Цифроаналоговые преобразователи

Назначение и виды цифроаналоговых преобразователей. Цифроанало­го­вым преобразователем (ЦАП) называется электронное устройство, предназначенное для преобразования цифровой информации в аналоговую. Они используются для формирования сигнала в виде напряжения или тока, функционально связанного с управляющим кодом. В большинстве случаев эта функциональная зависимость является линейной. Наиболее часто ЦАП используются для сопряжения устройств цифровой обработки сигналов с системами, работающими с аналоговыми сигнала­ми. Кроме этого, ЦАП используются в качестве узлов обратной связи в аналого-цифровых преобразователях и в устройствах сравнения цифровых величин с ана­логовыми.

Области применения ЦАП достаточно широки. Они применяются в системах передачи данных, в измерительных приборах и испытательных установках, в син­тезаторах напряжения и генераторах сложных функций, для формирования изоб­ражений на экране дисплеев и др. В связи с этим разработано и выпускается большое количество интегральных микросхем ЦАП.

Схемы ЦАП можно классифицировать по различным признакам: принципу действия, виду выходного сигнала, полярности выходного сигнала, элементной базе и др. По принципу действия наибольшее распространение получили ЦАП следую­щих видов: со сложением токов, с делением напряжения и со сложением напряже­ний. В микроэлектронном исполнении применяются только первые два типа.

По виду выходного сигнала ЦАП делят на два вида: с токовым выходом и выходом по напряжению. Для преобразования выходного тока ЦАП в напряже­ние обычно используются операционные усилители. По полярности выходного сигнала ЦАП принято делить на однополярные и двухполярные.

Управляющий код, подаваемый на вход ЦАП, может быть различным: двоич­ным, двоично-десятичным, Грея, унитарным и др. Кроме того, различными могут быть и уровни логических сигналов на входе ЦАП.

При формировании выходного напряжения ЦАП под действием управляюще­го кода обычно используются источники опорного напряжения. В зависимости от вида источника опорного напряжения ЦАП делят на две группы: с постоянным опорным напряжением и с изменяющимся опорным напряжением. Кроме этого, ЦАП делят по основным характеристикам: количеству разрядов, быстродей­ствию, точности преобразования, потребляемой мощности.

Основные параметры ЦАП. Все параметры ЦАП можно разделить на две группы: статические и динамические. К статическим параметрам ЦАП относят: разрешающую способность, погрешность преобразования, диапазон значений вы­ходного сигнала, характеристики управляющего кода, смещение нулевого уровня и некоторые другие.

К динамическим показателям ЦАП принято относить: время установления выходного сигнала, предельную частоту преобразования, динамическую погреш­ность. Рассмотрим некоторые из этих параметров.

Разрешающая способность ЦАПопределяется как величина, обратная макси­мальному количеству градаций выходного сигнала. Так, например, если разреша­ющая способность ЦАП составляет 10~⁵, то это означает, что максимальное число градаций выходного сигнала равно 10⁵. Иногда разрешающую способность ЦАП оценивают выходным напряжением при изменении входного кода на единицу младшего разряда, т. е. шагом квантования. Очевидно, что чем больше разряд­ность ЦАП, тем выше его разрешающая способность.

Погрешность преобразования ЦАП принято делить на дифференциальную и погрешность нелинейности. С ростом кода на входе ЦАП растет и выходное напря­жение, однако при увеличении напряжения могут быть отклонения от линейной зависимости. Погрешностью нелинейностиназывают максимальное отклонение вы­ходного напряжения от идеальной прямой во всем диапазоне преобразования.

Дифференциальной погрешностьюназывают максимальное отклонение от ли­нейности для двух смежных значений входного кода.

Напряжение смещения нуля определяется выходным напряжением при вход­ном коде, соответствующем нулевому значению.

Время установления г_уст – это интервал времени от подачи входного кода до вхождения выходного сигнала в заданные пределы, определяемые погрешностью.

Максимальная частота преобразования – наибольшая частота дискретиза­ции, при которой все параметры ЦАП соответствуют заданным значениям.

По совокупности параметров ЦАП принято делить на три группы: общего применения, прецизионные и быстродействующие. Быстродействующие ЦАП имеют время установления меньше 100 нс. К прецизионным относят ЦАП, имею­щие погрешность нелинейности менее 0,1 %.

