Цифро-аналоговый преобразователь

Изобретение относится к области измерительной и вычислительной техники, радиотехники, связи и может использоваться в структуре различных устройств обработки информации, измерительных приборах, системах телекоммуникаций. Техническим результатом является уменьшение времени установления выходного напряжения ЦАП. Цифроаналоговый преобразователь содержит блок коммутации весовых токов (1), токовый выход которого (2) связан с эталонным резистором (3), паразитный конденсатор (4), связанный с токовым выходом (2) блока коммутации весовых токов (1).С целью повышения быстродействия токовый выход (2) блока коммутации весовых токов (1) соединен со входом неинвертирующего усилителя напряжения (5) и токовым выходом (6) неинвертирующего усилителя тока (7), причем между выходом неинвертирующего усилителя напряжения (5) и токовым входом (8) неинвертирующего усилителя тока (7) включен элемент частотной коррекции (9). 2 з.п. ф-лы, 12 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной и вычислительной техники, радиотехники, связи и может использоваться в структуре различных устройств обработки информации, измерительных приборах, системах телекоммуникаций и т.п.

В современной технике широкое применение находят цифроаналоговые преобразователи (ЦАП), работа которых основана на коммутации и суммировании n-опорных (весовых) токов, изменяющихся по закону 2nI0, где I0 - квант тока, n - разрядность ЦАП. Дальнейшее повышение быстродействия таких ЦАП - одна из проблем современной информационно-измерительной техники, решение которой позволит осуществить практическую реализацию новых систем связи и телекоммуникаций с более высокими качественными показателями.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является ЦАП, описанный в книге Воловича Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. 2-е изд., испр. - М.: Издательский дом «Додэка-ХХ1», 2007. - С.397, рис.8.126. По данной архитектуре реализованы микросхемы ЦАП ряда ведущих микроэлектронных фирм [1-7], например AD7520, AD565, 572ПА1, МАХ555, 11 18ПА6, AD9750, TUIS5671, DAC904 и др.

ЦАП-прототип фиг.1 содержит блок коммутации весовых токов 1, токовый выход которого 2 связан с эталонным резистором 3, паразитный конденсатор 4, связанный с токовым выходом 2 блока коммутации весовых токов 1.

Существенный недостаток ЦАП-прототипа (фиг.1), функциональные схемы включения которого показаны на чертежах фиг.2, фиг.3, состоит в том, что предельная частота смены его входного кода ограничена, что обусловлено шунтирующим влиянием емкости (С4) паразитного конденсатора 4, связанного с токовым выходом 2 ЦАП. Для ряда современных ЦАП численное значение этой емкости достигает 20÷120 пФ (AD7520 - С4=30÷120 пФ, AD565 - С4=25 пФ и т.п.).

Действительно, при идеальных элементах коммутации (K1, К2,…, К4) весовых токов максимальная частота смены входного кода ЦАП-прототипа фиг.1 (фиг.2), являющаяся одним из параметров ЦАП, а также время установления переходного процесса (tуст) выходного напряжения ЦАП не удовлетворяют многим применениям:

t у с т 3 C 4 R 3 , ( 1 )

где С4 - емкость паразитного конденсатора 4;

R3 - сопротивление эталонного резистора 3.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в увеличении предельной частоты смены входного кода ЦАП (частоты обновления) и снижении влияния паразитного конденсатора 4 на переходные процессы - уменьшении времени установления выходного напряжения ЦАП.

Поставленная задача достигается тем, что в цифроаналоговом преобразователе фиг.1, содержащем блок коммутации весовых токов 1, токовый выход которого 2 связан с эталонным резистором 3, паразитный конденсатор 4, связанный с токовым выходом 2 блока коммутации весовых токов 1, предусмотрены новые элементы и связи - с целью повышения быстродействия токовый выход 2 блока коммутации весовых токов 1 соединен со входом неинвертирующего усилителя напряжения 5 и токовым выходом 6 неинвертирующего усилителя тока 7, причем между выходом неинвертирующего усилителя напряжения 5 и токовым входом 8 неинвертирующего усилителя тока 7 включен элемент частотной коррекции 9.

