Макет цифро-аналогового преобразователя R-2R

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ «ГРОДНЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ ЯНКИ КУПАЛЫ»

УДК 583.41.12

Физико-технический факультет

Кафедра общей физики

МАКЕТ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ R-2R ЦАП

Курсовая работа

ГРОДНО 2010

РЕФЕРАТ

Курсовая работа 21 стр., 11 рис.,8 ист.

ИНТЕГРАЛЬНАЯ МИКРОСХЕМА, МАКЕТ, ПЕЧАТНАЯ ПЛАТА, ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА

Цель курсовой работы разработка и изготовление макета цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) основным компонентом которого является 10-разрядный умножающий ЦАП типа К572ПА1А, выполненный по классической R-2R схеме.

Выполнение курсовой работы предусматривает решение следующих задач:

- обобщение и углубление теоретических знаний в области расчета и анализа работы электрических схем;

- обоснование выбора используемых электронных компонентов;

- разработка схемы электрической принципиальной ЦАП;

- разработка и изготовление печатной платы ЦАП

- монтаж, отладка и исследование характеристик изготовленного устройства.

Работа содержит 2 главы. Первая глава посвящена обзору литературных источников по методам цифро-аналогового преобразования. Во второй главе описывается разработанный автором макет ЦАП, приведена электрическая - принципиальная и структурная схемы, чертеж печатной платы, описано конструктивное исполнение разработки. Также приведено описание принципов работы изготовленного источника питания и его основные характеристики.

ВВЕДЕНИЕ

Современный этап в развитии телефонии, радиовещания, телевидения, записи и воспроизведения звука характеризуется тенденцией к переходу на цифровую форму представления информации. Большинство первичных сигналов представляются в аналоговой форме, и для обработки их с помощью электронно-вычислительных машин (ЭВМ) они преобразуются в цифровой n-разрядный код.

Для управления изменением аналоговых величин по результатам их обработки в ЭВМ необходимо осуществлять обратное преобразование цифровой информации, в аналоговую.

Преобразование осуществляется с помощью преобразователей цифро-аналоговых (ЦАП) и аналого-цифровых (АЦП). Существуют различные методы цифро-аналогового и аналого-цифрового преобразования, реализующие различные алгоритмы функционирования и соответствующие структуры технической реализации.

Практическая реализация схем ЦАП и АЦП может быть выполнена на основе одной или нескольких микросхем в зависимости от используемой серии микросхемы и характеристик преобразователя (разрядности, быстродействия и т. д.).

Выполнение курсовой работы предусматривает решение следующих задач:

- обобщение и углубление теоретических знаний в области расчета и анализа работы электрических схем;

- обоснование выбора используемых электронных компонентов;

- разработка схемы электрической принципиальной ЦАП;

- разработка и изготовление печатной платы ЦАП;

- монтаж, отладка и исследование характеристик изготовленного устройства.

1. МЕТОДЫ ЦИФРО-АНАЛОГОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

1.1 Применение и общие характеристики ЦАП

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) предназначен для преобразования числа, определенного, как правило, в виде двоичного кода, в напряжение или ток, пропорциональные значению цифрового кода. Пользуясь их свойствами можно определять произведения двух или более сигналов, строить делители функций, аналоговые звенья, управляемые от микроконтроллеров, такие как аттенюаторы, интеграторы. Важной областью применения ЦАП являются также генераторы сигналов, в том числе сигналов произвольной формы.

Схемотехника цифро-аналоговых преобразователей весьма разнообразна. На рисунке 1.1 представлена классификационная схема ЦАП по схемотехническим признакам. Кроме этого, интегральная микросхема (ИМС) цифро-аналоговых преобразователей классифицируются по следующим признакам:

- По виду выходного сигнала: с токовым выходом и выходом в виде напряжения.

- По типу цифрового интерфейса: с последовательным вводом и с параллельным вводом входного кода.

- По числу ЦАП на кристалле: одноканальные и многоканальные.

- По быстродействию: умеренного и высокого быстродействия.

