Аналитический обзор решения задач связанных с цифро-аналоговым преобразованием. Разработка функциональной схемы устройства

Данным условиям удовлетворяет ИМС КР590КН2 имеющая следующие параметры:

1) Uком= ±10В;

2) Rоткр= 100 Ом;

3) tпер= 500 нс max;

4) Iут= 70 нА max;

5) Iком= 10 мА;

7- общий; 8- Uип1; 16- -Uип2

Рис. 3.1.2. Функциональная схема КР590КН2

Рассчитаем сопротивление ограничивающих резисторов исходя из максимального тока  ключей

С учетом того что коммутационный ключ устанавливается в открытое состояние не сразу, а имеет место переходной процесс, выберем из стандартного ряда (Е24) номинал резистора равный 390 Ом; таким образом ограничительный резистор выберем марки МЛТ – 0.125 – 390 Ом ± 2% [2]. Выбор минимального сопротивление Rогр обусловлен тем что его увеличение снижает ток коммутации, но при этом возрастает время заряда емкости, а это приводит к значительному увеличению времени преобразования.

Рассчитаем и построим переходной процесс заряда ёмкости, а также необходимое для этого время.

Цепь заряда при замкнутом ключе имеет вид представленный на рис. 3.1.3.

Рис. 3.1.3. Цепь заряда конденсатора деления заряда

Преобразуем схему  рис. 3.1.3. в эквивалентную

Рис. 3.1.4. Эквивалентная схема

                                             ;                                   (3.1.3)            

 ;    ;

;

Полюса функции:   ;     ,  ;

  ;                       (3.1.4)

Применяя выражение (3.1.4) к нашему случаю получим

                                                                                                 (3.1.5)

                                                                                                 (3.1.6)

Из формулы  (3.1.6) видно, что время заряда прямо пропорционально R и С. Выбор ёмкости конденсатора заключается в определении оптимального значения номинала по следующим критериям:

1) время заряда конденсатора должно быть сравнимо с суммарным временем переключения интегральных микросхем схемы управления;

2)  емкость конденсатора должна быть достаточной чтобы коммутационные ошибки  и токи утечки не оказывали значительного влияния на погрешность преобразования;

Задавшись ёмкостью С=1 нФ рассчитаем время необходимое для заряда конденсатора до значения равного 0,9998Uоп.  

При Uс=0,9998Uоп напряжение Uс составит

(3.1.7)

График переходного процесса будет иметь вид

Рис. 3.1.5. Переходной процесс заряда конденсатора при идеальном ключе

Из приведенных расчетов и графиков рис. 3.1.5. видно, что скорость заряда составляет чуть больше 4 мкс что сравнимо со временами работы КМОП микросхем, приближающихся к единицам мкс для МС средней степени интеграции. Таким образом выберем конденсаторы деления заряда из стандартного рядаЕ24 К10-17-25В-1000 пФ±5%

Устройство выборки и хранения необходимо для снятия величины потенциала с верхней обкладки конденсатора С2 рис.1.2. Так как заряд конденсатора не велик и составляет максимум при коде ‘1111 1111’b 

то УВХ  для схемы ЦАП должно удовлетворять следующим требованиям:

1)  иметь большое входное сопротивление;

2) время выборки должно быть сравнимо с временем заряда конденсатора деления заряда (1- 10 мкс);

3) возможно большее хранение выбранного значения для исключения частой регенерации;

4)  совместимость с уровнями ТТЛ;

Вышеперечисленным  требованиям удовлетворяет ИМС УВХ КР1100СК2 [3]имеющая на входе ОУ с сопротивлением не менее 10 МОм и обладающая параметрами:

- время выборки tв = 5…10 мкс (при Схр = 1000 пФ);

- апертурная задержка tз = 100…250 нс;

- прямое прохождение сигнала в режиме хранения – 80…-90 дБ;

- перенос заряда – 0.5 …2 mВ;

- время установления  tуст = 0.4…0.8 мкс;

- ток потребления Iпот = 4.5 … 6.5 mА;

- напряжение смещения Uсм = 5 … 30 mВ;

Функциональная схема ИМС представлена на рис. 3.1.6.

          Рис. 3.1.6. Структурная  схема микросхем УВХ 1100СК2

Данная микросхема имеет вход компенсации смещения нуля Uсм к которому в типовой схеме подключается резистивный регулируемый делитель как показано на схеме рис. 3.1.7.

Рис.  3.1.7. Схема компенсации смещения УВХ КР 1100СК2

Рекомендуемые резисторы R1- 1кОм, R2- 24кОм. Из ряда Е24 выберем резисторы [2]:

R1- СП3-39- 1-1кОм ± 10%.

R2- МЛТ – 0.125 –24 кОм ± 10%.

Особенностью микросхемы является то что в ней предусмотрен входной компаратор по каналу управления. Назначение компаратора- увеличение помехоустойчивости и способность адаптироваться к любым входным уровням управления задаваемым на выводе Uпор. Т.к выборка данной ИМС осуществляется по высокому уровню на входе управления Uупр, то установим порог срабатывания равный Uпор≥ 2.5 В, для чего рассчитаем резистивный делитель рис. 3.1.8.:

Рис. 3.1.8. Задание порогового уровня компаратора УВХ

Выберем из стандартного ряда Е24 номиналы: R1=3.6 кОм, R2=10 кОм.

Проверим выполнение условия Uпор≥ 2.5 В

По справочнику выбираем резисторы:

R1- МЛТ – 0.125 –3.6 кОм ± 10%.

R2- МЛТ – 0.125 –10 кОм ± 10%.

Конденсатор хранения Схр  К10-17-25В-1000 пФ±5% (Е24).

В качестве меры при заряде конденсатора С (рис. 3.1.3.) необходимо использовать точное значение напряжения, не изменяющееся со временем и температурой напряжение. Для этих целей будем использовать источник опорного напряжения.

Рассчитаем необходимые параметры.

1. Выходное напряжение Uвых должно быть меньше заданного, для возможности первоначальной подстройки, и состовлять Uвых<5 В.

2. Температурный дрейф при изменении температуры на 10˚С не должен быть больше 5% от младшего разряда преобразования и составлять

Таким образом температурный дрейф  должен составлять примерно 100 ppm/˚С  

Данным условиям удовлетворяет ИМС микромощного  стабилизатора