книги / Применение аналоговых микросхем

нительное преимущество этого источника опорного напряжения состоит в том, что стабилитрон не подключается непосредственно ни к одному источнику напряжения питания. Тем самым полно­ стью исключается влияние на выходное напряжение высокочас­ тотных флуктуаций, имеющих место даже на общей шине в слож­ ном приборе.

8.4. ПРИМЕНЕНИЕ ЦИФРО-АНАЛОГОВЫХ И АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПРИ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКЕ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ

Снижение стоимости микропроцессоров и пре­ образователей сделало экономически целесообразным автомати­ ческую обработку аналоговых сигналов в малых измерительных и управляющих системах. Такие системы требуют минимума вни­ мания от оператора благодаря тому, что микропроцессор обеспе­ чивает их «разумность». Программируемые аналого-цифровые системы используются сейчас для управления производственны­ ми процессами, поддержания искусственного климата, в медицин­ ской электронике, для управления автомобилями, в аппаратуре высококачественного воспроизведения звука, в быту и т. д. Опи­ сание схем некоторых устройств этого типа приведены ниже.

Программное управление коэффициентом передачи. Использо­ вание КМОП ЦАП в цепи обратной связи ОУ позволяет управ­ лять их коэффициентом передачи с помощью цифровых сигналов. На рис. 8.21 показаны на примере ЦАП К572ПА1 включения КМОП ЦАП, обеспечивающие усиление и ослабление аналого­ вого входного сигнала в зависимости от цифрового кода. В схеме на рис. 8.21,а #-2/?-матрица резисторов включена между выхо­ дом и инвертирующим входом ОУ. Входной аналоговый сигнал подается на внешний вывод внутреннего резистора Roc. Таким образом, выходное напряжение ОУ выполняет роль опорного на­

пряжения ЦАП, а ток в цепи обратной связи /0с=^вых/^?ы, где

ю

Рис. 8.22. Схемы суммирования или вычитания двух цифровых слов на базе ЦАП

во второй /Сс/«с10~3. При использовании их в аппаратуре обычно не возникает проблем с применением аттенюатора. Вместе с тем, если в схеме усилителя применен высокочастотный ОУ (напри­ мер, К154УДЗ или К154УД4), то возможно возникновение само­ возбуждения, т. е. усилитель начинает генерировать произвольные сигналы при некоторых цифровых кодах на входе ЦАП. Объяс­ няется это значительной (30 120 пФ) паразитной емкостью ЦАП, действующей по цепи вывода 1. Для исключения влияния этой емкости обычно бывает достаточно включения между выхо­ дом и инвертирующим входом ОУ корректирующего конденсато­ ра емкостью около 100 пФ. Чтобы уменьшить влияние входного тока ОУ на коэффициент передачи, неинвертирующий вход сле­ дует заземлить через резистор сопротивлением 10 кОм (для ЦАП КР572ПА1 и КР572ПВ1) и 30 кОм (для КР572ПА2).

Выполнение математических операций. Суммирование или вы­ читание двух цифровых слов с получением результата в виде аналогового сигнала можно выполнить, используя два ЦАП (рис. 8.22). В схеме применен общий для обоих ЦАП источник опор­ ного напряжения. Суммирование или вычитание выполняет ОУ, на вход которого с выходов ЦАП подаются токовые сигналы, эк­ вивалентные значению цифрового слова А или Б на входе ЦАП.

Чтобы получить биполярное выходное напряжение к инвертиру­ ющему входу ОУ, необходимо подключить дополнительный рези­ стор &оп. Этот резистор обеспечивает дополнительный ток /оп, смещающий выходное напряжение ОУ на величину IonRoп, и тогда

При использовании смещенного двоичного кода на входах ЦАП достигается суммирование двух цифровых слов с получением ре­ зультата суммирования в виде аналогового сигнала с правильным знаком.

Подключив к выходам ЦАП в точках а и б дифференциальный усилитель А2, показанный на рис. 8.22, можно 'выполнить вычи­ тание цифровых слов с получением результата в виде аналогово­ го сигнала

При последовательном включении двух ЦАП (рис. 8.23) мож­ но выполнить умножение двух цифровых слов, а результат полу­ чить в виде аналогового сигнала. Выходной сигнал первого ЦАП выполняет роль опорного напряжения второго ЦАП. Это напря­ жение UbЫн пропорционально произведению UBX на цифровое входное слово DL Во втором преобразователе выходное напряже­ ние пропорционально произведению С/Вых1 на цифровое слово D2. Другими словами

Наращивая количество ЦАП, можно перемножить любое число цифровых слов. При четном числе ЦАП выходное напряжение будет положительным, а при нечетном отрицательным.

Если объединить входы всех ЦАП, то на выходах первого ЦАП

Рис. 8.24. Схема вычисления среднеквадратического значения сигнала

том передачи ОУ, можно реализовать простую схему для вычис­ ления среднего значения аналогового сигнала с высокой точностью (рис. 8.24). Это устройство может использоваться для измерения аналоговых сигналов в произвольном временном диапазоне. Если требуется точность, соответствующая 12 разрядам, то следует использовать ЦАП КР572ПА2 или КР572ПВ1. ЦАП, включенный в цепь обратной связи ОУ по схеме на рис. 8.21,а, обеспечивает изменение усиления обратно пропорционально времени, что дости­ гается благодаря применению двоичного счетчика, управляемого от внешнего тактового генератора. Выходное напряжение интегра­ тора равно UI= —TUBX/I(RC), где Т — период интегрирования. Коэффициент передачи усилителя А2 определяется содержимым счетчика. Он обратно пропорционален числу тактовых импульсов

