Полупроводниковые кодирующие и декодирующие преобразователи напряжения

Полупроводниковые кодирующие и декодирующие преобразователи напряжения Под редакцией В. Б. СМОЛОВА И Н. А. СМИРНОВА

Э «3 Н Е Р Г И Я» Ленинградское отделение

1967

УДК 62-503 6112-15 П53

Авторы: В. Б. Смолов, Н. А. Смирнов, Е. П. Угрюмое, В. К. Шмидт, В. С. Фомичев, Е.А. Чернявский, Р. И. Грушвицкий

П53

Полупроводниковые кодирующие и декодирующие преобразователи напряжений. JL, «Энергия», 1967. 312 с. с илл. На обороте тит. л. авт.: нов, Е. П. Угрюмов [и др.].

В. Б. Смолов, Н. Л. Смир-

Книга посвящена систематизированному изложению основных вопросов теории и методики проектирования полупроводниковых преобразователей кода в напряжение и напряжения в код. Подобные устройства находят применение в современных информационно-измерительных приборах и системах, вычислительных машинах комбинированного принципа действия и цифровых системах управления процессами. Особое внимание уделено вопросам анализа точности, быстродействия и информационной надежности структурных схем преобразователей и их отдельных функциональных блоков, выполненных на полупроводниковых элементах. Книга рассчитана на специалистов, работающих в различных направлениях технической кибернетики, и может быть такж е использована студентами вузов при изучении вопросов преобразования формы представления информации.

3-3-14 185-67

6П2-15

ПРЕДИСЛОВИЕ Использование цифровых устройств в системах автоматического управления, измерения, регистрации, а также построение современных вычислительных комплексов неизбежно связаны с решением задачи преобразования формы представления информации. Преобразователи аналоговых (непрерывных) величин в цифровые (дискретные) и обратно, называемые соответственно кодирующими и декодирующими преобразователями информации, представляют собой устройства, имеющие чрезвычайно широкое распространение в кибернетических системах различного принципа действия и назначения. Основные технико-информационные характеристики этих преобразователей (точность, быстродействие, надежность, габаритновесовые показатели и т. д.) непосредственно влияют на качество системы в целом. Настоящая книга посвящена изложению вопросов построения кодирующих (Г1НК) и декодирующих (IIKH) преобразователей информации, представляемой в виде электрических напряжений. По этим вопросам в настоящее время имеется большой, но разобщенный материал (главным образом, описания конкретных схем) и почти полностью отсутствует литература, обобщающая методы и средства построения полупроводниковых преобразователей информации и практический опыт работы с ними. В предлагаемой книге авторы стремились изложить теоретические основы общего подхода к постановке и решению задачи преобразования кода в напряжение и напряжения в код, показать и сравнить основные структуры соответствующих преобразователей. В ней описаны многие технические решения отдельных блоков и узлов преобразователей и дан сравнительный анализ этих решений. Приведены некоторые практические схемы преобразователей на полупроводниковых приборах и рассмотрены вопросы их проектирования, настройки и экспериментального исследования. Основное внимание уделено устройствам относительно высокой точности с погрешностями в десятые доли процента. В основу книги положены результаты многолетней научноисследовательской работы по созданию теории и схем цифро1*

3

аналоговых вычислительных устройств, выполненной коллективом кафедры вычислительной техники Ленинградского электротехнического института им. В. И. Ульянова (Ленина) под научным руководством д. т. н. В. Б. Смолова. Основной теоретический материал книги отражает сложившиеся на основе изучения имеющихся данных и собственного опыта взгляды авторского коллектива на 'узловые вопросы построения кодирующих и декодирующих преобразователей информации, а практический материал базируется на конкретных разработках и проверен практикой. Поскольку книга является обобщением результатов работы большого коллектива, весьма трудно четко указать авторов ее отдельных глав. Материал по цифровым управляемым сопротивлениям, функциональным кодирующим и декодирующим преобразователям описан В. Б. Смоловым. Омические декодирующие сетки и декодирующие преобразователи повышенной точности описаны Р. И. Грушвицким и Н. А. Смирновым. Транзисторные ключи, генераторы развертки, кодирующие преобразователи с широтноимпульсной модуляцией и, частично, сравнивающие устройства описаны Е. П. Угрюмовым. Трансформаторные декодирующие преобразователи и, частично, цифровые управляемые сопротивления и функциональные декодирующие преобразователи описаны В. С. Фомичевым. Е. А. Чернявскому принадлежит материал по особенностям кодирования напряжений переменного тока, практическим схемам декодирования с выходом по переменному току и некоторым вопросам построения декодирующих преобразователей на сопротивлениях. Методы построения кодирующих преобразователей и сравнительный анализ их быстродействия и эффективности, вопросы точности и коррекции кодирующих преобразователей, отдельные вопросы построения сравнивающих устройств, практические схемы кодирующих преобразователей описаны совместно Н. А. Смирновым и В. К. Шмидтом. В разработке приводимых в книге практических схем активное участие принимали инженеры Г. Ф. Карпишпан, Б. К. Петров, Т. И. Полянская, С. Ф. Свиньин, которым авторы выражают свою искреннюю признательность. Глубокую благодарность авторы приносят рецензенту книги д. т. н. Э. И. Гитису за его ценные советы и замечания по рукописи книги. Книга вряд ли свободна от недостатков и порой содержит положения, по которым возможны и другие мнения. Авторы с благодарностью примут все замечания и пожелания по улучшению книги, а также иные точки зрения по затронутым вопросам. Предложения следует направлять по адресу: Ленинград, Д-41, Марсово Поле, д. 1, издательство «Энергия». Авторы

