Проектирование ЦАП

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

Техническое задание

Спроектировать и рассчитать цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) , имеющий следующие  характеристики:

Вариант	Входной сигнал	Выходной сигнал	Кол-во разрядов	Максимальный ток нагрузки
4-5	Двоичный	0 -10В	10	250 мА

1. Разработать полную принципиальную схему АЦП.
2. Спроектировать  печатную плату.

 

1. Введение

1. Основные понятия и общие способы реализации

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) - это устройство для преобразования цифрового кода в аналоговый сигнал по величине, пропорциональной значению кода.

ЦАП применяются для связи цифровых управляющих систем с устройствами, которые управляются уровнем  аналогового сигнала. Также, ЦАП  является составной частью во многих структурах аналого-цифровых устройств и преобразователей.

ЦАП характеризуется функцией преобразования. Она связывает изменение цифрового  кода с изменением напряжения или  тока. Функция преобразования ЦАП  выражается следующим образом

 

U_вых - значение выходного напряжения, соответствующее цифровому коду N_вх, подаваемому на входы ЦАП.

U_мах - максимальное выходное напряжение, соответствующее подаче на входы максимального кода N_мах.

Величину К_цап, определяемую отношением , называют коэффициентом цифроаналогового преобразования. Несмотря на ступенчатый вид характеристики, связанный с дискретным изменением входной величины (цифрового кода), считается, что ЦАП являются линейными преобразователями.

Если  величину N_вх представить через значения весов его разрядов, функцию преобразования можно выразить следующим образом

, где

i - номер разряда входного кода N_вх; A_i - значение i-го разряда (ноль или единица); U_i – вес  i-го разряда; n – количество разрядов входного кода (число разрядов ЦАП).

Вес разряда определяется для конкретной разрядности, и вычисляется по следующей  формуле 

, где

U_ОП - опорное напряжение ЦАП

Принцип работы большинства ЦАП - это суммирование долей аналоговых сигналов (веса разряда), в зависимости от входного кода.

ЦАП можно реализовать с помощью  суммированием токов, суммированием  напряжений и делением напряжения. В первом и втором случае в соответствии со значениями разрядов входного кода, суммируются сигналы генераторов токов и источников Э.Д.С. Последний способ представляет собой управляемый кодом делитель напряжения. Два последних способа не нашли широкого распространения в связи с практическими трудностями их реализации.х[6]

1.2 Способы реализации ЦАП с взвешенным суммированием токов

Рассмотрим построение простейшего  ЦАП с взвешенным суммированием  токов.

Этот ЦАП состоит из набора резисторов и набора ключей. Число ключей и число резисторов равно количеству разрядов n входного кода. Номиналы резисторов выбираются в соответствии с двоичным законом. Если R=3 Ом, то 2R= 6 Ом , 4R=12 Ом, и так и далее, т.е. каждый последующий резистор больше предыдущего в 2 раза. При присоединении источника напряжения и замыкании ключей, через каждый резистор потечет ток. Значения токов по резисторам, благодаря соответствующему выбору их номиналов, тоже будут распределены по двоичному закону. При подаче входного кода N_вх включение ключей производится в соответствии со значением соответствующих им разрядов входного кода. Ключ замыкается, если соответствующий ему разряд равен единице. При этом в узле суммируются токи, пропорциональные весам этих разрядов и величина вытекающего из узла тока в целом будет пропорциональна значению входного кода N_вх.

Сопротивление резисторов матрицы выбирают достаточно большое (десятки кОм). Поэтому для  большинства практических случаев  для нагрузки ЦАП играет роль источника  тока. Если на выходе преобразователя необходимо получить напряжение, то на выходе такого ЦАП устанавливается преобразователь "ток-напряжение", например, на операционном усилителе

Однако при смене кода на входах ЦАП меняется величина тока, отбираемая от источника опорного напряжения. Это является главным недостатком  такого способа построения ЦАП. Такой метод построения можно использовать только в том случае, если источник опорного напряжения будет с низким внутренним сопротивлением. В другом случае в момент смены входного кода изменяется ток, отбираемый у источника, что  приводит к изменению падения напряжения на его внутреннем сопротивлении и, в свою очередь, к дополнительному напрямую не связанному со сменой кода изменению выходного тока. Исключить этот недостаток позволяет структура ЦАП с переключающимися ключами

В такой структуре имеется  два выходных узла. В зависимости от значения разрядов входного кода соответствующие им ключи подключаются к узлу, связанному с выходом устройства, или к другому узлу, который чаще всего заземляется. При этом через каждый резистор матрицы ток течет постоянно, независимо от положения ключа, а величина тока, потребляемого от источника опорного напряжения, постоянна.

