книги / Применение аналоговых микросхем

Рис. 7.36. Схема устройства управления электродвигателем

меняются мощность, отбираемая электродвигателем от источника питания Un, и, следовательно, скорость вращения ротора элект­ родвигателя. Чем больше длительность напряжения С/п на выходе таймера, тем дольше открыты транзисторы VTÎ, VT2 и тем до большего напряжения зарядится конденсатор Сн. Когда скваж­ ность выходных импульсов таймера достигает 100%, скорость вращения ротора электродвигателя максимальна. Число дискрет­ ных значений скорости определяется числом использованных ком­ параторов.

В исходном состоянии все транзисторы и диоды VD1, VD2 закрыты, а напряжение на конденсаторе Ct уменьшается от свое­ го максимального значения 2Un/3 до минимального Чп/ 3. Кон­ денсатор Ct разряжается через резисторы Ri—RN, которые под­ ключены к компараторам с низкими выходными напряжениями. Значения выходных напряжений компараторов при закрытом диоде VD2 определяются напряжением на их неинвертирующих входах, т. е. сопротивлением i?P. Таким образом, время, в течение которого транзисторы закрыты, равно 0,7RnCt, где Rn — сопротив­ ление параллельно включенных резисторов R1 —RN У компара­ торов с выходным напряжением около нуля. В момент, когда на

около нуля. Чтобы выполнить это требование, напряжение на ин­

I L 0,1мк

Рис. 7.37. Схема тахометра

конденсаторе Ct от t/„/3 до 2f/n/%3. Затем описанный процесс повторится. Таким образом, скважность выходных импульсов таймера, равная Rt/(Rt+Rn)f может меняться от 0 (при Rn^Rt) до 100% (при Rt^Rn) и, следовательно, в широких пределах может регулироваться скорость вращения ротора электродвига­ теля. Частота выходных импульсов fræ l,44/ (ЯП+2#*)С* должна быть значительно больше частоты вращения ротора.

Сравнительно простая схема тахометра (рис. 7.27) позволяет оценить число оборотов вала двигателя автомобиля по числу им­ пульсов формируемых прерывателем-распределителем. Резистор R7 и стабилитрон VD3 формируют напряжение питания таймера, практически не зависящее от колебаний напряжения бортсети автомобиля. Конденсатор СЗ шунтирует высокочастотные выбро­ сы, попадающие в цепь питания таймера. Падение напряжения на стабилитроне VD1 должно быть в 2 раза меньше, чем падение напряжения UVD3 на VD3. В этом случае изменение напряжения на выводе 2 таймера находится в пределах O . . . U VDZ, что необ­ ходимо для его нормальной работы (см. гл. 4). При подаче сиг­ нала на триггерный вход таймера на его выходе устанавливается высокое напряжение на время 1 ,1/?4С2, в течение которого через микроамперметр протекает ток, равный U VDZ( R S-\-RG). Затем вы­ ходное напряжение таймера уменьшается до нуля, и, пока на входе устройства не появится следующий импульс, ток в микро­ амперметре практически отсутствует. Следовательно, чем больше оборотов двигателя, тем больше среднее время поддержания тока в микроамперметре и тем дальше по шкале отклонится стрелка. Таким образом, число оборотов вала в секунду можно опреде­ лить, отградуировав соответствующим образом шкалу микроам­ перметра. Для этого, заземлив катод диода VD2, устанавливается в нуль стрелка микроамперметра. Затем, отключив катод диода VD2 от вывода 3, устанавливается максимальное отклонение стрелки микроамперметра регулировкой потенциометра. В отгра­ дуированном таким образом микроамперметре максимальное от­ клонение стрелки будет соответствовать n = l / (RAC2) оборотам в секунду.

