CS254517B1

CS254517B1 - Connection of the digital analog converter for digital control current and voltage sources

Info

Publication number: CS254517B1
Application number: CS862203A
Authority: CS
Inventors: Radek Lukasek; Josef Podbrdsky
Original assignee: Radek Lukasek; Josef Podbrdsky
Priority date: 1986-03-28
Filing date: 1986-03-28
Publication date: 1988-01-15
Also published as: CS220386A1

Abstract

Podstatou zapojení je vstupní čítač, jehož hodinový vstup je spojen s hodinovým vstupem rychlého čítače a jehož výstup je spojen s hodinovými vstupy dvou sekcí integrovaného časovače, jehož výstup je spojen jednak s nastavovacím vstupem rychlého čítače, jednak s nulovacím vstupem klopného obvodu, jehož hodinový vstup je spojen s výstupem rychlého čítače a výstup je spojen s řídicím vstupem přepínače, mezi jehož dva vstupy je připojen zdroj referenčního napětí a jehož výstup je připojen přes odpor na výstupní svorku spojenou přes kondenzátor s jedním z pólů zdroje referenčního napětí. Zapojení je určeno zejména pro číslicové řízení přesných proudových a napětových zdrojů zejména elektronových mikroskopů.The essence of the connection is the input counter the hourly input is connected to the clock input counter and whose output is connected to the clock inputs of two integrated timer sections whose output is connected to the setting one counter, with zero input of the flip-flop whose hourly the input is connected to the output of the fast counter and the output is connected to the control input of the switch between the two inputs the reference source is connected voltage and whose output is connected via a resistor to the output terminal connected via a capacitor with one of the reference source poles Tension. The connection is designed especially for digital control of precise current and voltage especially electron microscopes.

Description

Vynález se týká zapojeni digitálně analogového převodníku pro číslicové řízení přesných zdrojů proudu a napětí, používaných zejména v elektronové optice.BACKGROUND OF THE INVENTION The invention relates to a digital-to-analog converter for the digital control of precise current and voltage sources used in particular in electron optics.

Řízeni přesných proudových a napětových zdrojů pro elektronově optické přístroje, zejména elektronové mikroskopy, představuje specifický problém. Na řidiči obvod jsou kladeny mimořádné požadavky zejména z hlediska krátkodobé stability a přesnosti nastavení požadované hodnoty např. řádu 10 až 10 a diferenciální nelinearity, kdy obvod musí být zaručeně monotónní v celém rozsahu, naproti tomu nejsou kladeny nároky na rychlost převodu, absolutní přesnost a linearitu převodové charakteristiky.The control of precise current and voltage sources for electron optical devices, in particular electron microscopes, presents a specific problem. The driver circuit is subject to extraordinary requirements especially in terms of short-term stability and accuracy of setpoint values, eg of the order of 10 to 10 and differential non-linearity, where the circuit must be guaranteed monotonous in its entirety. transmission characteristics.

Dosavadní stav, kdy pro číslicové řízení těchto zdrojů jsou využívány komerčně vyráběné integrované digitálně analogové převodníky, vyžaduje speciální výběr a pracné nastavení, rozdělení pracovního rozsahu do několika částí a při extrémních nárocích, vyžadujících použití 18 a vícebitových převodníků nevyhovuje z cenových důvodů.The prior art, where commercially manufactured integrated digital-to-analog converters are used for numerical control of these sources, requires special selection and laborious adjustment, division of the working range into several parts, and for extreme demands requiring the use of 18 and multi-bit converters