Рисунок 1.1 Классификация ЦАП

1.2 ЦАП с суммированием весовых токов

Большинство схем параллельных ЦАП основано на суммировании токов, сила каждого из которых пропорциональна весу цифрового двоичного разряда, причем должны суммироваться только токи разрядов, значения которых равны 1. Пусть, например, требуется преобразовать двоичный четырехразрядный код в аналоговый сигнал тока. У четвертого, старшего значащего разряда (СЗР) вес будет равен 2³=8, у третьего разряда - 2²=4, у второго - 2¹=2 и у младшего (МЗР) - 2⁰=1. Если вес МЗР I_МЗР=1 мА, то I_СЗР=8 мА, а максимальный выходной ток преобразователя I_{вых.макс}=15 мА и соответствует коду 1111₂. Понятно, что коду 1001₂, например, будет соответствовать I_вых=9 мА и т.д. Следовательно, требуется построить схему, обеспечивающую генерацию и коммутацию по заданным законам точных весовых токов. Простейшая схема, реализующая указанный принцип, приведена на рисунке 1.2.

Сопротивления резисторов выбирают так, чтобы при замкнутых ключах через них протекал ток, соответствующий весу разряда. Ключ должен быть замкнут тогда, когда соответствующий ему бит входного слова равен единице. Выходной ток определяется соотношением

Где -состояние ключа (рисунок 1.2), -цифровой код, поданный на выходы ЦАП ,-сопротивление резистора в цепи МЗР, величина опорного напряжения ,относительно которого осуществляется процесс преобразования.

Рисунок 1.2 Простейший ЦАП с суммированием весовых токов

При высокой разрядности ЦАП токозадающие резисторы должны быть согласованы с высокой точностью. Наиболее жесткие требования по точности предъявляются к резисторам старших разрядов, поскольку разброс токов в них не должен превышать тока младшего разряда. Из этого условия следует, что разброс сопротивления резистора, например, в четвертом разряде не должен превышать 3%, а в 10-м разряде - 0,05% и т.д.

Рассмотренная схема при всей ее простоте обладает целым букетом недостатков. Во-первых, при различных входных кодах ток, потребляемый от источника опорного напряжения (ИОН), будет различным, а это повлияет на величину выходного напряжения ИОН. Во-вторых, значения сопротивлений весовых резисторов могут различаться в тысячи раз, а это делает весьма затруднительной реализацию этих резисторов в полупроводниковых интегральных микросхемах (ИМС). Кроме того, сопротивление резисторов старших разрядов в многоразрядных ЦАП может быть соизмеримым с сопротивлением замкнутого ключа, а это приведет к погрешности преобразования. В-третьих, в этой схеме к разомкнутым ключам прикладывается значительное напряжение, что усложняет их построение.

Перечисленные недостатки устранены в схеме ЦАП с R-2R матрицей (рисунок 1.3), которая в настоящее время является по существу промышленным стандартом (по ней выполнены многие серийные модели ЦАП) [1-5]. В качестве ключей здесь используются МОП- транзисторы.

цифровой аналоговый преобразователь

Рисунок 1.3 Схема ЦАП с переключателями и матрицей постоянного импеданса

В этой схеме задание весовых коэффициентов ступеней преобразователя осуществляют посредством последовательного деления опорного напряжения с помощью резистивной матрицы (РМ) постоянного импеданса. Основной элемент такой матрицы представляет собой делитель напряжения ,который должен удовлетворять следующему условию: если он нагружен на сопротивление R_н, то его входное сопротивление R_вх также должно принимать значение R_н.

Поскольку в любом положении переключателей S_k они соединяют нижние выводы резисторов с общей шиной схемы, источник опорного напряжения нагружен на постоянное входное сопротивление R_вх=R. Это гарантирует неизменность опорного напряжения при любом входном коде ЦАП.

Согласно рисунку1.3, выходные токи схемы определяются соотношениями (значок надчёркивания означает инверсию)

Поскольку нижние выводы резисторов 2R матрицы при любом состоянии переключателей S_k соединены с общей шиной схемы через низкое сопротивление замкнутых ключей, напряжения на ключах всегда небольшие, в пределах нескольких милливольт. Это упрощает построение ключей и схем управления ими и позволяет использовать опорное напряжение из широкого диапазона, в том числе и различной полярности. Поскольку выходной ток ЦАП зависит от U_оп линейно, преобразователи такого типа можно использовать для умножения аналогового сигнала (подавая его на вход опорного напряжения) на цифровой код. Такие ЦАП называют умножающими.

Точность этой схемы снижает то обстоятельство, что для ЦАП, имеющих высокую разрядность, необходимо согласовывать сопротивления R₀ ключей с разрядными токами. Особенно это важно для ключей старших разрядов. Например, в 10-разрядном ЦАП AD7520 ключевые МОП- транзисторы шести старших разрядов сделаны разными по площади и их сопротивление R₀ нарастает согласно двоичному коду (20, 40, 80, : , 640 Ом). Таким способом уравниваются (до 10 мВ) падения напряжения на ключах первых шести разрядов, что обеспечивает монотонность и линейность переходной характеристики ЦАП.

