоды каждой пары) или ответвляются в левые диоды. Эта схема обладает сравнительно узким выходным диапазоном, так как управляющее напряжение должно иметь больший размах, чем диапазон выходного напряжения, но зато обеспечивает очень высокое быстродействие; даже дешевле ЦАП (дешевле 10 долл.) с токовым выходом имеют время установления меньше 100 нс

Формирование выходного сигнала напряжения

Существует несколько способов, с помощью которых для ЦАП с выходом по току организуется выход по напряжению. Некоторые способы показаны на рис. 9.40. Если емкость нагрузки невелика и большие значения выходного напряжения не требуются, достаточно включить резистор на землю. Для того чтобы получить полную шкалу выходного напряжения 100 мВ при выходном сопротивлении100 Ом и обычной шкале выходного тока 1 мА, требуется резистор нагрузки с сопротивлением 100 Ом. Если емкость выхода такого ЦАП не превышает совместно с емкостью нагрузки 100 пФ, полученное быстродействие можно характеризовать временем установления 100 нс. Рассматривая влияние постоянной времени RC-цепи на реакцию выхода ЦАП, не следует упускать из виду, что выходное напряжение установится с точностью до ? МЗР за время, составляющее несколько постоянных времени. Например, время установления выхода с точностью 1/2048 для 10-разрядного преобразователя будет составлять 7,6RС. Для того чтобы получить большой диапазон выходного напряжения или согласовать выход с низкоомной нагрузкой или с нагрузкой, имеющей большую емкость, можно использовать схему с операционным усилителем (усилитель тока с выходом по напряжению), как показано на рис. 9.40, 6. Конденсатор, подключенный параллельно резистору обратной связи, нужен для того, чтобы обеспечить устойчивость, поскольку выходная емкость ЦАП в комбинации с сопротивлением обратной связи составляют фазосдвигающую цепь; это, к сожалению, снижает быстродействие усилителя. Рассмотренная схема имеет одну интересную особенность: для того чтобы обеспечить высокое быстродействие даже недорогого ЦАП, нужен относительно дорогостоящий быстродействующий операционный усилитель. Практически последняя схема (в) обеспечивает лучшие характеристики, так как ей не нужен компенсирующий конденсатор. Нужно внимательно относится к напряжению сдвига, так как оно усиливается в 100 раз операционным усилителем. Стандартные модули ЦАП обладают точностью от б до 18 бит и временем установления от 25 нс до 100 мкс (для ЦАП с наивысшей точностью). Цены колеблются от нескольких долларов до нескольких сотен долларов. Типичный, повсеместно используемый 12-разрядный преобразователь DАС-8О (со встроенным опорным источником) стоимостью 20 долл. имеет при выходе по напряжению время установления 3 мкс, а при выходе по току -- 0,3 мкс.

Интегрирующие ЦАП

Преобразователи частоты в напряжения.

Иногда в качестве «цифрового» входа преобразователя может выступать последовательность импульсов или каких-либо других периодических сигналов некоторой частоты. В этом случае может оказаться удобнее производить прямое преобразование в напряжение, а не кодирование частоты с последующим преобразованием полученного числа при помощи рассмотренных методов. При прямом преобразовании частоты в напряжение на каждом такте входного сигнала формируется импульс напряжения или тока фиксированной величины (то есть фиксированный заряд). Импульсная последовательность усредняется при помощи интегратора или RС-фильтра низкой частоты, и полученное выходное напряжение оказывается пропорциональным средней входной частоте. Конечно, на выходе получаются пульсации, и для того, чтобы снизить их до уровня точности Ц/А - преобразования (то есть до 1/2 МЗР), необходимо установить фильтр низкой частоты, который в свою очередь замедляет выходную реакцию преобразователя. Для того чтобы выходные пульсации не превышали ? МЗР, постоянная времени Т простого RС-фильтра нижних частот должна быть не менее Т=0,69(n+1)Т0, где Т0 -- период выходного сигнала n -разрядного преобразователя частоты в напряжение, соответствующий максимальной входной частоте. При изменении частоты входного сигнала в диапазоне полной шкалы сигнал на выходе RС - цепи достигает уровня 1/2 МЭР за время, равное 0,69 (n + 1) от постоянной времени фильтра. Другими словами, время установления по выходу на уровне МЗР составляет примерно t =0,5 (n + 1)2Т0 . Десятиразрядный преобразователь частоты в напряжение с максимальной входной частотой 100 кГц при использовании сглаживающего RС-фильтра обеспечивает время установления выходного напряжения 0,6 мс. Применяя более сложные фильтры низкой частоты (с крутым спадом), можно получить лучшие характеристики. Однако в большинстве случаев выход по напряжению для преобразователя частоты не требуется.