ГЛАВА

ПЕРВАЯ

ДЕКОДИРУЮЩИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ «КОД — НАПРЯЖЕНИЕ» 1-1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Декодирующие преобразователи (ДП) «код — аналог» решают задачу преобразования совокупности сигналов, представляющих собой дискретное сообщение (код) (а ; ), в однозначно связанную с ним аналоговую величину 9: К , i; а т 2 •••

У +1 У— N JV

где (f^Bbix)x. x — выходное напряжение на режиме хода, а К = Ya-/Yz. Входное сопротивление делителя зависит от кода: y v + y,7 У„ Л в х = — — - = — — = / (N). Y

n

(i" 1 3 8 )

Y

myNN

n

холостого

(1-136)

К

'

'

Данное обстоятельство, очевидно, ограничивает возможности использования ДП при конечном выходном сопротивлении источника опорного напряжения U0. Инструментальная погрешность At/BbIX рассматриваемых преобразователей обусловлена погрешностями образующих их ЦУС и погрешностью U0, а именно: Л t/вых = где

к

+

У - - = ~1

R

— коэффициент деления. 2 Имея в виду, что А / С

-

Д.

_

ENARN-R^\RN (RN +

RN)2

или А,А

(yn

Y

N

+ у N>

и, переходя it относительным ошибкам, получим: R

Sf/, мг

Д-

TR-+R-Y

N

N'

^

-

6/?

N)

или Y

б U„ 4У

У_

NN = v(У + У-)» ( ^ n - ^ N ) . N

Учитывая, что R

У У_

R2

) JV+ 'R jv' окончательно получим: IR V

бс/

(У

« « 2= ) N4- У N'

k(l~k),

вых |лн = * (1 - к) (дД v - 67?,)

(1-14)

^ыХ|Ду = М 1 - * Н 6 Г „ - 6 У Л . ) .

(1-15)

или б

Таким образом, относительная погрешность ДП, обусловленная ошибками плеч цифрового потенциометра, является функцией его коэффициента деления к, т. е., в конечном счете, функцией N. г Максимальное значение 6t7 вых |.„ .„, AY имеет местб при к = Д«, ДУ' = N/Nмакс и разных знаках ошибок плеч делителя: (^вых U U c =

[(^)макс + № ) м а J

(i'16)

или

'ду)макс = ° ' 2 5 К ^ м а к с + ( бУ Л )„аксЬ Если считать (бД^)макс = (6/? лОмак с, то (б^вых |д«, ду)манс =

(6ДЛ,)макс = 0,5 (6VN)MaKC.

(1-17)

С учетом ошибки опорного напряжения суммарная погрешность ДП запишется в виде: (^вых)„а„с = (^вых дАакс + ( ^ o U c

(i" 1 8 )

По полученным формулам могут быть определены класс точности изготовления эталонных сопротивлений ДП и требуемая стабильность опорного напряжения U0 для обеспечения заданной инструментальной ошибки. Что касается максимальных методических ошибок пассивных ДП, обусловленных конечным сопротивлением нагрузки В„ для схемы с переменным RBых и внутренним сопротивлением источника опорного напряжения RBll для схемы с переменным RBX, то они находятся по известным для делителей напряжения формулам: (6 L )'макс = 0 ', 1 5R^ ^ - ;' V Uвых |Н н ( Ш

I

)

V пых %/макс

—

ё™

ЛЫ1 + (йвх)мии'

v(1-19)

'

V( 1 - 2 0 )

В качестве других примеров косвенного декодирования могут быть приведены схемы преобразователей, использующие комбинацию «генератор тока—цифроуправляемая проводимость», «цифровой управляемый генератор тока—сопротивление» и т. п.