1.3 Формирование выходного напряжения для ЦАП с токовым выходом

Для всех рассмотренных нами ЦАП выходным сигналом является ток, хотя наиболее часто требуется получить выход по напряжению. Существует несколько стандартных способов формирования выходного напряжения для ЦАП [4-5].

Если ёмкость нагрузки C* невелика, то хорошо работает схема с обычным резистором, подключения к земле (рисунок 1.4 а). при типовом выходном токе ЦАП равном 1мА, нагрузочный резистор 100Ом обеспечивает выходное напряжение 100 мВ с выходным сопротивлением 100 Ом.

На рисунке 1.4 б приведена схема с преобразователем тока в напряжение на операционном усилителе (ОУ). Поскольку плёночные резисторы ЦАП, определяющие весовые токи, имеют значительный температурный коэффициент сопротивления, резистор обратной связи R1 следует изготавливать на кристалле ЦАП, что обычно и делается. Это позволяет снизить температурную нестабильность преобразователя на 2-3 порядка.

Для R-2R ЦАП на МОП- ключах выходное напряжение схемы на рисунке 1.4 б составит

где R- базовое сопротивление резистора R-2R матрицы.

Обычно сопротивление резистора обратной связи R1=R. В таком случае

Большинство моделей ЦАП имеет значительную выходную ёмкость. Например, у используемого в макете курсовой работы ЦАП К572ПА1 в зависимости от входного кода C* имеет величину 30…120 пФ[7]. Эта ёмкость совместно с выходным сопротивлением ЦАП и резистором обратной связи R1 может вызвать неустойчивость в виде самовозбуждения выходного ОУ. Особенно это описано для ЦАП при нулевом входном коде.

Для сохранения устойчивости можно включить параллельно резистору R1 (рисунок 1.4 б) конденсатор С1,ёмкость которого в первом приближении можно взять равной C*. Для более точного выбора C1 необходимо провести полный анализ устойчивости схемы с учётом свойств конкретного ОУ. Эти мероприятия сильно ухудшают временные параметры схемы, что для поддержания высокого быстродействия даже недорогого ЦАП может потребоваться относительно дорогой быстродействующий (с малым временем установления) ОУ.

Некоторые модели ЦАП С МОП ключами допускают отрицательное напряжение на ключах не свыше 0,7 В, поэтому для защиты ключей между токовыми выходами ЦАП иногда включают пару встречно-параллельно соединённых диодов VD1 и VD2 (рисунок 1.4 б).

Рисунок 1.4 Формирование напряжения по токовому выходу ЦАП

Выходное напряжение схемы на рисунке.1.4 б является отрицательным. Если имеется необходимость в формировании положительного выходного напряжения ЦАП, можно использовать уже рассмотренную нами схему с резистором на выходе ЦАП (рисунок 1.4 а),дополненную неинвертирующим усилителем на ОУ для увеличения амплитуды выходного сигнала (рисунок1.4 в).

2. МАКЕТ ЦАП

2.1 Выбор элементной базы

Микросхема умножающего ЦАП типа К572ПА1 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 четырёхквадратного умножения, небольшим габаритам ЦАП К572ПА1 находит широкое применение в различной аппаратуре. Все ее элементы выполнены в одном кристалле. Данная микросхема предназначена для преобразования 10-разрядного прямого параллельного двоичного кода на цифровых входах в ток на аналоговом выходе, который пропорционален значениям кода и (или) опорного напряжения.

В состав ИС ЦАП К572ПА1 входят прецизионная поликремневая РМ типа R - 2R, усилители-инверторы (УИ) для управления токовыми ключами, токовые двухпозиционные ключи.

Двоичный закон распределения токов в ветвях РМ соблюдается при условии равенства потенциалов выходов 1 и 2 микросхемы. Это обеспечивается подключением выхода 1 к инвертирующему входу ОУ, охваченного отрицательной обратной связью. Неинвертирующий вход ОУ соединяется с выходом 2 и с шиной аналоговой земли. При этом осуществляется преобразование тока на выходе 1 в пропорциональное ему напряжение на выходе ОУ. Резистор R_о.с определяет значение коэффициента преобразования и напряжения в конечной точке шкалы.

