Кодокеровані подільники напруги та струму

Резистивні кодокеровані подільники

Кодокеровані подільники з широтно–імпульсною модуляцією (ШІМ)

Кодокеровані подільники на базі магнітних компараторів постійного струму

Індуктивні кодокеровані подільники

Ємнісні кодокеровані подільники

Кодокеровані подільники напруги є одним із найважливіших вузлів засобів автоматизації метрологічного забезпечення. Вони призначені для перетворення поданого значення коду в аналогову величину. Існує декілька принципів побудови кодокерованих подільників (ККП):

- резистивні подільники;

- подільники з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ);

- подільники на базі магнітних компараторів струму;

- індуктивні подільники;

- ємнісні подільники.

Резистивні ККП

8.1.1.Кодокеровані магазини опору та провідності є основою багатьох ККП. На рис.8.1 зображені схеми перетворювачів коду [71].

Рис. 8.1. Перетворювачі коду: а) в опір; б) в провідність.

Рівняння перетворення кодокерованого магазину опору R_m

, (8.1)

де R – одиниця молодшого розряду (ступінь квантування); a_i=0 - при замкненому ключі і а_i=1 при розімкненому ключі; - максимальний опір магазину; m - кількість розрядів двійкового коду; µ - відносний код; .

Для магазину провідності його рівняння перетворення G_m

, (8.2)

де G – одиниця молодшого розряду (ступінь квантування); b_i=1; 0 – відповідно, при замкнених та розімкнених розрядних ключах; G_max=G(2^m-1) – максимальна провідність; N_max=2^m-1; m=N/N_max– відносний код.

Відносна похибка d_М магазину опору, зумовлена опорами замкнених r_зі та розімкнених R_рі ключів [63]

, (8.3)

де – розрядний опір магазину;

- дійсне значення опору магазина.

Перша складова у виразі (8.3) – це похибка d_зR від впливу опорів замкнених ключів r_зі, а дві других – похибка d_PR від впливу опорів розімкнених ключів. На практиці, очевидно, повинні виконуватись співвідношення r_зi<<R_i<<R_pi, тоді

, (8.4)

. (8.5)

Похибка d_зR має максимум при всіх замкнених ключах і тільки одному розімкненому (паралельно резистору з мінімальним опором)

. (8.6)

Похибка d_PR досягає максимуму, коли розімкнений ключ біля резистора з максимальною вагою 2^m-1R

. (8.7)

Відносна похибка d_G магазину провідності, зумовлена опорами замкнених г_зі та розімкнених ключів R_рі [63]

, (8.8)

де - дійсне значення провідності, відтворюваної магазином; G_i=G•2^i-1 – розрядна провідність.

У виразі (8.8) перша складова - це відносна похибка d_зG, зумовлена опорами r_зі замкнених ключів, а друга складова – похибка d_PG, зумовлена опорами розімкнених ключів

, (8.9)

. (8.10)

Максимальні значення похибок d_зG, d_PG визначимо для максимальних значень опорів замкнених ключів та мінімальних значень опорів розімкнених ключів ;

, (8.11)

. (8.12)

Для обидвох типів магазинів доцільно користуватися показником їх якості – відношенням опорів розімкнених ключів до опорів замкнених ключів

, (8.13)

де - максимальне значення зведеної похибки, зумовленої неідеальністю ключів, при умові мінімізації загальних похибок δ_R, δ_G; b_i=R_i/R_m - вагові коефіцієнти розрядів; – зведені похибки, зумовлені замкненими та розімкненими ключами.

Коефіцієнт якості показує, з якою максимальною кількістю розрядів mдоцільно будувати ЦАП на ключах вибраного типу при виконанні умови, що максимальні значення зведеної похибки, зумовленої неідеальністю ключів менші від допустимої похибки магазину , або які є вимоги до параметрів ключів, якщо потрібно побудувати перетворювач із заданою кількістю розрядів. Вимоги до ЦАП опору, зумовлені параметрами пасивних та активних складових залишкових параметрів

, (8.14)

, (8.15)

де U_М, I_М – відповідно, напруга та струм магазину опору; R₁, R_m – вагові опори першого та m -того розрядів; b₁=R₁/R_m; b_i=R_і/R_m; е_к – максимальне значення залишкової напруги ключа.

І такі ж вимоги до ЦАП провідності

, (8.16)

. (8.17)

З аналізу виразів (8.14) – (8.17), можна зробити висновок, що при одному й тому ж показнику якості в ЦАП провідності в декілька разів менші вимоги до мінімально допустимої напруги на виводах магазину U_М і це є причиною ширшого практичного використання в ЗВТ магазинів провідності, наприклад, цифрові мости [63].

8.1.2. Резистивні ККП послідовного типу складаються з двох ЦАП опору, один з яких керується прямим, а другий - інверсним кодом (рис.8.2) [71].

Коефіцієнт поділу К_пс визначається як

Рис. 8.2. Структурна схема послідовного резистивного ККП

, (8.18)

де R_N1 R_N2 – опори першого та другого ЦАП опору; R_i1, R_i2 - вагові опорі першого та другого ЦАП опору; а_i=1 - при замкненому ключі та а_i=0 – при розімкненому ключі; R_пс=R_N1+R_N2 вхідний опір ККП; N_H- максимальне значення коду; N - поточне значення коду ККП.

