40. Параллельные и последовательные ключи. Требования к электронным ключам.

Параллельные ключи

При замыкании ключа под действием управляющего напряжения Uвых=0

R

Uвых

П оследовательный ключ

Uвх R Uвых

1. Схема ключа на диодах

U вх R1 D1 Uвых

D2 Rн

R2

+ Uу

Плюсы:

Простота

Малое энергопотребление

Минусы:

Наличие связи Uвх и Uупр

В открытом и закрытом состояниях сопротивление схемы разное, т.е. параметры схемы влияют на Uвых через Rн и R1

Невозможны малые Uвх при наличии зоны нечувствительности

На транзисторах

+требуются малые мощности

-зависимость от температуры

3. разделитель импульсов

Требования к электронным ключам

Минимальное падение напряжение на замкнутом переключающем элементе

Минимальный ток проходящий через замкнутый переключающий элемент в разомкнутом состоянии

Максимальная скорость перехода.

41. Классификация коммутаторов опроса

Коммутаторы можно разделить на определенные группы:

-по точности:

Коммутаторы ненормируемой точности ( δ>4%) (δ это дельта)

Коммутаторы средней точности ( 1%<δ<4%)

Точные коммутаторы (0.05%< δ <1%)

Прецизионные коммутаторы (δ<0,05%)

-по амплитуде коммутируемых сигналов

Коммутаторы больших сигналов (0,1В<Uc<10В)

Коммутаторы средних сигналов (1мВ<Uc<100мВ)

Коммутаторы малых сигналов (0Uc<1мВ)

-по числу коммутируемых каналов

N>10 малоканальные

10<n<50 среднеканальные

N>50 многоканальные

-по быстродействию

Медленного Тк>0.1c

Среднего (0.1мс<Тк<0.1c)

Быстродейственные (1мкс<Тк<0.1мc)

сверхбыстродейственные (Тк<0.1мкc)

42. Аналого-цифровые преобразователи. Классы и подклассы ацп.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП, англ. Analog-to-digital converter, ADC) — устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Обратное преобразование осуществляется при помощи ЦАП

Различают сигналы:

-непрерывные (аналоговые)

-дискретные сигналы (цифровые)

-дискретно-непрерывные

Для дискретных сигналов

-определенные параметры дискретизация по уровню и по времени

- определенное число двоичных разрядов для передачи информации

-определенные параметры WDV для обработки этой инфы

АЦП делятся:

Последовательного сравнения (последовательного преобразования)

В этих ПНК происходит последовательное сравнение преобразуемых величин с единицей эталонного напряжения.

Накопительные ПНК

Циклические ПНК

Достоинства –высокая точность

Недостатки – относительно низкое быстродействие из-за большого числа сравнений.

ПНК поразрядного сравнения (поразрядное преобразование)

N=log₂n

N-кол-во двоичных разрядов

n-число шагов дискретизации.

Преобразователи последовательного преобразования угол-код

Используются когда в измерительных электромеханических устройствах выходным сигналом которого является угол поворота или перемещение.

43. Требования к ацп и характеристики ацп. Выбор схемы ацп.

Требования:

1. точность преобразования (0,01%-1,5%)

2. быстродействие (10²-10⁷ преобр/c)

3. надежность не менее 10⁵ч безотказной работы.

Характеристики АЦП:

1.Точность определяемая погрешностью

-изменением преобразуемого сигнала за время преобразования

-неточность преобразуемого сигнала за время преобразования

-неточность источника эталонного напряжения

-внутренние помехи

2. Динамическая характеристика АЦП - быстродействие.

Т=t_кв+t_в+t_о

T – время полного преобразования сигнала

t_кв - время квантования

t_в – время возвращения схемы в исходное состояние

t_о - время ожидания подачи следующего сигнала

3. чувствительность – это минимальное значение сигнала, которое может различить АЦП.Точночть сраб. нуль органа.

Способ представления информации на выходе преобразователя.

44. Цифро-аналоговые преобразователи. Схемы суммирования по току и напряжению. Погрешности преобразования.