Для достижения стабильности основных параметров преобразования при воздействии внешних факторов резистор обратной связи R_о.с = R размещен на кристале микросхемы. При использовании источника опорного напряжения (ИОН) U_ИОН = 10,24 В с внутренним резистором R_о.с значение U_{вых ОУ} = 10,24 В, а шаг квантования, т. е. расчетное приращение выходного напряжения при изменении входного кода на единицу младшего разряда, h = 10 мВ. Номинальное значение выходного тока составляет 1 мА, а фактическое может изменяться в пределах от 0,5 до 2 мА.

Значения основных параметров ИС зависят в первую очередь от точности соблюдения отношения R_о.с / R = 1 и R / 2R = 0,5 для всех звеньев РМ.

Преобразователь К572ПА1 допускает работу при напряжении питания в диапазоне от 5 до 17 В и изменении опорного напряжения в пределах 17 В.

Рисунок 2.1 Схема включения ЦАП типа К572ПА1

2.2 Структурная и электрическая принципиальная схемы ЦАП

Структурная схема лабораторной установки приведена на рисунке 2.2, а принципиальная на рисунке 2.3.

Рисунок 2.2 Структурная схема установки

Сигналы шины данных интерфейса Centronics подключены ко входам буфера, выполненного на основе микросхемы DDI, представляющей восьмиразрядный двунаправленный шинный усилитель-формирователь с повышенной нагрузочной способностью. В данной схеме свойство двунаправленности DDI не используется. Микросхема работает как однонаправленный буфер, передавая информацию, поданную на входы А0-А7, на выходы В0-В7. Такое направление жестко задано уровнем лог. 1 на входе Едв- Инверсный вход ЕО может использоваться для перевода выходов DDI в отключенное Z-состояние (при ЕО=1), но это свойство также не используется.

Назначение DDI - согласование по нагрузочной способности выходов интерфейса с подключаемыми к нему устройствами. Выходы буфера нагружены на входы ЦАП DA1 и индикаторные светодиоды HL1-HLS (МЗР-СЗР). Визуально отображающие состояния восьми линий данных.

Рисунок 2.3. Схема электрическая принципиальная

Резисторы R2-R9 обеспечивают «подтягивание» уровня логической 1 с целью обеспечения надежного управления входами ЦАП DA2.

В схеме используется 10-разрядный умножающий ЦАП типа К572ПА1А, выполненный по классической R-2R схеме [2; 6; 7]. Два младших разряда шины данных ЦАП подключены к общему проводу с целью уменьшения количества разрядов ЦАП до восьми. К572ПА1А имеет два токовых выхода I1 и I2, подключаемых ко входу преобразователя ток-напряжение (ПТН) и общему проводу соответственно. Между указанными выходами включены два встречно- параллельно соединенных диода VD4, VD5. Их основное назначение - зашита ключей ЦАП от приложения к ним отрицательного напряжения свыше 0,7 В.

Преобразователь ток-напряжение реализован по стандартной инвертирующей схеме на ОУ DA3. Резистор в цепи обратной связи преобразователя встроен в состав ЦАП. На выходе преобразователя, являющемся также выходом установки Х2 «Выход», возможна генерация любого напряжения из диапазона от -U_оп до 0 В.

Источник опорного напряжения U_оп имеет очень простую схему, в которой используется двуханодный стабилитрон VD3 КС175А с номинальным напряжением стабилизации 7.5 В. Применение двуханодного стабилитрона позволяет минимизировать температурную зависимость напряжения стабилизации. Ток через VD3 ограничивается последовательно включенным резистором R19. Переменный резистор R20 «Регулировка U_оп» необходим для подстройки опорного напряжения в диапазоне от 0 В до напряжения стабилизации VD3. Напряжение с ползунка этого резистора поступает на вход U_оп DA2. Конденсатор С6 используется для дополнительной фильтрации опорного напряжения. Рассматриваемая схема ИОН не отличается очень высокой стабильностью, однако для целей лабораторного практикума ее параметры вполне пригодны. ИОН имеет внешний выход для целей контроля -разъем ХЗ «Выход U_оп».

Лабораторная установка запитывается от источника двуполярного напряжения =15 В, подключаемого к разъему XI «Питание». На элементах VD1. VD2, CI, С2 выполнены входные цепи защиты от изменения полярности напряжения питания, а также фильтры. Напряжение +U и -U, снимаемое с конденсаторов С1 и С2 соответственно, используется для питания DA2 и DA3. Конденсаторы С8-С11 используются для дополнительной фильтрации питающего напряжения ОУ DA3 и размещаются в непосредственной близости от него.

