7. Skaitmeniniai analoginiai keitikliai (SAK) ir jų interfeisai

Skaitmeniniai analoginiai keitikliai (SAK) – tai įtaisai, skirti keisti skaičiaus kodui į analoginį signalą (srovę arba įtampą). Perdavimo funkcija , apibendrinanti SAK, užrašoma šitaip:

Čia Uex – išėjimo analoginis signalas, E et – etaloninio signalo šaltinio evj, x1,x2,…,xn – koeficientai, kurių reikšmė priklauso nuo dvejetainio kodo ir gali būti 1 arba 0, n – keitiklio skilčių skaičius (įėjimų) skaičius.

 Skaitmeninio – analoginio keitiklio sutartinis grafinis žymuo

 SAK principinę schemą paprastai sudaro keturios atskiros dalys:Etaloninis šaltinis; elektroninių jungiklių K, kurie gali būti vienoje iš dviejų padėčių, rinkinys; stabilių ir tikslių rezistorių R rinkinys; sumuojantysis išėjimo stiprintuvas A. Keitiklius galima skirstyti dvejopai: naudojant arba srovės, arba įtampos jungiklius.

1.pav.

1.pav.pateikta paprasčiausia dvejetainio skaičiaus keitimo į jam proporcingą įtampą schema. Rezistorių varžos parenkamos taip, kad, esant uždariems raktams,per juos tekėtų proporcinga dvejetainio skaičiaus skilties svoriui srovė.Raktas turi būti uždaromas tada, kai į atitinkamą skiltį ateina loginis 1. Kadangi operacinis stiprintuvas per rezistorių Rn apgaubtas neigiamu grįžtamu ryšiu, tai sumavimo mazgas turės nulinį potencialą. Todėl, sumuojant skilčių sroves, jų įtaka viena kitai nepasireiškia. Išėjimo įtampa


Varžų tikslumas turi augti, didėjant bitų skaičiui ir išsibarstymas turi būti ne didesnis už DR/R=I/2i1. Taigi, jei i = 4, DR/R £ 3/4, o jei I = IO, tai DR/R £ 0,05%. Tačiau šioje schemoje raktai gauna aukštą įtampą, todėl sunku panaudoti elektroninius raktus.Be to, veikiant parazitiniams talpumamas, raktų komutacijos dažnis yra žemas.

Šių trūkumų galima iš vengti įvedant trijų pozicijų raktus, kaip parodyta 2.pav.:

 

Čia pavaizduotas SAK su srovės jungikliais. Skilčių srovės nustatomos rezistoriais R. Kiekvienos žemesnės skilties rezistoriaus varža dvigubai didesnė negu po jos esančios. Skilčių srovių jungikliai K valdomi įėjimo loginiais signalais. Jei bet kurio įėjimo įtampa atitinka loginį vienetą, tai tos skilties jungiklis K perjungiamas taip, kad stabili skilties srovė galėtų tekėti į išėjimą. Operacinis stiprintuvas A su grįžtamojo ryšio rezistoriumi RN keičia (transformuoja) keitiklio išėjimo srovę I0 į išėjimo įtampą.Išėjimo įtampa

 

Čia RN – stiprintuvo neigiamo grįžtamojo ryšio varža, skirta išėjimo įtampos masteliui nustatyti. Tarkime, kad RN = R0/16, tuomet absoliutinė išėjimo įtampos vertė

Iš šios išraiškos išplaukia, kad SAK išėjimo įtampa gali turėti 2n skirtingų diskretinių reikšmių (kvantų) diapazone nuo nulio iki maksimalios reikšmės

Su minimaliu žingsniu (kvantu)

 Raktai pajungiami prie sumavimo mazgo, kai atitinkantis bitas lygus 1, arba prie bendro nulinio taško, kai raktą atitinkantis raktas lygus 0. Abiem atvejais srovė, tekanti per duoto bito rezistorių, nesikeičia (nes sumavimo taško potencialas taip pat lygus 0). Todėl lieka ir atraminio šaltinio apkrovimo srovė Ia. Tokio SAK vidaus varža atraminio šaltinio atžvilgiu turi būti maža. Pvz., 2.pav. atveju 


Išėjimo įtampa Uiš randama taip pat, kaip ir 1.pav. schemoje.