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) — устройство для преобразования цифрового (обычно двоичного) кода в аналоговый сигнал (ток, напряжение или заряд). Цифро-аналоговые преобразователи являются интерфейсом между дискретным цифровым миром и аналоговыми сигналами.

Звуковой ЦАП обычно получает на вход цифровой сигнал в импульсно-кодовой модуляции (англ. PCM, pulse-code modulation). Задача преобразования различных сжатых форматов в PCM выполняется соответствующими кодеками.

ЦАП применяется всегда, когда надо преобразовать сигнал из цифрового представления в аналоговое, например, в проигрывателях компакт-дисков (Audio CD).

Наиболее общие типы электронных ЦАП:

Широтно-импульсный модулятор — простейший тип ЦАП. Стабильный источник тока или напряжения периодически включается на время, пропорциональное преобразуемому цифровому коду, далее полученная импульсная последовательность фильтруется аналоговым фильтром нижних частот. Такой способ часто используется для управления скоростью электромоторов, а также становится популярным в Hi-Fi-аудиотехнике;

ЦАП передискретизации, такие как дельта-сигма-ЦАП, основаны на изменяемой плотности импульсов. Передискретизация позволяет использовать ЦАП с меньшей разрядностью для достижения большей разрядности итогового преобразования; часто дельта-сигма ЦАП строится на основе простейшего однобитного ЦАП, который является практически линейным. На ЦАП малой разрядности поступает импульсный сигнал с модулированной плотностью импульсов (c постоянной длительностью импульса, но с изменяемой скважностью), создаваемый с использованием отрицательной обратной связи. Отрицательная обратная связь выступает в роли фильтра верхних частот для шума квантования.

Большинство ЦАП большой разрядности (более 16 бит) построены на этом принципе вследствие его высокой линейности и низкой стоимости. Быстродействие дельта-сигма ЦАП достигает сотни тысяч отсчетов в секунду, разрядность — до 24 бит. Для генерации сигнала с модулированной плотностью импульсов может быть использован простой дельта-сигма модулятор первого порядка или более высокого порядка как MASH (англ. Multi stage noise SHaping). С увеличением частоты передискретизации смягчаются требования, предъявляемые к выходному фильтру низких частот и улучшается подавление шума квантования;

ЦАП взвешивающего типа, в котором каждому биту преобразуемого двоичного кода соответствует резистор или источник тока, подключенный на общую точку суммирования. Сила тока источника (проводимость резистора) пропорциональна весу бита, которому он соответствует. Таким образом, все ненулевые биты кода суммируются с весом. Взвешивающий метод один из самых быстрых, но ему свойственна низкая точность из-за необходимости наличия набора множества различных прецизионных источников или резисторов и непостоянного импеданса. По этой причине взвешивающие ЦАП имеют разрядность не более восьми бит;

ЦАП лестничного типа (цепная R-2R-схема). В R-2R-ЦАП значения создаются в специальной схеме, состоящей из резисторов с сопротивлениями R и 2R, называемой матрицей постоянного импеданса, которая имеет два вида включения: прямое — матрица токов и инверсное — матрица напряжений. Применение одинаковых резисторов позволяет существенно улучшить точность по сравнению с обычным взвешивающим ЦАП, так как сравнительно просто изготовить набор прецизионных элементов с одинаковыми параметрами. ЦАП типа R-2R позволяют отодвинуть ограничения по разрядности. С лазерной подгонкой резисторов на одной подложке достигается точность 20-22 бита. Основное время на преобразование тратится в операционном усилителе, поэтому он должен иметь максимальное быстродействие. Быстродействие ЦАП единицы микросекунд и ниже (то есть наносекунды);

ЦАП с суммированием напряжений

    Схема восьмиразрядного преобразователя с суммированием напряжений, изготавливаемого в виде ИМС, приведена на рис. 12. Основу преобразователя составляет цепь из 256 резисторов равного сопротивления, соединенных последовательно. Вывод W через ключи S₀:S₂₅₅ может подключаться к любой точке этой цепи в зависимости от входного числа. Входной двоичный кодD преобразуется дешифратором 8х256 в унитарный позиционный код, непосредственно управляющий ключами. Если приложить напряжение U_AB между выводами А и В, то напряжение между выводами W и B составит

U_WB=U_ABD.

