Электротехника \ Схемотехника

Цифроаналоговые преобразователи. Основные параметры ЦАП, страница 2

·  1118ПА1    8 разр., tуст = 20 нсек.

R-2R ЦАП называют также перемножающими, так как выходное напряжение является произведением опорного сигнала и величины управляющего кода. Их можно использовать при двух- и четырех-квадрантном перемножении. Управляемый аттеньюатор.

Широтно-импульсный ЦАП.

(ЦАП с промежуточным широтно-импульсным преобразователем).

Генератор импульсов вырабатывает импульсы, следующие с периодом Т. Сигнал с выхода генератора (ГИ) импульсов поступает на счетчик – делитель на 2n и на схему ИЛИ/НЕ.   В момент, когда счетчик проходит состояние «все нули», один из импульсов ГИ через схему М1 2И/НЕ устанавливает RS триггер в  состояние, при котором ключ К1 замкнут, а ключ К2 разомкнут.  Напряжение Uключа равно в этом случае опорному напряжению Uопорн.

Далее число в счетчике увеличивается и в момент, когда выходной код счетчика становится равным коду от входного регистра, на выходе схемы сравнения появляется лог.1, разрешающая прохождения одного из импульсов ГИ через схему 2И/НЕ  (М2) на установочный вход RS триггера R.  В результате триггер переходит в состояние, при котором  К1 разомкнут, а ключ К2 замкнут. Точка схемы Uключа при этом подключена к земле через замкнутый ключ 2. Далее цикл повторяется. Напряжение Uключа показано на временной диаграмме.

Это напряжение поступает на вход фильтра НЧ. Напряжение на выходе фильтра (выходное напряжение ЦАП будет равно постоянной составляющей сигнала Uключа:

Преимуществом такого типа ЦАП является малое число прецизионных элементов, простота устройств, всего 2 ключа, поэтому ЦАП этого типа находят широкое применение.

Погрешности ЦАП этого типа определяются

1.  Дрейфом опорного напряжения

2.  Частотной модуляцией задающего генератора.

3.  Конечное сопротивление ключей и дрейф этих сопротивлений.

4.  Дрейф разности срабатывания ключей К1 и К2

5.  Пульсации напряжения на выходе с частотой ШИМ и ее гармоник, что требует усложнения ФНЧ, что в свою очередь приводит к увеличению времени установления.

При работе в условиях больших помех и с целью упрощения управления ЦАП цифровую часть часто выполняют отдельно от аналоговой, а сигнал ШИМ для управления ключами передается кабелем с помощью разнополярных импульсов. В этом случае ЦАП получается максимально простым, он занимает мало места, его можно встраивать в управляемый объект. Цифровая часть может при этом располагается в отдельном крейте, связанном с компьютером. Трансформатор позволяет осуществить гальваническую развязку между цифровой схемой управления и самим ЦАП-ом.

Численный пример:

Рассчитать фильтр и время установления 16 – разрядного ЦАП.

F такт. = 10 МГц

Fшим = 10 МГц/216  = 160 Гц

Рассчитаем параметры фильтра при расчетной величине пульсаций на выходе меньше ½ ЕМР. Пусть на входе фильтра будет меандр с амплитудой Uопорн. Амплитуда первой гармоники этого сигнала будет равна:  

 Допустимая величина пульсаций на выходе фильтра: Uопорн./217

Рассчитаем необходимое ослабление фильтра:

Имеем двухзвенный RC фильтр. Ослабление одного звена в полосе задерживания на частоте 160 Гц равно ,   

при этом частота среза одного звена фильтра равна: fсреза = fшим/288 = 0.55 Гц и постоянная времени звена RC = 0.28 сек.

Время установления напряжения на выходе фильтра с точностью ½ ЕМР равно ~15RC, т.е. 0.28*15 = 4.2 сек.

Для уменьшения времени установления при заданных разрядности и параметрах фильтра ЦАП применяют многофазную широтно-импульсную модуляцию (многофазный ЦАП ШИМ).

Преимущества: амплитуда гармоник уменьшается в N раз, а частота увеличивается в N раз. Это позволяет увеличить частоту среза ФНЧ и таким образом уменьшить время установления ЦАП.

Многофазный ЦАП-ШИМ представляет собой N однофазных, соединенных по выходу через равные резисторы R. Временные диаграммы этих ЦАП сдвинуты относительно друг друга на 1/N часть периода ШИМ – сигнала. Сформированный таким образом сигнал сглаживается фильтром НЧ

Пример: разработанный в ИЯФ ЦАП-ШИМ

Препринт ИЯФ № 87 – 23, Новосибирск, 1987 год.

Число разрядов – 20

Число фаз - 8

Режим работы – двуполярный, Uмакс = ± 8.192 В

Дискретность - 10-6,  Время установления с точностью 10-5 – 0.1сек

ЦАП – ШИМ имеют высокую точность при сравнительно малом быстродействии и применяются в ИЯФ для управления прецизионными системами стабилизации тока (ведущее магнитное поле ускорителя).

Двуполярные ЦАП

В зависимости от способа управления двуполярные ЦАП длятся на 2 группы:

1.  С непрерывным изменением выходного напряжения при монотонном изменении входного двоичного кода. При этом переходная характеристика обычного ЦАП смещается таким образом, чтобы выходные напряжения ЦАП при коде «все нули» и коде «все единицы» были равны по модулю и противоположны по знаку. Для этого используется отдельный операционных усилитель. Рассчитаем значения R1, R2, R3 при условии, что напряжение U1 равно 0 при входном коде «все нули» и равно U1м при коде «все единицы». На выходе ЦАП при этом напряжение должно изменяться от – Vмакс до + Vмакс. 

Запишем два уравнения:

    • При U1 равным нулю:        
    • При U1 равным U1м :            

Если задать  R1, то, решая эти уравнения, можно найти R2 и R3.

2. Старший разряд управляющего слова задает знак выходного напряжения, а остальная часть слова – абсолютную величину выходного напряжения ЦАП. 

Старший разряд СР управляет положением ключа. В зависимости от положения ключа, выходной операционный усилитель работает как повторитель напряжения К=1 или как инвертор К = -1.

Скачать файл