Общим недостатком обоих рассмотренных  структур является большое соотношение  между наименьшим и наибольшим номиналом  резисторов матрицы. Вместе с тем, не смотря на большую разницу номиналов резисторов необходимо обеспечивать одинаковую абсолютную точность подгонки как самого большого, так и самого маленького по номиналу резистора. В интегральном исполнении ЦАП при числе разрядов более 10 это обеспечить достаточно трудно.

От  всех указанных выше недостатков  свободны структуры на основе резистивных R-2R матриц

При таком построении резистивной  матрицы ток в каждой последующей параллельной ветви меньше чем в предыдущей в два раза. Наличие только двух номиналов резисторов в матрице позволяет достаточно просто осуществлять подгонку их значений.

Выходной ток для каждой из представленных структур пропорционален одновременно не только величине входного кода, но и  величине опорного напряжения. Часто  говорят, что он пропорционален произведению этих двух величин. Поэтому такие  ЦАП называют умножающими. Такими свойствами будут обладать все ЦАП, в которых формирование взвешенных значений токов, соответствующих весам разрядов, производится с помощью резистивных матриц.

Интегральные технологии позволяет  достаточно просто формировать на кристалле  резисторы, например, КМОП - технология. Как и все прочие ИС, созданные на ее основе, такие ЦАП, характеризуются низкой стоимостью и низким потреблением. Недостатком данной технологии- это паразитные емкости, и вытекающей из него низкое быстродействие. Большего быстродействия поможет достичь биполярная технология. НО она не рассчитана для создания точных резисторов, Поэтому при использовании таких технологий ЦАП делается на основе транзисторных источников тока. Зависимость выходного тока транзисторных источников тока от величины питающего напряжения не линейна, поэтому такие ЦАП умножающими не являются.

Кроме использования по прямому  назначению умножающие ЦАП используются как аналого-цифровые перемножители, в качестве кодоуправляемых сопротивлений  и проводимостей. Они широко применяются как составные элементы при построении кодоуправляемых (перестраиваемых) усилителей, фильтров, источников опорных напряжений, формирователей сигналов и т.д.[6]

 

2. Расчетная часть

2.1 Расчет резистора в параметрическом стабилизаторе

Определим сопротивление резистора:

R = U1_МИН / I_Н.МАКС = 15 / 0,005 = 3 кОм

 

Вычислим падение напряжения на резисторе R при максимальном входном напряжении:

U_R.МАКС = U1_МАКС – U2 = 15 – 10 = 5 В

 

Мощность резистора:

P= Uпад*Iном.стаб= 5 В  * 0.005A =0.025 Вт

2.2 Расчет выходного усилителя

Найдем необходимый коэффициент  усиления по току:

2.2 Расчет резисторов в усилителе

Найдем ток базы транзистора:

Найдем сопротивления резисторов R2, R3:

 

 

 

 

 

3. Разработка полной принципиальной схемы

3.1 Выбор цифро-аналогового преобразователя (ЦАП)

Рассмотрим микросхему ЦАП К572ПА1. Это схема 10-разрядного ЦАП, выполненного по МОП-технологии ∞на одном кристалле. В состав схемы входит прецизионная резисторная матрица R-2R, токовые ключи на МОП-транзисторах и входные усилители-инверторы, обеспечивающие управление ключами от стандартных уровней цифрового ТТЛ-сигнала. Микросхема работает с прямым параллельным двоичным кодом. Для ее работы необходимы внешние схемы опорного (эталонного) напряжения и выходного операционного усилителя (ОУ) К140УД7. [4]

Рис. 3.1 ЦАП К572ПА1

 

  Нумерация и назначение выводов  микросхемы: 1 – аналоговый выход  1;

2 – аналоговый выход 2; 3 –  общий вывод; 4 – цифровой вход 1 (СР); 

5 – 12 – цифровые входы 2 – 9; 13 – цифровой вход 10 (МР);

14 – напряжение источника питания; 15 – опорное напряжение;

16 – вывод резистора обратной  связи.

 

Рис. 3.2 ЦАП К572ПА1: схема включения

3.2 Технические характеристики высокоскоростного операционного усилителя 1432УД8

БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

С ТОКОВОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ 1432УД8

Достоинства:

Широкая полоса пропускания          400    МГц

Высокая скорость нарастания           1400  В/мкс

Малые искажения (20 МГц)              -62    дБ

Нормированная ЭДС шума                2,5     нВ/√Гц

Малое время установления               12      нс

Большой выходной ток                     80      мА

Диапазон рабочих температур         -45…+85     °С 

1432УД8 - операционный усилитель, обеспечивающий высокую динамическую точность в широком диапазоне частот и коэффициентов усиления, устойчиво работающий с коэффициентами усиления вплоть до Ку=+1. Изготавливается в металлокерамических DIP корпусах 2101.8-7.  