    Достоинством данной схемы является  малая дифференциальная нелинейность и гарантированная монотонность   характеристики преобразования. Ее можно использовать в качестве резистора, подстраиваемого цифровым кодом. Выпускается несколько моделей таких ЦАП. Например, микросхема AD8403 содержит четыре восьмиразрядных ЦАП, выполненных по схеме на рис. 8.12, с сопротивлением между выводами А и В 10, 50 либо 100 кОм в зависимости от модификации. При подаче активного уровня на вход "Экономичный режим" происходит размыкание ключа S_откл и замыкание ключа S₀. ИМС имеет вход сброса, которым ЦАП можно установить на середину шкалы. Фирма Dallas Semiconductor выпускает несколько моделей ЦАП (например, сдвоенный DS1867) с суммированием напряжений, у которых входной регистр представляет собой энергонезависимое оперативное запоминающее устройство, что особенно удобно для построения схем с автоматической подстройкой (калибровкой). Недостаток схемы - необходимость изготавливать на кристалле большое количество (2^N) согласованных резисторов. Тем не менее, в настоящее время выпускаются 8-ми, 10-ти и 12-ти разрядные ЦАП данного типа с буферными усилителями на выходе, например, AD5301, AD5311 и AD5321.

ЦАП с суммированием весовых токов

    Большинство схем параллельных ЦАП основано на суммировании токов, сила каждого из которых пропорциональна весу цифрового двоичного разряда, причем должны суммироваться только токи разрядов, значения которых равны 1. Пусть, например, требуется преобразовать двоичный четырехразрядный код в аналоговый сигнал тока. У четвертого, старшего значащегоразряда (СЗР) вес будет равен 2³=8, у третьего разряда - 2²=4, у второго - 2¹=2 и у младшего (МЗР) - 2⁰=1. Если вес МЗР I_МЗР=1 мА, то I_СЗР=8 мА, а максимальный выходной ток преобразователя I_{вых.макс}=15 мА и соответствует коду 1111₂. Понятно, что коду 1001₂, например, будет соответствовать I_вых=9 мА и т.д. Следовательно, требуется построить схему, обеспечивающую генерацию и коммутацию по заданным законам точных весовых токов. Простейшая схема, реализующая указанный принцип, приведена на рис. 3.

    Сопротивления резисторов выбирают так, чтобы при замкнутых ключах через них протекал ток, соответствующий весу разряда. Ключ должен быть замкнут тогда, когда соответствующий ему бит входного слова равен единице. Выходной ток определяется соотношением

    При высокой разрядности ЦАП токозадающие резисторы должны быть согласованы с высокой точностью. Наиболее жесткие требования по точности предъявляются к резисторам старших разрядов, поскольку разброс токов в них не должен превышать тока младшего разряда. Поэтому разброс сопротивления в k-м разряде должен быть меньше, чем

R / R=2^-k.

    Из этого условия следует, что разброс сопротивления резистора, например, в четвертом разряде не должен превышать 3%, а в 10-м разряде - 0,05% и т.д.

    Рассмотренная схема при всей ее простоте обладает целым букетом недостатков. Во-первых, при различных входных кодах ток, потребляемый от источника опорного напряжения (ИОН), будет различным, а это повлияет на величину выходного напряжения ИОН. Во-вторых, значения сопротивлений весовых резисторов могут различаться в тысячи раз, а это делает весьма затруднительной реализацию этих резисторов в полупроводниковых ИМС. Кроме того, сопротивление резисторов старших разрядов в многоразрядных ЦАП может быть соизмеримым с сопротивлением замкнутого ключа, а это приведет к погрешности преобразования. В-третьих, в этой схеме к разомкнутым ключам прикладывается значительное напряжение, что усложняет их построение.