Tyto dosavadní nevýhody odstraňuje zapojení digitálně analogového převodníku pro číslicové řízení zdrojů proudu a napětí, jehož podstatou je, že vstupní svorka tvořící hodinový vstup vstupního čítače je spojena s hodinovým vstupem rychlého čítače, přičemž výstup vstupního čítače je spojen s hodinovými vstupy dvou sekcí integrovaného časovače, přičemž jeho první výstup je spojen s jeho druhým hradlovacím vstupem a jeho druhý výstup je spojen jednak s nastavovacím vstupem rychlého čítače a jednak s nulovacim vstupem klopného obvodu, jehož vstup je spojen s výstupem rychlého čítače a jeho výstup s logickým vstupem řízeného přepínače, jehož první dva vstupy jsou spojeny každý s jedním pólem zdroje referenčního napětí a výstup řízeného přepínače je spojen přes odpor s výstupní svorkou, která je přes kondenzátor spojena s jedním z pólů zdroje referenčního napětí.These disadvantages are eliminated by the connection of a digital-to-analog converter for digital control of current and voltage sources, which is based on the input terminal forming the clock input of the input counter being connected to the clock input of the fast counter, the input counter output being connected to the clock inputs of wherein its first output is coupled to its second gating input and its second output is coupled both to the fast counter setting input and to the flip-flop reset input, the input is coupled to the fast counter output and its output to the logic input of the controlled switch; the two inputs are each connected to one pole of the reference voltage source, and the output of the controlled switch is connected via a resistor to an output terminal that is coupled via one capacitor to one of the poles of the reference voltage source.

Výhodou tohoto zapojení je, že z principu zaručuje monotoničnost převodní charakteristiky, umožňuje programově přizpůsobit počet převáděných bitů požadované přesnosti převodu a nevyžaduje použití speciálních součástek, ani komplikovaného nastavení. Použití integrovaného časovače např. typu INTEL 8253 podstatně zjednodušuje a zlevňuje zapojení a snižuje potřebný počet součástek, zpracování několika např. 1 až 4 nejnižších bitů zvláštním rychlým čítačem umožňuje volbu vysoké základní hodinové frekvence až 32 MHz a tím dosažení poměrně rychlé odezvy a snížení nároků na filtrační obvod, potlačující střídavou složku signálu při vysokém počtu převáděných bitů.The advantage of this circuit is that it guarantees, in principle, monotonicity of the conversion characteristic, allows to programmatically adjust the number of transferred bits to the required conversion accuracy and does not require the use of special components or complicated settings. Using an integrated timer, such as INTEL 8253, simplifies and reduces wiring considerably and reduces the number of components required. The processing of several eg 1 to 4 lowest bits with a special fast counter allows the selection of a high basic clock frequency of up to 32 MHz. filter circuit suppressing the alternating component of the signal at a high number of bits to be converted.

Zapojení pro číslicové řízení přesných zdrojů proudu a napětí je naznačeno na přiloženém výkrese. Ze vstupní svorky a je přivedena základní hodinová frekvence f na hodinové, vstupy I čítačů 2 a 2· Vstupní čítač 2 je zapojen jako dělič kmitočtu v poměru 2 , kde i = 1 až 4. Integrovaný časovač 2 má použity dvě ze tří sekcí, jejichž hodinové vstupy Ο1₃ a cl₂ jsou spojeny a řízeny výstupním signálem vstupního čítače J.·The wiring for numerical control of precise current and voltage sources is indicated in the attached drawing. From the input terminal a the basic clock frequency f is fed to the clock, inputs I of counters 2 and 2 · The input counter 2 is connected as a frequency divider in the ratio 2, where i = 1 to 4. The integrated timer 2 has two of three sections. clock inputs Ο1 ₃ and cl ₂ are connected and controlled by output signal of input counter J. ·

