Главная » Мануалы

1 ... 34 35 36 37 38 39 40 ... 43

6.6. ДРУГИЕ СХЕМЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ ЦИФРО-АНАЛОГОВЫХ

И АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАНИЯХ

Существует ряд вспомогательных схем, которые связаны с АЦП и ЦАП, но еще не рассматривались в этой книге. Наиболее важные среди них - это аналоговые коммутаторы и ключи, усили--тели выборки и хранения. Другие элементы, такие как предуси-лители датчиков, усилители с программируемым усилением и выч ходные усилители большой мощности, могут быть разработаны на основе операционных усилителей, усилителей постоянного тока с преобразованием сигнала, измерительных усилителей в сочетании с ключами, резисторными матрицами и т. п. с применением сгандартпых методов. Основное внимание при обсуждении будет уделено использованию и специфическим свойствам, которые отличают указанные элементы при нестандартном их применении.

6.6а. Предусилители датчиков

В этом случае основное отличие состоит в повышении точности и линейности, что обычно требуется для систем, ориентированных на применение цифровой обработки. Достижение этой цели в общем связано с улучшением характеристик операционных усилителей и особенно с разработкой в последние годы дешевого усилителя постоянного тока с преобразованием сигнала. Схема, в которой используется это устройство, показана на рис. 6.48. В этой схеме показано и использование управляющего напряжения датчика в качестве источника опорного напряжения, что также повышает точность и стабильность преобразователя с показателем отношения .

Другой метод устранения смещения на входе и дрейфа пред-усилителя показан на рис. 6.49, где для управления усилителем выборки-разности используется выходной сигнал интегрирующего преобразователя. Применение операционных усилителей с малым уровнем шумов гарантирует хорошие характеристики всей системы, так как эффективное значение шума на входе АЦП уменьшается усилением предусилителя. Хотя возможно, что размещение такой системы, перед коммутатором и приводит к неко-

точка снижения уровня на 3 дБ соответствует только потере двух разрядов точности. Это требование обычно относится к параллельным АЦП или к другим устройствам, предназначенным для обработки видео- и телевизионных сигналов.

ICL7/07

ТУ

Ибб/доду t

измерений реформации и та.

Рис. 6.48. Предусилитель с высокой точностью.

{СР-05

Ю,8

IHSOW или iH/newf

-f5B

S, Аналоговый f- вход Лно/юго(ый

Управление

\3епля

/Аналог 8068 зетя

8052/ \lCL7f04

srrs

Выходная

логина, ,

выход- v ной регистр

1В~рсаряа\ вб/хсд )

Аналоговаи земля

Рис. 6.49. Предусилитель выборки-разности.

торому усложнению процесса коммутации, однако в этой системе можно предусмотреть режим ожидания каждого нового канала, в который требуется произвести выборку,

6 66. Аналоговые коммутаторы и ключи

Эти устройства позволяют с помощью логического управления изменить конфигурацию схемы. Наиболее распространены два типа ключей, выполненных по разной технологии, - это ключ о

биполярным управлением полевыми транзисторами с р-п-перехо-дом (рис. 6.50) и ключ на КМОП-структуре (рис. 6.51). Первый обычно выполняется по гибридной технологии, что приводит к более высокой стоимости по сравнению со стоимостью монолитной схемы последнего типа, обладающей обычно лучшими характеристиками и в настоящее время завоевывающей все большую популярность. В стандартных устройствах возможно применение нескольких типов ключей и многие из них совместимы по выводным контактам, при этом обеспечивается хорошая взаимозаменяемость.

Большинство коммутаторов выполнено по КМОП-технологии ввиду большей трудоемкости их гибридного исполнения. Схема типичного коммутатора прщедена на рис. 6.52. В настоящее время выпускаются аналоговые коммутаторы с числом каналов от одного до 16, причем большинство коммутаторов имеет вход разрешения и адрес, что облегчает возможность их наращивания. Последние разработки имеют так называемые средства защиты от ВЛР1ЯНИЯ помех одного канала на другой канал, а в ряде

-1Н

.Рис. 6.50. Аналоговый ключ на МОП-транзисторах с р - п-переходом.

ттм~ вход

Рис. 6.51. Аналоговый ключ на КМОП-струхтуре.

случаев также и иа выходной сигнал. Одно такое устройство показано на рис. 6.53.

