Преобразователи код-напряжение с суммированием взвешенных токов на аттенюаторе лестничного типа Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

5. Патент РФ № 2311655 G01R 33/07 Способ уменьшения погрешностей холловского магнитометра / В. К. Игнатьев. Опубл. 21.11.07. Бюл. № 33.

6. [Электронный ресурс]: <http://www.analog.com/en/prod/0%2C2877%2CADUC847%2C00.html>.

7. Марпл-мл. С. Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения. М.: Мир, 1990. 584 с.

Сведения об авторах

Антон Александрович Голубев — д-р физ.-мат. наук, профессор; Волгоградский государственный

университет, кафедра радиофизики; E-mail: axon85@yandex.ru Вячеслав Константинович Игнатьев — магистр; Волгоградский государственный университет, кафедра

радиофизики; E-mail: ignatjev@ vlpost.ru

Рекомендована университетом Поступила в редакцию

31.01.08 г.

УДК 681.335

В. Г.Галалу

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ КОД—НАПРЯЖЕНИЕ С СУММИРОВАНИЕМ ВЗВЕШЕННЫХ ТОКОВ НА АТТЕНЮАТОРЕ ЛЕСТНИЧНОГО ТИПА

Предложена обобщенная структура преобразователей код—напряжение (ПКН) с суммированием взвешенных токов на аттенюаторе лестничного типа, позволяющая минимизировать число прецизионных резисторов. Приводятся результаты экспериментального исследования 15—16-разрядных ПКН, пригодных для микроэлектронного исполнения.

Ключевые слова: преобразователь код—напряжение, суммирование взвешенных токов, аттенюатор лестничного типа.

Для преобразования 15-разрядного кода в выходное напряжение до двух вольт величина кванта преобразователя код—напряжение (ПКН) должна быть равна 61,03 мкВ и необходимо обеспечить формирование весовых коэффициентов (напряжений разрядов) с абсолютной погрешностью на уровне ±5мкВ. Это достаточно сложная задача, которая требует грамотных технических решений и тщательной настройки отдельных разрядов. В частности, к резисторам аттенюатора предъявляются два основных требования: минимально возможный ТКС (1—5ррт) и приемлемая долговременная стабильность (не хуже 10 ррт в год). Так как стоимость подгонки прецизионных резисторов достаточно высока, то желательно минимизировать число таких резисторов в ПКН. Кроме того, следует учесть возможность гибридного или микроэлектронного исполнения ПКН, что ограничивает величину резисторов (0,5—50 кОм) и общую рассеиваемую мощность (500 мВт). Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют ПКН с суммированием токов на аттенюаторах лестничного типа, распространенные в гибридном исполнении. Рассмотрим возможность сокращения количества прецизионных резисторов в таких ПКН.

На рис. 1 представлена известная структура 16-разрядного ЦАП (51 — ключ, I = 0,М ) с суммированием одинаковых токов на аттенюаторе Я—2Я (Я1=Я, ЯС=Я, Я2=2Я). Можно показать, что коэффициент деления каждой ячейки аттенюатора К = 2 и сопротивление нагрузки каждого генератора тока составит 2/3Я. Тогда выходное напряжение такого ПКН составит

а151 + а14 — + а13 — +... + а0 ■ 1

Uвых = 3 RI

n-1

V

2 "4 2n

Максимальное выходное напряжение составит: итах = 3 Я1

1

,и-1

4 Я1

3

Рис. 1

На рис. 2 представлена структурная схема 16-разрядного ЦАП с суммированием двух

взвешенных токов 11 и 12 в каждой узловой точке (Ьк, к = 1,Ь). Каждая ячейка аттенюатора

2

должна обеспечивать значение К=2 =4, что возможно при Я^Я, сопротивлениях связи ЯС=3Я и эквивалентных сопротивлениях в каждой узловой точке Яэкв, =Я.

<ь

Я1

Ь1

Бо—Б1

Я2

Б1-$2

11

Я2

'ь. ьк

Б,

11

12 Рис. 2

Я2

$13—Бь

11

Я1

Б14-Б1 '

11

11

Из представленной эквивалентной схемы одной ячейки делителя (рис. 3) можно определить требуемое значение Я2:

^экв

Я2 + 4Я

отсюда ^2 = 4/3 Я. Значения эквивалентного сопротивления нагрузки Ян для каждой пары генераторов тока 11 и 12 определяются из эквивалентной схемы, представленной на рис. 4.