Принципы построения ЦАП.Существует несколько схем, являющихся базой для построения многих разновидностей ЦАП соответствующего класса. Для фор­мирования соответствующих уровней выходного напряжения (или тока) к выходу ЦАП подключают необходимое количество опорных сигналов Е₁ Е₂ ...Е_N (или токов I₁, I₂…I_N) либо устанавливают соответствующее дискретное значение коэффициента деления К_и К₂…К_n.

Практическая схема ЦАП со сложе­нием токов обычно выполняется на раз­личных резистивных матрицах и одном источнике опорного напряжения.
На рис. 78 приведена схема ЦАП с сумми­рованием токов, в котором использован один источник опорного напряжения Е_ОП, и резистивная матрица типа
R–2R. Особенность этой резистивной матрицы заключается в том, что при любом положении ключей S₁, S_….-S_n входное сопротивление матрицы всегда равно R, а следовательно, ток, втекающий в матрицу, равен I₀ = E₀/R. Далее он последовательно делится в узлах А, В, С по двоичному закону. Двоичный закон распределения токов в ветвях резистивной матрицы соблюдается при условии равенства нулю сопротивления нагрузки. Так как нагрузкой резистивной матрицы является операционный усили­тель ОУ, охваченный отрицательной обратной связью через сопротивление R_oc,то его входное сопротивление равно нулю с достаточно высокой точностью.

Выходное напряжение ЦАП зависит не только от входного кода N, но и от напряжения Е_о опорного источника. Если допустить, что напряжение Е_о меняется, то выходное напряжение ЦАП будет пропорциональ­но произведению двух величин: входного кода и напряжения, поданного на вход опорного сигнала. В связи с этим такие ЦАП обычно называют перемножающи­ми. В интегральных микросхемах перемножающих ЦАП источник опорного напряжения отсутствует, но имеется вход для его подключения.

Другой тип ЦАП со сложением токов реализуется на матрице со взвешенны­ми резисторами. Схема ЦАП на основе взвешенных резисторов приведена на рис. 78.

Рис. 78. Схема ЦАП со сложением токов на резистивной матрице типа R–2R(а)
и структура резистивной матрицы (б)

Из этой схемы видно, что ЦАП состоит из матрицы двоично-взвешен­ных резисторов, сопротивления которых определяются по формуле Ri=R2'~"; переключателей на каждый разряд, управляемых входными сигналами; источника опорного напряжения Е_о и сумматора на операционном усилителе ОУ в инверти­рующем включении.

Рис. 79. Схема ЦАП со сложением токов на матрице взвешивающих резисторов

Поскольку прямой вход ОУ соединен с общим проводом, то за счет отрица­тельной обратной связи напряжение в суммирующей точке А также будет равно нулю, иначе говоря, резистивная матрица работает в закороченном режиме не­зависимо от состояния переключателей. Когда на цифровые входы ЦАП подан двоичный и-разрядный цифровой код, то каждый цифровой сигнал Е управляет переключателем S_n, обеспечивая подключение резистора с сопротивлением
R_i =R2ⁿк источнику опорного напряжения Е_оили к общему проводу.

Для обеспечения точности и стабильности резистивных матриц применяется лазерная подгонка резисторов. Дело в том, что диффузионные резисторы, исполь­зуемые в ИМС, достаточно технологичны, но отличаются большой погрешнос­тью. В связи с этим широко применяют тонкопленочные резисторы, обеспечивая их точность с помощью лазерной подгонки.

МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ

Прежде чем говорить о контроллерах, необходимо выяснить, почему они играют такую большую роль в современном мире. Научно-технический прогресс идет вперед, в результате не только в промышленности, но и в медицинской, бытовой технике все шире используются встроенные компьютерные системы на основе микроконтроллеров. Они широко применяются и в периферийных устройствах. Средний импортный автомобиль имеет порядка 15 микроконтроллеров, управляющих различными системами автомобиля.

Рассмотрим микроконтроллеры семейства AVR. Это новое семейство
8-разрядных RISC – архитектуры. Эти микроконтроллеры позволяют решать множество задач встроенных систем. Они отличаются от других распространенных в настоящее время микроконтроллеров большой скоростью работы, большой универсальностью. Быстродействие данных микроконтроллеров позволяет в ряде случаев применять их в устройствах, для реализации которых ранее можно было применять только 16–разрядные микроконтроллеры, что позволяет ощутимо удешевить готовую систему. Кроме того, микроконтроллеры AVR очень легко программируются как на языках низкого уровня – ассемблере, так и высокого уровня – CodeVisio AVR. Имеют программу эмуляции AVR Atudio и симуляции Proteus.