зависит от времени интегрирования, а зависит только от С/вх. Па­ раметры RC-цепи должны выбираться таким образом, чтобы за время Гтах не достигалось f/imax— максимальное выходное на­ пряжение AI, т. е. | Ui\Ct/imax, и, следовательно, R C ^ T maxy^

XUBXш ах/ СЛшах*

Чтобы выполнить это условие, необходимо рассчитать период тактовых импульсов из выражения AT=RC/2n. Для уменьшения выбросов выходного напряжения при переключениях коэффици­ ента передачи А2 между его инвертирующим входом и выходом следует включить корректирующий конденсатор емкостью 50

120 пФ. Полностью устранить выбросы можно, только вклю­ чив на выход А2 устройство выборки-хранения (см. § 8.3), выби­ рающее новое значение С/вых по срезу тактового импульса. Со-

держимое счетчика должно увеличиваться по фронту тактового импульса одновременно с переходом в режим хранения нового значения t/вых.

Программируемые активные фильтры. ЦАП можно использо­ вать для управления коэффициентом передачи интегрирующих цепей в активных фильтрах, что позволяет имитировать перемен­ ную емкость. В качестве примера рассмотрена схема фильтра нижних частот (ФНЧ) первого порядка (рис. 8.25). Операцион­ ный усилитель А1 в инвертирующем включении обеспечивает суммирование UBx и сигнала, поступающего с выхода интеграто­ ра. Выходной сигнал А1 формирует опорное напряжение ЦАП. Усилитель А2 преобразует выходной ток ЦАП в напряжение t/on обратной полярности. С выхода А2 сигнал поступает на инте­

той среза, а постоянной времени ФНЧ, то следует интегратор, выполненный на A3, перенести с выхода на вход ЦАП, т. е. включить его в разрыв цепи в точке А схемы. Тогда передаточная характеристика равна К(р) = — (R2/R1)/ (I+DR2R4CP/R3), где по­ стоянная времени %=DR2R4CJR3.

Генераторы аналоговых сигналов. ЦАП, управляемые ЭВМ, позволяют формировать аналоговые сигналы любой формы. ЦАП можно подключать к любой из известных схем генераторов, в которой управление параметрами формируемых сигналов осуще­ ствляется посредством изменения напряжения в какой-либо точ­ ке схемы. В схемах одновибраторов и мультивибраторов, опи­ санных в гл. 3, просто перейти-к управлению от ЭВМ формиро­ ванием временных интервалов, подключив выход ЦАП к выво­

К1Ю8ПП1, можно построить формирователь тактовых сигналов с

пряжения, соответствующие лог. 1, то выходной ток 1\ максималь­ ный, а 12= 0. При напряжениях на цифровых входах, соответст­ вующих лог. 0, / 1=0, а / 2 максимален. При опорном напряжении

источника питания U0п = 10 В максимальный выходной ток ра­ вен 1 мА. Подстроить максимальный выходной ток ЦАП до тре­ буемого значения позволяет резистор R1. Генераторы тока на ОУ устанавливают напряжения выходов ЦАП близкими потенциалу земли. Это необходимо для нормальной работы внутренних цепей ЦАП. Чтобы транзисторы работали в активном режиме без на­ сыщения, напряжения на их коллекторах не должны быть больше —0,4 В, так как напряжения на базах транзисторов около —0,7 В. Поэтому питание таймеров должно осуществляться от источника отрицательного напряжения. Таймеры включены по схеме мульти­ вибраторов, генерирующих импульсы отрицательной полярности (Вых1, Вых2) с амплитудой (0—ï/“n). Поскольку во времязадающих цепях таймера использованы источники токов, то изменения напряжений на конденсаторах С ц и С*2 имеют пилообразную фор­ му с амплитудой от f/—п/3 до 2£/“ц/3 (ВыхЗ, Вых4). Недостаток ге­ нератора— отрицательная полярность выходных сигналов — может быть устранен, если проинвертировать выходные импульсы тайме­ ров с помощью компараторов напряжения, а сигналы с конденса­ торов Ct1, Ci2 проинвертировать с помощью дополнительных ОУ.

Для обеспечения высокой точности обратно пропорциональной за­ висимости между 1\ и h при изменениях температуры транзисторы VT1, VT2 должны иметь идентичные параметры. Для уменьшения влияния токов базы транзисторов на токи 11 и /2 целесообразно использовать в схеме вместо одиночных транзистров составные.

Программирование генератора осуществляется подачей на вхо^ ды ЦАП разнообразных комбинаций напряжений лог. 1 и лог. 0. Для установки постоянных параметров формируемых таймерами сигналов входы ЦАП, на которые должны быть поданы напряже­ ния лог. 1, подключаются к шине £/+п, а остальные входы заземля­ ются. Для работы генератора от ЭВМ с 4—12-разрядной шиной данных целесообразно вместо ЦАП КР572ПА1 использовать ЦАП КР572ПА2, который имеет на входе два 12-разрядных запоминаю­ щих регистра. Эти регистры управляются по специальным выво­ дам, подключаемым к дешифратору команд ЭВМ.

Дополнительные возможности в формировании сигналов обе­ спечивает изменение (при необходимости) опорного напряжения. Эта особенность оказывается полезной при обработке сигналов, поступающих с синусно-косинусных вращающихся трансформато­ ров (СКВТ), и построения их имитаторов. На выходах СКВТ фор­