Текст
                    621.308
М 353
МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО
ОБРАЗОВАНИЯ СССР
МОСКОВСКИЙ ордена ЛЕНИНА и ордена ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ
Э1П РГГТНЧ1 СКИП ИНСТИТУТ
О. Т. МАТЮШИН, л. к. НАРЫШКИН
ЦИФРОАНАЛОГОВЫЕ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СИГНАЛОВ
Моема
1US7

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ СССР МОСКОВСКИЙ ордена ЛЕНИНА и ордена ОКТЯБРЬСКОЕ! РЕВОЛЮЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ О. Т. МАТЮШИН. А. К. НАРЫШКИН Утверждено учебным управлением МЭИ в качестве учебного пособия для студентов УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ по курсам ЭЛЕКТРОННЫЕ ЦЕПИ И ОСНОВЫ МИКРОПРОЦЕССОРОВ МИКРОЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА И МИКРОПРОЦЕССОРЫ ЦИФРОАНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СИГНАЛОВ Редактор А. Ф. БОГОМОЛОВ Москва 1987
621.39» М353 УДК: 681.34(075.8) Цифроаналоговые преобразователи сигналов. Матю- шин О. Т., Нарышкин А. К./Под ред. А. Ф. Богомолова.— М.: Моск, энерг. ин-т, 1987. — 40 с. Даны общие сведения о состоянии современных цифроаналоговых преобразователей: показаны области применения, перечислены основные параметры и признаки классификации. Рассмотрены принципы построе- ния линейных ЦАП: код—ток, код—напряжение, код—время на основе больших интегральных схем. Приведены методика и программа для мик- рокалькуляторов «Электроника БЗ-34» и «Электроника МК-54», позволяю- щие рассчитывать кодопреобразователи функциональных ЦАП. Рассмот- рены вопросы реализации цифровых синтезаторов частот н формирова- телей многофазных сигналов с применением функциональных ЦАП. Пособие предназначено для студентов радиотехнического факультета при изучении дисциплин «Электронные цепи и основы микропроцессоров», «Электронные приборы и БИС» и «Микроэлектронные устройства и мик- ропроцессоры» и выполнении курсовых и дипломных проектов. Рецензенты: канд. техн, наук В. П. Сизов, канд. техн, наук Л. Г. Лишин Ф Московский энергетический институт, 1987 г,
ПРЕДИСЛОВИЕ Области применения цифровой вычислительной техники определяются нс только возможностями самой этой техники, но и параметрами устройств сопряжения источников аналого- вых сигналов, с одной стороны, и приемников обработанной в цифровом виде информации, с другой стороны, с цифровы- ми вычислительными устройствами. В настоящее время прак- тически все основные отрасли радиотехники оказались тесно связанными с цифровыми сигналами и цифровыми спосо- бами обработки информации. Сюда можно отнести системы передачи информации, радиолокационные системы, системы управления, телевизионные системы. Цель, которую поставили перед собой авторы настоящего пособия, заключалась в том, чтобы в возможно более сжатой форме познакомить студентов с основными методами синтеза цифроаналоговых преобразователей и некоторыми наиболее интересными схемными реализациями, в том числе выпус- каемыми отечественной промышленностью в виде одно- кристальных интегральных схем. Работа над пособием распределилась между авторами следующим образом: О. Т. Матюшиным написаны § 3.3, 3.4 и гл. 4; А. К. Нарышкиным — гл. 1, 2, § 3.1, 3.2, приложе- ния 1—3. Авторы благодарят Л. А. Захарову и А. Г. Тарасову за помощь при оформлении рукописи. 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 1.1. Определение понятия Цифроаналоговым преобразователем (ЦЛГ z функциональный узел, однозначно преобразующий двоичное число в многоуровневую физическую величину.
Это преобразование может быть выражено аналитически следующим образом: Q = Q0./'(X'), (1-1) где А"—многоразрядное двоичное число; {(X)— функция преобразователя; Qo — масштабный коэффициент; Q вы- ходной сигнал. Выходной сигнал может представлять собой ток, напря- жение, временной интервал, фазовый или частотный сдвиги, механическое перемещение (угловое или линейное) и т. п. Для линейных ЦАП (ЛЦАП) функция преобразователя ЦХ)=х,п2т ..х^+х^0. (1.2) 1.2. Области применения ЦАП широко применяют в качестве элементов сопряжения цифровых вычислительных машин и устройств с исполнитель- ными аналоговыми устройствами и системами, с оконечными устройствами и получателями информации. В частности, в последнее время ЦАП используют в устройствах формиро- вания прецизионных радиотехнических сигналов в радиоло- кации и системах передачи информации. ЦАП нашли широ- кое применение в качестве вспомогательных элементов в ана- лого-цифровых преобразователях сигналов. 1.3. Основные параметры Основные параметры ЦАП характеризуют качество пре- образования. Параметрами статической характеристики преобразовате- ля (1.1) являются следующие величины. Разрядность — число разрядов m кода входного сигнала (для доичных ЦАП в соответствии с ГОСТ 24736—81 под числом разрядов понимается двоичный логарифм максималь- ного числа кодовых комбинаций на входе ЦАП). Диапазон выходного сигнала &Q (напряжения А (Дых. то- ка А/вых по ГОСТ 19480—74): AQ=Qmox—Q„„„. Разрешающая способность — приращение сигнала на вы- ходе при изменении числа X на единицу младшего разря- да (ЕМР). Для двоичных линейных ЦАП разрешающая спо- собность, разрядность и диапазон выходного сигнала связаны между собой следующим соотношением 74=AQ/(2-- 1) - р(1. (13) 4
Статическая погрешность ЦАП имеет следующие пара- метры. Погрешность шкалы — отличие масштабного коэффициен- та Qo от номинала из-за технологических отклонений, воз- никших в процессе изготовления ЦАП, вследствие изменений температуры (температурный коэффициент погрешности шка- лы и питающих напряжений (чувствительность к нестабиль- ности источников питания во время эксплуатации, а также за счет старения элементов ЦАП (надежность преобразова- теля). Максимальная погрешность — максимальное отклонение Q от номинального значения во всем диапазоне преобразо- вания (погрешность полной шкалы). Для линейных ЦАП (ЛЦАП) эта погрешность носит название погрешности нели- нейности. Относительное значение отклонения 6Q/AQ изме- ряют в процентах, а абсолютное — в долях ЕМР. Дифференциальная погрешность — максимальное откло- нение hQ от номинального при изменении X на 1 ЕМР. Если дифференциальная погрешность преобразования достигает или превышает hQ, то характеристика преобразования назы- вается немонотонной. Погрешность смещения нуля Q (0) — значение Q при X, соответствующем нулевому номинальному значению выход- ного сигнала, является аддитивной составляющей погрешно- сти и измеряется в долях ЕМР. Погрешность симметрии нуля. — разность значений Q (0) за счет различия в знаковом рааряде при коде амплитуды, соответствующем нулевому номинальному значению выход- ного сигнала. Параметры динамической характеристики ЦАП опреде- ляются по изменению Q(t) при смене кода X. Из них наи- более важным является время преобразования Тпрв — интер- вал времени между моментом переключения кода X и мо- ментом достижения заданного уровня Q с требуемой точ- ностью (в долях ЕМР). Поскольку ГПрб увеличивается с воз- растанием разности последовательно получаемых значений Q, этот параметр соответствует максимальной разности Q, т. е. AQ. Точность установления выходной величины Q обыч- но задается равной 0,5 ЕМР. Для точного определения вре- мени установления должна регламентироваться величина на- грузки ЦАП. Максимальная частота преобразования Fnpc>^ — наи- большая частота дискретизации (смены кода X). при кото- 5