3Я 3Я

Рис. 4

ЯС=3Я "1 Я=3Я °2 Рис. 3

Так как Ян = 4/3 Я||4Я||4Я, Ян = 4/5 Я .

Примем 11=1,12=0,51, тогда выходное напряжение ПКН определится следующим образом:

Ь

1

1

1

1

2

2

2

2

тт — я т

' ' ШТ\' М I '

1 ^ 1 Г 1 ^ 1 Г 1 ^ 1 Г 1 ^

а15 +аы— | +—I а13 + а12 — 1+--1 а11 + а10 — 1+-----1--1 а1 + а0 —

п 142 у 41 13 122| 16 ^ 11 102| 163841 1 и2 ^

Максимальное выходное напряжение будет равно:

итах — 5 Я

Г 111 1 ^ 8 от

1 +-+—+-+... + — | « -Я1 .

2 4 8 2п I 5

На рис. 5 представлена структурная схема 15-разрядного ЦАП с суммированием трех значений взвешенного тока Т1, Т2, Т3 в каждой узловой точке. Каждая ячейка аттенюатора должна обеспечивать К=2 =8, что возможно при Я1=Я, Яс=7Я и эквивалентных сопротивлениях в каждой узловой точке Яэквг- =Я.

4-

Я1

Ь1

Бо—£2

Я2

£3—£5

Т1

Я,

Ь2 Ь3 Ь4

Яс Яс Яс Яс

£6-£8

Т1

Я2

£9-£11

Т1

Я1

£12—£1

Т1

Т1

Рис. 5

Из представленной эквивалентной схемы одной ячейки делителя (рис. 6) можно определить требуемое значение Я2:

Яэкв

Я28Я Я2 + 8Я

отсюда Я2 — 8/7 Я. Эквивалентное сопротивление нагрузки для каждой тройки взвешенных токов Т1, Т2, Т3 определяется из эквивалентной схемы, приведенной на рис. 7.

Рис. 6

7Я 7Я

Рис. 7

8

Если Ян — 8/7 Я , Ян — - Я||8^|8Я. Выходное напряжение такого ПКН определится сле-

дующим образом:

ивых ——ЯТ

а14 + а1з —+ а12

1

2

1 ^ 1 Г

+ -

8

41 ™10

Максимальное выходное напряжение будет равно: итах « — ЯТ.

1 >

+ •

9 4 у

16 Ят

~ 9

1 1 ^

- + —

2 4 у

а2 + а1 — + — а0

Действуя в соответствии с предложенным алгоритмом, можно легко определить требуемые значения резисторов аттенюатора Я1, Я2, Яс для произвольного числа генераторов тока, подключаемых к каждой узловой точке.

Ь

5

т

т

т

т

т

т

т

т

т

т

3

2

3

2

3

2

3

2

2

3

Введем следующие обозначения: п — число разрядов преобразуемого двоичного кода; М — число взвешенных токов, суммируемых в каждом узле; Ь — число узловых точек. Если принять Я1=Я, то в общем случае получим следующее:

— разрядность ПКН определяется произведением

п = МЬ, (1)

— сопротивление связи Яс между ячейками аттенюатора

ЯС=(2М-1)Я, (2)

— внутренние резисторы аттенюатора Я2

2м

Я2 =( м ч • (3)

(2м - 1)Я

Эквивалентное сопротивление нагрузки Ян для каждого узла аттенюатора будет следующим:

2м

Ян = --— . (4)

(

2м - 1)Я

Максимальное выходное напряжение такого ПКН будет равно:

■м Ь 1 (м Л \

2^1 ь 1 м 1

^тах = 2м +1 ^ ~

— -(¿-гТ аьм-(к-1)м -г+1 V ■=1 2 )

(5)

—1 ЦУ1 - о\ I — 4 '

к=1 ■

Для управления переключением разрядных токов в таком ПКН необходимо знать максимальное изменение потенциалов в узловых точках аттенюатора. Для ПКН с суммированием равных токов на аттенюаторе типа „Я-2Я" это превышение над выходным напряжением известно и составляет 1,5итах. Очевидно, что для ПКН с суммированием взвешенных токов на образцовом сопротивлении это превышение будет нулевым.