О с о б е н н о с т ь ю всех косвенных ДП является то, что они обладают х а р а к т е р и с т и к о й множительного звена вида:

(1-21)

U вых = U0kN,

е. п р е д с т а в л я ю т собой цени с управляемым коэффициентом п е р е д а ч и возбуждающего напряжения на выход ДП.

т

В более общем виде, учитывая, что требуемая характеристика ДП имеет вид: TI 1 Up д , 4 + ь

и

ъ

Ъ•«»+•••

+ ъ

bU°

(!-22)

ТУ

Б YN

-

Y0( 2"

2

YI 1) АЛ I+R0YI

i=0

(1-28)

•

При р4 = 0 (/ = 1, 2, ..., n - 1) ДЯлг =

2 l+2/o«i;(6i?

v)

i=0

i—l ДYn = — 2

i=0

Yi

1+

'

(6>

n—1

2

i V До, (2™ (2"--1 )1) L

'~

i=0

U

I

Rj . l1++ y0Ri ' '

(1-29) n—I 1 V Y, Y0 (2n — 1) 2 l + r 3 Yi'

v ^

t=0

)

Эти выражения позволяют вывести основные соотношения для выбора элементов ЦУС. Так, для \\YC-RN МОЖНО записать, считая Г3 /?,, R /А» N ~ "V' i (Wfiv) ^ 7 »

2i

Г" ^ з

Г

•А» -"макс

i= 0

Л on 3

Аналогично для (6R N )' при n— 1 (6RN)'

Я*

У

i=0

-"макс

r3

i=0

Дмакс ~

oiRo~

2 д

" о

-7— r3

2i?n_ ~~

=

(1-30)

r3

R t имеем: •J

= N

-"макс

= £

N •2

N

.

(1-31)

На основании последних соотношений получаем формулы для выбора сопротивлений, обеспечивающих требуемую точность преобразования «код—сопротивление»: ^ г 1 < Лз 27Т¥Г;

(1

~32)

где т|3 и т]0 — коэффициенты, учитывающие ту долю общей инструментальной ошибки ЦУС, которая приходится на погрешность, обусловленную неидеальностью сопротивлений замкнутого и разомкнутого состояний ключа. Полученные неравенства могут быть одновременно удовлетворены при условии, что сопротивления замкнутого и разомкнутого состояний ключа подчиняются неравенству: t1-33) Диалогичные соотношения можно получить и для ЦУС-У,у. Помимо неидеальности сопротивлений ключа, на работу ЦУС оказывают влияние остаточные напряжения ключей и их токи утечки. Условия для требуемых соотношений между г0 и г3 в ряде случаев удается существенно облегчить, если не требуется обеспечить равенство нулю сопротивления ЦУС при N = 0. В этом случае значения разрядных сопротивлений цепочки могут быть выбраны с учетом неидеальностн ключа. Проектирование ЦУС

можно нести по условию, что весовой коэффициент разряда за! дается не абсолютной величиной коммутируемого сопротивления, а его приращением при коммутации ключа. Тогда необходимо обеспечить равенство: — Л1«0»

(1-34)

R

oQi =

(RI + Г A) (RI + Г0)

Д'г° Rir3 Т) _ — эквивалентные сопроч где R ,0 И ^ - R i + r a тивления разряда при разомкнутом и замкнутом ключах соответственно. Решая полученное уравнение относительно Rh определяем значения, которым будут соответствовать идеально точные приращения RN при изменениях N. Рассмотренный принцип построения ЦУС технически просто реализуется при использовании в каждом раз-' ряде двухпозиционных клю-1 чей в соответствии со схемой рис. 1-5, а. Эквивалентная схема та-5 кой ячейки при принятой аппроксимации ключа показана на рис. 1-5, б. При этом очевидны соот-j ношения:

/.

( R j + /-о) г 3 . г„ + г 3

ttUl, - дРис. 1-5. Основной элемент цифрового управляемого сопротивления с двухиозиционным ключом.

