Недорогие 16-разрядные монолитные ЦАП могут использоваться практически во всех приложениях. Однако некоторые приложения требуют нестандартных подходов. Этот статья касается схемы, которую я недавно разработал для управления перестраиваемым лазерным диодом в спектрометре, предназначенном для исследования Марса. Схема управления включала два 16-разрядных ЦАП, подключенных к микроконтроллеру 69RH051 – радиационно-стойкой версии 8051. Из-за космического предназначения прибора в проекте могли использоваться только компоненты, входящие в NPSL (NASA parts-selection list – ограничительный перечень NASA). Это ограничение представляло собой проблему, поскольку на момент завершения разработки в NPSL еще не было соответствующих 16-разрядных ЦАП, а средства для сертификации новых устройств не были включены в бюджет. Я вырвался из этого тупика, воспользовавшись двумя благоприятными фактами. Частота обновления двух ЦАП составляла всего 10 Гц, а 69RH051A имел несколько неиспользованных выходов 8-битных 14.5-килогерцовых ШИМ. С помощью комбинации этих выходов был сделан один 16-битный ЦАП (Рисунок 1).
 |
||
| Рисунок 1. | Комбинация двух выходов ШИМ микроконтроллера образует монотонный 16-битный ЦАП. |
|
Шина питания VCC микросхемы IC1, содержащей шесть инверторов, подключается к прецизионному источнику опорного напряжения (ИОН) 5 В. Выходные сигналы инверторов представляют собой прямоугольные импульсы с точными аналоговыми уровнями. Выход ШИМ PWM0, соответствующий младшему байту ЦАП, управляет прямоугольными импульсами V3, а выход 8051, отвечающий за старшие разряды ЦАП (PWM1), управляет прямоугольными импульсами V1. R2 и R6 пассивно суммируют два меандра в соотношении R2/R6 = 3290/1 млн = 1/255, чтобы получить сигнал V4, дублирующий 28-кратную пропорцию 16-битной суммы. Эта операция делает постоянную составляющую напряжения V4 равной 5 В(ИОН)(PWM0 + 255PWM1)/256. Так, если вы записываете 0…255 (старший байт кода ЦАП 0…65,535) в регистр CEX1 контроллера 8051, а младший байт записываете в CEX0, соответствующее 16-битное аналоговое представление будет содержаться в постоянной составляющей V4. Единственным фактором, ограничивающим монотонность и точность схемы, является точность соотношения сопротивлений резисторов R2 и R6. Например, разрешение ЦАП при использовании резисторов R2 и R6 с допуском 1% составляет 14.5 бит, и достигает полных 16 бит при допуске 0.3% или лучше. Но на этом история не заканчивается. Остаются нерешенными две проблемы.
Первая проблема заключается в извлечении из мешающих прямоугольных импульсов полезной компоненты постоянного тока V4 с точностью соответствующей 16 или, по крайней мере, 15 битам (99.995%). Часть этой работы выполняет фильтр нижних частот R3-C9. В принципе, если выбрать емкость C9 достаточно большой, фильтр может сделать всю работу. Причина, по которой этот простой подход не сработает, заключается в том, что для получения такого большого ослабления пульсаций, равного приблизительно 90 дБ, с помощью однокаскадного RC-фильтра потребуется постоянная времени порядка 300 мс, которой соответствует время установления 3 секунды. Такое время отклика будет слишком большим даже для этого нетребовательного приложения. Чтобы ускорить процесс, цепь R4, R5, R7, C8 синтезирует, а затем суммирует V2 – дубликат обратной полярности переменной составляющей V4 с частотой 14.5 кГц. Это суммирование активно компенсирует примерно 99% пульсаций. После такой компенсации остаточные пульсации настолько малы, что они могут быть легко удалены цепочкой R3C9 с постоянной времени 2 мс, то есть, с временем установления примерно 25 мс.
Другая проблема – компенсация низких, но все же отличных от нуля сопротивлений открытых внутренних КМОП ключей микросхемы 54HC14, необходимая для того, чтобы эти сопротивления не нарушали критического соотношения R2 и R6. Для R6 это не имеет особого значения, поскольку отношение сопротивления R6 к сопротивлению открытого ключа превышает 10,000:1, что позволяет любую ошибку, связанную с сопротивлением канала, не принимать в расчет. Однако этого нельзя сказать про R2, поскольку, несмотря на параллельное соединение трех вентилей, отношение сопротивления R2 к сопротивлению открытых ключей составляет приблизительно 300:1, что достаточно мало, чтобы не обращать на него внимания. Эта проблема решается компенсационным резистором R1. R1 в управляющем узле R2 суммирует ток, равный по величине, но противофазный току, идущему через R6, и эффективно компенсирует нагрузку на выходы вентилей, подключенных к R2. Поэтому влияние общего сопротивления открытых ключей ослабляется примерно в 100 раз. В результате получается простой, высоколинейный и точный ЦАП с выходом по напряжению, не очень быстрый, но все же с достаточно респектабельным временем установления около 25 мс. А самым важным результатом, в данном случае, был перечень компонентов с безупречным соответствием NPSL.