рой заданные параметры соответствуют установленным нор- Выброс выходного сигнала за счет неодновременности пе- реключения ключей разных разрядов ЦАП. Следует отметить и такие параметры ЦАП, которые обус- ловлены различными видами помех. Среднеквадратичное значение шума на выходе ЦАП, вы- зываемого физическими процессами, происходящими в полу- проводниковых устройствах (тепловой, дробовой, рекомбина- ционно-генерационный, взрывной, фликкерный и т.п.). Коэффициент проникновения определяется сквозным про- хождением части сигнала через разомкнутый ключ за счет паразитной емкости и характеризуется амплитудой паразит- ной составляющей на выходе ЦАП при максимальной часто- те опорного сигнала. Этот параметр наиболее важен для умножающих ЦАП1. Для многоканальных ЦАП аналогич- ным параметром является коэффициент перекрестных помех, за счет прохождения сигналов из соседних каналов. Кроме этих основных параметров обычно указываются следующие эксплуатационные: входное напряжение низкого уровня U°BX; входное напряжение высокого уровня 1ЛВХ; на- пряжение, стабильность и потребляемый ток источников пи- тания. 1.4. Классификация ЦАП классифицируются по следующим признакам. По виду физической сущности выходного сигнала разде- ляются на преобразователи код — ток, код — напряжение, код —фаза, код —частота, код —угол поворота, код —дли- на механического перемещения, код — временной интервал. По виду функции f(X) различают линейные и нелиней- ные (функциональные) ЦАП. По полярности выходного сигнала — однополярные двух- полярные. } По принципу действия или способу формирования выход- ного сигнала —с суммированием напряжений (токов), с де- 1 Умножающими называются преобразователи иход для подачи па щею выходной сигнал преобразователя, б для подачи па имеющие отдельный нею специального аналогового сигнала, модулирую-
лением напряжения, с использованием резистивных матриц с двоично-взвешенными сопротивлениями или матричного ти- па 7? — 27?. По характеру опорного сигнала — с постоянным или из- меняющимся (умножающие ЦАП) опорным сигналом. По конструктивно-технологическому исполнению — мо- дульные, гибридные, интегральные. 2. ЛИНЕЙНЫЕ ЦИФРОАНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 2.1. Преобразователи код — ток Рассмотрим ЦАП, действующий по принципу суммирова- ния токов (рис. 2.1) 1[9]. Микросхема КШ8ПА1 представ- ляет собой 8-разрядный скоростной ЦАП, предназначенный для работы с ЭСЛ ЦИС (приложение 1). Опорное напряжение, поданное на клемму 12, через бу- ферный каскад, собранный из операционного усилителя ОУ и усилителя на транзисторе VTi, поступает на базы VT2... VTS, коллекторные токи которых определяются двоично- взвешенной резистивной матрицей (РМ): 7?/16, R/8, ..., 8R. Эти токи коммутируются ключами эмиттерно-связанной логи- ки (ЭСЛ) в зависимости от состояния сигналов на разрядных шинах 1 ... 8 и суммируются на выходах 14 (прямом) или 15 (дополняющем). Для более подробного разъяснения обратимся к работе старшего значащего разряда (СЗР). Ток коллектора VTZ определяется соотношением /в={ Цоп- иэ— (—ияп) ] / (7?/16). (2.1) Точность выполнения резистора должна быть настолько высокой, чтобы отклонение тока /8 от номинального не пре- вышало примерно десятой доли от величины тока младшего значащего разряда (МЗР) Л h = [ Цоп-Ц,- (-Пип) ] / (87?). (2.2) Полагая напряжения U, всех разрядов одинаковыми, взяв первые поризводные от I по 7? и перейдя к конечным разнос- тям, получаем Д/в//в=—Д7?/7?. (2.3) 7
Из предыдущего следует, что допустимые отклонения Тока А7=±0,1Л=±0,1-/8/27. (2.4) Подстановка (2.4) в (2.3) дает искомую относительную точ- ность выполнения сопротивления резистора СЗР дад=±о,1-27«ю-3. (ЭД Выходное сопротивление каскада с общей базой, каковым является каждый из каскадов на транзисторах УТ% • УТ§, составляет величину порядка 1 МОм, поэтому эти каскады с достаточной точностью можно представлять источниками постоянного тока, не зависящего от состояния ключевых устройств и нагрузки, подключаемых к их коллекторам. 8 15 - ' 7 В 5 « В I ШП 12 ЮН 9 Рис. 2.1. Функциональная схема микросхемы КН18ПАГ 1. . .8 — цифровые входы (/ — МЗР, 8 — СЗР); 9 —минус ]0 инвертирующий вход ОУ; 11— частотная коррек- ция ОУ; 12 неинвертирующий вход ОУ (вход опорного на- пряжения); 13 — неиспользуемый; 14 — выход (/+); 15 — вы- ход дополняющий (/-); 16 — общий Если на вход 8-го разряда подана логическая единица, то транзистор Уг)0 будет открыт, V7’i2 закрыт повышенным по- тенциалом на эмиттере, У7\3 передаст пониженный потенциал с коллектора V/)o на базу УТЫ и закроет его, VT,6 передаст повышенный потенциал с коллектора VT]2 на базу 1/Т)5 и открое! его, в результате чего ток /8 коллектора У7\ пойдет) 9
в шипу суммирования прямых токов и на выход через ил» МУ Если на вход 8-го разряда поступит логический ноль, то ЭСЛ ключ 8-го разряда переключится В противоположно»* состояние, и ток /» через УТм поступит на дополняющий вы ход 15. 2.2. Преобразователи код — напряжение Как правило, преобразователи код — напряжение пред- ставляют собой последовательно соединенные преобразова- тели код — ток и ток — напряжение. В простейшем случае преобразователем ток — напряжение может служить обыч- ное нагрузочное сопротивление (например, 50 или 150 Ом при использовании микросхемы KI 118ПА1, рассмотренной в разд. 2.1). Однако более точным (и поэтому более распространен- ным) преобразователем ток напряжение является ОУ с от- рицательной обратной связью (ООС), уменьшающей вход- ное сопротивление этого преобразователя. Примером ЦАП код — напряжение, требующим применения преобразователя ток — напряжение на основе ОУ, может служить 12-разряд- ный преобразователь К594ПА1 [9, 1, 8] (см. приложение!). Использование инвертирующего и неиивертирующего вхо- дов ОУ позволяет также организовать двухполярный ЦАП [3]. Схема на рис. 2.2, помимо обычных разрядных переклю- чателей тока (см. и. 2.1), содержит знаковый переключатель на транзисторах VT и VTи преобразователь ток — напря- жение на ОУ. Если значение знакового разряда равно нулю, то за счет инвертора VT^ будет открыт, падение напряжения на /?7, поданное на инвертирующий вход ОУ, вызовет прира- щение напряжения па выходе ЦАП. Если в знаковом разряде единима, то VT\-А закрыт, VT]A открыт, и падение напряжения за счет суммарного тока всех разрядов будет подано на не- инвертируюший вход ОУ, создавая выходной сигнал отрица- тельной полярности. Биполярное напряжение на выходе ЦАП можно получать также, используя смешенный и дополняющий коды. Рассмот- рим такие возможности на основе микросхемы К594ПА1. >хема ЦАП (рис. 2.3) [9] содержит три группы элемен тон, связанных между собой на выходе делителями тока, каждая группа —- это чегырехразрядный ЦАП с суммирова- нием токов. Выходной ток первого ЦАП непосредственно по- 9
Рис,. 2.2. ЦАП «Код—напряжение», обеспечивающий на выходе биполяр- ный сигнал при прямом двоичном коде ' 1 f j 1920 18 17 1В 15 /4 13 12 if 10 S 8 7 Рис. 2.3. Функциональная схема ЦАП К594ПА1: 1 — схема фор- мирования опорного напряжения; 2— токовые ключи; 3— схема сдвига (смещения) входных уровнен; 4 — преобразователь UKn. Выводы: 1,2— резистор смещения; 3-—токовый выход (/); 4,5— резисторы обратной связи Роы и Rocz, 6 — общий; 7.. .18 — цифро- вые входы; 19,20 — плюс ПИп; 21 — инвертирующий вход ОУ; 22 — неинвертирующий вход ОУ; 23—Uoa 10