Применения

Драйвер АЦП / ЦАП

Драйвер кабеля

Видеоусилители

Импульсные усилители

Активные фильтры

 

 
Расположение выводов

Электрические параметры при Uп=±5 В, Т=25 °С, Rн=100 Ом, Rf=1000 Ом (Ку=+1), Rf=510 Ом (Ку=+2), Rf=330 Ом (Ку=+10) , если не указано иного.
Параметр, единица измерения	Условия	1432УД8Р
		мин.	тип.	макс.
Полоса  пропускания (-3 дБ) для малого сигнала, МГц	Ку=+1		400
	Ку=+2		300
	Ку=+10		270
Полоса  пропускания (-3 дБ)  для большого сигнала, МГц (UвыхР-Р=2 В)	Ку=+2	200	275
	Ку=+10		260
Скорость  нарастания выходного напряжения, В/мкс	Rн=1 кОм ∆Uвых=4 В	1000	1400
Время установления (0,1%), нс			12	15
Гармонические искажения на частоте 20 МГц, дБ	Rн=1 кОм		-62
Нормированная ЭДС шума, нВ/√Гц			2,5
Коэффициент ослабления синфазного сигнала, дБ			52
Коэффициент влияния изменения Uп на Uсм ОУ, -дБ			60
Напряжение  смещения, мВ			5	10
Температурный дрейф напряжения смещения, мкВ/°С			15
Входной ток по неинвертирующему входу, мкА			12	35
Входной ток по инвертирующему входу, мкА			15	50
Входное сопротивление, кОм			500
Входная емкость, пФ			2
Максимальное  выходное напряжение, В	Rн=1 кОм	3,0	4,0
Выходной  ток, мА		50	80
Напряжение питания, В		±2,5	±5	±6,0
Ток потребления, мА			20	35
Диапазон  рабочих температур, °С		-45		+85

3.3 Технические характеристики стабилитрона КС210Б:

 

                                                      Рис 3.3

Основные технические параметры стабилитрона КС210Б: 
• Номинальное напряжение стабилизации: 10 В при Iст 5 мА; 
• Температурный коэффициент напряжения стабилизации: ±0,07 %/°С; 
• Дифференциальное сопротивление стабилитрона : 22 Ом при Iст 5 мА; 
• Минимально допустимый ток стабилизации: 3 мА; 
• Максимально допустимый ток стабилизации: 14 мА; 
• Максимально-допустимая рассеиваемая мощность на стабилитроне: 0,15 Вт; 
• Рабочий интервал температуры окружающей среды: -55... +100 °С

Для получения отрицательного выходного  напряжения достаточно изменить полярность входного напряжения и последовательность включения электродов стабилитрона.

3.4 Выбор стандартных резисторов

В справочнике по резисторам выбираем стандартные резисторы. [1]

Рис. 3.4 Резистор МЛТ типа

 

Номинальная мощность, Вт	Диапазон номинальных сопротивлений, Ом	Размеры, мм				Масса, г, не более
		D	L	l	d
0,125	8,2 -	2,2	6,0	20	0,6	0,15

 

Резистор типа МЛТ – 0,125 Вт – 3 кОм  10% ГОСТ 7113-66

3.5 Выбор разъема

 

Разъем типа МРН 22 – 1 ОЮ 0.364.003 ТУ. [5]  
 
A = 31,5 мм, B = 18,8 мм, L = 38,5 мм 
 
 
 
Рис. 3.5 Разъем типа МРН 22 – 1

3.6 Выбор выходного  усилителя

Выходной усилитель усиливает сигнал с ОУ по току до необходимого уровня. Поскольку микросхема 1432УД8 имеет выходной ток до 80 мА, то его необходимо усилить.

Критериями для выбора транзисторов являются максимальный ток коллекторов, максимальное напряжение между эмиттером и коллектором, коэффициент усиления, максимальная частота усиления. Выбираем транзисторы КТ812А .

 

1. Параметры транзистора КТ812А

Параметр	Значение
	КТ812А
Максимальное напряжение UКэmax, В	700
Максимальный ток IKmax, А	8
Рассеиваемая мощность P, Вт	50
Минимальный коэффициент передачи тока h21Э	4
Граничная частота fГР, МГц	3