а требование /?,•«

—

Rii«0»

.(RJ+

Г3) Г0

Ri + г0 + Г3

«о» = R0Qi приводит к выражению: Ri

+

Ri r3

+

или

RoQi (гв + Га) (i-35): г3 — г0 — RoQi' Если учесть начальную составляющую сопротивления ЦУС, то линейность его характеристики при изменениях N будет опреде-; ляться лишь стабильностью и разбросом сопротивлений г0 и г3. Так как реальные ключи обладают существенным разбросом параметров г0 и г3, то можно рекомендовать для уменьшения разброса в к л ю ч е н и е с т а б и л и з и р у ю щ и х сопротивлений последовательно с ключом и параллельно ему (рис. 1-5, б). Расчет параметров стабилизированного ключа производится обычными методами.

Rt

Пассивные линейные декодирующие преобразователи на омических сопротивлениях Как отмечалось в § 1-1, линейные декодирующие преобразова«код—напряжение» могут строиться на основе ЦУС, включ а е м ы х по схеме делителя напряжения. При этом ДП на ЦУС-/?^ (рис. 1-1, а) содержит 2п эталонных сопротивлений с соответствующими ключевыми элементами, в то время как для схемы ДП с ЦУС-Глг удается дых ограничиться лишь п эталонными сопротивлениями, так как по существу работы схемы одна и та же проводимость У, должна •eUo,0—| входить или в проводимость fin-2 J*n-t Удг, или Улг, что обеспечивается использованием двухпози- Рис. 1-6. Пассивный ДП на основе ЦУС-У. ционных ключей в каждом из разрядов (рис. 1-1, б). Данное обстоятельство, а также постоянство выходного сопротивления ДГ1 на ЦУС-У Л объясняют преимущественное распространение именно этой схемы для декодирования «код—напряжение». Поэтому дальнейшее рассмотрение, в основном, посвящено ДП данного типа. Рассмотрение пассивных ДП начнем со схемы, показанной на рис. 1-6, для которой при U02 — О л и

п— 1 2

ивых = ^ yi i=О

У„+

i==0

Если входящие в схему проводимости YI выбраны по условию то схема может рассматриваться как линейный делитель напряжения, у которого } ; = Y0QH

=

=

i=0 S

У

»=0

« = "S

i=0

PI^I +

S

1

i=0

=

+ YN

= YMAL(C =

Y0Nмакс-

Для схемы справедливы все приведенные выше рассуждения относительно входных и выходных сопротивлений и инструментальной ошибки. Учитывая специфику данного ДП по сравнению с обычным Делителем на ЦУС-Удг, заключающуюся в том, что в нем и вер х . Не е и нижнее плечи делителя образуются из одних и тех ж е

проводимостей Yh будем рассматривать его как и-полюсник, у которого напряжение г-го полюса и , = гг 01 р 4 +

u j

,

t

а коэффициент передачи Y, П—1 I ] i'i

к; =

i =О

Таким образом, при У,- = Y0Qi п—1 t/nhTY

=

V

ТТ к

A Uini— i= О

-

у

у

II

I1 у

(U01N + U j f ) =

0

N О М

1~W(U01N

+

(1-37)

U0M

Так как декодирующая сетка для двоичных кодов должна иметь набор проводимостей У0, 2У„ 2" !У 0 , тоири Un2 = 0 и У„ = 0 имеем: t/flUX

и 01 2" — 1 /V;

Дв

(1-38)

У0(2»-1) •

Некоторые неудобства, связанные с тем, что в масштаб преобразования и входное сопротивление рассматриваемого ДП входит множитель 1/(2™ — 1), легко устранить, добавив проводимость У н = У 0 . Для этого случая А-Чч/ А - м /

РгН*' -о/ о-

и01

UR

'вых

У0+

Yn.

Y0N =

2

i=0

YiQi

N • = 2" /v-'

1 + 2" — 1

Я Рис. 1-7. ДП со смещенным диапазоном изменения пыход-

ного напряжения.

1

on у z

1

oy .

Rn

о

(1-39)

_

Встречающаяся на практике задача обеспечения смещенного диапазона изменения выходного напряжения ДП, для которой изменению N от 0 до NmKC соот-j ветствует изменение t/вых от (UвыхУмин до (UВ Ы Х ) макс! обычно решается использованием дополнительного источника смещения (рис. 1-7) или коммутацией эталонных проводимостей сетки между двумя уровнями напряжения.

13 первом случае ивых =

1

1

п-1

(У01 2

i=О :{U -in Я