Цифро-аналоговые преобразователи.

Микросхемы цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) обеспечивают преобразование входной информации в цифровой форме в выходную информацию в аналоговой форме. В ЦАП, построенных на микросхемах, в качестве входного (цифрового) сигнала чаще всего используется двоичный код. Выходным (аналоговым) сигналом является напряжение (ток).

Микроэлектронные ЦАП в общем случае можно разделить на преобразователи с прямым и промежуточным преобразованием.

Преобразователи с прямым преобразованием делятся на последовательные, параллельные и последовательно-параллельные. Большинство микроэлектронных ЦАП параллельного типа. В основу их работы положено суммирование токов, соответствующих весам разрядов преобразователя.

Для ЦАП выходное напряжение определяется следующим образом:

U_вых = k U_оп (a₁*2^-1+ a₂*2^-2+…+ a_b*2^-b) (9)

где U_оп – опорное (эталонное) напряжение;

а₁, а₂,..., а_b - коэффициенты двоичных разрядов, принимающие значения 0 и 1;

b – число разрядов;

k – коэффициент пропорциональности.

Известны ЦАП, в которых входной код вначале преобразуется в промежуточную величину, представленную длительностью или частотой следования импульсов, а затем преобразуется в соответствующий выходной сигнал. Код записывается в регистр, сигнал с выхода которого управляет подключением ис­точника эталонного напряжения на вход низкочастотного фильтра. Фильтр выделяет из серии промежуточных сигналов среднее значение или постоянную составляющую напряжения, пропорциональную входному коду.

В большинстве серийных преобразователей осуществляет­ся преобразование входною кода сначала в ток, а затем – в напряжение. Обобщённая структурная схема ЦАП, соответствующего таким преобразованиям, приведена на рис.3.13.

 

Рис. 3.13. Структурная схема ЦАП

 

В нее входят следующие основные узлы: резисторная матрица, с помощью которой формируются токи, соответствующие входному коду ЦАП; токовые ключи, подключающие в соответствии с входным кодом цепи резистивной матрицы; согласующее устройство для согласования входа ЦАП с цифровыми микросхемами (ТТЛ, ЭСЛ, КМДП, микропроцессорами и др.). В ряде ЦАП использует­ся дополнительный узел – генераторы тока, обеспечивающие точное поддержание токов, соответствующих входному коду. Кроме того, в структурную схему входит источник опорного напряжения. Все перечисленные узлы обеспечивают преобразование кода в ток. Для обеспечения выполнение функции преобразования код-напряжение необходим еще операционный усилитель (ОУ), преобразующий ток в напряжение. Операционный усилитель и источник опорного напряжения сложно выполнить технологически на одном кристалле с остальной частью преобразователя, поэтому эти узлы часто выполняют в виде отдельных микросхем.

Рассмотрим принципы построения основных узлов ЦАП. Резисторная матрица может иметь различную структуру: в виде цепочки двояко-взвешенных (по номиналам) резисторов или в виде многозвенной цепочки из резисторов лишь двух номиналов (R – 2R).

Вариант матрицы со взвешенными резисторами показан на рис. 3.14а. Здесь каждому, разряду соответствует свой разрядный ток I₁, I₂, …, I_b. Эти токи задаются с помощью матрицы резисторов, сопротивление которых удваивается при переходе от старшего разряда к младшему. Основные недостатки рассмотренной структуры: широкий диапазон сопротивлений; их высокая требуемая точность, особенно при большом числе разрядов входного кода.

Вариант резистивной матрицы с резистивной сеткой R – 2R показан на рис.3.14б. Здесь используются резисторы только двух номиналов. Формирование тока, соответствующего данному разряду, в этой схеме осуществляется за счет как последовательных, так и параллельных цепей, сопротивлений. При переходе от старшего разряда к младшему ток изменяется в 2 раза (как и в схеме, показанной на рис. 3.14a).

