Антилогарифмический цифро-аналоговый преобразователь

 

Изобретение относится к преобразовательной технике, в частности к преобразователям цифровой формы информации в аналоговую, и может быть использовано в информационно измерительных и управляющих устройствах и системах. Цель изобретения - повышение точности преобразования. Антилогарифмический ЦАП содержит несколько каскадов затухания, выполненных на умножающих ЦАП, аналоговый мультиплексор, повторитель напряжения и преобразователь кода, состоящий из нескольких элементов И и коммутаторов. Повышение точности достигается за счет группирования каскадов затухания и использования аналогового мультиплексора для исключения погрешностей и шумов несрабатывающих при определенных кодах старших каскадов затухания, а также за счет использования нескольких однотипных ЦАП в каждом каскаде затухания для уменьшения случайных погрешностей преобразования. 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ социАлистичесних

РЕСПУБЛИН (51) 5 С 06 С 7/24

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ по иэ )БРетениям и отнРытиям пРи Гннт сссР! (21) 4263632/24-24; 424 6920/24-24 (22) 15. 05. 87 (46) 23.01.90. Бюл. У 3 (72) А.Д, Самойленко (53) 681,3(088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 643908, кл. G 06 С 7/24, 1977.

Авторское свидетельство СССР

У 777810, кл. Н 03 К 13/02, 1980. (54) АНТИЛОГАРИФ11ИЧЕСКИЙ ЦИФРОАНАЛОГОВЬЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (57) Изобретение относится к преобразовательной технике, в частности к преобразователям цифровой формы информации в аналоговую, и может быть использовано в информационно измерительных и управляющих устройствах и системах, Цель изобретения—

Изобретение относится к преобразовательной технике, в частности к преобразователям цифровой формы информации в аналоговую, и может быть использовано в составе логарифмических аналого †цифров преобразователей, а также в информационно-измерительных и управляющих устройствах и системах.

Цель изобретения — повышение точности преобразования.

На фиг. 1 приведена структурная схема преобразователя; на фиг. 2 функциональная схема каскада затухания; на фиг. 3 — функциональная схема преобразователя кода; на фиг, 4 — графики зависимости случайной погрешности P, каскада затухания от величины затухания А; каскада при разном колиÄÄSUÄÄ 1538175 А1

2 повышение точности преобразования.

Антилогарифмический ЦАП содержит несколько каскадов затухания, выполненных на умножающих ЦАП, аналоговый мультиплексор, повторитель напряжения и преобразователь кода, состоящий из нескольких элементов И и коммутаторов. Повышение точности достигается за счет группирования каскадов затухания и использования аналогового мультиплексора для исключения погрешностей и шумов несрабатывающих при определенных кодах старших каскадов затухания, а также за счет использования нескольких однотипных ЦАП в каждом каскаде затухания для уменьшения случайных погрешностей преобразования. 1 з.п, ф-лы, 4 ил.

Ф 4 честве S; входящих в каскад цифроаналогового преобразователя (ЦАП) . Оч

Антилогарифмический ЦАП содержит С входную шину 1 и-разрядного цифрового 90 кода (разряды 1,1,..., 1 ), и каскадов 2 затухания, аналоговый мульти-. плексор 3, повторитель 4 напряжения, Д аналоговый выход 5, дешифратор 6, аналоговый вход 7, шину 8 логической единицы, Вся совокупность и каскадов затухания z разбита íà m групп (шип), каждая из которых содержит один или несколько последовательно соединенных каскадов 2 затухания, причем выход каскада, являющегося н j -й группе (j=1,2,...,m) последним, соединен с (1+1)-м сигнальным входом аналогового

l э38175 ультиплексора 3, первый сигнальный

1 вход которого соединен с аналоговым входом 7 устройства.

Каждый i-й каскад затухания

1,ôHã, 2) состоит из одного или не— скольких (S, ) последовательно соединенных по аналоговому сигналу р-pas1) ядных умножающих ЦАП 9,,, „9 к, . °

9б, и имеет аналоговый вход .О, ана-. г оговый выход 11, первый управляющий ход 12, соединенный с i-м разрядом ходкой шины 1 устройства и второй

1 правляющий вход 13, соединенный с ходом 8 логической единицы, Цифровые входы каждого ЦАП 9 разбиты на фве группы с суммарным несом îfносяфихся к ним разрядов N,„< и N,< соответственно (i=1,2,...,п; k=1,2,, S;), Все цифровые входы ЦАП пер ой группы соединены с первым управляющим входом 12 каскада затухания, 3 все цифровые входьГ второй группы— вторым управляющим входом 13 каскада, а значит и с шиной 8 логической 2единицы устройства.