ступает на выход прибора. Выходные токи двух других ЦАП, образующие младшие разряды, поступают на выход через делители тока 1/16 и 1/128 (резисторы Rie, Rn и R\6, xjbJ- Масштабные резисторы R\g и R20 служат для создания цепи обратной связи внешнего ОУ. Таким приемом гарантируется малый дрейф выходного Напряжения ЦАП, поскольку резис- торы матрицы токов и масштабные резисторы для внешнего ОУ изготовлены на одном кристалле. Резистор Р21 служит для перевода (смещения) ОУ в режим двухполярного выход- ного сигнала. Отслеживающий усилитель У, транзистор VT\ и резисторы Яэт и /?дИф образуют схему 1 формирования опор- ного напряжения, задающую смещение на общую базовую шину всех источников тока. Взвешивание разрядных токов внутри схемы ЦАП, вы- полненное в два приема (в эмиттерных цепях транзисторов — источников тока используются резисторные матрицы как взвешенного типа в старших разрядах (R ... 8/?), так и лест- ничного типа R—2R в младших разрядах), позволило сузить в матрицах диапазон номиналов резисторов до 1:8 вместо требуемого в матрицах с прямым взвешиванием диапазона 1:2048. Для поддержания постоянной плотности токов че- рез эмиттерные переходы источников токов с двоичным взве- шиванием применены транзисторы, у которых площади эмит- теров пропорциональны токам соответствующих разрядов (что на схеме условно отображено параллельными эмитте- рами). Это позволяет сохранить постоянным падение напря- жения на эмиттерных переходах вне зависимости от тока разряда и получить необходимую линейность. На рис. 2.4,а приведена схема включения ЦАП в режиме однополярного сигнала на выходе при работе с ТТЛ цифро- выми сигналами на входе. В этой схеме резистор /?]9 (10,5 кОм) включается в цепь ООС ОУ. Напряжение пита- ния [/Hri=5... 15 В подключается к выводам 19 и 20. В режиме двухполярного выходного сигнала (при смещен- ном двоичном коде на входе) (рис. 2.4,б) в цепь ООС ОУ включаются резисторы Rjg, jR2o, а инвертирующий вход ОУ через резистор R2l присоединяется к источнику опорного на- пряжения через переменный резистор, который необходим для компенсации первичных погрешностей ЦАП. Рассмотрим ЦАП, который может работать в дополни- тельном коде<[1] (рис. 2.5). Изменение по сравнению с пре- дыдущей схемой произведено в СЗР — включен дополнитель- но инвертор. Для уменьшения погрешностей от входных то- 11
КОВ операционного усилителя введен усилитель о44УД2 < большим входным сопротивлением; для компенсации синце ния нулевого уровня усилителя 544УД2 введен капал МДМ типа. Операционный усилитель 140УД13 является модуля- Рис. 2.4. Схемы включения ЦАП К594ПА1: а — для однополярно- го выходного напряжения; б— для двухполярного выходного на- пряжения при смещенном двоичном коде на входе Ч5В+5В Рис. 2.5. ходного Схема включения ЦАП К594ПА1 для двухполярного вы- сигнала при работе от дополнительного двоичного кода тором, а усилитель Г53УД6 — демодулятором. ЦАП работает в диапазоне выходного напряжения ±10 В. В работе [1] при- веден пример практической реализации прецизионного источ- ника шторного напряжения, обеспечивающего нестабильность напряжения меньше 0,1 % • 12
2.3. Перемножающие ЦАП код — напряжение Если у ЦАП есть внешний вход опорного напряжения, их можно использовать в качестве перемножающих (ПЦАП), т. е. на выходе ЦАП получать сигнал, пропорциональный про- изведению аналогового и цифрового сигналов. Биполярные ЦАП могут применяться в виде ПЦАП толь- ко при однополярном опорном напряжении. Если использо- вать двухполярный смещенный цифровой код, то результат перемножения будет получаться в двух квадрантах. На КМДП аналоговые ключи можно подавать двухполяр- нын сигнал, поэтому результат перемножения на КМДП ПЦАП можно определить в любом из четырех квадрантов (рис. 2.6). ^оп ^вп/ ^оп=^опг1^ Uon~UonJz Uап 4,^0 иоп- Uonf Рис. 2.6. Выходные сигналы ПЦАП при различ- ных значениях входного кода X и аналогового сигнала Примером такого ПЦАП служит ИС К572ПА1 [9]. Этот 10-разрядный преобразователь содержит резистивную матри- цу типа /? — 2/?. К нему требуется подключение ОУ (рис. 2.7). Режим двухквадрантного перемножения предусматривает подключение источника двухполярного сигнала к входу опор- ного напряжения и подачу обычного 10-разрядного кода. При работе ПЦАП в режиме четырехквадрантного умножения ЦАП из 10-разрядного превращается в 9-разряднын, так как в этом случае старший значащий разряд рассматривается как знаковый. Сигнал, подаваемый на вход U„n, также дол- жен быть двухполярпым. 13
Интегральная КМДП схема 12-разрядного ПЦАП К572ПА2 в отличие от предыдущей имеет возможность запи- ски хранения цифровых данных в регистрах, включенных между токовыми ключами и резистивной матрицей [9]. #1 \14 -U Рис. 2.7. Схема включения микросхемы К572ПА1 с ОУ. Выводы: / — выход /+; 2 — выход, дополняющий 3— общий; 4 (СЭР)... 13 (МЗР) — цифровые входы; 14 — плюс 15 — опорное напряжение; 16 — отрицательная обратная связь 2.4. Преобразователи код — время (таймеры) Во многих радиотехнических устройствах и системах тре- буются генераторы импульсов, длительность которых управ- ляется внешними сигналами. В качестве примера можно при- вести систему передачи информации с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) или времяимпульсной модуляцией (ВИМ) сигналов. Другим примером может служить автома- тический следящий дальномер, в котором стробы дальности управляются по времени сигналами рассогласования. Для цифрового формирования импульсов заданной дли- тельности могут быть использованы счетчики тактовых им- пульсов, работающие в режиме суммирования или вычи- тания. Рассмотрим вначале схему таймера с использованием суммирующего счетчика (рис. 2.8). Импульс / начала вре- менного интервала устанавливает в состояние логической единицы PS-триггер 2, и тактовые импульсы <?, следующие с периодом повторения 7Т, получают возможность через эле- мент И поступать на счетный вход счетчика СТ (4). Так бу- дет продолжаться до тех нор, пока схема сравнения (цифро- вой компаратор) EQ, функционирующая в соответствии с ло- гической формулой //= («0 Ф /?о) | («, ф b, ) 4- («2 Ф ^2) ф («3 Ф Л3) . не обнаружит равенства кода Л, снимаемого со счетчика СТ. и кода , мдаюпцчо длительность временного интервала. 14
В момент совпадения кодов на выходе цифрового компара- тора EQ возникнет сигнал 5, который после инвертирования 6 опрокинет в нулевое состояние ^S-триггер, и тем закончится формирование выходного импульса 2 и прекратится поступ- ление новых счетных импульсов на счетчик. Этим же импуль- сом 6 счетчик переводится в начальное нулевое состояние. Рис. 2.8. Преобразователь код—время с использованием суммирую- щего счетчика: а — электрическая схема; б-—эпюры напряжений в ха- рактерных точках схемы: 1 — импульс начала интервала; 2— выход; 3 — тактовые импульсы; 4 — счетные импульсы; 5 — импульс оконча- ния интервала; 6 — импульс сброса триггера и счетчика в нулевое состояние; Во... В3 — код длительности Схема ЦАП код—время с использованием вычитающего счетчика (рис. 2.9) имеет много общего с предыдущим ва- риантом. Существенным является то отличие, что вместо циф- рового компаратора на выходе вычитающего счетчика вклю- чен элемент ИЛИ. Работа происходит следующим образом. Пусковой импульс / начала формирования временного ин- тервала положительным перепадом воздействуя на парал- лельный регистр RG вводит цифровой код. Сигналы кода с выхода регистра устанавливают счетчик в соответствующее состояние. Отрицательный перепад пускового сигнала опро- кидывает /?5-триггер в состояние единицы. С этого момента начинается формирование выходного сигнала 2, и тактовые импульсы 3 через элемент И получают возможность прохо- дить на вход вычитающего счетчика СТ (импульсы 4). Это продолжается до тех пор, пока число тактовых импульсов не станет равным предварительно записанному в счетчике числу При этом все разряды счетчика окажутся в нулевом состоянии, что будет .зарегистрировано схемой ИЛИ. На ее выходе 5 образуется отрицательный перепад, который вернет