Рис. 7.38. Схема регулятора движения стеклоочистителей

Для получения регулируемой задержки между циклами рабо­ ты щеток стеклоочистителей в автомобиле применяется таймер с обратной связью по цепи сигнала, поступающего с. кулачкового переключателя, расположенного на валу электродвигателя стек­ лоочистителей (рис. 7.38). Таймер использует этот сигнал для синхронизации времени задержки с положением щеток. Макси­ мальное время задержки составляет 22 с, что вполне достаточно при сильном тумане. Время задержки регулируется потенциомет­ ром R1 и может быть уменьшено до нуля, а точнее до значения задержки стандартного стеклоочистителя, рассчитанного на силь­ ный дождь. При включенном устройстве (S1 замкнут) выходное напряжение таймера равно Un, на двигатель стеклоочистителя через транзисторы подано питание и кулачковый переключатель S2 заземляет точку А. Когда щетки отклонятся от своего началь­ ного положения примерно на 5°, кулачковый переключатель сое­ динит точку А с источником напряжения питания Un. Это напря­ жение через диод VD1 подается на пороговый вход таймера, и, когда оно станет больше 2t/n/v3, выходное напряжение таймера упадет до нуля. Однако работа электродвигателя не прекращает­ ся, так как на него напряжение питания подается через диод VD2. Когда щетки достигнут максимального отклонения и начнут дви­ гаться к своему начальному положению, S2 переключится и заземлит точку А. Теперь электродвигатель прекращает работу на время уменьшения напряжения на Ct от U„ до Un/3. Это время

^3=1,5Сг(/?1+/?2+/?з)* Через время U на выходе таймера вновь устанавливается высокое напряжение, запускается электродвига­ тель и повторяется описанный цикл работы.

Наряду с аналоговыми микросхемами общего применения в бытовой и автомобильной электронике стали широко применяться специализированные микросхемы, выпускаемые для товаров мас­ сового спроса. Например, были выпущены микросхемы для фото­ аппаратов, слуховых аппаратов, кинокамер, автомобилей и т. д. Примеры применения двух схем этого типа показаны на рис. 7.39. Первая ИС КР1П2ПП2 предназначена для использования в уст­ ройствах экспоиометрии и автоматики современных моделей ки-

Распространение цифровой вычислительной техники, особенно активное в последние годы благодаря выпуску микропроцессор­ ных БИС и однокристальных микроЭВМ, потребовало выпуска широкой номенклатуры БИС ЦАП и АЦП. Эта потребность объ­ ясняется тем, что большинство переменных величин (ток, напря­ жение, скорость, температура, давление, освещенность и т. д.) представляются в аналоговой форме. Непосредственная обработ­ ка этих величин цифровыми устройствами невозможна без пред­ варительного представления в виде цифрового N-разрядного сло­ ва. Эту операцию осуществляют АЦП. В свою очеередь, для точ­ ного управления изменениями’ аналоговых величин по результатам обработки цифровых данных в микроЭВМ необходимо преобра­ зовывать цифровую информацию в аналоговую с помощью ЦАП.

Из большого числа известных методов построения ЦАП и АЦП при их изготовлении в виде БИС распространение получили только немногие, удовлетворяющие требованиям полупроводни­ ковой технологии. В этой главе приводится описание основных методов построения и структур ЦАП и АЦП, изготовленных в виде полупроводниковых БИС. Основное внимание уделено вопро­ сам их применения для цифровой обработки аналоговых сигналов. Что касается глубокого изучения современных методов преобра­ зования аналоговых сигналов в цифровые и наоборот, то для этого целесообразно обратиться к специальной литературе, а для получения полной информации о параметрах и условиях эксплу­ атации БИС — к техническим условиям.

8.1. ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Большинство выпускаемых БИС ЦАП парал­ лельного действия, при котором в одной точке суммируются N ве­ совых токов в соответствии с разрядностью входного цифрового слова. Изготавливаемые по КМОП-технологии ЦАП серии 572 являются микромощными, но низкочастотными. Изготавливаемые по биполярной технологии ЦАП серии 594 и 1108 имеют высокое быстродействие при значительной потребляемой мощности.

КМОП ЦАП. Упрощенная структура ЦАП этого типа приве­ дена на рис. 8.1. Резисторная матрица R-2R подключается к ин­ вертирующему входу внешнего ОУ. Внутренний резистор Roc включается в цепь ОС ОУ. Таким образом, ЦДП с внешним ОУ образуют обычный инвертирующий усилитель, у которого входное напряжение равно опорному U0„, а выходное зависит от сопро­ тивления /?м матрицы R-2R между точками U0n и инвертирующим входом ОУ. В свою очередь, сопротивление i?Mзависит от того,

Рис. 8.1. Основная схема включения КМОП ЦАП КР572ПА1

подключены резисторы 2R к общей шине или инвертирующему

значением цифрового ^-разрядного слова на входах ЦАП.