Микроконтроллеры AVR фирмы Atmel обладают следующими основными характеристиками:

• очень быстрая гарвардская RISC – архитектура загрузки и выполнения большинства инструкций в течение одного цикла тактового генератора при скорости примерно 1 MIPS на 1 МГц;

• программа содержится в электрически перепрограммируемой памяти программ FLASH ROM. Эта память может быть перепрограммирована до 1000 раз. Это облегчает настройку и наладку систем. Кроме того, возможность внутрисхемного программирования позволяет не вынимать микроконтроллер из целевой схемы в процессе программирования;

• система команд микроконтроллера AVR изначально проектировалась с учетом особенностей языка программирования высокого уровня С, что в результате позволяет после компиляции программ на С гораздо более эффективный код, чем для других микроконтроллеров;

• микроконтроллеры AVR имеют 32 регистра, которые напрямую работают с АЛУ. Это значительно уменьшает размер программ. В других микроконтроллерах, таких как CISC-архитектуры, один из операндов должен находиться в специальном регистре – аккумуляторе. Таким образом, необходимо сначала его туда занести, а затем после выполнения операции результат из аккумулятора переписать в регистр для хранения результата.

Имеется три подсемейства микроконтроллеров AVR.

1. Tiny AVR – недорогие миниатюрные микроконтроллеры в 8-выводном исполнении;

2. Classic AVR – основная линия микроконтроллеров с производительнос­тью отдельных модификаций до 16 MIPS, FLASH – емкостью программ 2…8 Кб.

3. Mega AVR – c производительностью 4…16 MIPS, для сложных приложений, требующих большого объема программ, FLASH – памятью до 256 Кб.

4. ATxmega AVR – микроконтроллеры выпускаются для работы в индустриальном температурном диапазоне от –40 до +85 ⁰С, и их рабочее напряжение составляет от 1,8 до 3,6 В. Подобно прочим AVR кристаллы будут представлены в двух исполнениях:

• с напряжением питания 1,8–2,7 В, тактовыми частотами до 12 МГц и с линиями ввода/вывода, которые устойчивы к уровню напряжения 3,3 В;

• с напряжением питания 2,7–3,6 В и с тактовыми частотами до 32 МГц;

• расширенный набор периферии – 12-разрядный АЦП с частотой преобразования до 2 Msps и 12-разрядный ЦАП.

12. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

Развитие электроники и повышение сложности электронных устройств привело к необходимости повышения эффективности их проектирования. До недавнего времени при проектировании электронных устройств использовались в основном два способа: расчет и экспериментальное исследование. При этом расчет производится на математических моделях (аналитических или графических), а экспериментальное исследование – на макете реального устройства. По результатам экспериментального исследования делалось заключение о соответствии макета требованиям технического задания к характеристикам электронного устройства. При этом зачастую не учитывались многие факторы: разброс параметров элементов, влияние изменения климатических условий, возможные отказы и др.

Поскольку большинство электронных элементов являются существенно нели­нейными, то проектирование электронных устройств практически полностью исключало применение простых аналитических расчетов. Это существенно затруд­няло задачи проектирования на этапе расчета и возлагало повышенные требова­ния к экспериментальным исследованиям макета. Высокая стоимость электронных элементов и их дефицитность в конце концов привели к тому, что разработчики электронной аппаратуры стали все чаще отказываться от экспериментальных исследований, для которых к тому же была нужна специальная дорогостоящая измерительная аппаратура.

При исследовании и моделировании линейных элементов и устройств исполь­зуют системы линейных алгебраических или дифференциальных уравнений. При описании нелинейных моделей пользуются нелинейными алгебраическими или дифференциальными уравнениями.

Статические модели обычно используют при расчете и моделировании режи­мов по постоянному току или напряжению, а динамические модели находят применение при анализе переходных или частотных характеристик электронных устройств. В моделях с сосредоточенными параметрами используются обыкновен­ные дифференциальные уравнения, а в моделях с распределенными параметра­ми – уравнения в частных производных. Непрерывные модели могут иметь неограниченное множество значений токов и напряжений в заданном интервале их изменений, а дискретные модели могут находиться только в ограниченном (счетном) количестве состояний.

Кроме того, при моделировании электронных устройств пользуются моделя­ми отдельных элементов (микромоделями) и моделями отдельных узлов (макро­моделями), в состав которых входит ограниченное множество элементов, напри­мер, модели операционных усилителей, компараторов, схем выборки и хранения, АЦП и ЦАП.

При проектировании устройств, работающих на сверхвысоких частотах, в моделях учитываются распределенные параметры как самих элементов, так и их выводов. Кроме того, имеются специальные программы, в которых учитываются паразитные эффекты печатных плат: паразитные индуктивности и емкости.