Большинство ключей и коммутаторов рассчитано на подачу сигналов в диапазоне от +10 В до -10 В, а многие из них - на сигналы +15 В. Типовые сопротивления ключа в положении включено колеблются от 30 до 75 Ом, тогда как для коммутаторов они составляют обычно 500-1000 Ом. Ток утечки по каждому входу и выходу во многих случаях не превышает 1 нА, хотя при повышении температуры этот ток, как правило, возрастает. Токи и напряжения входных сигналов соответствуют логическим уровням, что обеспечивает их совместимость с сериями микросхем типа ТТЛ и КМОП, многие из которых имеют высокое быстродействие и низкую мощность рассеяния. Важной особенностью многих устройств является наличие режима работы сначала сломай - потом сделай , который гарантирует отсутствие взаимного влияния в процессе переключения.

Увеличение числа каналов достигается способом, показанным на рис. 6.54. Однако увеличение тока утечки на выходе и сум-.

Рис. 6.52. Аналоговый коммутатор.

маркой емкости может при- JgO-вести к погрешностям как в статическом, так и динамиче- з°~ ском режиме, что особенно су- щественко в больших много-канальных системах, в связи с j о-чем более предпочтительным способом органнзацпн большо-го числа каналов является способ, показанный на рис. 6.55. Некоторое увеличение сопро- тивления ключа в состоянии включено с лихвой компенсируется уменьшением тока утечки и емкости в выходных цепях устройства.

Помимо очевидной задачи выбора входного сигнала для обработки или пересылки выходного сигнала по назначению аналоговые ключи и коммутаторы используются для

Дешифратор адреса /ш8

4, /?, /!, EN (вход

разрешения) 3 провода входного адреса в a6ou4Ho,v виде (f О f) и ENHI

В приегере поназан вй/бор 6-го наналй

регулирования усиления усилителей, разработки усилителей выборки и хранения, а также для многих других задач. Некоторые из этих задач были рассмотрены выше, остальные будут рассмотрены в последнем разделе настоящей главы.

б.бв. Усилители выборки и хранения (слежения и хранения)

Хотя, строго говоря, под термином функция усилителя выборки и хранения понимают взятие отсчета входного сигнала в определенный момент времени и хранение его до прихода следующего стробирующего импульса в отличае от устройства, которое отслеживает входной сигнал до тех пор, пока не придет команда его хранить, тем не менее этот сложившийся термин настолько широко применяется для описания именно последней функции, что совершенно невозможно руководствоваться рациональным началом!

К счастью, названия, описывающего функцию, совершенно достаточно для того, чтобы можно было уйти вперед и рассмотреть методы решения этой задачи вне зависимости от того, как мы его назвали. Одна из схем, предназначенных для этой цели, приведена на рис. 6.56, где изображено монолитное устройство, идущее на смену гибридно-модульному его исполнению, которое

а

Пере напря- -iL

жеиие /Л N- нанамьный 4г ШП-транзис~ ~ тор отнрб/т, таннан ;у=+?Л5

-Л

Перенапря женае

Р-нанаяьнб/й МОП- транзистор занрь/т

-ffB о + /5В

?S£ Воздей-о, c/u-ff на Q ° выходную 5 у лу внеШ \ л'л' схемами N-канальный. Non- транзистор * занрь/т

N-наналбныи МОП- транзистор) отнрь/т, тан как

~/УВ от схем -ifS В от схем

-fSB

i 3 о с/77<йге на вы-

ходн( о uiUH(/ -внеш.ними схемами.

/У-наналбнб/й МОП-\ транзистор закрыт Р-нанальнь/й РЮР-тран. зистор закрь/т

] 7равления управления

Рис. 6.53. Схема защиты от ошибок в коммутаторах ТН5108/5208. Перенапряжение при выключении коммутатора (а); перенапряжение при включении коммутатора (б). (На рис. б Vgs должно быть равно 10В, - При.м. ред.)

Вход разрешения

Шверторы ТТЛ- или mon-mund

+f5B

q-fSB

WG/fff

-15B

Вход разрешения

Ркс, 6,54, Наращивание коммутатора.

шеертор ТГМ/то/7

~~>- -

Элитлили- fifO-

цс>-И-

У

1Н5Юв штутатор

1 из8 {Mill

ЛнплоеоВые ёхадь/ Вх.

IB6108 Всшутатор 1из8

ЛнаУ7оеоВб/е входы

msf08 Ропмутатор /иэ8

разреш.\ I I I I I I I sx. А ау7оеоо1>/е тт/гы

-~у^Вход раэрр^ш.

/Н5/08 Колтмутатор 1из8

Апалоеоаь/е налам/

Таблица истинности дешифратора

Таблица истинности дешифратора

					Замкнут ключ	Ai Аз				Замкнут ключ
					Si	1 0
						1 0	б
						1 0
						Д 0
						1 0
						1 0
						1 0
					s.	1 0
с						1 1
						1 1
						1 1
						i 1
						i i
						1 1
						1 1
						I I

Рис. 6.55. Применение субкоммутатора для уменьшения погрешностей.