Výstup 0^ jedné z použitých sekcí časovače 2 je spojen se vstupem G? druhé z použitých sekcí, jejíž výstup O? je spojen a řídí nastavovací vstup rychlého čítače 2 ^a nulovací vstup klopného obvodu 4. Hodinový vstup Cl₃ klopného obvodu 2 í^e spojen s výstupem BO rychlého čítače 2 ^a jeho výstup je spojen s řídicím vstupem C řízeného spínače 5. Mezi vstupy A a B řízeného spínače 5 je zapojen zdroj 10 referenčního napětí a výstup spínače 2 j^e přes odpor 6 připojen na výstupní svorku b, která je přes kondenzátor T_ spojena s jedním z pólů zdroje 10 referenčního napětí.The output 0 of one of the used sections of the timer 2 is connected to the input G? the second of the sections used, whose output O? It is coupled to and controls the setting input speed counter 2 ^and the reset input of the fourth flip-flop clock input C of flip-flop ₃ 2 s ^e connected to the output BO speed counter 2 ^and its output is connected with the control input C controlled switch 5. Between the inputs A and B controlled switch 5 is connected the reference voltage source 10 and the output switch 2 ^e j across the resistor 6 is connected to an output terminal b which is connected via a capacitor T_ connected to one pole of the source 10 of reference voltage.

Zpoždovací člen 2 logického signálu může být zapojen bud mezi vstupní svorku a a hodinový vstup CD rychlého čítače 2r nebo mezi výstup 0₂ časovače 2 a uzel spojující nastavovací vstup SET čítače 2 ^a nulovací vstup RESET klopného obvodu 4. Mezi vstupy A nebo B řízeného spínače 5 a póly zdroje 10 referenčního napětí může být v případě potřeby zařazen pevný nebo proměnný druhý odpor 2·The logic signal delay element 2 can be connected either between the input terminal a and the clock input of the quick counter CD 2r or between the output 0 _{2 of the} timer 2 and the node connecting the setting input SET of the counter 2 ^{and the} reset input RESET of flip-flop. and the poles of the reference voltage source 10 can be fitted with a fixed or variable second resistor 2, if necessary.

Vlastní zapojení pracuje následovně: Vstupní hodinový kmitočet f je prvním čítačem ,1 dělen 2¹ i = 1 až 4. Výstupní kmitočet ίθ/2¹ je použit jako hodinový kmitočet pro dvě sekce časovače První sekce časovače 2 je naprogramována jako dělička kmitočtu v poměru 2^ ¹, kde I je celkový počet převáděných bitů I-i může nabýt hodnoty max. 16. Výstup první sekce řídí hradlovaci vstup G2 druhé sekce časovače 2, která pracuje jako programovatelný dekrementující čítač.The actual wiring works as follows: Input clock frequency f is the first counter, 1 divided by 2 ¹ i = 1 to 4. Output frequency ίθ / 2 ¹ is used as the clock frequency for two timer sections The first timer section 2 is programmed as a frequency divider in ratio 2 ^ ¹ , where I is the total number of bits to be converted, Ii can have a maximum value of 16. The output of the first section controls the gating input G2 of the second section of timer 2, which operates as a programmable decrementing counter.

Do registrů časovače 2 jsou prostřednictvím datové sběrnice D^ postupně zapsány jednak dělicí poměr první děličky 2** ^x, jednak váhově nejvyšší bity převáděného čísla. Na výstupu C>2 druhé sekce časovače 2 získáváme logický signál o kmitočtu ^/2¹ a střídě odpovídající váhově nejvyšším I-i bitům zadaného čísla. Váhově nejnižší i bity zadaného čísla jsou pomocí datové sběrnice D? zapsány do registru rychlého čítače 2/ který pracuje jako dekrementující čítač se vstupním hodinovým kmitočtem f_Q a řídí zpoždění sestupné hrany výstupního logického signálu.The dividing ratio of the first divider 2 * ^x and the highest bits of the number to be transferred are written successively to the timer registers 2 via the data bus D1. At the output C> 2 of the second section of timer 2, we obtain a logic signal of frequency ^ / 2 ¹ and a duty cycle corresponding to the highest Ii bits of the given number. The lowest bits of the entered number are using the data bus D? written to the register of the fast counter 2 / which acts as a decrementing counter with the input clock frequency f _Q and controls the falling edge delay of the output logic signal.