/?5-триггер в исходное нулевое состояние, закончив этим фор- мирование длительности выходного сигнала 2. Для организации временных интервалов в микропроцес- сорных системах, построенных на МПК серии К580, приме- няется специальная микросхема интервального таймера Рис. 2.9. Преобразователь код—время с исполь- зованием вычитающего счетчика: а — электриче- ская схема; б — эпюры напряжений в характер- ных точках схемы: 1 — импульс начала интерва- ла; 2— выход; ,3— тактовые импульсы; 1 — счет- ные импульсы; 5 — импульс, регистрирующий пу- левое состояние счетчика КР580ВИ53 [2]. Она представляет собой программируемый трехканальный таймер-счетчик, вырабатывающий временные интервалы, управляемые программой. Три канала програм- мируются и работают независимо друг от друга. Длитель- ность интервалов может задаваться в двоичной или двоично- десятичной форме записи. Для каждого канала имеется воз- можность задания одного из шести режимов работы: выдачи сигнала прерывания по счету до конечного числа; программи- руемого ждущею мультивибратора; генератора тактовых нм- 16
пульсов; генератора прямоугольных импульсов; программно- управляемого строба; схемотехнически управляемого строба. Процесс формирования временных интервалов в каждом канале может управляться (начинаться или останавливаться) внешним сигналом, подаваемым на вход разрешения рабо- ты. Схема тактируется сигналами внешнего генератора с ча- стотой до 2 МГц. Для микро-ЭВМ схема представляется ли- бо как устройство ввода — вывода, либо как ОЗУ. Структу- ра, программирование и режимы работы микросхемы КР580ВИ53 подробно описаны в [2]. 3. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 3.1. Общие сведения Функциональные (нелинейные) цифроаналоговые преоб- разователи (ФЦАП) находят все более широкое применение в цифровых синтезаторах частот и сигналов сложной формы и используются в качестве основного компонента в преобра- зователях код — фаза (см. гл. 4 настоящего пособия). Наиболее распространенной является реализация ФЦАП в виде кодопреобразователя КП, трансформирующего кодо- вые комбинации набора чисел X в коды чисел У, и линейно- го ЦАП, соединенного с выходами кодопреобразователя (рис. 3.1). Рис. 3.1. Структурная схема функ- ционального ЦАП Из основной формулы (1.1) следует, что передаточную функцию Q(X) ФЦАП можно представить произведением Qkb—Q() ЛЦЛП • Укп (X), (3.1) где Оолплп — масштабный коэффициент линейного ЦАП; У кв (X) = (Qo/Qo лцлп) / кв (X) = /кв (X); (3.2) q нормирующий множитель, согласующий диапазон значе- ний ](Х) с разрядной сеткой линейного ЦАП: 9-(2"‘-l)/|f(X)|m<w; (3.3) 2—2181
f (X)—квантованное значение функции f(X); т число разрядов ЛЦАП; |f(X) |П1ОЯ - максимальное значение модуля функции ЦХ). Кодопреобразователь (КП) можно выполнить в виде ком- бинационного цифрового автомата (КЦА), но его проекти- рование и реализация получаются достаточно сложными. Бо- лее целесообразным является использование в качестве КП оперативного или программируемого постоянного запомина- ющих устройств (ОЗУ или ППЗУ). При небольшом числе разрядов X применяются ОЗУ с линейной адресацией. При этом допускается или произвольное чередование X (ОЗУ с произвольной выборкой), или последовательное (ОЗУ с по- следовательной выборкой). На первом этапе в режиме «за- пись» поочередно на ОЗУ подаются: на адресные шины — Х\ на информационные входы — УКВ(Х). Таким образом, в па- мять ОЗУ вводится необходимый массив чисел УКВ(Х). На втором (рабочем) этапе в режиме «чтение» значения X по- даются на адресные шины ОЗУ. В результате на выходе появляются необходимые кодовые комбинации УКВ(АГ). 3.2. Методика расчета Синтез ФЦАП сводится к расчету кодопреобразователя [3]. Число разрядов ЛЦАП определяет число квантованных значений функции У (У) и, следовательно, систематическую погрешность преобразователя. Последовательность этапов расчета следующая. 1. Для каждого Хе(0, АЦ—1) вычисляем f(X). 2. Определяем f2(X). АГд-1 3. Вычисляем «энергию» сигнала Sfz(X), необходимую для расчета относительной погрешности ФЦАП. 4. Находим |f(X)|raax=-|/f2-(X)^;. 5. Определяем значение нормирующего множителя о по формуле (3.3). 6. Вычисляем нормированные значения Y(X)—qf(X). 7. Значения У(У) округляются (квантуются) до ближай- шего целого числа УКВ(У). 18
8. Вычисляется относительная среднеквадратичная систе- матическая погрешность ФЦАП Л %1[У(Х)-гкв(Х)]2 1/ х~о__________________ ----- V Р(Х) Л' = 0 (3.4) 9. Величина полученной погрешности сравнивается с за- данной. Делается вывод об изменении (уточнении) числа tn разрядов ЛЦАП. Если число разрядов т необходимо изме- нить. то пп. 7. 8 пересчитываются. 10. Если погрешность находится в заданных пределах, значения УКБ(Х) преобразуются из десятичной системы счис- ления в двоичную. В приложении 2 приведена программа расчета, разрабо- танная для микрокалькуляторов «Электроника БЗ—34», «Электроника МК—54». соответствующая выполнению пунк- тов 1 ... 8. Вычисление f(X) (п. 1) производится в подпро- грамме, начиная с адреса 54 (по адресам 51, 52. 53 вычис- ляется очередное значение аргумента X). Вычисление f2(X) (п. 2) происходит по командам 02, 03. Пункт 3 обеспечи- вается 04... 06 шагами программы. Определение максималь- ного значения (п. 4) происходит в несколько циклов путем перебора всех возможных значений аргументов X (07... 17 адреса команд). Вычисление нормирующего коэффициента (п. 5) производится по адресам 18... 20. Нормированные точные значения функций У(Х) (п. 6) вычисляются по адре- сам 21... 27. Округление У(Х) (п. 7) проводится командами с адресами 28 ... 36: 28... 31 Вводится предварительная компенсация система- тической погрешности округления: У(Х) — 1 18: 32.33 Вычисляется значение 107-|- Укв (X); 34. 35 Вычисляется значение УКВ(Х). Относительная среднеквадратичная систематическая по- грешность ФЦАП (п. 8) рассчитывается в шагах 37 ... 50 про- граммы. В приложении 3 приведена программа для тех же микро- калькуляторов, позволяющая переводить целые числа (поло- жительные и отрицательные) из десятичной системы счисле- ния в двоичную (и. 10). 2* 19
,„^па мч десятичной системы в систе- Методика перевода ' ннем заключается в последо- му счисления с ДРУГ пго ЧИСЛа па основание системы, нательном делении нс разделении частного от де- В которую переводится число, и ления на целую и дробную части [i J- 3.3. Функциональные ЦАП с использованием функций Уолша В ряде случаев с целью увеличения точности и быстро- действия ЦАП целесообразно использовать метод его по- строения, основанный на моделировании суммы ряда 1 JV-l (3.5) Д р=о где X)—дискретная функция Уолша; В(Р)—коэффи- циент разложения f(X) в ряд по функциям Уолша; N — чис- ло значений переменных X и Р. Представление в виде суммы (3.5) точное. И, следова- тельно, ЦАП, построенный в соответствии с (3.5), обеспечи- вает точное воспроизведение функции ЦХ), т. е. о'Г1,цлп=0. Таким образом, данный ЦАП состоит из кодопреобразовате- ля, трансформирующего входное число X в значения функций Уолша ф(Р, X) и специального нелинейного ЦАП, веса кото- рого равны коэффициентам разложения воспроизводимой функции ЦХ) в ряд по функциям Уолша В(Р)= 2' ’|>(Р,Х)/(Х). х=о (3.6) Передаточная ного устройства ций [12] %2, т характеристика кодопреобразователя дан- соответствует системе логических функ- (3.7) чисел символ ф означает сум- где Р Х2 р,., X 12 ’х, двоичные представления X и Р, т — число разрядов X и Р- мирование по модулю два зуе^^еХч^ 1 — р— суммирования по модулю два т е операцию цифровою автомата. > - • в виде комбинационного 20