В КМОП ЦАП матрицу R-2R образуют тонкопленочные рези­ сторы, а сопротивлением Ям управляют л-канальные МОП-траи- зисторы. Удельное сопротивление резисторов около 2 кОм на квадрат, R = 10 кОм в ЦАП КР572ПА1 и КР572ПВ1 и R = 30 кОм в ЦАП КР572ПА2. Абсолютный разброс сопротивлений R в весо­ вых цепях может достигать 50% при очень малом относительном их разбросе, обеспечивающем требуемую точность преобразова­ ния. В отличие от ЦАП КР572ПА1 в двух других КМОП ЦАП требуемая точность согласования резисторов матрицы R-2R обес­ печивается после лазерной подгонки. Существенное влияние на точность преобразования оказывают транзисторные переключате­ ли VTi и VT'i, включенные последовательно с сопротивлениями 2R. Поэтому во всех КМОП ЦАП размеры транзисторов в первых

КР572ПВ1 позволяет уменьшить до требуемой величины влияние сопротивлений транзисторов, но их температурные коэффициенты остаются не согласованными с сопротивлениями резисторов мат­ рицы. Поэтому у этих ЦАП температурные коэффициенты нели­ нейности преобразования (около 3*10~6/°С) и коэффициента передачи (около 10“5/°С), снижают точность преобразования при изменении температуры. Параметры КМОП ЦАП и основные схе­ мы включения приведены в табл. П8.1. В. отличие от других ЦАП

этой серии, в ЦАП КР572ПА1 при напряжении питания Un= = 15 В уровень лог. 1 равен 3,6 В, т. е. при работе от ТТЛ-схем на входах необходимо применять цифровые микросхемы с откры­ тым коллектором. Напряжение лог. 1 можно уменьшить, снизив напряжение Ûn, однако тогда увеличится нелинейность преобра­ зования. Например, при Un= 5 В из-за нелинейности преобразо­ вания погрешность ЦАП увеличится до 0,5%.

Структура ЦАП КР572ПА2 аналогична КР572ПА1. Основное различие (кроме разрядности) состоит в том, что на входе ЦАП включены последовательно два 12-разрядных запоминающих ре­ гистра. Запись в регистры производится при подаче напряжения лог. 1 на выводы 6 (запись в 1-й регистр) и 21 (запись во 2-й регистр). Благодаря тому, что приемники входных цифровых сиг­ налов ЦАП КР572ПА2 и КР572ПВ1 подключены к отдельному источнику питания Unu для совместимости с ТТЛ-схемами до­ статочно выбрать С/ Л1= 5 В, а для совместимости с КМОП-схема- ми подключить вывод Uni к.шине их питания. Цифро-аналоговые преобразователи серии КР572 обычно выходят из строя при по­ даче входных сигналов до включения питания или при отрица­ тельном напряжении на любом выводе, кроме С/0п-

Специальное внимание при построении ЦАП на базе БИС серии КР572 необходимо уделять выбору ОУ и его включению. Поскольку выходным сигналом этих ЦАП являются весовые токи, то при изменении входного тока ОУ в температурном диапазоне должно выполняться условие /Вх<£Л>п/2N+lR. При изменении входного цифрового слова ЦАП на выходе ОУ будет действовать

Влиянием напряжения £/с„ можно пренебречь при использовании ОУ, у которых UCM<^Uon/2N. Обычно бывает достаточно выбрать

t / c M ^ 3 £ / o n / 2 "

Точность работы ЦАП может ухудшить выбор ОУ со сравни­ тельно малым собственным коэффициентом усиления К'и. Можно пренебречь влиянием К'и, если его значение удовлетворяет нера­

120 пФ в зависимости от кода входного цифрового слова). Эта емкость оказывает существенное влияние на время установления выходного напряжения ОУ до требуемой точности. Объясняется это тем, что Свых, действующая между инвертирующим входом ОУ и общей шиной, образует полюс на частоте /п=1/(2я/?мСВых). Если fn<fi, то исходная однополюсная амплитудно-частотная характеристика ОУ становится двухполюсной, а переходной про­ цесс установления UDых— колебательным. Чтобы уменьшить дей­

Рис. 8.2. Схемы включения ЦАП КР572ПА1 для устранения влияния входной ем­ кости (а) и при работе от одного источника питания (б)