На чертеже фиг.1 приведена принципиальная, а на чертеже фиг.2 - функциональная схемы ЦАП-прототипа.

На чертеже фиг.3 также представлена функциональная схема другого типового варианта включения ЦАП фиг.2, в котором его выход 2 согласован с инвертирующим преобразователем «ток-напряжение» на основе операционного усилителя (ОУ). Данное схемотехническое решение широко используется в информационно-измерительной и вычислительной технике [Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. 2-е изд., испр. - М.: Издательский дом «Додэка-ХХ1», 2007. - С.397, рис.8.12а]. Однако для многих применений оно неэффективно из-за повышенных требований к быстродействию операционного усилителя, стоимость которого оказывается значительно выше стоимости ЦАП.

На чертеже фиг.4 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.

На чертеже фиг.5 приведена эквивалентная схема ЦАП-прототипа фиг.2 в среде PSpice, а на чертеже фиг.6 показаны результаты компьютерного моделирования переходных процессов выходного напряжения ЦАП фиг.5 при разных значениях емкости паразитного конденсатора С4к=Cvar=5÷20 пФ, сопротивлении эталонного 3 резистора R3=2 кОм и скачке выходного тока ЦАП ΔI=64 мкА, обусловленного сменой входного кода.

На чертеже фиг.7 приведены результаты компьютерного моделирования переходных процессов выходного напряжения ЦАП фиг.5 при разных значениях емкости паразитного конденсатора С4к=0÷20 пФ, скачке выходного тока ЦАП ΔI=64 мкА, но более высоких значениях сопротивления эталонного резистора 3 (R2=100 кОм).

Для сравнения предельных возможностей второй типовой схемы включения ЦАП фиг.3 на чертеже фиг.8 в среде PSpice представлена эквивалентная схема ЦАП фиг.3, выход которого 2 подключается ко входу реального (т.е. инерционного) преобразователя «ток-напряжение» на основе ОУ, содержащего входной каскад с коэффициентом усиления Ку=1000, элементы частотной коррекции R1, C3 и буферный усилитель с Ку=1.

На чертеже фиг.9 приведены результаты компьютерного моделирования переходных процессов выходного напряжения ЦАП фиг.8 при значении емкости паразитного конденсатора C4=C1=20 пФ, скачке выходного тока ЦАП ΔI=64 мкА и емкости корректирующего конденсатора в структуре операционного усилителя С3=10 нФ, обеспечивающего перерегулирование переходного процесса 30,3%. При этом время установления переходного процесса равно tуст=190 нс.

На чертеже фиг.10 приведены результаты компьютерного моделирования переходных процессов выходного напряжения ЦАП фиг.8 при значении емкости паразитного конденсатора C4=C1=20 пФ, скачке выходного тока ЦАП ΔI=64 мкА и емкости корректирующего конденсатора в структуре операционного усилителя С3=55 нФ, обеспечивающего «нулевое» перерегулирование переходного процесса. При этом время установления переходного процесса равно tуст=210 нс. Сравнение графиков фиг.6, фиг.7 и графиков фиг.9, фиг.10 показывает, что известные схемотехнические решения ЦАП не обеспечивают высокого быстродействия - их время установления достаточно велико: tуст≥95÷210 нс.

На чертеже фиг.11 показана эквивалентная схема заявляемого ЦАП фиг.4 в среде Pspice на моделях транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».

На чертеже фиг.12 приведены результаты компьютерного моделирования переходных процессов выходного напряжения ЦАП фиг.11 при емкости паразитного конденсатора С41=20 пФ, сопротивлении эталонного резистора 3 R3=R1=2 кОм, скачке выходного тока ЦАП А1=64 мкА и разных значениях емкости корректирующего конденсатора 10 в структуре элемента частотной коррекции 9 (С10к5=Cvar=0÷19.5 пФ). Из данных графиков следует, что предлагаемое техническое решение обеспечивает уменьшение времени установления переходного процесса выходного напряжения ЦАП фиг.11 более чем в 30 раз - с 95 нс до 2,6 нс.