Широтно - импульсная модуляция

При этом виде модуляции производится формирование последовательности импульсов фиксированной частоты, длительность которых пропорциональна входному коду. Это легко сделать: при помощи счетчика, компаратора и высокочастотного генератора тактовых. Здесь также можно использовать простейший фильтр нижних частот и получить напряжение на выходе, пропорциональное усредненному времени действия импульса, т. е. входному цифровому коду. Однако чаще всего такое Ц/А - преобразование используется в тех случаях, когда в качестве нагрузки применяется система с очень медленной реакцией. В это случае широтно-импульсный модулятор вырабатывает точные порции энергии, которые усредняются нагрузкой. Так, например, нагрузка может быть емкостной, термической (термостатированная ванна с нагревателем), механической (сервопривод лентопротяжки) пли электромагнитной (крупный электромагнитный исполнительный механизм).

Усредняющий умножитель частоты

Для построения простого ЦАП можно использовать умножитель (делитель) частоты. С его помощью входной параллельный код, двоичный или двоично-десятичный, преобразуется в среднюю частоту следования импульсов. Как и в рассмотренном выше преобразователе частоты в напряжение, простым усреднением можно получить постоянное выходное напряжение, пропорциональное входному коду. При этом результирующая постоянная времени будет довольно значительной, так как время усреднения на выходе умножителя частоты должно быть равно наибольшему периоду выходного сигнала умножителя. Умножители частоты целесообразно использовать в ЦАП, если нагрузка существенно инерционна. Такие преобразователи, по-видимому, лучше всего пригодны для построения цифровых систем регулирования температуры, в которых по каждому импульсу с выхода умножителя частоты на нагреватель подается полный период сетевого напряжения. В этом случае умножитель должен быть построен таким образом, чтобы самая низкая частота его выходного сигнала была бы кратна 120 Гц Для коммутации и сетевого напряжения используются твердотельные реле ( триаки) , управляемые логическими сигналами.

ЦАП с умножением

Большинство методов пригодны для построения «множительных ЦАП», выходной сигнал которых равен произведению входного напряжения или тока на входной цифровой код. Например, в ЦАП с градуируемым источником тока выбор внутреннего источника можно производить путем программирования входного тока. Преобразователь без собственного опорного источника можно превратить в множительный ЦАП, используя входной аналоговый сигнал (сомножитель) в качестве опорного. Однако для этой цели пригодны не все ЦАП, поэтому следует внимательно изучать их паспортные данные. Документация на ЦАП, имеющие подходящие для этого случая характеристики (широкий диапазон входного аналогового сигнала, высокое быстродействие и т. п.), обычно снабжается пометкой «умножающего ЦАП». Таковы, например, 12-разрядные множительные ЦАП АD7521, DАСЗ4З, DАС921 и 562 сто от 10 до 20 долл. Множительные ЦАП (так же, как и АЦП) дают возможность производить логометрические измерения и преобразования. Если какой-нибудь датчик (например, термистор) подключить к напряжению питания, которое одновременно используется для формирования опорного напряжения ЦАП или АЦП, изменение этого напряжения не скажется на результате измерения. Это позволяет достичь значительно большей точности измерений или управления, чем это может обеспечить стабильность источника питания или опорного напряжения, или, наоборот, снизить требования к стабильности и точности источника. Логометрический принцип в своей простейшей форме применяется в классической мостовой схеме, где путем регулировки двух отношений приравнивается нулю дифференциальный сигнал, взятый с двух выходов делителей напряжения. За счет логометрирования достигается высокая выходная стабильность частоты при сильных изменениях напряжения питания. Напряжение на конденсаторе СR-цепи, подключенной к источнику питания Uкк, сравнивается с фиксированным значением, полученным от того же источника (? Uкк или ? Uкк) Результирующая выходная частота зависит только от постоянной времени RС-цепи.

Литература

1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники.- М.:«МИР»1983

2. Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы.- М.:Машиностроение,1983

3. Илясов Л.В.,Азим-Заде А.Ю.,Фарзане Н.Г. Технологические измерения и приборы.- М.:ВЫСШАЯ ШКОЛА,1989

4. Камразе А.Н., Фитерман М.Я. Контрольно измерительные приборы и автоматика.- Л.: «ХИМИЯ»,1988

5. ДубовА Н.Д., Осокин В.И., Очков А.С. и др.; Под ред. А.А. Сазонова Измерения и контроль в микроэлектронике: Учебное пособие по специальностям электронной техники- М.:Высш. Шк.,1984.-367с., ил