Дешифратор 6 (фиг. 3) содержит m

Ц1лфРовых коммУтатоРов 14 <, 14о, 14, m элементов И 15, 15<, 15, входную шину 16 п-разрядного ко-, да, подсоединеннло к входной шине 1 антилогарифмического ЦАП, 1выходную рзину 17 и (в+1) цифроч:,1х шин 181,, 18,, ., 18 „1+1 задания фиксированных 1 1Л „ констант "-g,,...,Л <„, "ъ 5

Антилогарифмическии ПАП работает

Следующим образом.

На входную шину 1 поступает цифро— вой код В, определяемый битами Ь;".

В = Ь; ° В;, 1=1 где В. — весовые коэффициенты разря I дов .

На аналоговый вход 7 подается постоянное напряжение Ч . Каждый бит b, управляет своим i-м каскадом 2 затухания антилогарифмическаго ЦАП„ ус— танавливая его в одно из 2-х состоя— ний: в состояние нулевого затухания

5Î или в состояние фиксированного затухания А;. Входной код В с шины 1 одновременно поступает на вход 16 дешифратора 6, выход 17 которого управляет состоянием мультиплексора 3. На первый вход первого цифрового ком55 мутатора 141 подан фикс1лрованный код

N. соответствующий включению пер 1 вого канала аналогового мультиплексора 3. На второй вход j-ro цифрового коммутатора 14 подан фиксированный код N 1;1.,1, соответствующий вкл1очению (j+1)-го канала аналогового мультиплексора 3.

Каждый j-й элемент И 15 имеет количество входов, соответствующее количеству каскадов 2 в j-й группе каскадов затухания (фиг. 1), обозначение этих входов на фиг. 3 (T, .

I„) совпадает с обозначением соответствующих входов управления антилогарифмического ЦАП на фиг. 1.

Когда на всех разрядах входной шины 1 присутствуют логические единицы (этот случай соответству -т нулевому затуханию устройства), на E3blxoдах всех элементов И. 15 также имеются логические единицы, при этом на выход каждого цифрсво о коммутатора проходит код с егс первого входа, т,е. на выходе 17 будет код .Я,, а в мультиплексоре 3 G-, äPò включен первый канал. Аналоговый сигнал при этом проходит с входной шины 7 на вьгход

5 устройства, минуя все.каскады 2 затухания.

Когда на JIM6oM Н3 входов 1-й группы появляется логический ноль, j-й коммутатор подключает код NI3 (°,,1 ..ри этом мультиплексор 3. подключает парез (j+1)-й канал вход повторите— ля 4 (фиг, ) к выходу j -й группы каскадов 2 затухания„

При работе устройства с напряжениями одной полярности. число. каскадов затухания в каждой группе должно быть четным для исключения инверсии сигнала.

Внутри каскада 2-i затухания бит

Ь кода В поступает на первую группу

1 цифровь1х входов всех ЦАП 9 каскада, имеющих суммарные веса N ;1, (1сФ1,2, ...,S;). Затухание А;„ k-го ЦАП 9 в

i-м каскаде 2 затухания имеет вид

А;„ (Ь )= С1ОЕ Ь- Ъ х ЪЛ, (1) о где М, — масштабный коэффициент; а — основание логарифма;

11. -1

=2 — суммарный вес всех q разрядов

ЦАП 9, Поскольку Ь; принимает только два значения: О или 1, выражение (1) мож— но записать в виде

A;„(b;)=Ь;. А;„, где b — инверсия бита.

5 153817

Затухание i-ro каскада, равное

I з; 5

А;(Ь;)=,7 Ь! А к=Ь; „0 А, =b; А;, (2) принимает два значения: при Ъ;=1.за- 5 тухание нулевое, при Ъ; =0 затухание максимально и равно А.

Выберем

А;=() Ъ;; (3) где а — требуемая разрешающая способность антилогарифмического ЦАП.