Для построения преобразователей «код — фаза» синтеза- торов частот и сигналов (см. разд. 3.4) необходимы ФЦАП «код — синус» и «код — косинус» fs(X) — sin(^v + ’ (3-8) k(X) = cos('^-X + <p„) ; N=2”, где q\)= const — начальная фаза, которую с целью сокраще- ния числа разрядов ЦАП целесообразно выбирать равной <Ро=л/Л7. Компоненты разложения (3.8) в ряд по функциям Уолша при их упорядочении по Пэли находятся по формулам [12] Bs(P)=-7Vsin(-^V Р[ П cos P-pt+-±); (3.9) / я tn \ m / л л \ /Vcosi — V Pt I , cos 2-pz+--r . \ 2 ,=i /i=i ' 2 2 < Пз выражения (3.9) следует, что отличными от нуля бу- дут Лг/4 коэффициентов и. следовательно, таким же будет требуемое число разрядов ЦАП. Так, при /V = 16 (т=4) тре- Таблица 3.1 Коэффициенты разложения и логические функции ФЦАП р Р» Рз Р2 Р1 Bf(P)/N Вс(Р)/\’ Yp (-Х4, Л'з, *2, *1) 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 +0.64 0 Л'4 2 0 0 1 0 0 0 Л'з 3 0 0 1 1 0 +0.64 Л'4 ® Л'з 4 0 1 0 0 0 0 Л’о 5 0 1 0 1 0 +0.26 Л'4 ® Л'2 6 0 1 1 0 0 0 л’з Ф Xj 7 0 1 1 1 —0.26 0 ХА ® Л’з ® лд 8 1 0 0 0 0 0 Л'1 Ч I 0 0 1 0 +0.13 Л'4 ® Х| 10 1 0 1 0 0 0 Л'з Ф Х| 11 1 0 1 1 - 0.13 0 Л*4 ® Л'з ® Л| 12 1 1 0 о 0 0 X; Ф Х| 13 1 1 0 1 0.05 0 Л4 ф № Ф Х| 14 I 1 1 0 0 0 X, Ф Xi Ф Х| II 1 1 1 0 0 05 Х4 Ф Хз ® Al Ф 21
„апипй ЦАП. В табл. 3.1 све- бтется всего лишь четырелраз] коэффициенты В„(Р), ™ Гпо"Лес"иее функн™ кодопреобразователя. В'о а гурма ЦАП трансформирующего На рис. 3.2 изобр^чныб числаХ в напряжения, пропор- четырехразрядные ДВОИЧЬ(' этих чисел. Как видно из циональные синусу и косину У нного ЦАП состоит всего рис. 3.2, (элементы ИСКЛЮ- ЧАЮЩЕЕ ИЛИ) К двух инверторов. Отрицательный знак иэффщиента реализуется инвертированием соответствую- щей функции. Рис. X в 3.2. Схема ФЦАП, трансформирующего код числа напряжения, пропорциональные синусу и косинусу При этом на выходах цифроаналоговых преобразователей формируются сигналы с постоянной составляющей, которая в типовых применениях данного ФЦАП может быть легко компенсирована. Систематическая погрешность в таком ФЦАП отсут- ствует, т. е. оФЦлП=0. Погрешность преобразования возни- кает лишь при отклонении весов ЦАП от расчетных, напри- мер, за счет отклонений сопротивлений весовых резисторов от номинальных значений, 22
Время преобразования ФЦАП определяется формулой 7 цр5 фцап = кп "I T'l'pO цап = 7 3 ср | 27 ;i(J)-| ТПрд 1ип, (3-10) где Тзл-г — среднее время задержки инверторов; Тлф— сред- нее время задержки элементов исключающее ИЛИ. Простота кодопреобразователя обеспечивает его высокое быстродействие и возможность работы ЦАП на частотах до сотни мегагерц. При больших значениях tn увеличивается необходимая разрядность ЦАП1. ЦАП2 и приходится производить их уменьшение. Алгоритм оптимального сокращения числа раз- рядов и анализ возникающих при этом погрешностей приве- дены в [12]. 3.4. Преобразователь код — фаза Одной из разновидностей ЦАП является устройство, тран- сформирующее код числа X в сдвиг фазы некоторого гармо- нического сигнала Uo п (/) = По sin W [12]. Функциональная Рис. 3.3. Функциональная схема преобразовате- ля код—фаза схема преобразователя код — фаза (ПДФ) приведена на рис. 3.3. Двоичное число X, пропорциональное задаваемому сдвигу фазы и.Х, поступает на вход кодопреобразователя (КП), который совместно с ЦАП1 п ЦАП2 трансформирует этот код в напряжения Qc (X) =iQ0 cos «X и Q.,(X) == Qo sin aX. 23
Эти напряжения с помощью перемножителей П1 и П2 пере- множаются с квадратурными компонентами опорного коле- бания и суммируются в сумматоре S. В целом устройство функционирует в соответствии с выражением МвыХ (/, X)=kU0Q0 sin <оо t cos а X-i-kUcQo cos coof sin a X — = f/BblXsin(w0/4-aX), (3.11) где k=const — коэффициент пропорциональности, Uвых — ам- плитуда выходного сигнала. Наиболее важными узлами ПКФ являются кодопреобра- зователь и цифроаналоговые преобразователи код — напря- жение, поскольку они теоретически полностью определяют точность воспроизводимого фазового сдвига и быстродей- ствие устройства, т. е. максимальную скорость смены фаз. В данном устройстве могут быть применены как ФЦАП, рас- смотренные в § 3.1, так и ФЦАП с использованием функций Уолша. В качестве перемножителей П1 и П2 при /о^ЗОМГц могут использоваться балансные модуляторы 140МА1, а при /о<8ОМГц — перемножители 526П1 [9, 10]. Фазовращатель может быть выполнен в виде двух /?С-цепочек, осуществля- ющих сдвиг фазы на ±45°, или линии задержки. Рассмотренный вариант построения ПКФ позволяет осу- ществить сдвиг фазы гармонического сигнала /о^80МГу с частотой до 60 МГц при использовании ЭСЛ серий цифро- вых интегральных схем. 4. ЦИФРОВЫЕ СИНТЕЗАТОРЫ СИГНАЛОВ 4.1. Цифровые синтезаторы частот Назначение и основные параметры. Цифровые синтезато- ры частот (ЦСЧ) по существу являются ФЦАП, осущест- вляющими трансформацию кода некоторого числа А в часто- ту гармонического колебания "п<-чЦ. A) = [/Osin ДсоА/. (4.1) Оснонной характеристикой качества выходного сигнала ЦСЧ ляется отношение </[<9Б] мощности синтезируемой частоты h <'ММе м°1пностей всех паразитных составляющих в 1мтЛИИОМ 1папа*оне частот. Кроме этого, ЦСЧ характеризу- количеством возможных частот Л1=Ат„; общим диапа- 24
зоном частотной сетки &>т<1Х==ДсоЛтвя и некоторыми другими частными параметрами. Все синтезаторы можно разделить на две большие груп- пы: ЦСЧ прямого синтеза и ЦСЧ косвенного синтеза. ЦСЧ прямого синтеза состоят из делителей, умножителей, сумма- торов частот и других нелинейных преобразователей сигна- лов. ЦСЧ косвенного синтеза содержат в своем составе кро- ме нелинейных преобразователей сигналов как минимум один управляемый генератор, включенный в кольно системы фа- зовой автоподстройки Наиболее просты и надежны ЦСЧ прямого синтеза, и по- этому в данном пособии рассмотрены только такие устрой- ства.' Существуют различные варианты ЦСЧ прямого синте- за. Рассмотрим наиболее распространенные. ЦСЧ со сложением импульсных последовательностей. ЦСЧ со сложением импульсных последовательностей (рис. 4.1,а) состоит из двоичного вычитающего счетчика СТ\, группы формирователей импульсов ФИ\, ФИ?, ФИ$, конъюнкторов DD , DD2, DDit дизъюнктора DDt и выходного счетчика СТ%. На вход счетчика СТ поступает тактовый сигнал в виде им- пульсной последовательности (рис. 4.1,6) с частотой Fj = — 1 АТ. Из выходных сигналов счетчика С7\ с помощью фор- мирователей импульсов ФИХ, ФИ?, ФИ?,, выделяющих отрица- тельный перепад, генерируются импульсные последовательно- сти Пф2, Нфз, поступающие на первые входы конъюнкторов DD\, DD?, DD?. На вторые входы конъюнкторов поступают разрядные коэффициенты числа А, задающего частоту выход- ного сигнала. Цри а,= 1 соответствующая импульсная после- довательность появляется на входе конъюнктора и суммиру- ется дизъюнктором DDt, остальными последовательностями. На рис. 4.1,6 показан выходной сигнал дизъюнктора при a, ==g3= J; а2=0. Средняя частота сигнала и1 определяется числом импуль- сов за одну секунду. Очевидно, это число равно f 1 , 1 1 — Ого "р* а? cZj — 2ДТ 4ДТ 2 8ДТ 1 (4.2) где A = 4£z34-2g24-^i — двоичное представление числа А; — модуль счета СТ^ Неравномерность расстановки импульсов последователь- ности приводит к появлению в спектре выходного сигнала аразитных помеховых компонент значительной амплитуды. 25