Gaminant integralinius SAK, labai sudėtinga pagaminti didelio tikslumo rezistorius, žymiai besiskiriančius vienas nuo kito pagal dydį. Todėl SAK laiptelių srovių koeficientus galima parinkti, nuosekliai dalijant įtampą rezistyvine matrica, kaip tai parodyta 3.pav.:

Šios matricos pagrindiniu elementu yra įtampos daliklis, kuris turi tenkinti sekančią sąlygą: jei jis apkraunamas tam tikra varža Ra, tai ir jo įėjimo varža taip pat turi būti to paties dydžio Ra. Kai daliklio priešvaržė yra R, o apkrovimo varža 2R, tai atraminis šaltinis visada apkraunamas pastovia varža Ri=2R ||  2R =R, tuomet išėjimo įtampa


Trijų padėčių raktams perjunginėti patogu panaudoti du normaliai uždarus n-kanalinius lauko tranzistorius, vienas kurių valdomas per invertorių (4.pav.)

Atėjus bito B0 aukštam įtampos lygiui į įėjimą  k0, tranzistorius T1 atidaromas, o T2 pasilieka uždaroje būklėje. Santakos potencialas lygus nuliui. Todėl patikimai informacijai pasiekti gali būti panaudotas žemo įtampos lygio loginis valdymo signalas, nepriklausantis nuo atraminės įtampos reikšmės. Jei į valdymo įėjimą k0 paduotas žemas loginis signalas, tranzistorius Ti užsidaro. Santakos potencialas taip pat lieka lygus nuliui, nes dabar laidžiu tampa tranzistorius T2. Aišku, kad tranzistorius T1 bus uždarytas tada, kai atraminė įtampa neigiama.

OP technologijos pagrindu pagamintų SAK keitimo laikas yra 0,5ns eilės, atraminė įtampa gali būti ±10V ribose.

Pagrindinius skaitmeninių analoginių ir analoginių skaitmeninių ketiklių parametrus apibrėžia standartas.

Skilčių skaičius n lygus SAK įėjimo maksimalaus kodinių kombinacijų skaičiaus dvejetainiam logaritmui. Pavyzdžiui, į aštuonių skilčių ketiklio įėjimą galima paduoti 28=256 kodines kombinacijas, ir tiek pat diskretinių analoginio signalo reikšmių bus gauta išėjime. Skilčių skaičius vadinamas keitiklio skiriamąja geba bitais.

Aukščiausia reikšminė skiltis (ARS) – skaitmeninio kodo skiltis, į kurią paduota įtampa (loginis signalas) sukelia didžiausią išėjimo analoginio signalo pokytį.

Žemiausia reikšminė skiltis (ŽRS) – skaitmeninio kodo skiltis, į kurią paduota įtampa sukelia mažiausią išėjimo analoginio signalo pokytį. Ši įtampa vadinama keitiklio kvantu.

Labai svarbūs parametrai, nusakantys jo, kaip analoginės aparatūros elemento, tiesiškumą ir paklaidas. Šie nustatomi išmatavus keitiklio perdvimo charakteristiką. 

I – tiesiškas idealus

II – monotoniškai netiesiškas

III – nemonotoniškai netiesiškai

 Jei į SAK įėjimą paduodama didėjanti seka, tai išėjimo įtampa turėtų kisti šuoliukais, kurių aukštis idealiu atveju lygus kvantui h arba Užrs vertei. Linija, jungianti šių šuoliukų vidurinius taškus, idealaus tiesiško keitiklio atveju turėtų būti tiesė. Tačiau praktiškai dėl gamybos technologinių režimų sklaidos keitiklio perdavimo charakteristika esti daugiau ar mažiau nutolusi nuo tiesės. Šiam paveiksle matyti, kad labiausiai ši charakteristika nutolusi nuo tiesės tuomet, kai keitiklis nemonotoniškai netiesiškas. Perdavimo charakteristika randama eksperimentiškai, matuojant SAK parametrus. Geriausiai SAK parametrus galima nustatyti iš tiesės, brėžiamos taip, kad ji būtų minimaliai nutolusi nuo visų išėjimo įtampos kvantų vidurinių taškų. Tai galima atlikti su mikroESM, naudojant matematinio vidurkio ir vidutinės kvadratinės paklaidos formules.

Keitiklio paklaida (tikslumas) d - tai skirtumas tarp išėjimo analoginės štampos (srovės) ir jos apskaičiotosios vertės. Paklaidos esti šitokios: d=DUex, V (išreiškiama įtampos (srovės) vienetais);=100d/Uex max; (išreiškiama procentais nuo maksimalios išėjimo įtampos vertės); d¢¢=d2n/Uex max (išreiškiama dvejetainių skilčių sksičiumi arba ŽRS dalimis). Pavyzdžiui, jei 6 skilčių keitiklio maksimali išėjimo įtampa Uex max=5V ir jo paklaida d=100mV, tai d¢¢=1.5UŽRS. Čia UŽRS=5/26=78mV. Atkreipkime dėmesį – skiriamoji geba ir paklaida yra skirtingi dalykai. Pavyzdžiui, 12 dvejetainių skilčių skiriamosios gebos keitiklis gali būti 10 skilčių tikslumo, ir atvirkščiai, t.y. 10 skilčių skiriamosios gebos skaitiklis gali būti 12 skilčių tikslumo.

Nustatę visų įėjimo signalų reikšmių paklaidas ir išrinkus maksimalią jos vertę, gausime vadinamąjį integralinį (absoliutų) keitiklio netiesiškumą dL=DUIMAX. Didelio skilčių skaičiaus keitikliams jį nustatyti yra gana sunku, nes reikia atlikti 2n matavimų ir apdoroti daug informacijos. Ketiklio diferencinis netiesiškumas dLd – tai skirtumas tarp perdavimo charakteristikos gretimų kodų maksimalaus šuoliuko (kvanto) aukščio ir ŽRS:

dLd=DUdmax-h.

Juo apibūdinamas keitiklio monotoniškumas. Diferencinį netiesiškumą matuoti yra lengviau. Jis dažniau naudojamas kaip pagrindinis keitiklio kokybę apibūdinantis parametras.

SAK veikimo sparta įvertinama nusistovėjimo laiku tnus ir maksimaliu keitimo dažniu ¦kmax. Keitiklio išėjimo analoginio signalo (įtampos arba srovės) nusistovėjimo laikas – tai laiko intervalas nuo skaitmeninio signalo padavimo į įėjimą momento iki momento, kada išėjimo analoginis signalas patenka į nusistovėjusio režimo sritį, kurios plotis atitinka 0,5 UŽRS

Keitiklio maksimalus dažnis – tai toks įėjimo skaitmeninio signalo pasikeitimo dažnis, kuriam esant, keitiklio paklaidos neviršija leistinų dydžių. Galima rašyti, kad

¦kmax£1/tnus.

SAK gamybai taikoma puslaidininkinių mikroschemų technologija. Naudojami TTL, KMOP ir SEL loginiai elementai. Dažniausiai išėjimo operacinis stiprintuvas ir etaloninės įtampos šaltinis gaminami kaip atskira mikroschema. Svarbus keitiklio mazgas yra srovę nustatančių rezistorių matrica, kurios gamybai keliami griežti reikalavimai. Kartais rezistoriai formuojami plonasluoksnės technologijos metodais, derinami lazerio spinduliu, sendinami aukštesnėje temperatūroje ir k.t. Ypač griežti reikalavimai keliami didelio skilčių skaičiaus (n=10-12) skaitmeninių analoginių keitiklių gamybos tikslumui. Tokių keitiklių išeiga maža, o kaina didelė.

Praktikoje dažniausiai naudojami SAK su srovės jungikliais bei svoriniais rezistoriais ir SAK su įtampos jungikliais bei R-2R rezistorių kopetėlėmis.

 

Panaginėkime 12-kos dvejetainių skilčių SAK su svoriniais rezistoriais funkcię schemą. Ją sudaro trys keturių skilčių srovės generatoriai, sujungtitarpusavyje srovės dalikliais R1-R1/16;stabilios srovės generatoriai, sudaryti iš tranzistorių V9-V12 ir tikslių rezistorių R. SAK pirmojo generatoriaus(I) išėjimo suminė srovė teka tiesiai į schemos išėjimą. Kitų dviejų srovės generatorių (II ir III), atitinkančių žemesniąsias skiltis, išėjimų srovės teka į srovės daliklius. Šių daliklių dalijimo koeficientai lygūs 1/16 (rezistoriai R1). Operacinis stiprintuvas A2 paprastai  jungiamas prie schemos išėjimmo. Jis keičia SAK išėjimo srovę I0 į įtampą Uex. Rezistorius R0 nustato išėjimo įtampos Uex didumą, t.y. keitiklio keitimo mastelį. Operacinis stiprintuvas A1 stabilizuoja tranzistorių V1-V13 emiterių srovę kintant neigiamai maitinimo įtampai – EM, temperatūrai ir kt. Rezistorius R3 karu su tranzistoriumi V13 sudaro stiprintuvo A1, kuris stabilizuoja V13 emiterio srovę, neigiamą grįžtamąjį ryšį. Tuo pačiu stbiluojamos ir srovės, tekančios tranzistoriais V1-V12, kurių bazės prijungtos lygiagrečiai V13. Norint padidinti SAK tiesiškumą, reikia, kad skilčių tranzistorių bazės – emiterio įtampos būtų vienodos, todėl parenkamas vienodas visų tranzistorių emiterio sandūros srovės tankis. Todėl tranzistorių emiterių plotai (emiterių skaičius) yra proporcingi jais tekančiai srovei. Reikia pažymėti, kad 12-kos skilčių SAK rezistorių nominalinių verčių santykis lygus tik 16, o tai gerokai mažiau negu SAK b:2n-1=211=2048. Etaloninės įtampos šaltinis Eet paprastai jungiamas prie mikroschemos išorinių gnybtų. Kintant aplinkos temperatūrai, šaltinis turi dirbti stabiliai ir jo paklaida turi būti bent tris kartus mažesnė už keitiklio paklaidą.

SAK su įtampos jungikliais ir R-2R rezistorių kopėtėlės sudarytos iš šių pagrindinių dalių: R-2R rezistorių kopėtėlių, įtampos jungiklių, kuriuos valdo įėjimo skaitmeninis kodas ir etaloninės įtampos šaltinio. Ši schema dar vadinama įtampas sumuojančia schema, rezistorių ateniuatoriumi.

Jos svarbiausias privalumas: bet kokio skilęių skaięiaus keitikliui sudaryti reikalingi tik dviejų nominalų rezistoriai (R ir 2R), dėl to gamyba yra paprastesnė, labiau technologiška. Pagrindiniai trūkumai: pirma – sunkiau, palyginus su svorinių rezistorių schemos SAK, pasiekti didelį tikslumą, nes kiekvieno rezistoriaus nominalios vertės paklaida turi įtakos visų skilčių paklaidoms; antra – mažesnė veikimo sparta, nes perjungiant skiltis kinta srovės, tekančios rezistoriais, ir pereinamojo proceso trukmei nemažą įtaką daro laiko konstanta t=R×C; čia C – rezistorių parazitinė talpa.

Panagrinėkime tokio keitiklio darbą. Įtampos jungikliai, kuriuos valdo įėjimo kodas, skirti rezistoriams prijungti prie žemės potencialo, kai įėjimo skilties vertė lygi loginiam 0, ir prie etaloninės įtampos šaltinio Eet, kai įėjimo skilties vertė lygi loginiam 1. Rasime įtampą, kurią n skilčių SAK išėjime sukelia įėjimo aukščiausios reikšminės skilties loginis signalas, t.y. kodas 1000…0. Šiuo atveju jungiklis K1 prie 2R rezistoriaus prijungia etaloninę įtampą, visi kiti jungikliai prie likusių rezistorių – nulinę įtampą. Iš ekvivalentinės rezistorių kopetėlių schemos

 

nuoseklaus keitimo metodu gaunama supaprastinta schema,

 

 iš kurios išplaukia, kad išėjimo įtampa Uex=Eet/3. Jei į įėjimą paduodamas kodas01000…0, tai analogiškai gauname, kad Uex=Eet/6. Vadinasi, loginis signalas, paduodamas į kiekvieną toliau esančią skiltį, sukels dvigubai mažesnį išėjimo įtampos pokytį.