На микросхеме DA1 и конденсаторах СЗ, С4 собран источник стабильного напряжения +5 В, которое питает входной буфер DDI со схемами индикации.

2.3 Печатная плата

Суть примененного нами метода изготовления печатных плат заключается в том, что защитный рисунок, образованный тонером лазерного принтера, посредством нагревания переносится на фольгированный стеклотекстолит и предотвращает травление меди. В результате, после химического травления, на плате остаются дорожки проводников.

Технология изготовления:

Выбираем габаритные размеры печатной платы. Толщина печатной платы H=1,5 мм; ширина дорожки 0.7мм.

Дальше рисуем рисунок платы в любой удобной для нас программе (использовался САПР P-CAD 2002 Trial Version) и печатаем его на полимерной плёнке. Чертеж изготавливаемой печатной платы показан на рисунках 2.4, 2.5. Печатать нужно в зеркальном отображении, чтобы после переноса картинка соответствовала действительности. После печати к картинке не стоит прикасаться руками и желательно беречь от пыли, чтобы ничто не мешало соприкосновению тонера и меди. Далее вырезаем рисунок платы точно по контуру.

Вырезаем из текстолита пластинку размеров 70 Ч 120мм. Края пластины выравниваем напильником, поверхность пластинки зачищаем наждачной бумагой. Затем её надо тщательно обезжирить. После обезжиривания к плате также нельзя прикасаться пальцами.

Накладываем наш рисунок на плату тонером вниз. На плёнку кладём несколько листов бумаги. Разогрев утюг на максимум, приглаживаем рисунок к пластинке. Полимерная плёнка прогревается до тех пор пока тонер не останется на плате. После можно дать плате немного остыть. Затем аккуратно снимаем плёнку с текстолита.

Под светом яркой лампы внимательно рассматриваем слои тонера на разрывы. Эти места необходимо подкрасить перманентным маркером для компакт. Этим же маркером можно дорисовать и некачественные дорожки, если такие возникли. Когда плата будет готова, помещаем её в раствор хлорного железа. В растворе происходит растворение незащищённой меди. По завершению данной процедуры удаляем с платы остатки раствора железа а дорожки очищаем от тонера с помощью наждачной бумаги.

Следующий этап ? это просверливание отверстий в контактных площадках для пайки деталей. Запаиваем детали. Расположение деталей на печатной плате показано на рисунке 2.6.

Рисунок 2.4. Печатная плата сторона а

Рисунок 2.5. Печатная плата сторона б

Рисунок 2.6 Расположение элементов на печатной плате

2.4 Конструктивное исполнение

Макет ЦАП представляет собой печатную плату (рисунок 2.7).

Рисунок 2.7 Фотография макета ЦАП

2.5 Характеристики ЦАП

1. Диапазон выходного напряжения0В ? -2,54 В

2. Потребляемый ток 30мА

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения курсовой работы был разработан макет R-2R ЦАП, основная задача которого преобразования числа, определенного в виде двоичного кода, в напряжение, пропорциональные значению цифрового кода.

В результате проделанной работы:

- разработана схема электрическая принципиальная;

- разработан чертёж печатной платы и компоновочный эскиз;

- изготовлена печатная плата

- выполнен монтаж и отладка устройства

- исследованы основные характеристики устройства

ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Булычев А.А., Галкин В.И., Прохоренко В.А. Аналоговые интегральные схемы: Справочник. - Минск: Беларусь, 1993.

Ефимин М.К., Шушкевич С.С. Основы радиоэлектроники. - Минск: Университетское, 1986.

Богданович М.И., Грель И.Н., Прохоренко В. А.. Шатимо В.В. Цифровые интегральные микросхемы: Справочник. - Минск: Беларусь. 1991.

Федоров Б.Г., Телец В.Н., Дегтяренко В.П. Микроэлектронные цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи. - М.: Радио и связь. 1984.

Физика конденсированного состояния - Гродно: ГрГУ,2010.398 с.

Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники - М.: Мир, 1993.-Т. 2.

Цифро-аналоговые преобразователи. [Электронный ресурс]. ? 2010. ? Режим доступа: http://www.limi.ru/dacs/dacsindex.htm ? Дата доступа:14.05.2010

Intersil AD7520, AD7521 datasheet. - Intersil, 2002.

Размещено на Allbest.ru