Для их уменьшения к выходу дизъюнктора ЦСЧ (рис. . ) подключается еще один счетчик, делящий частоту повторе- ния напряжения и1 в Хсчг раз. Отношение сигнал/шум выход- ного сигнала при этом определяется по формуле [ 13] q=6 log2 Ксч2—8. (4.3) &,1_1 '~l _j 1 L J ।--------------------J L-- ftb —। —1 1— t U?f\ П_________0______0_____0______П------0----- _n_____________П____________0------------- U93 I______________П__________________________0----- ur\ П П-Л Л_______________n______D_____П П .. t Pjl----1-----1. ,r~l „I----------1 L J~ , t > > $ Рис. 4.1. Цифровой синтезатор частот со сложением им- пульсных последовательностей: а — функциональная схема; б — временные диаграммы Включение счетчика СТ2 в состав ЦСЧ, как следует из (4 3) позволяет улучшить чистоту спектра выходного сигнала ’ но при этом существенно уменьшается общий диапазон частот- САе,К/оИ ^mSd77^n’^T/(2^C4i-^c42) и шаг частотной сетки Лс = Ды/2л = Гт/Дсч)/(сч2. Таким образом, общий диапазон частотной сетки не пре- вышает величины 7^FT/(2KC42), т. е. он существенно ниже 23
максимальной рабочей частоты счетчиков С7\ и СТ2. Необ- ходимо отметить, что подобным образом функционирует циф- ровая интегральная схема 155ИЕ8 [4]. ЦСЧ с накапливающим сумматором Основой данного ЦСЧ (рис. 4.2) является накапливаю- щий сумматор, состоящий из арифметического сумматора SM и регистра памяти RG. Рис. 4.2. Цифровой синтезатор частот с накапливаю- щим сумматором На вход арифметического сумматора поступает число А, определяющее синтезируемую частоту. Арифметический сум- матор складывает число А с хранящейся в регистре памяти RG накопленной суммой. При возникновении переполнения на выходе переноса рт возникает импульс. Средняя частота сле- дования импульсов переполнения определяется выражением f ___. а /Рт — Поскольку импульсы переполнения в общем случае рас- положены неравномерно, для улучшения качества выходного сигнала необходимо, как и в ЦСЧ со сложением импульсных последовательностей, с помощью счетчика СТ осуществить деление частоты следования импульсов переполнения. Отношение q данного ЦСЧ определяется формулой [13] <7=6 log2 /<сч—9, (4.4) где К,, — модуль счета счетчика. 27
сетки определяются выраже- Шаг н диапазон частотно» сетки । нпем 2"' Л Сравнение параметров с накоплением импульсных на их большое сходство, и, иного варианта построения чпем тех или иных узлов в р г. — Г „кп — 2.2"'./^., 2/< данного ЦСЧ с параметрами ЦСЧ —й указывает выбор того или основном пали- серн п цифровых последовательностей следовательно, определяется в используемой (4.5 интегральных схем. ЦСЧ с ЦАП. Рассмот- Рис. 4 3 Цифровой синтезатор час- тот с ФЦАП: « — функциональная схема; б —временная диаграмма вы- ходного сигнала ФЦАП; в пре менная диаграмма выходною енгна ла синтезатора репные выше синтезаторы частот по существу вычис- ляют моменты времени рас- становки импульсов. Затем эта импульсная последова- тельность счетчиком преоб- разуется в двухуровневый выходной сигнал. Вторым способом фор- мирования сетки частот яв- ляется вычисление мгновен- ных значений синусоиды в экви дистантные моменты времени [15]. Такой ЦСЧ (рис. 4.3) состоит из ///-раз- ря дпого накапливающего сумматора НС, ///-разрядно- го функционального ,цифро- вая .ши ового преобразовате- ля ФЦАП ц фильтра ниж- них частот ФНЧ. Устрой- ство работает следующим образом. 1\од числа Д раз- рядностью ///, задающего синтезируемую частоту, no- li каждый тактовый момент време- ступает па вход ПС, где ИИ пМ скалдыпиется < накопленной суммой. 11л выходе НС Образуется послед,,„атол,.поет,..........V(„)=„.l, к(,тораа •поступает „а <|»уп,<цп.,„ал,.пый ЦАП, преобразующий числе 28
Х=Х(п) в отсчетные значения синуса или косинуса (Х(01 = У» si” ^(Z) - и„ , Дгей - sin ^Ап. (4.6) где Uo—амплитуда сигнала; rect(x)= ( 1 при 0^х<1 [О при остальных х. Сигнал (4.6) затем сглаживается фильтром нижних частот ФНЧ. Из выражения (4.6) можно определить частоту выход- ного сигнала синтезатора частот (47) вых 2?га Vх •' ) Таким образом, изменяя число А, можно задавать частоту выходного сигнала. Источниками погрешностей формирова- ния в данном ЦСЧ являются погрешности за счет дискрети- зации сигнала, которые могут быть снижены выбором пара- метров ФНЧ, и погрешности за счет неточного вычисления отсчетных значений синуса (погрешности ЦАП). Рекомен- дации к выбору типа ФНЧ и его параметров представлены в [15], где показано, что погрешности дискретизации мотут быть снижены до необходимого уровня. Основной вклад в искажения выходного сигнала ЦСЧ вносят погрешности за счет неточного вычисления отсчетных значений синуса ЦАП, определяемые в основном конечным числом разрядов цифро- аналоговых преобразователей. На основе анализа, проведен- ного в '[15], можно получить следующую формулу для опре- деления отношения 7=9,5+6 (Я—1), (4.8) где R — количество разрядов ЦАП. Сравнивая (4.8) с (4.3) и (4.4), можно сделать вывод о том, что в данном ЦСЧ легко достигается существенно луч- шее отношение сигнал/шум выходного сигнала. В рассматриваемом ЦСЧ возможно применение ФЦАП с использованием функций Уолша. Детальный анализ выход- ного колебания такого ЦСЧ приведен в [16], где показано, что применение функций Уолша позволяет строить ЦСЧ с принципиальным отсутствием погрешностей за счет неточ- ности вычисления отсчетных значений синуса при ограничен- ном числе разрядов ЦАП. Диапазон частотной сетки или максимальная синтези- руемая частота определяется в основном параметрами ФНЧ 29
И как показано в [15]. может достигать величины Fnax=bF-Amax==F?/4. (4-9) Таким образом, в ЦСЧ с ФЦАП достигается наибольший диапазон частотной сетки. Недостатком данного ЦСЧ явля- ется несколько более сложная техническая реализация. 4.2. Формирователи многофазных сигналов Многофазным называется сигнал в виде последовательно- сти примыкающих друг к другу радиоимпульсов с изме- няемой по некоторому закону начальной фазой колебания заполнения. Многофазный сигнал может быть представлен выражением s (f) —Uo V rect t~n-^r- cos [®oZ->-0 («)+ф0]= n=0 = {/0Re(v rect exp7[oV-t-0(n)-<?o]. (4.10) I1-0 где Uq — амплитуда сигнала, coo—несущая частота, 6(n) — значение начальной фазы заполнения дискрета номер п, Re (2)—действительная часть 2, <ро— начальная фаза, ко- торая может выбираться произвольно. Комплексная огибающая многофазных сигналов опреде- ляется выражением u(t)=Uo y rect-Ц^- ехр7[0(.ч)4-<ро], (4.Ц) п =0 “1 где L’o — амплитуда комплексной огибающей. Многофазные сигналы являются приближением к сигна- лам с непрерывными видами угловой модуляции, а также имеют и самостоятельное значение. Как следует из (4.10). формируются многофазные сигна- лы весьма просто. Для этого достаточно на вход преобразо- вателя код—фаза (рис. 3.3) подать последовательность чи- сел Л'(л), пропорциональных значениям 6(n)+<p0. Данная последовательность формируется цифровым автоматом (ЦА), который может быть реализован либо в виде вычислителя, либо в виде постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), в ячейках которого записаны числа А'(л). Среди большого многообразия многофазных сигналов су- ществуют такие, боковые лепестки периодических автокор- реляционных функций (ПА1\Ф) которых равны нулю Наиболее просто формировать сигналы с Л7 = 21, поэтому будут рассмотрены только такие сигналы. Как известно [5], 30