Тогда из (2) общее затухание устройства

А= А ° (b;)=SB

° I где и

В= .Е Ь;В;. (4)

;=1

Таким образом затухание.антилогарифмического ЦАП линейно зависит от входного кода В, Поскольку затухание связано логарифмической зависимостью с коэффициентом передачи устройства К, то

О( вл(„= < вк = вх т.е, зависимость выходного напряжения устройства от входного кода является показательной (антилогарифмической) функцией. 30

Рассчитаем веса N; и N ; „для каждого ЦАП 9 в каскадах 2, обеспечивающих требуемое затухание (3) каждого каскада, и оцепим улучшение погрешности преобразования эа счет использования нескольких ЦАП 9 в каска дах 2, а также приведем обоснование повышения точности антилагарифмического ЦАП эа счет введения мульти-, плексора 3, 40

Сначала рассмотрим несколько ЦАП

9 в каскаде 2. Левую часть выражения (4) можно разбить на слагаемые произвольным образом, Однако для сниже- 45 ния случайной погрешности i-го каскада 2 необходимо стремиться к возможно более равномерному распределению

А; между ЦАП, входящими в каскад, т,е, 50

А;„=А; /S; (5)

Тогда искомый вес

Neк No a

Величина N „в силу того, что 2 к

A может быть задано непрерывным и произвольным образом, является непрерывной. Физически реализуемыми решениями являются натуральные значе5 6 ния N „. Обозначим Й,; — ближайшее к N, натуральное число.

Случай S;=1. Следует принять

М,к =М (7)

Случай S 2. В качестве нулевого

:приближения примем (7), При этом затухание k-го ЦАП в i-м каскаде будет

1(г к

:"о а затухание i-го каскада 2

A = QА;„(9) к(Величина парциональной систематической погрешности преобразования, обусловленной дискретностью формирования логарифмических уровней (погрешность метода), составит

$;„=Aim A к (10) для i ro каскада 2

=.А -А .

Для A к справедлива оценка

/ « ())„log (1+ — -. ) °

0 5

5;4, ° a (12)

Г1еханиэм снижения систематической погрешности при увеличении S; обусловлен двумя факторами.

Первый фактор следует из характера зависимости (12) . Для снижения погрешности необходимо с ростом А; увеличивать S;.

Второй фактор. При S 2 возможна взаимная компенсация погрешностей (10) путем уточнения нулевого приближения (7) следующим образом:

Г(g, )(=Г(2 лк Ч л ь где q ° =О; 1; +2,... и q«N< „.

Прй этом в силу несимметричной зависимости (12) относительно точки заданного затухания А(можно подобрать такие q .что погрешности (10) в значительной мере компенсируются, Случайная погрешность )3; одного

ЦАП, выраженная в логарифмических единицах затухания, обусловленная наличием смещения и нелинейности, выражается формулой

)3, =<»su (1+ ) (!3)

5N

Г1 а где 5N —, погрешность, учитывающая нелинеиность и смещение, выраженная в единицах младшега разряда (ЕГ1Р), Случайные погрешности разных экземпляров ЦАН, входящих в i-й каскад, .1538175

Можно с некоторым приближением считать независимыми, поэтому случайная погрешность i-го каскада состав ит

hN S;

f3 (S,,А, )Ы1о@ (1+ — — ).

И ° а (14)

Здесь также имеет место снижение

«погрешности с увеличением при больх А;, обусловленное двумя фактора-!

Первый фактор. обусловлен тем, что в (14) зависит от отношения А,,/S;„

Второй фактор, С увеличением чис1

Йа ЦАПов в каскаде затухание растет ропорционально S а случайная по\ .решность (в относительных единицах)1«ропорционально S, 20

Поэтому существуют такие затуха1

1«ия A, (S;,, S, ), в которых при раэ1«ых вариантах выполнения i-го кас1 ада, отличающихся числами Б;, и S„<, случайные погрешности, (Б;,, А;), 25 (S А ) одинаковы (3;(S„, А, )= P,(S„, А, ), (15)

Совместное решение (14) и (15) даГ l

S Б g Sia ЗО

А (S S ) . — -М,1оа — «

S -S S

j2, %1 1 (16) где

Б ), Б 1, Графики зависимости (14) построены на фиг. 4 и на них отмечены точки (16) .

Зная эти точки, можно сделать од««оэначный выбор в зависимости от требуемого затухания каскада А: 40 при ОА; -А; (1) и (2) следует выбрать

S ",-=1

«

А, (1) и . (2) (A;cA;, 2) и (3) следует выбирать Б, =2;

А, (2) и (3) (А;сА, (3) и (4) следует выбрать S; 3 и т,д, При этом случайная погрешность

«.-го каскада минимальна.

Случайную погрешность, одного

ЦАП, обусловленная погрешностью ЬИу

ЕИР полной шкалы (иначе называемой погрешностью масштаба), получим из (13) при A;„=0:

У;„= 0Сi.ogà. (1+ —.= ). (17)

grig

Nà 55

Погрешность полной шкалы i-r"o кас 1 када составит

) (и )=dloa < + — ) — - ) (18) аИ -1Б;

I Ж

Эта погрешность сказывается при малых затуханиях и растет пропорционально 1Б . При больших затуханиях ею можно пренебречь.