 

Рис. 3.14. Резистивные матрицы

а) со взвешивающими резисторами; б) с резисторной сеткой R – 2R

 

Токовые ключи, предназначенные для коммутации элементов резистивной матрицы, должны иметь высокое быстродействие и не вносить заметных погрешностей в разрядные токи. Для преобразователей среднего и низкого быстродействия широко применяются ключи на КМДП-транзисторах, характеризующие­ся малым потреблением энергии. Ключи для быстродействующих ЦАП строятся обычно на биполярных транзисторах и диодах. Схема ключа на КМДП-транзисторах с согласующим устройством показана на рис 3.15.

 

Рис. 3.15. Схема токового ключа на КМДП-транзисторах

 

В этой схеме транзисторы VT1, VT2 служат для согласования с микросхемами на входе ЦАП, транзисторы VT4-VТ7 используются для управления ключевыми транзисторами VT8, VT9, которые подключают разрядные токи резистивной матрицы к одной из двух выходных шин. Через транзистор VТ3 осуществляется положительная обратная связь для уменьшения времени переключения.

Генераторы токов предназначены для стабилизации токов, изменяющихся в первую очередь за счет колебаний температуры. Один из вариантов генераторов тока (ГТ) с обратной связью приведен на рис.3.16. В этой схеме транзисторы VT1-VT4 стабилизируют токи резистивной матрицы R-8R. Вспомогательный транзистор вместе с усилителем образуют схему управления, обеспечивают стабилизацию тока транзисторов VT1-VT4 [1].

 

Рис. 3.16. Схема генератора токов с устройством управления

 

Эта стабилизация осуществляется следующим образом. Изменение разрядных токов от расчётных величин контролируется по току коллектора вспомогательного транзистора VT0, идентичного транзисторам VТ1-VT4 и находящегося с ними в одинаковых температурных условиях. Если через цепь коллектора протекает заданный ток I_k, то сигнал коррекции с выхода ОУ не будет сниматься на базы транзистора VТ0-VT4 (баланс ОУ), и режим транзисторов не изменится. При отклонении I_k от заданного на базы транзисторов VT1-VT4 будет подаваться сигнал коррекции. Выходным усилителем обычно служит ОУ, который суммирует разрядные токи. Напряжение на выходе ОУ пропорционально входному току:

где R_ОС – сопротивление обратной связи ОУ.

Источник опорного напряжения чаще всего бывает внешним, но в некоторых случаях его встраивают в микросхему ЦАП. Опорное напряжение может поддерживаться постоянным, либо изменяться по определенному закону (перемножающий ЦАП). В состав простейшей схемы параллельного ЦАП обычно входят: ИОН, резистивные или активные делители, ключевые элементы, ОУ. Для повышения быстро­действия ЦАП обычно используют матрицы с малыми значениями сопротивлений. Однако при этом снижается точность преобразования.

В качестве делителей в схеме чаще применяются матрицы R – 2R из взвешенных резисторов. Суммирование токов, образованных под­ключением соответствующих источников, производится ОУ [1].

Вместо резистивных делителей в параллельных ЦАП могут быть использованы активные делители тока. Типовая схема такого преобразователя содержит, как правило, источник опорного тока, делители тока по числу разрядов входного кода, ключевые элементы, суммирующий ОУ, вспомогательные элементы. Широко распространены транзисторные делители тока с согласованными параметрами. При условии идентичности параметров, электрических режимов и нагрузки транзисторной пары общий эмиттерный ток делится пополам. Последовательным делением тока на два образуется двоичный ряд токов. При потенциале, соответствующем лог.1 разрядный весовой ток через переключатель поступает на суммирующий ОУ. В противном случае происходит его отключение от ОУ.

Микроэлектронные ЦАП обладают рядом функциональных особенностей. Они могут, например, работать с постоянным или изменяющимся напряжением от ИОН. Преобразователи, работающие с изменяющимся опорным напряжением, называют умножающими. В умножающих ЦАП применяется токовые ключи на основе МОП транзисторов в режиме малых напряжений стока, что дает им возможность работать с опорным напряжением произвольных знака и формы. Выходной сигнал такого ЦАП может располагаться в любом из четырех квадрантов в зависимости от знаков, принимаемых сомножителями в уравнении:

U_вых = КU_опF(t), (11)

где К – коэффициент передачи (функция кода);

U_оп – опорное напряжение;

F(t) – функция изменения U_оп.