В таблице представлены расчетные значения резисторов аттенюатора для различного числа двоично-взвешенных токов М и количества узловых точек Ь. Очевидно, что при М=1 и Ь=16 схема будет представлять собой ПКН с суммированием равных токов на аттенюаторе „Я-2Я". Основной недостаток этого ПКН — большое количество прецизионных резисторов (49). Другой крайний случай — М=16, Ь=1 — представляет собой ПКН с суммированием взвешенных токов на входе операционного усилителя. Основной недостаток этого варианта ПКН: большой динамический диапазон взвешенных токов (и резисторов), который трудно реализовать в микроэлектронном исполнении. Промежуточные варианты дают определенные преимущества, в частности, по количеству прецизионных резисторов и точности суммирования разрядных токов.

Параметр Значение

п 16 16 15 16 15 16

М 1 2 3 4 5 16

Ь 16 8 5 4 3 1

К=2М 2 4 8 16 32 216

Яс Я 3Я 7Я 15Я 31Я да

к2 2Я 4/3Я 8/7Я 16/15Я 32/31Я Я

Ян 2/3Я 4/5Я 8/9Я 16/17Я 32/33Я Я

Яатт 33 17 9 7 5 0

Я 49 33 24 23 20 16

Для проверки основных положений рассмотренные структуры были исследованы экспериментально для вариантов с 4 и 5 узловыми точками, Проверялись следующие

характеристики: соответствие эквивалентных сопротивлений нагрузки в узловых точках теоретическим значениям; значения коэффициента деления каждой ячейки аттенюатора; пропорциональность выходных напряжений весовым коэффициентам двоичного ряда.

После подбора резисторов аттенюатора проверялись эквивалентные сопротивления нагрузки в каждой узловой точке — они соответствовали теоретическим с относительной погрешностью ±0,5 %. В режиме делителя напряжений при одновременном подключении всех генераторов тока к одной из узловых точек проверялось значение коэффициента деления между ячейками. И, наконец, поочередное подключение взвешенных генераторов тока к каждой из узловых точек позволяет проверить возможность формирования требуемых весовых коэффициентов.

Обе проверенные структуры показали возможность формирования требуемых весовых коэффициентов двоичного ряда при регулировке расчетных взвешенных токов в пределах ±0,5 %. Кроме того, проверялся результат суммирования весовых коэффициентов в разных узловых точках. Относительная погрешность суммирования из-за влияния внутренних сопротивлений генераторов тока, выполненных по каскодной схеме, не превышала 0,01 %.

Для проведения прецизионных измерений использовался вольтметр универсальный В1-78. Резисторы аттенюатора выбирались из рядов Е-96 и Е-192 типов С1-29, С1-31 класса 0,1, номиналы подбирались с точностью ±0,5 Ом.

Разработанная структура ПКН с суммированием взвешенных токов в узловых точках аттенюатора обеспечивает формирование требуемых выходных напряжений для двоичного кода.

Метод суммирования взвешенных токов позволяет в 1,5—2 раза уменьшить количество прецизионных резисторов и обеспечивает возможность микроэлектронного исполнения ПКН высокой точности (погрешность 0,01 %).

Следует отметить, что современные технологии напыления прецизионных резисторов обеспечивают погрешность отношений резисторов аттенюатора на уровне 0,1 %, т.е. резисторы аттенюатора не нужно подгонять. Подстраивать необходимо только токозадающие резисторы генераторов тока (16 штук).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Galalu V. G. Digital analog converter for Fibonacci code // Мат. междунар. конф. „Оптимальные методы решения научных и практических задач". Таганрог, 2005. Ч. 3. С. 16—20.

2. Ратхор Т. С. Цифровые измерения. АЦП / ЦАП. М.: Техносфера, 2006. 392 с.

Сведения об авторе

Валентин Гаврилович Галалу — канд. техн. наук, доцент; Технологический институт Южного федерального университета, кафедра автоматизированных систем научных исследований и экспериментов, Таганрог

Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию

автоматизированных систем 05.08.08 г.

научных исследований и экспериментов