Sečtení váhově nejvyšších I-i bitů a váhově nejnižších i bitů je provedeno pomocí klopného obvodu _4 typu D. Případný rozdíl zpoždění logického signálu a hodinového kmitočtu je možné vyrovnat zpoždovacím členem 2· Výstupní šířkově modulovaný signál ‘o kmitočtu a střídě určené zadaným I-bitovým číslem střídavě přepíná pomocí řízeného spínače 2 přes odpor £ zdroj 10 přesného referenčního napětí a bod zemního potenciálu na filtrační kondenzátor 7., připojený na výstupní svorku b.The sum of the highest Ii bits and the lowest i-bit bits is performed by a D-type flip-flop 4. Difference of logic signal delay and clock frequency can be compensated by delay element 2 · Output width modulated signal with frequency and duty cycle specified by I-bit number by means of a controlled switch 2, it switches the source 10 of the exact reference voltage and the ground potential point to the filter capacitor 7, connected to the output terminal b via a resistor 8.

Případný rozdíl odporů řízeného spínače 2 ^v obou polohách lze vyrovnat zařazením druhého odporu 2 do jednoho ze vstupů. Na výstupní svorce b je stejnosměrná složka napětí úměrná zadanému číslu, střídavá složka signálu je potlačena filtrační kapacitou kondenzátorů 7_. Tento kondenzátor lze nahradit vhodným dvojpólem kapacitního charakteru.Any difference in resistance of the controlled switch 2 ⁱⁿ both positions can be compensated by inserting the second resistance 2 into one of the inputs. At the output terminal b the DC voltage component is proportional to the entered number, the AC signal component is suppressed by the filtering capacity of the capacitors 7. This capacitor can be replaced by a suitable capacitor dipole.

Zapojení je výhodné zejména pro číslicové řízení proudových a napěťových zdrojů pro elektronové mikroskopy a jiné vědecké přístroje, kde jsou kladeny požadavky na přesnost nastavení a krátkodobou stabilitu v řádu 10^-^ až 10 ⁶, převod musí být v celém rozsahu monotónní a není na závadu doba ustálení výstupní hodnoty v řádu 0,1 až 1 s.The connection is advantageous especially for digital control of current and voltage sources for electron microscopes and other scientific instruments, where requirements are set for accuracy of adjustment and short-term stability in the order of 10 ^- ^ to 10 ⁶ , the transmission must be monotonous in its whole range and output value stabilization in the order of 0.1 to 1 s.

'rf'rf

PŘEDMĚT VYNÁLEZUSUBJECT OF THE INVENTION

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

A digital-to-analog converter for digital control of current and voltage sources, characterized in that the input terminal (a) forming the clock input (Cl) of the input counter (1) is connected to the clock input (CD) of the quick counter (3), (Q) of the input counter (1) is connected to a clock input Cl ^ Cl _2), two sections of an integrated timer (2), wherein the first output (0?) is connected with its second hradlovaoím inlet (G _2> and the second output (op is connected both to the setting input (SET) of the fast counter (3) and to the reset input (RESET) of the flip-flop (4), whose input (Cl ₃ ) is connected to the output (BO) of the fast counter (3) an output (Q ^) with a logic input (C) of the controlled switch (5), the first two inputs (A, B) of which are connected to one pole of the reference voltage source (10) and the output (V) of the controlled switch (5) through a resistor (6) with an output terminal (b) that is connected via a capacitor (7) to one of the poles of the reference voltage source (10).

Wiring according to claim 1, characterized in that either between the input terminal (a) and the input (CD) of the quick counter (3) or between the output (02) of the timer (2) and the node connecting the input (SET) of the counter (3) and the input (RESET) of the flip-flop (7) is connected by the logic signal delay element (8).

Connection according to Claims 1 and 2, characterized in that the capacitor (7) replaces a capacitive reactance dipole.

4. Connection according to claim 1, characterized in that either between the first input (A) of the controlled switch (5) and one pole of the reference voltage source (10), or between the second input (B) of the controlled switch (5) and the second pole of the source (10) a second resistor (9) is connected to the reference voltage.

1 drawing