Цифроаналоговый преобразователь фиг.4 содержит блок коммутации весовых токов 1, токовый выход которого 2 связан с эталонным резистором 3, паразитный конденсатор 4, связанный с токовым выходом 2 блока коммутации весовых токов 1. С целью повышения быстродействия токовый выход 2 блока коммутации весовых токов 1 соединен со входом неинвертирующего усилителя напряжения 5 и токовым выходом 6 неинвертирующего усилителя тока 7, причем между выходом неинвертирующего усилителя напряжения 5 и токовым входом 8 неинвертирующего усилителя тока 7 включен элемент частотной коррекции 9.

На чертеже фиг.4, в соответствии с п.2 формулы изобретения, элемент частотной коррекции 9 может быть выполнен в виде конденсатора 10.

На чертеже фиг.4, в соответствии с п.3 формулы изобретения, элемент частотной коррекции 9 может быть также выполнен в виде последовательно соединенных резистора 11 и конденсатора 10.

В схеме фиг.4 неинвертирующий усилитель напряжения 5 реализован на транзисторе 12 и вспомогательном транзисторе 13.

Рассмотрим работу ЦАП фиг.4.

Изменение выходного тока ЦАП при отсутствии неинвертирующего усилителя напряжения 5 и неинвертирующего усилителя тока 7 приводит к увеличению его выходного напряжения Uвых. При этом конденсатор 4 заряжается током Ic4 с постоянной времени, которая определяется элементами схемы 4 и 3 (см. формулу (1)).

Введение неинвертирующего усилителя напряжения 5 и неинвертирующего усилителя тока 7 качественно изменяет работу схемы. Теперь напряжение Uвых передается на выход неинвертирующего усилителя напряжения 5, что создает ток İск через элемент частотной коррекции 9. Данный ток поступает на вход 8 неинвертирующего усилителя тока 7 и создает дополнительный ток в выходной цепи ЦАП Iдопiİск, который способствует более быстрому перезаряду конденсатора 4. В конечном итоге это приводит к существенному уменьшению времени установления переходного процесса выходного напряжения ЦАП (фиг.12).

Если в качестве элемента частотной коррекции 9 используется только конденсатор 10, то для обеспечения работоспособности схемы необходимо выполнение условий:

C 10 C 4 , C 10 < C 4 . ( 4 )

Можно достаточно строго аналитически показать, что схема фиг.4 при выполнении условий (2) устойчива с учетом типовых инерционностей неинвертирующего усилителя напряжения 5 и неинвертирующего усилителя тока 7.

Таким образом, заявляемый ЦАП характеризуется существенными преимуществами в сравнении с прототипом по частоте смены входного кода и времени установления переходного процесса выходного напряжения. В предлагаемой схеме решена одна из проблем повышения быстродействия конкретного подкласса цифроаналоговых преобразователей.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент US 5.307.067 fig. 13

2. Патент US 4.774.498 fig. 2

3. Патент US 5.396.131 fig. 10

4. Патент US 5.376.937 fig. 3

5. Патент US 6.445.221 fig. 2

6. Аналоговые интегральные схемы: Элементы, схемы, системы и применения /под ред. Дж. Коннели. - М.: «Мир», 1977, с.337, рис.8.9.

7. Карки Джим. Сопряжение операционных усилителей со скоростным ЦАП. Глава 1. ЦАП с токовым выходом // Компоненты и технологии. -2010. - №12, www.kit-e.ru/articles/dac/2010_12_111.php

1. Цифроаналоговый преобразователь, содержащий блок коммутации весовых токов (1), токовый выход которого (2) связан с эталонным резистором (3), паразитный конденсатор (4), связанный с токовым выходом (2) блока коммутации весовых токов (1), отличающийся тем, что с целью повышения быстродействия токовый выход (2) блока коммутации весовых токов (1) соединен со входом неинвертирующего усилителя напряжения (5) и токовым выходом (6) неинвертирующего усилителя тока (7), причем между выходом неинвертирующего усилителя напряжения (5) и токовым входом (8) неинвертирующего усилителя тока (7) включен элемент частотной коррекции (9).