Для переменного опорного напряжения уравнение примет вид:

U_вых = КU_оп (12)

Наконец, умножающие ЦАП способны преобразовать изменяющийся сигнал от ИОН в выходной сигнал U_вых при заданном и постоянном входном коде [1].

Микроэлектронные ЦАП могут быть функционально завершенными, т.е. не требующими для работы внешних допол­нительных устройств. Как правило, это микросхемы УВХ, ИОН, буферных регистров сопряжения с цифровыми схемами. Различают преобразователи с непосредственным сопряжением через буферные устройства, объединяющие, как правило, буферный регистр кратковременной памяти с параллельным вводом-выводом цифро­вой информации и тремя логическими состояниями, а также уп­равляющую логику, работающую по программе от МП или микро-ЭВМ [1].

Микросхемы ЦАП способны работать с различными видами входных цифровых кодов: двоичным (прямым и обратным), допол­нительным (прямым и обратным), двоично-десятичным, Грея и другими кодами. Преобразователи могут быть одно- и многоканальными. Многоканальная работа, обеспечивается либо объединением в од­ной БИС нескольких идентичных ЦАП, работающих независимо друг от друга, либо использованием на выходе микросхемы ком­мутатора каналов. Существуют ЦАП с выходом по току или по напряжению, с дискретным или непрерывным выходным сигналом, униполярные или работающие в режиме биполярного тока. Наконец, умножающие ЦАП способны преобразовать изменяющийся сигнал от ИОН в выходной сигнал U_выхпри заданном и постоянном входном коде.

Микропроцессоры.

Микропроце́ ссор — процессор (устройство, отвечающее за выполнение арифметических, логических операций и операций управления, записанных в машинном коде), реализованный в виде одной микросхемы^[1] или комплекта из нескольких специализированных микросхем^[2] (в отличие от реализации процессора в виде электрической схемы на элементной базе общего назначения или в виде программной модели). Первые микропроцессоры появились в 1970-х годах и применялись в электронных калькуляторах, в них использовалась двоично-десятичнаяарифметика 4-битных слов. Вскоре их стали встраивать и в другие устройства, например терминалы, принтеры и различную автоматику. Доступные 8-битные микропроцессоры с 16-битной адресацией позволили в середине 1970-х годов создать первые бытовые микрокомпьютеры.

Дополнительные сведения: История вычислительной техники

Долгое время центральные процессоры создавались из отдельных микросхем малой и средней интеграции, содержащих от нескольких единиц до нескольких сотен транзисторов. Разместив целый процессор на одном чипе сверxбольшой интеграции, удалось значительно снизить его стоимость. Несмотря на скромное начало, непрерывное увеличение сложности микропроцессоров привело к почти полному устареванию других форм компьютеров. В настоящее время один или несколько микропроцессоров используются в качестве вычислительного элемента во всём, от мельчайших встраиваемых систем и мобильных устройств до огромных мейнфреймов и суперкомпьютеров.

В космических программах полётов к Луне «Аполлон» в 1960-х и 1970-х годов, все бортовые вычисления для первичного наведения, навигации и управления были предоставлены небольшими специализированными процессорами бортового компьютера Аполлон^[3].

С начала 1970-х годов широко известно, что рост мощности микропроцессоров следует закону Мура, который утверждает, что число транзисторов на интегральной микросхеме удваивается каждые 18 месяцев. В конце 1990-х главным препятствием для разработки новых микропроцессоров стало тепловыделение (TDP).^[4]

Некоторые авторы относят к микропроцессорам только устройства, реализованные строго на одной микросхеме. Такое определение расходится как с академическими источниками^[5], так и с коммерческой практикой (например, варианты микропроцессоров Intel и AMD в корпусах типа SECC и подобных, такие как Pentium II, были реализованы на нескольких микросхемах).

В настоящее время, в связи с очень незначительным распространением процессоров, не являющихся микропроцессорами, в бытовой лексике термины «микропроцессор» и «процессор» практически равнозначны.

⇐ Предыдущая25262728293031323334Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. Аналого-цифровые преобразователи.