Šiek tiek didesne veikimo sparta pasižymi SAK, kuriame srovės sumuojamos rezistoriniu dalikliu ir vietoj stbilios įtampos šaltinio naudojamas stabilios srovės šaltinis.

SAK galme naudoti ir tuomet, kai reikia sudauginti analoginį ir skaitmeninį signalus. Vietoj etaloninės paduodama vieno poliškumo analoginė dauginamoji įtampa, ir keitiklio išėjime gaunama įtampa, proporcinga įėjimo skaitmeninio kodo ir analoginės įtampos sandaugai.

Panagrinėkime, kaip prijungti SAK prie magistralių, t.y. paanalizuokime SAK interfeisus su MKK, kurie parodyti 5 ir 6, ir 7 paveiksluose:

Jei turime tipinį 3 bitų SAK, tai jam prijungti prie MKK magistralių gali būti naudojamas daugelio režimų buferis (DRB) KР589ИP12 dirbantis išėjimo uosto režimu (5 pav.). Tuomet DRB MSI įėjimai DI0-DI7 atitikamai pajungiami prie MKK davinių magistralės, į CSI įėjimą paduodamas signalas “RAŠYMAS”, kurį suformuoja ARBA grandinėlė MS3. I iš BUFERIO ADRESO ir I/OW  MKK signalų,įėjimai MD ir ^ įžeminami, o įėjimai R, STB, CS2 pajungiami prie +5V. MSI išėjimai DO0 - DO7 tiesiogiai arba per galvaninio atrišimo grandines paduodami į SAK skaitmeninio kodo pajungimo išvadus DO0 -DO7. Kai tik į buferį MSI įrašomas davinių baitas (pvz., panaudojant komandą OUT XX, čia XX- buferio adresas), jis persiduoda į MS2 įėjimus ir tuoj pat pakeičiamas įtampa U.

6. pav. parodyti dviejų tipinių 12 bitų SAK pajungimo prie MKK magistralių, panaudojant programuojamą lygiagretų interfeisą KP580BB55, principai. Šis interfeisas turi tris uostus A,B ir C, kurie programiškai gali būti paverčiami įėjimo arba išėjimo uostais. Be to, uostas C gali būti programuojamas atskirai po 4 bitus C0-3 ir C4-7. Interfeisas MSI atitinkamai jungiamas prie MKK davinių magistralės, adresų magistralės buferizuotų linijų BA0 ir BA1, valdymo magistralės linijų BB3П, BВЧT ir CБPOC ir prie kristalo išrinkimo signalo, gaunamo adresų dešifratoriaus išėjime. Adresai BA1 ir BA0 skirti keturiems uostams išrinkti tokia tvarka: BA1=0, BA0=0 – išrenkamas uostas A; BA1=0, BA0=1 – išrenkamas uostas B; BA1=1, BA0=0 – uostas C; BA1=BA0=1 – išrenkamas uostų kontrolės buferis. Todėl interfeiso išrinkimo adresas turi būti parenkamas taip, kad šio adreso jauniausi bitai BA1 ir BA0 lygūs 0. Jei pavyzdžiui mes interfeiso MSI išrinkimo adreso signalą paimsime iš dešifratoriaus, tai tam tikslui tiktų tik šių adresų signalai: 00H, 04H, 38H, 3CH, B8H ir BCH. Kitų trijų dešifratoriaus adresų mes jau negalėtume panaudoti, nes juos perdengtų BA1 ir BA0 bitų kombinacijos. Pvz., jei ВИ-00H, tai negalėsime panaudoti kitiems išoriniams įrenginiams išrinkti adresų 33H, 3AH ir 3BH signalų ir t.t. Todėl tokio tipo schemos KP580BB55 interfeisui išrinkti nenaudotinos (jos neracionalios). Suprogramavus interfeiso MSI uostus davinių išvedimo režimui, davinius iš MKK į bet kurį SAK galima pasiųsti dviem etapais: pirmuoju etapu pasiunčiamas jaunesnis davinių baitas (pvz., į uostą PA), o po to vyresnis (pvz., į pusę uosto PC). Tik tada SAK išėjime bus gauta teisinga kodo keitimo įtampa U.

Papildoma informacija angliškai PDF formatu ČIA