Расчеты по приведенным соотношениям показывают, что может быть реализован антилогарифмический ЦАП с применением 12-разрядных ЦАП 9 с диапазоном 81, 91 дБ, имеющий систематическую погрешность преобразования, не превышающую тысячных долей децибела, случайную погрешность 0,03 дБ (на границе указанного диапазона) и разрешающую способность 0,01 дБ.

Снижение погрешности эа счет введения мультиплексора 3 обусловлено следующим обстоятельством.

В устройстве каскады соединены по аналоговому сигналу в порядке возрастания формируемых затуханий А; . При малых затуханиях часть старыих каскадов не участвует в формировании результирующего затухания А. Дпя исключения погрешности этих каскадов с помощью мультиплексора .3 изменяется точка съема выходногс напряжения, Погрешность блоков 3 и 4 в основном определяется конечными сопротивлениями открытого канала г мультиплексора, входного сопротивления повторителя R и смещением повтори-;еля У;,„е

j) „=(Qog (1+ — у ) () 9)

Ц бык а

g> с61од,„(1+ ) ° (20)

Элементная база позволяет легко выполнить

Если в каскадах 2 затухания и в повторителе 4 применены однотипные операционные усилители, будет выполняться и соотношение

p„(р;, Поэтому можно считать погрешности любого старшего каскада 2 и блоков

3 и 4 соизмеримыми, В этих предположениях уменьшение погрешности антилогарифмического преобразователя обеспечивается в диапазоне затуханий

О-Д/2, где Д вЂ” полный диапазон устройства.

Таким образом, применение в каскадах затухания интегральных ЦАП позволяет уменьшить погрешность преобразования и улучшить разрешающую способность устройства, а изменение точки съема выходного напряжения в зависимости от величины входного кода

1538175 с помощью аналогового мультиплексора позволяет уменьшить погрешность преобразования в области малых затуханий

5 формула изобретения

1. Антилогарифмический цифроаналоговый преобразователь, содержащий п-разрядную входную шину, и последовательно соединенных по аналоговому сигналу каскадов затухания и повторитель напряжения, выход которого соединен с выходной шиной преобразователя, аналоговый вход первого кас- 15 када затухания соединен с аналоговым входом антилогарифмического цифроаналогового преобразователя, о т— л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности преобраэова- 2{) ния, в него введены аналоговый мультиплексор и дешифратор, а.п каскадов затухания антилогарифмического цифроаналогового преобразователя разделены на m групп, каждая из которых содер- 25 жит К(КМ ) последовательно соединенных каскадов затухания, причем выход каскада затухания, являющегося в -й группе (j=l,2,...,m) последним, соединен с (j+i)-и информационным ЗО входом аналогового мультиплексора, :первый информационный вход которого соединен с аналогoBbtM a a GHTHJIO гарифмического цифроаналогового преобразователя, выход аналогового муль- З5 типлексора соединен с входом повторителя напряжения, первый вхпд управ— ления каждого i-го каскада (i=1,2, ...,и) затухания соединен с i-м входом дешифратора и соединен с входом

1-го разряда входной шины антилогарифмического цифроаналогового преобразователя, второй управляющий вход

i-го каскада затухания соединен с шиной логической единицы, цифровой выход дешифратора подключен к входу управления аналогового мультиплексора.

2. Преобразователь по п. 1, о т лич ающийся тем, что, с целью повышения точности преобразования., в нем каждый каскад затухания содержит один или несколько последовательно соединенных по аналоговому сигналу умножающих цифроаналоговых преобразователей, аналоговый вход первого цифроаналогового преобразователя каскада затухания соединен с ана-. логовым входом каскада, аналоговый выход последнего цифроаналогового преобразователя каскада затухания соединен с аналоговым выходом каска,— да, а цифровые входы каждого умножающего цифроаналогового преобразователя разделены на две группы, причем все цифровые входы первой группы объединены и соединены с первым управляющим входом каскада, все цифровые входы второй группы объединены и соединены с вторым управляющим входом каскада э тухания.

1538175 н, 3

1-р арапе ФАЯМ

1

J

4 ЦД Ai(2.3) А ).Ф)

Ууа 4

Составитель Е, Телешинин

Редактор Л, Гратилло Техред Л. Сердюкова Корректор М, Шар оши

Заказ 170 Тираж 546 Подписно

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва,, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно — издательский комбинат "Патент", r Ужгород, ул. Гагарина, 101