Библиотека моделей электронных элементов непрерывно расширяется и совершенствуется. Крупнейшие отечественные и зарубежные фирмы уделяют большое внимание разработке моделей новых элементов электроники: мощных полевых транзисторов с изолированным затвором, мощных биполярных транзис­торов с изолированным затвором (IGBT) и др.

Программные средства моделирования электронных устройств. При моделиро­вании электронных устройств используется Multisim 11.

Multisim 11 – это единственный в мире интерактивный эмулятор схем, он позволяет вам создавать лучшие про­дукты за минимальное время. Multisim включает в себя версию Multicap, что делает его идеальным средством для программного описания и немедленного последующего тестирования схем.

Multisim 11 также поддерживает взаимодействие с LabVIEW и SignalExpress производства National Instruments для тесной интеграции средств разработки и тестирования.

Ultiboard 11 – это средство, разработанное специально для увеличения производительности. Благодаря автомати­зации наиболее популярных последовательностей действий, например размещение и соединение компонентов, количество щелчков мышью и нажатий клавиш во время разработки можно буквально пересчитать по пальцам.

Благодаря технологии ограничений схемы (constraint driven layout) Ultiboard легко поддерживает современ­ную быструю разработку схем. Новейшие функции, например оперативная проверка схемы, средства размеще­ния и соединения компонентов "Push & Shove", эластичное соединение, продвинутые средства редактирования ("Follow-me") и автоматическое соединение обеспечивают быстрое и безошибочное создание платы.

Плотность и сложность всех современных плат, за исключением самых простых, такова, что вручную разме­щать и соединять их компоненты невозможно. Для таких работ предназначен Ultiroute разработки Electronics Workbench – это мощное средство автоматического размещения и соединения компонентов.

Ultiroute обеспечивает высокую производительность схемы и низкую стоимость производства этих требова­тельных плат благодаря уникальному соединению лучших алгоритмов.

NI LabVIEW 10 – это графическая среда разработки для создания гибких, масштабируемых приложений тести­рования, измерения и управления с минимальными затратами времени и средств. LabVIEW – это язык общения инженеров и ученых с миром сигналов, возможность анализа для получения значимой информации и совмест­ного использования результатов и созданных приложений. Разработка приложений на LabVIEW отличается бы­стротой и эффективностью для всех пользователей вне зависимости от их опыта.

SignalExpress – это интерактивное программное обеспечение для сбора, сравнения, автоматизации и сохра­нения измерений. SignalExpress – это эффективное средство решения исследовательских и измерительных задач в таких областях, как проектирование электроники, проверка и тестирование. SignalExpress предлагает новый способ настройки задачи измерений в несколько drag-and-drop шагов, без необходимости разработки кода.

Multisim – это уникальная возможность разработки схемы и ее тестирования / эмуляции из одной среды раз­работки. У такого подхода есть множество преимуществ. Новичкам в Multisim не нужно беспокоиться о сложном синтаксисе SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis – программа эмуляции со встроенным об­работчиком схем) и его командах, а у продвинутых пользователей есть возможность настройки всех параметров SPICE.

Благодаря Multisim описание схемы стало как никогда простым и интуитивно понятным. Представление в виде электронной таблицы позволяет одновременно изменять характеристики любого количества элементов: от схемы печатной платы PCB для модели SPICE. Безрежимное редактирование – это наиболее эффек­тивный способ размещения и соединения компонентов. Работать с аналоговыми и цифровыми составными эле­ментами интуитивно просто и понятно.

Кроме традиционного анализа SPICE, Multisim позволят пользователям подключать к схеме виртуальные приборы. Концепция виртуальных инструментов – это простой и быстрый способ увидеть результат с помощью имитации реальных событий.

Также в Multisim есть специальные компоненты под названием "интерактивные элементы" (interactive parts), которые можно изменять во время эмуляции. К интерактивным элементам относятся переключатели, потенцио­метры, малейшие изменения элемента сразу отражаются в имитации.

При необходимости более сложного анализа Multisim предлагает более 15 различных функций анализа. Не­которые примеры включают использование переменного тока, монте-карло, анализ наиболее неблагоприятных условий и Фурье. В Multisim входит Grapher – мощное средство просмотра и анализа данных эмуляции.

Функции описания и тестирования схемы, представленные в Multisim, помогут любому разработчику схем, сэкономят его время и спасут от ошибок на всем пути при разработке схемы.