Смещение

Вход Моеичесний в дход о£-

Опорный 7 сигнал ло- гичесного уробпя

\Выход'

Ионденсатор Хранения

Рис. 6.56. Усилитель выборки (слежения) и хранения типа LF198.

было популярно на протяжении долгого времени. Входной усилитель управляет конденсатором хранения С в период слежения , так что выходной усилитель отслеживает входной сигнал. При переходе в режим хранения конденсатор обеспечивает хранение соответствующего значения. Это гарантирует появление на выходе схемы правильного значения хранимого сигнала. Входные параметры схемы определяются входным усилителем, в то время как для минимизации скорости спада сигнала па выходе необходимо обеспечить очень низкое значение тока смещения на входе выходного усилителя. Однако напряжение смещения на его входе делится на коэффициент усиления входного усилителя с разомкнутой петлей обратной связи, и поэтому им можно пренебречь. Вообще говоря, желательно ввести некоторое средство замыкания петли обратной связи входного усилителя в режиме хранения с целью уменьшения сдвигов напряжения, вызванных выходом из насыщения при возвращении в режим слежения (выборки). Основным оставшимся источником погрешности является инжекция носителей заряда в конденсатор хранения при стробировании, которая может быть уменьшена при тщательном проектировании и особенно при использовании для их стирания фиктивных ключей.

Можно упомянуть еще две конфигурации. На рис. 6.57 показан инвертирующий усилитель слежения и хранения, который обладает тем преимуществом, что имеет виртуальную землю в чувствительном узле, где инжекция заряда и токи утечки могут создать проблему, а на рис. 6.58 представлено устройство, в котором один и тот же усилитель используется как входное и выходное устройство, причем изменение его функции осуществ-пяется под управлением выборки.

Одной из наиболее важных характеристик усилителя выборки (слежения) и хранения является апертурная задержка. Есте-.

Рис. 6.57. Инвертирующий усилитель слежения и хранения. .

Аналоговый L -

Г ГЛ логическое ш/ю-биробание

Вход 0-1 >

-vrb

е -i--КЬ-НЦ

Заегуснающее устройство

Выход схемы выборки и хранения

Внешние элементы <

ЮО Ом OfllMH

Рис. 6.58. Устройство слежения и хранения на одном усилителе.

ственно, что, когда входная логическая схема создает режим хранения, необходимо время, чтобы отреагировать на эту команду. Обычно для работы системы это не очень важно, но в тех случаях, когда с этой задержкой приходится считаться, необходимо либо подавать сигнал управления несколько раньше, либо производить задержку входного аналогового сигнала. Однако изменение этого времени в ряде применений превращается в настоящую проблему, и такой апертурный джиттер требует в этих случаях тщательного контроля. Особое внимание требуется обратить на зависимость задержки от уровня входного сигнала, так как это может привести к перекосу результата.

Применение этих устройств широко и многообразно, однако большинство из них подпадает под две категории. Первая - совместное использование с АЦП последовательного приближения. Полезность размещения устройства выборки и хранения перед АЦП последовательного приближения иллюстрируется рис. 6.59, на котором показаны несколько возможных вариантов формы входного сигнала и кривая последовательного приближения. Как видно из рисунка, все они приводят к одному и тому же цифровому результату (рис. 6.29 и разд. 6.4в). Этот результат соответствует значению входного сигнала в некоторый момент времени процесса преобразования, однако этот момент мо-

жет быть определен не очень точно, что для многих систем анализа формы сигналов может представлять серьезную проблему. При использовании устройства выборки (слежения) и хранения значение сигнала на время преобразования поддерживается по-, стоянным, и упомянутые моменты времени соответствуют нача-: лу режима хранения.

Другое наиболее общее применение устройства выборки и хранения - в качестве выходного устройства цифро-аналоговых

Рис. 6.59. Необходимость использования схемы выборки (слежения) и хране-. ния для АЦП последовательного приближения. -

преобразователей. В момент изменения цифрового кода на выходе многих типов ЦАП возникают импульсные помехи (выбросы), которые могут быть устранены считыванием сигнала в ре-.

е/п ком-пута-тора

Выбор уси\ А о-а

хранения

\СтВ 15В I 1 Регили- о-С I грование

ISbY ния 8 наснаде 1Гзетя усиления ij

ч5в

Цид?ро6ая зетя -

Рис, 6.60, Традиционный программируемый усилитель,

1 ... 34 35 36 37 38 39 40 ... 43