и сальную ПЛКФ имеют сигналы, построенные на основе кода Фрэнка, для которых 6(/i)=~ent(-yj-я; c2-/V, (4.12) где ent(z) — целая часть числа z. Известны также сигналы с идеальной ПАКФ, построенные на основе кодов Чу 0(п)-^-п2 при а= 1,3,5, 1 (4.13) и сигналы со следующим законом изменения фазы 0(n)-Aent (—при а= 1,3,5,..., W—1; (4.14) С \ Р 1 p.c=N, где c=2fe^p/4; k=0, 1, 2, 3, ... Все указанные сигналы могут быть сформированы уни- версальным генератором [5], схема которого представлена на рис. 4.4. Генератор сигналов состоит из двух накапливаю- Рис. 4.4. Универсальный генератор многофазных сигналов щих сумматоров (HCi и НС2) генераторов тактового (Ti) и несущего (Г2) сигналов и преобразователя код—фаза (ПКФ)- Такое построение генератора вытекает из того, что все рассмотренные многофазные последовательности обла- дают определенными рекуррентными свойствами. Так, для кодов Чу имеем Х(п)=<Э(га)с/п—апг; X(/z4-l)=a/i24-2un4-a-X (и) + 2п/г4-«. (4.15) Из (4.15) следует, что для последовательного формирования Х(п) необходимо на вход НС2 подавать последовательность D (и) =2an-|-ct. Эти числа, в свою очередь, могут быть сфор- мированы другим HCi £> (n+1) =2ап-\-2а-\-а~D (/г) (4.16) 31
Естественно, что для формирования сигнала.'еоб^нмопра- вильно задать начальные чи“а: 2.а',и^ =0 НС Ич (4 15) и (4.16) получаем Х(0) и, ( ) При генерировании сигнала (4.14) необходимо выделять целую часть числа, что легко осуществляется, если р це- лм^степень числа два. В этом случае достаточно лишь сни- мать число Х(п) с определенного количества старших разря- дов НСг- Аналогичные рассуждения могут быть проведены при синтезе генератора сигналов на основе кодов Фрэнка. Универсальный генератор, таким образом, позволяет фор- мировать любой из представленных многофазных сигналов при соответствующем задании параметров; rzii количества разрядов HCi; т2—количества разрядов НС2; т3 — коли- чества входных разрядов ПКФ; G — числа, подаваемого на вход HCi; £)(0) и Х(0) — начальных состояний HCi и НС2- Таблица 4.1 Задаваемые параметры при формировании многофазных сигналов Параметр Последовательность (4.12) (4.13) (4.14) гщ log2 N l-l-logzN l-f-log2y т2 logs с=т}/2 l+10g2 1V l-f-log2y т3 log2c=/n,/2 l-|-log27V l-+-log2c Д(0) 0 a a Х(0) 0 0 0 G 1 2a 2a 4-1 пРиведены значения параметров при формирова- нии различных сигналов периода N. г у у Лопмипг₽/НиТе^СаЛЬНЫЙ генеРатоР многофазных сигналов ф рмирует непрерывные периодические сигналы. Для гене- 32
рации одиночных сигналов следует амплитудным модулято- ром выделить определенный участок. Необходимо отметить, что формирование сигналов свя- зано с погрешностями, основным источником которых явля- ется неточность фазовых сдвигов ПКФ и инерционность циф- роаналоговых преобразователей. Подробный анализ погреш- ностей проведен в [5]. 4.3. Синтезаторы радиосигналов с прямоугольной огибающей В системах радиолокации, радиосвязи широко применя- ются сигналы сложной формы с прямоугольной огибающей s (/) = (/о rect cos [<>V+<P (0+Фо]. (4.17) где <р(/)—закон угловой модуляции; Т — длительность сиг- нала. Комплексная огибающая таких сигналов может быть пред- ставлена выражением и (t) — Uo\ ect ехр / [ <р (0 + Фо] • (4.18) Такие сигналы могут быть сформированы синтезатором [6,7], схема которого представлена на рис. 4.5. Цифровой автомат (ЦА) синтезатора синхронизируется тактовыми импульсами, следующими с частотой FT. Цифровой автомат последова- тельно вычисляет или выбирает из ПЗУ числа Х(п), пропор- циональные отсчетным значениям фазы (р(пДТ)+сро. Эти чис- ла поступают на вход преобразователя код—фаза (ПКФ), где посредством кодопреобразователя (КП) и двух ЦАП преобразуются в напряжения щ(пДТ) и щ(пД7), пропорцио- нальные синусу и косинусу фазы ф(л/А7)+фо- Эти напряже- ния обрабатываются идентичными фильтрами нижних частот ФНЧ1 и ФНЧ2 и перемножаются с квадратурными компонен- тами несущего колебания t/0 cosco0t На выходе П1\Ф форми- руется непрерывный периодический сигнал, из которого с помощью амплитудного модулятора М, управляемого циф- ровым формирователем импульсов ЦФИ, выделяется необ- ходимый участок. Качество формирования сигнала определяется заданным законом угловой модуляции <р(/), тактовой частотой FT. па- раметрами ФНЧ1 и ФНЧ2, а также точностью функциониро- вания узлов устройства. В [6] проведен анализ погрешностей 3—2181 33
формирования, на основании которого можно выбрать ука- занные параметры и провести проектирование устрой тва. Цифровой автомат устройства определяется законом угло- вой модуляции <р(0- В частности, для широко используемого сложного радиосигнала с линейной частотной модуляцией Рис. 4.5. Синтезатор радиосигналов с прямо- угольной огибающей (ЛЧМ сигнала) ЦА может быть выполнен в виде двух по- следовательно соединенных накапливающих сумматоров. В <[7] описан универсальный синтезатор ЛЧМ сигналов с по- добным ЦА, позволяющий формировать сигналы с задавае- мыми цифровыми кодами длительностью и величиной девиа- ции частоты.
Приложение 1 Параметры микросхем ЦАП Тип ИС Число разрядов Тпрб, мкс б*л, % 6*пш, % Uмп, в Uou, в 7пот, мА Технология К572ПА1 А Б В Г 10 5 ±0,1 ±0,2 ±0,4 ±0,8 ±3“ 5... 17 ±17 2 ТТЛ, кмдп КР572ПА2 А Б В 12 15 ±0,025 ±0,05 ±0,1 ±0,5 5 (15) ±15 2 (2) ТТЛ, кмдп К594ПА1 12 3,5 ±0,024 — 5(15) 9...И 25(35) КМДП (ТТЛ) К1108ПЛ1 А Б 12 0,4 0,7 ±0,024 ±0,3 5 (-15) 2,2... 10,5 15 (46) ТТЛ К1П8ПА1 8 0,02 ±0,19 — -5,2 — 130 эсл • От полной шкалы. •• В единицах МЗР.
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Программа аычаеаешш на „икро-ЭВЛI логических Функций кодопреобразователя и погрешности квантования Адрес команды J Нажатие клавиши Код one1 рации Содержание операции |оо| ПП 53 01 51 51 02 FX2 22 03 П4 44 04 ИП7 67 05 + Ю 06 П7 47 07 ИП5 65 08 ИП4 64 09 — И 10 FX<0 5[ 11 14 14 12 FBX 0 13 П5 45 |Г4| FL3 5— 15 00 00 16 ИП5 65 17 Ff~ 21 18 ИП1 61 19 н- 13 20 П5 45 21 ИП2 62 22 JI3 43 |23[ ПП 53 24 51 51 .25 ИП5 65 26 - 13 27 П8 48 28 1 01 1 29 8 08 ) Вызов подпрограммы, вычисляющей f(X) Адрес начала подпрограммы (ПП) Вычисление f2(X) Запись f2(X) в регистр 4 Чтение содержимого регистра /: Х/(Х) Сложение с новым квадратом Запись новой суммы Sf2(X) в регистр 7 Чтение наибольшего f2(X) из регистра 5 Чтение нового квадрата из регистра 4 Вычитание нового f2(X) из наибольшего Условие выявления нового наибольшего f2(X) Адрес команды, обеспечивающей переход программы в случае невыполнения условия Х<0 Восстановление предыдущего результата Запись нового наибольшего квадрата в ре- гистр 5 Организация цикла с регистром 3 (умень- шение числа на единицу) Адрес команды, обеспечивающей переход на начало программы для нового значения аргумента X Чтение наибольшего квадрата f (X) из ре- гистра 5 Вычисление модуля наибольшего значения fW Чтение числа уровней квантования 7VKB из регистра 1 Определение числа 1/<7, нормирующего f (V) Запись числа l/q в регистр 5 Чтение числа дискретов из регистра 2 Запись Na в регистр 3 (восстановление на- чала цикла) Вызов подпрограммы, вычисляющей f(X) Адрес подпрограммы Чтение числа I/q из регистра 5 Вычисление^ иоРмпРован ного значения Запись У (X) в регистр 8 Запись числа 18 в регистр X 36
Продолжение приложения 2 И * Адрес команды Нажатие клавиши Код опе- рации Содержание операции 30 F 1/Х 23 Вычислиие 1/18 31 — И Вычисление Y(X)—1/18 32 ИП9 69 Чтение числа 107 из регистра 9 33 + 10 Вычисление У (X) 4-107 с округлением до целого 34 ИП9 69 Чтение числа I07 из регистра 9 35 — 11 Вычисление квантованного значения Yyn(X) 36 с/п 50 Останов программы. Индикация YKe(X) 37 ИП8 68 Чтение точного значения Y(X) 38 —. 11 Вычисление разности YKB(X)—Y(X) 39 FX2 22 Определение квадрата разности 40 ИП6 66 Чтение погрешности 2[УКВ(Х)—Y(X)]Z из регистра 6 41 + 10 Суммирование с новым квадратом разности 42 П6 46 Запись нового значения погрешности в ре- гистр 6 43 FL3 5— Организация никла с регистром 3 (умень- шение числа на единицу) 44 23 23 Адрес команды, обеспечивающей переход на повторение программы при новом зна- чении X 45 ИП7 67 Чтение содержимого регистра 7: Х/2(Х) 46 13 Вычисление относительной погрешности 47 FT" 21 Извлечение квадратного кория 48 ИП5 65 Чтение нормирующего множителя 1/г? 49 12 Вычисление С КО 50 с/п 50 Останов программы, индикация СКО I11! ИП2 62 Чтение содержимого регистра 2 — Nл 52 ипз 63 Чтение модифицированного содержания ре- гистра 3 53 — 11 Определение нового значения аргумента X Инструкция. Ввести /VKB=2m— I в регистр /; /Уд в регистры 2 и 3; 107 в регистр 9, 0 и регистры 5, 6 и 7. Регистры 3. 8 оперативные Про1рамма вычисления f(X), начиная с адреса 54 В копне должна быть команда В/О. 87