2. Цифроаналоговый преобразователь по п.1, отличающийся тем, что элемент частотной коррекции (9) выполнен в виде конденсатора.

3. Цифроаналоговый преобразователь по п.1, отличающийся тем, что элемент частотной коррекции (9) выполнен в виде последовательно соединенных резистора и конденсатора.



 

Похожие патенты:

Источник стабильного тока относится к автоматике и вычислительной технике и может использоваться в составе систем автоматического управления, работающих в экстремальных условиях и полях ионизирующего излучения.

Изобретение относится к области аналого-цифровых преобразователей. Техническим результатом является повышение точности и скорости преобразования.

Изобретение относится к электронике и может быть использовано в системах обработки аналоговых сигналов и, в частности, в быстродействующих аналого-цифровых преобразователях (АЦП).

Изобретение относится к электронике и может быть использовано при разработке быстродействующих аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Технический результат - повышение точности калибровки N-разрядного комбинированного АЦП путем уменьшения погрешности преобразования АЦП за счет снижения влияния рассогласования параметров элементов с помощью калибровки.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в качестве входного устройства цифровых вычислительных комплексов для регистрации быстропротекающих электрических процессов.

Изобретение относится к области измерительной и вычислительной техники, радиотехники и связи. Технический результат: расширение в несколько раз частотного диапазона обрабатываемых сигналов АЦП за счет снижения погрешности передачи входных дифференциальных напряжений от источников входных напряжений ко входам компараторов напряжения.

Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники, а именно к элементам систем цифрового управления, представляющим в виде двоичного кода точную информацию о текущем угловом положении подвижной части объекта регулирования.

Изобретение относится к радиотехнике. Техническим результатом является расширение полосы анализа сигналов и возможность проведения анализа в режиме реального времени.

Изобретение относится к области автоматики и робототехники и может быть использовано в следящих приводах с цифровыми датчиками угла (ЦДУ), работающих в диапазоне углов, больших чем ±180°, в которых задается знак направления движения.

Группа изобретений относится к аналого-цифровым преобразователям и может быть использована в устройствах преобразования энергии для силовой электроники. Техническим результатом является повышение быстродействия.

Изобретение относится к области измерительной и вычислительной техники, радиотехники, связи. Технический результатом является расширение в несколько раз предельного частотного диапазона обрабатываемых сигналов АЦП за счет снижения погрешности передачи входных дифференциальных напряжений ко входам компараторов напряжения. Сверхбыстродействующий параллельный аналого-цифровой преобразователь с дифференциальным входом содержит N идентичных по архитектуре секций. Каждая из секций включает компаратор напряжения (1), первый (2) вход которого соединен с первым (3) источником входного напряжения через первый (4) эталонный резистор, а второй (5) вход компаратора напряжения (1) подключен ко второму (6) источнику входного противофазного напряжения через второй (7) эталонный резистор, причем первый (2) вход компаратора напряжения (1) связан с первым (8) источником опорного тока и первым (9) паразитным конденсатором, второй (5) вход компаратора напряжения (1) связан со вторым (10) источником опорного тока и вторым (11) паразитным конденсатором. Первый (3) источник входного напряжения подключен к базе первого (12) дополнительного транзистора, коллектор которого соединен с шиной первого (13) источника питания, а эмиттер подключен к шине второго (14) источника питания через первый (15) токостабилизирующий двухполюсник и через первый (16) корректирующий конденсатор связан с первым (2) входом компаратора напряжения 1. 1 з.п., ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к электронике и может быть использовано в микроэлектронных системах обработки аналоговых сигналов и преобразовании аналоговой информации в цифровую, в частности при разработке аналого-цифровых преобразователей (АЦП) с малым энергопотреблением, многоканальных системах приема и обработки информации с многоэлементных приемников оптического сигнала. Технический результат заявленного изобретения заключается в уменьшении площади кристалла АЦП и уменьшении потребляемой мощности за счет уменьшения суммарной емкости набора конденсаторов. Технический результат достигается за счет введения дополнительных блоков взвешивающих конденсаторов деления с ключами, аналогичных основному блоку взвешивающих конденсаторов деления с ключами, при этом емкость наименьшего конденсатора каждого дополнительного блока не равна удвоенной емкости наибольшего конденсатора основного блока или предыдущего дополнительного блока взвешивающих конденсаторов деления с ключами, а выходы дополнительных блоков взвешивающих конденсаторов деления с ключами объединены с выходом основного блока взвешивающих конденсаторов деления с ключами. 2 ил.

Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники. Технический результат - упрощение конструкции устройства. Формирователь временных интервалов содержит блок регистров, блок коммутаторов, блок памяти, блок делителей частоты, блок формирователей команд, блок формирователей импульсов, генератор импульсов и делитель частоты, при этом формирователь команд блока содержит семь триггеров, два элемента ИЛИ и два инвертора, формирователь импульсов блока содержит триггер, делитель частоты и инвертор. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области измерения и может быть использовано при метрологических исследованиях навигационных приборов, содержащих вращающийся трансформатор. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей за счет обеспечения измерения динамических характеристик. Существенным отличием предложенного изобретения является то, что в устройство для измерения навигационных приборов, в состав которых входит вращающийся трансформатор, содержащее коммутатор, дополнительно введены два канала преобразования, каждый из которых содержит генератор, реверсивный счетчик и последовательно соединенные цифроаналоговый преобразователь, фазовращатель, усилитель мощности, выход которого является выходом устройства для подключения обмоток вращающегося трансформатора проверяемого навигационного прибора, счетный вход реверсивного счетчика подключен к генератору, выход подключен к цифровому входу цифроаналогового преобразователя, вход опорного напряжения которого подключен к выходу коммутатора, вход которого подключен к источнику питания переменного тока. 1 ил.

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к аналого-цифровому преобразованию, а именно к преобразователям угла поворота вала в код. Технический результат - повышение информационной надежности преобразователя угол-код. Преобразователь угол-код содержит: псевдослучайную кодовую шкалу с информационной дорожкой, n информационных считывающих элементов, k корректирующих считывающих элементов, n сумматоров по модулю два на два входа, выходы n считывающих элементов соединены с первыми входами n сумматоров по модулю два на два входа, k сумматоров по модулю два, выходы k корректирующих считывающих элементов соединены с первыми входами k сумматоров по модулю два, выходы m считывающих элементов соединены с соответствующими входами i-го сумматора по модулю два, дешифратор, i-й вход которого соединен с выходом i-го сумматора по модулю два, j-й выход которого соединен со вторым входом соответствующего сумматора по модулю два на два входа, выходы которых являются информационными выходами преобразователя, сумматор по модулю два, (n+k+1) входов которого соединены с выходами n считывающих элементов, выходами k корректирующих считывающих элементов и выходом контрольного считывающего элемента, элемент ИЛИ-НЕ, первый вход которого соединен с выходом (n+k+1) входового сумматора по модулю два, а второй вход соединен с нулевым выходом дешифратора, j-е выходы которого и выход элемента ИЛИ-НЕ являются служебными выходами преобразователя. 1 ил., 7 табл.

Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники и может найти применение как в цифровых системах наведения и управления огнем, так и в системах определения углового положения. Достигаемый технический результат - повышение точности преобразования углового положения ротора двухфазного индукционного датчика угла в цифровой код при значительном расширении рабочего температурного диапазона. Цифровой преобразователь угла содержит генератор напряжения возбуждения, выход которого соединен с обмоткой возбуждения двухфазного датчика угла типа СКВТ; СКВТ-приемник, преобразователь напряжение-частота, реверсивный счетчик, первый выпрямитель, второй выпрямитель, сумматор, усилитель, аналого-цифровой преобразователь и контроллер, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом реверсивного счетчика и выходом аналого-цифрового преобразователя, а выход соединен с шиной выходного кода. 1 ил.

Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники и может быть использовано для связи аналоговых источников информации с цифровым вычислительным устройством. Техническим результатом является обеспечение возможности измерения мгновенных значений угла и работы в режиме усреднения временных интервалов. Устройство содержит генератор импульсов, делитель частоты, блок преобразования угла поворота вала в последовательность временных интервалов, дешифратор, формирователи тактовых импульсов, формирователи грубого отсчета, регистры, вычислительный блок, дополнительные регистры, сумматоры, блоки элементов И, счетчики, триггеры и элементы И. 2 ил.

Изобретение относится к области измерительной и вычислительной техники. Технический результат - расширение частотного диапазона обрабатываемых сигналов АЦП. Сверхбыстродействующий параллельный дифференциальный аналого-цифровой преобразователь, каждая из N секций которого содержит компаратор напряжения, первый вход которого соединен с первым источником входного напряжения через первый эталонный резистор, а второй вход компаратора подключен ко второму источнику входного противофазного напряжения через второй эталонный резистор, причем первый вход компаратора связан с первым источником опорного тока и первым паразитным конденсатором, второй вход компаратора связан со вторым источником опорного тока и вторым паразитным конденсатором, а первый источник опорного тока выполнен в виде первого биполярного транзистора, коллектор которого является выходом первого источника опорного тока, база подключена к источнику вспомогательного напряжения, а эмиттер через первый дополнительный токостабилизирующий двухполюсник связан с шиной источника питания, причем между первым источником входного напряжения и эмиттером первого биполярного транзистора включен первый дополнительный конденсатор. 3 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к области гидроакустики, радиотехники и электротехники и может быть использовано для построения синхронных многоканальных систем аналого-цифрового преобразования при использовании аналого-цифровых преобразователей с избыточной частотой дискретизации (АЦП-ИЧД). Технический результат - автоматизация процесса восстановления синхронизации АЦП-ИЧД. Предложен способ синхронизации АЦП-ИЧД, содержащий подачу на входы начальной установки всех АЦП-ИЧД импульсов начальной установки, подачу на входы тактовой частоты всех АЦП-ИЧД периодического сигнала тактовой частоты, выработку АЦП-ИЧД сигнала готовности данных, в котором каждое АЦП снабжают узлом следящей синхронизации, импульсы готовности данных от каждого АЦП подают на один вход узла следящей синхронизации, соединенного с этим АЦП, а на второй вход всех узлов следящей синхронизации подают периодические импульсы контроля синхронизации, выработанные дополнительным опорным генератором, периодические импульсы контроля синхронизации по времени поступления в каждом узле следящей синхронизации сравнивают с импульсами готовности данных и, в случае превышения установленного предела рассогласования, в узле следящей синхронизации, в котором произошло превышение установленного предела рассогласования, вырабатывают импульс начальной установки, который через схему ИЛИ подают на вход начальной установки соединенного с ним АЦП. 2 ил.

Изобретение относится к аналого-цифровым преобразователям. Технический результат заключается в расширении предельного частотного диапазона обрабатываемых сигналов. Преобразователь содержит N идентичных по архитектуре секций. Каждая из секций включает компаратор напряжения, первый вход которого соединен с первым источником входного напряжения через первый эталонный резистор, а второй вход компаратора подключен ко второму источнику входного противофазного напряжения через второй эталонный резистор, причем первый вход компаратора связан с первым источником опорного тока и первым паразитным конденсатором, второй вход компаратора связан со вторым источником опорного тока и вторым паразитным конденсатором. Первый источник опорного тока выполнен в виде первого биполярного транзистора, коллектор которого является выходом первого источника опорного тока, база подключена к источнику вспомогательного напряжения, а эмиттер через первый дополнительный двухполюсник связан с первой шиной источника питания, причем первый вход компаратора соединен с базой первого дополнительного транзистора, коллектор которого подключен ко второй шине источника питания, эмиттер соединен с первой шиной источника питания через второй дополнительный двухполюсник и связан с эмиттером первого биполярного транзистора через первый корректирующий конденсатор. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.
Наверх