И В. С. Ямпольсний о основы автоматики и электронно- вычислительной техники нститутов

Компараторы напряжения являются специализированными опе­рационными усилителями с двумя аналоговыми входами и цифровым выходом, напряжение на котором может быть только двух уровней: низкого (логический 0) и высокого'(логическая 1). Схема включе­ния компаратора и временные диаграммы, иллюстрирующие его работу, приведены на рисунке 5.18, а, б. На один вход компара­тора подается опорное напряжение U_ony на второй — обрабатывае­мый сигнал и_с. На выходе компаратора формируется сигнал ло­гической 1, если (ы_с— (Уоп)>Ли, и логического нуля, если (и_с— U on) <1 Au. В этих выражениях А и напряжение срабатывания компаратора обычно не превышает 2...5 мВ. Опорное напряжение на входе сравнения большинства компараторов может меняться в пределах ±10 В. Время срабатывания компаратора составляет 10...300 не.
Аналоговые ключи и коммутаторы выполняются на основе МДП структур и под действием управляющих логических сигналов ком­мутируют аналоговые сигналы, меняющиеся в диапазоне —10... 10 В при токах до 10...50 мА. Сопротивление ключа в открытом состоя­нии 50...300 Ом, в закрытом — больше 10 МОм. Время переключе­ния 0,03... 1 мкс. f
Познакомившись с характеристиками основных аналоговых эле­ментов, рассмотрим принцип построения преобразователей.
Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) строятся на основе представления любого двоичного числа X в виде суммы степеней

числа два. На рисунке 5.19 представлена наиболее простая схема преобразования четырехразрядного двоичного числа: Х=Хз-Ч^г-\- 4-дг2'2²-{-*1 -2¹ -(-дсо * 2° в пропорциональное ему напряжение. Каждый разряд числа X может принимать значение либо 1 (ключ включен), либо 0 (ключ выключен). Так как для операционного усилителя
— Ubhx/Uc^Roc/R, ТО {/„ ых= — Uon'-jjri 8дГз+4дС2 + 2Х1-4-1 *ДСо) =
= ( — U_onRoc/Ro)X, где и_оп=и_с — опорное напряжение (напряжение сигнала), подаваемое на вход операционного усилителя через ре­зистор R; Ro/X—R — общее сопротивление тех параллельно вклю­ченных резисторов сопротивлениями R_a/8, R₀/4, R₀/2, R₀, для которых был замкнут соответствующий ключ ХЗ, Х2, XI, ХО. Таким образом, в рассматриваемой схеме выходное напряжение U_Bы*=КХ пропорционально двичному числу X. Коэффициент пропорциональ­ности (К= — UonRoc/Ro) для каждой схемы является величиной постоянной.
Для увеличения числа разрядов необходимо увеличить число резисторов (расширить резисторную матрицу), включив резисторы сопротивлениями R_a/16, Яо/32 и т. д.
При изготовлении интегральных ЦАП по рассмотренной схеме наибольшие трудности представляет реализация высокоточных ре­зисторов с сопротивлениями, отличающимися друг от друга в К) ..1 ООО раз. Для устранения этих затруднений в многоразрядных ЦАП весовые коэффициенты каждой ступени обычно задают по­следовательным делением опорного напряжения с помощью рези­стивной матрицы. При' двоичном кодировании эта матрица пред­ставляет собой многозвенный делитель с коэффициентом деления

• 
  в каждом звене, равном сопротивлению нагрузки. Эта структура, > изображенная «а рисунке 5.20, а, называется резистивной матрицей
  

типа R—2R.
По такому принципу построена схема 10-разрядного интеграль-

• 
  ного ЦАП типа К572ПА1, выполненного по КМОП технологии. Благодаря малой потребляемой мощности, достаточно высокому быстродействию (время установления не более 5 мкс) и хорошей
  

Uоп 0.5 и on 0,25 U_оп 0,125 U_on

Uon±

o
то

'ос
W we у, Щт. т
I • || |МЧ| а (" Г'Ч |
VT17
1
-ifib/xj
-фВь/х.2

К
Й
L-o-- Xg
S

15

Von
572ПА1

	-41 *0	—
	ЦАП	Ки
		бьк/
	К 572
	ПА1

- 13 °~1F1


_6_
_5_
4


16

точности преобразования (ошибка не превышает 0,3 от уровня младшего разряда) эта микросхема находит широкое применение в различной аппаратуре. Упрощенная структурная схема и схема включения этого ЦАП приведены на рисунке 5.20, б, в. В состав ИМС входят прецизионная резисторная матрица R—2R, аналоговые ключи на МДП-транзисторах и управляющие инверторы. При поступлении логической единицы на цифровой вход разряда с но­мером I открывается транзистор с четным номером, и напряжение Uоп/2' поступает на первый выход ЦАП и оттуда — на вход ОК. Если же на цифровой вход приходит логический ноль, то открывает­ся соответствующий нечетный транзистор, и сопротивление 2R ячей­ки делителя подключается ко второму выходу и замыкается на общий провод.
Помимо своего прямого назначения — преобразования цифро­вого кода в соответствующий ему уровень напряжения — ЦАП широко используется как генератор произвольных периодических функций. При этом простыми средствами удается сформировать достаточно сложные функции с хорошей точностью. В качестве примера рассмотрим формирователь треугольного напряжения, схе­ма которого приведена на рисунке 5.21. Этот генератор состоит из десятичного счетчика с дешифратором типа К176ИЕ8, резистор­ной матрицы и операционного усилителя. В каждый момент времени включен только один резистор матрицы; поэтому, задавая раз­личные весовые коэффициенты, можно сформировать разнообразные функции. При изменении частоты входных тактов f_T меняется час­тота выходных сигналов: /_Вых=/т//(. Таким же образом можно создать, например, и цифровой генератор синусоидальных коле­баний. Для повышения точности аппроксимации желательно исполь­зовать четырехразрядный счетчик с К==16. Выходное напряжение должно изменяться в соответствии с выражением.
«_Bb.x=^siri2n~,
где х — число на выходе счетчика. Исходя из этого рассчитывают весовые коэффициенты резисторной матрицы.
Аналого-цифровые преобразователи по способу преобразования подразделяют на последовательные, параллельные и последователь- но-параллельные. В последовательных АЦП преобразование анало­говой величины в цифровой код идет ступеньками (шагами), по-

следовательно приближаясь к измеряемому значению. Если макси­мальное напряжение преобразуется в число X, то для его пре­образования необходимо X шагов. Поэтому последовательные АЦП являются самыми медленными, но и наиболее простыми по реали­зации. В параллельных АЦП входное напряжение одновременно сравнивают с X опорными напряжениями. При этом результат полу-, чают за один шаг, но для этого необходимы большие аппаратурные затраты (Х-компараторов).
На рисунке 5.22 представлена схема параллельного трехраз­рядного АЦП. Тремя двоичными разрядами можно представить восемь чисел, включая нуль. Поэтому АЦП содержит семь узлов сравнения (компараторов) входного напряжения с опорными уров­нями, образованными с помощью резисторного делителя. Состояния компараторов и соответствующих им двоичных кодов при различных соотношениях u_c/U показаны в таблице (рис. 5.22). Считывание ин­формации (запуск АЦП) производится тактирующим импульсом, по­даваемым на вход С параллельного регистра. С выхода регистра информация поступает на преобразователь кода Y в трехразрядный двоичный код X. ^v
Подобные АЦП обладают максимальным быстродействием и