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Программа перевода действительных целых десятичной системы счисления в двоичную с помощью микро-ЭВМ «Электроника БЗ-34» и «Электроника МК-Б4» Адрес Нажатие Код опе- команды клавиши рации Содержание операции 00 FX<0 5 Проверка знака введенного числа 01 06 06 Адрес команды в случае, если число ока- зывается положительным или равным нулю 02 1 01 Вызов единицы 03 ПА 4— Запись единицы в регистр А знакового разряда 04 XziY 14 Вызов введенного числа 05 1-1 0 Взятие модуля отрицательного числа |0б| 2 02 Запись числа 2 (основание новой системы счисления) 07 13 Вычисление частного от деления 08 пв 4L Запись результата в регистр В 09 ипс 6[ Вызов номера предыдущего разряда двоич- ного числа 10 1 01 Запись единицы 11 + 10 Определение текущего номера разряда двоичного числа 12 ПС 4[ Запись текущего номера разряда в ре- гистр С 13 ипв 6L Вызов частного от деления из регистра В 14 4 04 Запись числа 4 15 F1/X 23 Вычисление 0,25 16 — 11 Смещение частного от деления на 0,25 17 ИП9 69 Вызов числа 107 из регистра 9 18 + 10 Сложение со смещенным частным от деле- ния 19 ИП9 69 Вызов числа 107 из регистра 9 20 — 11 Вычисление целой части частного от деле- ния 21 по 40 Запись целой части частного от деления в регистр 0 22 ПО ипв 6L Вызов частного от деления из регистра В 23 — 11 Вычисление дробной части частного от де- ления 24 FX=/=0 57 Анализ дробной части 25 31 31 Адрес, команды перехода программы на 26 НПО 6Г случай, если дробная часть равна нллю Вызов младших разрядов двоичного числа из регистра D
продолжение приложения 8 Адрес команды Нажатие клавиши Код опе- рации Содержание операции 27 ППС 6[ Вызов номера текущего разряда двоично- го числа 28 F10x 15 Вычисление текущего разряда двоичного числа 29 + 10 Вычисление k разрядов двоичного числа 30 ПО 4Г Запись k разрядов двоичного числа в ре- гистр D 311 НПО 60 Вызов целой части частного от деления из регистра 0 32 FX=0 5Е Проверка целой части на равенство ее нулю 33 06 06 Адрес команды в случае, если целая часть частного от деления не равна нулю 34 ИП9 69 Вызов числа 107 из регистра 9 35 НПА 6— Вызов цифры знакового разряда из ре- гистра А 36 X 12 Вычисление знакового разряда двоичного числа 37 НПО 6Г Вызов значения модуля двоичного числа из регистра D 38 + 10 Образование двоичного числа с учетом зна- кового разряда 39 С/П 50 Останов программы, индикация результата Инструкция. Ввести 0 в регистры А — знаковый разряд и D — опе- ративный (значащие разряды); —1 (минус единицу) в регистр С — опе- ративный (иомер текущего разряда двоичного числа); 107 в регистр 9 — вспомогательное число для выделения целой части частного от деления; число, подлежащее преобразованию из десятичной системы в двоичную, в регистр X. Осуществить пуск программы. Л4аксимальное положительное число равно 255ю. Максимальное отрицательное число равно 127ю. Максимальное время счета по программе 1 мин 10 с. Регистр 0 — оперативный (целая часть частного от деления). Регистр В — оперативный (частное от деления).
ЛИТЕРАТУРА 1 Иппобьев Н В., Вернер В. Д. Микропроцессоры. Элементная база средств спряжения: Учеби. ^пособие дли втузои/ГЮд ред. Л* J’' йрбунов,11В Л.', Панфилов Д. И., Преснухин Д. Л. Микропроцес- соры Основы построения микро-ЭВМ: Учеб, пособие для втузов/Под пап п Н Ппеснухпна. М.: Высш, шк., lJo4. 144 с. Р V Матюшин О Т, Сыромятников А. Н. Лабораторные работы № 8, 9 по курсам «Микроэлектронные устройства и микропроцессоры», «Элек- тронные цепи и основы микропроцессоров» и «Электронные приборы и БИС»./Ред. А. К. Нарышкин. М.: Моск, энерг. ин-т, 1987. 20 с. 4. Интегральные микросхемы: Справочник/Б. В. Тарабрин, Л. Ф. Лу- нин, Ю. Н. Смирнов и др.; Под ред. Б. В. Тарабрина. М.: Радио и связь, 1983. 528 с. . 5. Матюшин О. Т., Сыромятников А. Н. Формирование многофазных сигналов//Радиотехника, 1984. № 2. С. 34—38 6. Матюшин О. Т. Цифроаналоговое формирование радиосигналов// Радиотехника. 1983. № 6. С. 9—15. 7. А. С. 1099378 (СССР). Формирователь лпнейпо-частотно-модулиро- ванных сигналов. Авт. изобрет. Матюшин О. Т., Сыромятников А. Н. — Заявл. 6.01.83, № 3534279/18—09; Опубл, в БИ, 1984, № 23, НКИ ПОЗС 3/08. 8. Федорков Б. Г., Телец В. А., Дегтяренко В. П. Микроэлектронные цифроаналоговые и аналоге цифровые преобразователи. М.: Радио и связь, 1984. 120 с. 9. Аналоговые и цифровые интегральные схемы: Справочное посо- бие/С В. Якубовский, Н. А. Барканов, Л II Ниссельсон и др.; Под ред. С В. Якубовского. 2 е изд., перераб. и доп. М : Радио и связь, 1985 432 с. 10. Алексенко А. Г. и др. Применение прецизионных аналоговых мИк- росхем/А. Г. Алексенко, Е. А. Коломбет, Г. И. Стародуб. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1985. 256 с. А- Н., Епанечников В. А. Прикладные программы для «Электроника БЗ-34», «Электроника МК-56», «Электроника М 19 мМ/ Финансы “ статистика, 1984. 175 с. Матюшин О. Т. Быстродействующий преобразователь код—фаза// Радиотехника. 1980 Т. 35 № 7 С. 39-43. 13. Жодзижский М. И., Сила-Новицкий С. Ю„ Прасолов В. А.. Цифро- 7ояпЬ,9п0аЮВОИ СИ|1ХР°низацнн/Ред. М. И. Жодзижский. М.: Сов. радии, I УОи. ZUo с. А. м- mL«. эЗ°"п.Ст, 1,98l"|oT"OI",U>! ! к.. радХ'"Д|>ш,^ чаетоты//30ру6еж- Функций ^олша//Рап1< 1 и<^,)()НоП синтезатор частот с использованию» функции Уолша/Д адиок хпика и электроника 1982 №7. С 1301—1308.
ОГЛАВЛЕНИЕ I Общие сведения............................................... .3 I 1. Определение понятия ...... 3 1.2 Области применения......................................... 4 1.3 . Основные параметры....................................... 4 1.4 Классификация.............................................. 6 2 Линейные цифроаналоговые ппеобразователи ...... 7 2.1 . Преобразователи кол—ток.................................. 7 2 2. Преобразователи код—напряжение . . 9 2.3 Перемножающие ЦАП иод—напряжение 13 2.4 . Преобразователи код—время (таймеры) . 14 3. Функциональные преобразователи .............17 3.1. Общие сведения.................................... .... 17 3.2. .Методика расчета.........................................18 3.3. Функциональные ПАП использованием функций Уолша 20 3.4. Преобразователь иол—фаза .............23 4. Цифровые синтезаторы сигналов . .............24 4.1. Цифровые синтезаторы частот .... 21 4.2 Формирователи многофазных сигналов . . . 39 4.3. Синтезаторы радиосигналов е прямоугольной огибающей . . 33 Приложения. Литература. Олег Тавасович Матюшин, Александр Кириллович Нарышкин Учебное пособие по курсам -^Электронные пени и основы микропроцессоров» и оМ икроэлектронные устройства и микропроцессоры» ЦИФРОАНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СИГНАЛОВ (Кафедра радиотехнических приборов) Технический редактор Л. И Степанова. У<-ppf итор . 7 М Кдткухоеа Тем-щаи издания МЭИ 1987 г., поз 21 (учебя.) 66730. Подписано к печати 29.09.198*7 г. Формат бумаги 60/84/16 Печ. л. 2,5. Тираж ИХХ). Заказ 2181 Уч ин. л 2.0 Цена 10 коп. Типография .МЭИ, Красноказарменная, 13