личие от основной схемы включения КР572ПА1 в приведенной на рис. 8.2,а допускается подача на вывод 1 только положительного напряжения U0„. Максимальное значение t/on= 3,5 В для КР572ПА1 и Uon=2,5 В для К572ПА2 и КР572ПВ1 в аналогич­ ном включении. Последнее объясняется тем, что сопротивление открытого МОП-транзистора увеличивается при возрастании на­ пряжений затвор — исток, и, следовательно, изменяются сопро­ тивления резисторов матрицы 2R. Это приводит к увеличению дифференциальной нелинейности преобразования, которая в КР572ПА1 близка к 0,1% при f/0n=3,5 В, а в КР572ПА2 при [/рп=2,5 В уже достигает 0,05%. Дополнительное преимущество описываемого включения КМОП ЦАП состоит в том* что можно получить выходное напряжение одинаковой с U0TÏ полярности (рис. 8.2,6). Благодаря этому для питания ЦАП достаточно од­ ного источника напряжения. Если отключить резистор R1 от об­ щей шины и соединить его с выводом /, то получим биполярный ЦАП, работающий в смещенном двоичном коде.

При использовании КР572ПВ1 в описываемом включении це­ лесообразно в качестве /?ос использовать один из его внутренних резисторов. Это позволяет получить согласование температурного коэффициента резисторной матрицы с Roc и, следовательно, вы­ сокую точность преобразования в широком температурном диа­

пазоне.

ЦАП, изготовленные по биполярной технологии. Упрощенная структурная схема такого ЦАП приведена на рис. 8.3. Дифферен­ циальное опорное напряжение между базами транзисторов и вы­ ходом А1 примерно равно Uon. Через транзисторы VT1 — VT* протекают весовые токи, равные С/оп/ 2lR, где i= 1—N. Для А2 эти транзисторы являются генераторами весовых токов, переклю­ чаемыми логическими сигналами, подаваемыми на цифровые вхо­ ды ЦАП. При любом сочетании напряжений лог. 0 и лог. 1 на входе ЦАП напряжение UBhlx устанавливается таким, чтобы был равен нулю потенциал инвертирующего входа А2. Следовательно,

Рис. 8.3. Упрощенная схема ЦАП, изготовленного по биполярной технологии

на анодах диодов VD' всегда поддерживается нулевое напряже­ ние. Если на всех входах ЦАП напряжение меньше нуля, то дио­ ды VDNзакрыты, и на вход А2 поступает максимальный ток, рав-

ный 2 U onjVR=UonhR. В этом случае UmT= U OTlRoclR. Если на

i=i

любой вход подано напряжение больше нуля, то соответствующий диод VD' закрывается, и весовой ток переключается в цепь диода VD и и ьых уменьшается. Таким образом, £/вых будет пропорцио­ нально поданному на входы ЦАП двоичному коду. Для того что­ бы транзисторы VT1 — VTN имели одинаковые напряжения t/эв при различных весовых токах, площади их эмиттеров делают раз­ личными. Усилитель А2 можно исключить из схемы, a R0с за­ землить. В этом случае падение напряжения на R0с обычно огра­ ничено величиной, исключающей насыщение транзисторов. Бла­ годаря сравнительно большим весовым токам, переключаемым в ЦАП этого типа, и малой выходной емкости их быстродействие значительно выше, чем у КМОП ЦАП. Параметры и основные схемы включения ЦАП, изготовленных по биполярной технологии, приведены в приложении 8.

необходимы входные КМОП-логические сигналы, то выводы 19 и 20 (см. рис. 8.3) объединяют и Uni= 5 .. -15 В. При этом входное напряжение лог. О составляет 0,3U„U а входное напряжение лог. 1 около 0,7t/niРекомендуется источник напряжения Uon подклю­ чать к выводу 23 через температурно-стабильный резистор, сопро­ тивление которого около,20 кОм.

В ЦАП КР1Ю8ПА1 вывод 8 (см. табл. П8.1) целесообразно шунтировать диодами для исключения изменений напряжения в диапазоне |t/e |> 0 ,7 В. Если необходим биполярный режим рабо­ ты, то выводы 7 и 8 необходимо объединить. Запрещается пода­ вать на выводы микросхемы сигналы при выключенном напряже­ нии питания. ЦАП КР1118ПА1 имеет дифференциальный токовый выход. Максимальное значение выходного тока 51 мА. При этом