Абсолютна похибка δ_пс ККП від впливу перехідних опорів r_зі замкнених контактів:

. (8.19)

Абсолютна похибка D_епс від впливу залишкових е.р.с.:

. (8.20)

де е_к1і е_к2і – е.р.с. замкнених ключів першого магазинів опору.

Особливості послідовних ККП: постійне і високе значення вхідного опору; велике вплив залишкових параметрів ключів; змінний вихідний опір; послідовне з’єднання ключів, що суттєво ускладнює керування.

8.1.3. КПН на основі магазину провідності (зіркоподібний подільник) з перемикачами (рис. 8.3.а) має ряд суттєвих переваг перед послідовними та паралельними ЦАП з розривними ключами [72]. При умові рівності нулеві вихідного опору джерела сигналу його коефіцієнт передачі К_пррівний:

, (8.21)

деg_j – провідність ланки з номером j; – номінальне значення провідності g_j; d_j – відносна похибка провідностіg_j; n - кількість ланок в перетворювачі; a_j = 1, 0.

Відносна похибка δ_Rпр, зумовлена інструментальними похибками вагових резисторів

, (8.22)

де b_j=g_j/g₁ – ваговий коефіцієнт j–тої ланки; g₁ – номінальне значення провідності ланки з мінімальним ваговим коефіцієнтом; d_j – відносна похибка j-того резистора.

Вхідний опір R_вх зіркоподібного резистивного подільника

Рис. 8.3 Структура зіркоподібного подільника

, (8.23)

вихідний опір R_вих

. (8.24)

Постійність вихідного опору дає можливість зменшувати вихідну напругу при сталій вхідній шунтуванням опором R_ш виходу КПН, тоді

, (8.25)

де g_Ш – провідність шунта.

Недоліком зіркоподібного ЦАП є значна відмінність в опорах ланок (вони відрізняються між собою в b_j разів, де b_j – основа прийнятої системи числення коду керування. Значною мірою зіркоподібний ЦАП уніфікується уведенням міждекадних опорів (рис. 8.4). Такий подільник складається з однакових декад, значення опорів в яких зв'язані співвідношеннями R,=R"/в".Остання декада містить некомутовану провідність з вагою мінімальної провідності останньої декади g=gр. Значення міждекадних резисторів R вибирається з умови, щоб коефіцієнт передачі з молодшої декади в сусідню старшу декаду дорівнював 0,1

, (8.26)

деn – кількість комутованих ланок в декадi; b_j – вагові коефіцієнти всередині декади; R_n – опір ланки декади з мінімальною вагою b_j.

Рис. 8.4. Схема уніфікованого зіркоподібного подільника

Вимоги до точності міждекадних резисторів практично такі ж, як до резисторів старшої біля них декади. Вихідна напруга ЦАП, зумовлена залишковими е.р.с. ключів е_kj, рівна

. (8.27)

Через велику можливу різницю потенціалів між контактами в ключах напруги, а також значних паразитних ємностей між елементами, такі ЦАП є обмеженими за точністю та швидкодією. Крім того, в таких ЦАП розрядні струми залежать від вхідного коду, що призводить до нелінійності функції передачі, яка також залежить від температурних змін опору вагових резисторів.

8.1.4. Структурна схема ЦАП струму зображена на рис. 8.3.б. Його перевагою є інваріантність до залишкових параметрів ключів за умови великого вихідного опору генераторів струму та нульового вхідного опору навантаження. Ця властивість покладена в основу ЦАП із струмовими перемикачами (рис. 8.5). Виходи обох ЦАП підключаються до входу перетворювача струм–напруга DA1, R₀. Вихідна напруга ЦАП рис.8.5.а. при вхідному двійковому коді виражається співвідношенням

, (8.28)

де а_i=1, якщо перемикач підключає ваговий резистор R_i до входу перетворювача струм–напруга і а_i=0, якщо перемикач знаходиться в іншому положенні.

Основним недоліком ЦАП рис. 8.5.а. є велика технологічна складність у виготовлені точної резистивної матриці через значну кількість номіналів резисторів при великій кількості розрядів, особливо в інтегральному виконанні. 3 іншого боку, і з зростанням кількості розрядів суттєво зростають номінали резисторів, що збільшує похибку від впливу опорів ізоляції. Цих недоліків можна уникнути при використанні в ЦАП розрядної сітки R-2R.

Струми через резистори такого ЦАП практично не залежать від вхідного коду, що забезпечує їх однаковий температурний режим. Якщо при цьому

Рис. 8.5. ЦАП із струмовими ключами

а) з ваговими резисторами; б) із розрядною сіткою R–2R

забезпечити одинакові температурні та часові дрейфи резисторів, то суттєво покращуються метрологічні параметри ЦАП. На базі цієї схемотехніки серійно виготовляються ЦАП на 17 двійкових розрядів з інтегральною та диференціальною нелінійністю не більшою декількох тисячних процента.

Поиск по сайту: