Процессы переключения компараторов.

Если входной сигнал будет изменяться очень медленно, то при достижении уровня входного сигнала опорному, выход компаратора может многократно с большой частотой менять свое состояние под действием незначительных помех (так называемый "дребезг"). Для устранения этого явления в схему компаратора вводят положительную обратную связь (ПОС), которая обеспечивает характеристике компаратора небольшой гистерезис, то есть небольшую разницу между входными напряжениями включения и отключения компаратора. Некоторые типы компараторов уже имеют встроенную, упомянутую выше ПОС. Её можно так же ввести в схему компаратора при необходимости, например, как изображено на рисунке ниже.

Рисунок 3. Схема включения в компаратор ПОС (гистерезиса).

На рисунке 3 приведена схема включения компаратора с открытым коллектором на выходе, переходная характеристика которой имеет гистерезис (рис. 3б). Пороговые напряжения для этой схемы определяются по формулам;

Хотя гистерезис вносит небольшую задержку в переключении компаратора, но благодаря ему, существенно уменьшается или даже устраняется полностью "дребезг" выходного напряжения.

Чтобы выходной сигнал компаратора изменился на конечную величину |U¹_вых - U⁰_вых| при бесконечно малом изменении входного сигнала, компаратор должен иметь бесконечно большой коэффициент усиления (эпюра 1 на рис. 2) при полном отсутствии шумов во входном сигнале. Такую характеристику можно имитировать двумя способами - или просто использовать усилитель с очень большим коэффициентом усиления, или ввести положительную обратную связь.

Рассмотрим первый путь. Как бы велико усиление не было, при U_вх близком к нулю характеристика будет иметь вид рис. 1а. Это приведет к двум неприятным последствиям. Прежде всего, при очень медленном изменении U_вх выходной сигнал также будет изменяться замедленно, что плохо отразится на работе последующих логических схем (эпюра 2 на рис. 2). Еще хуже то, что при таком медленном изменении Uвх около нуля выход компаратора может многократно с большой частотой менять свое состояние под действием помех (так называемый "дребезг", эпюра 3). Это приведет к ложным срабатываниям в логических элементах и к огромным динамическим потерям в силовых ключах. Для устранения этого явления обычно вводят положительную обратную связь, которая обеспечивает переходной характеристике компаратора гистерезис (рис. 1б). Наличие гистерезиса хотя и вызывает некоторую задержку в переключении компаратора (эпюра 4 на рис. 2), но существенно уменьшает или даже устраняет дребезг U_вых.

В качестве компаратора может быть использован операционный усилитель (ОУ) так, как это показано на рис. 3. Усилитель включен по схеме инвертирующего сумматора, однако, вместо резистора в цепи обратной связи включены параллельно стабилитрон VD₁ и диод VD₂.

Рис. 3. Схема компаратора на ОУ

20.Устройства выборки-хранения. Основные параметры УВХ, требования, предъявляемые к характеристикам отдельных узлов. Привести пример замкнутой схемы выборки хранения. Пояснить какие погрешности возникают при запоминании выборок аналогового сигнала и почему. Для чего используют замкнутые схемы УВХ и в чем их отличия от разомкнутых.

Устройства выборки-хранения

Назначение - дискретизация аналоговых сигналов во времени и запоминание напряжения для последующей обработки в АЦП. Представляет собой устройство, которое имеет вход и выход аналогового сигнала, а также вход управляющего сигнала. Оно имеет два устойчивых режима работы. В

режиме выборки (или слежения) выходной сигнал с максимально возможной для конкретного устройства скоростью достигает значения входного сигнала и затем отслеживает его до тех пор, пока не придет команда на хранение. С этого момента УВХ будет хранить предыдущее значение входного сигнала.

На рис.2. представлена функциональная схема простейшего УВХ разомкнутого типа.

Входной сигнал через буферный усилитель (БУ1) с коэффициентом усиления К=1 поступает на вход аналогового ключа S. К выходу аналогового ключа подключен конденсатор Схр, который вы-полняет функцию элемента хранения, и через БУ2 выход устройства. На второй вход аналогового ключа (управляющий) подается сигнал управления. Размыкание и замыкание ключа определяется уровнями сигнала управления. По сигналу управления УВХ совместимы со стандартными логиче- скими уровнями (обычно с ТТЛ). Логическая “1”, как правило, соответствует режиму “выборка”, а логический “0” - режиму хранения. Временные диаграммы работы идеализированного УВХ показа-ны на рис.3.

При подаче на управляющий вход импульса управления выборкой ключ замыкается, и конден-сатор Схр заряжается через малое внутреннее сопротивление БУ1 и S от источника входного сигнала. БУ1 исключает влияние внутреннего сопротивления источника сигнала на время заряда конденсато-

ра. Чтобы конденсатор не разряжался при переходе из режима выборки в режим хранения через со-противление нагрузки (устройства подключенного к выходу УВХ) предназначен БУ2, входное со-противление которого должно быть велико. Тогда разряд конденсатора на интервале хранения будет мал и напряжение на конденсаторе будет изменяться незначительно.

В реальных УВХ выходной сигнал может существенно отличаться от идеального, что опреде-ляется несовершенством устройства и его погрешностями. Возникают погрешности хранения, обу-словленные токами утечки разомкнутого ключа, входными токами буферного усилителя (БУ2), то-

ками саморазряда конденсатора. Кроме того, из-за наличия напряжения смещения возникает посто-янная составляющая выходного напряжения УВХ. Выходное напряжение реального УВХ показано на рис.4.

В реальных УВХ после окончания импульса выборки ключ закрывается не сразу, а некоторое время его сопротивление изменяется от минимального до максимального. В это время, называемое апертурным, на выходе УВХ напряжение изменяется и сохраняется неопределенность между вход-ным и выходным напряжениями. Разомкнутая схема УВХ обеспечивает точность работы достаточ-ную для использования с 8...10 разрядными АЦП.

Для уменьшения погрешностей выборки и хранения используют замкнутые УВХ, функцио-нальная схема которого показана на рис.5. Применение дифференциального усилителя на входе и общей отрицательной обратной связи позволяет компенсировать напряжение смещения выходного буферного усилителя и увеличить точность слежения в режиме выборки. Схема позволяет реализо-вать коэффициент передачи Кпер=1+(R2/R1). При выполнении условия R2=0 (R1 отсутствует) Кпер=1.

Такая схема обеспечивает точность достаточную для работы с 12 разрядными АЦП. Более сложные схемы, позволяющие увеличить точность работы можно найти в [1].

Сравнивая замкнутую и разомкнутую схемы УВХ, следует отметить, что быстродействие ра-зомкнутых УВХ выше, хотя нелинейность амплитудной характеристики, ошибка слежения и напря-жение смещения больше. В интегральном исполнении выпускается УВХ типа КР1100СК2, функцио-

нальная схема которой приведена на рис.6.

21.Аналого-цифровые преобразователи. Для чего предназначены АЦП. Общие принципы построения АЦП (дискретизация во времени и квантование по уровню).

Функциональная схема параллельного 2-разрядного АЦП. Привести пример построения кодирующей логики. Основные характеристики таких АЦП (сравнить с характеристиками других типов АЦП). Функциональная схема АЦП развертывающего уравновешивания. Основные характеристики таких АЦП (сравнить с характеристиками других типов АЦП). Временные диаграммы работы в различных точках схемы. АЦП двойного интегрирования (с двукратным интегрированием). Дать краткое описание принципа действия, привести пример функциональной схемы и аналитические соотношения для определения входного напряжения. Основные достоинства таких АЦП. Функциональная схема АЦП c промежуточным преобразованием напряжения в частоту. Преобразователь напряжения в частоту с поочередным интегрированием. Привести функциональную схему преобразователя, временные диаграммы его работы и соотношения между входным напряжением и выходной частотой. Функциональная схема АЦП c промежуточным преобразованием напряжения в период. Пример реализации преобразователя напряжения в период.

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) предназначены для преобразования аналоговой величины в цифровой код. Другими словами, АЦП - это устройства, которые принимают аналоговые сигналы и генерируют соответствующие им цифровые.

Пусть, к примеру, есть какой-то сигнал (непрерывный) и для преобразования его в цифровой необходимо этот самый сигнал представить в виде последовательности определенных чисел, каждое из которых относится к определенному моменту времени.

Для преобразования аналогового (непрерывного) сигнала в цифровой необходимо выполнить две операции: дискретизация, квантование. То есть структурную схему АЦП можно представить в виде рис. 22.1.

Рисунок 22.1 – Структурная схема АЦП

Дискретизация – это представление непрерывной функции (т.е. какого-то сигнала) в виде ряда дискретных отсчетов. По-другому можно сказать, что дискретизация – это преобразование непрерывной функции в непрерывную последовательность отсчетов. На рисунке 22.2 изображен принцип дискретизации.

а) б) в)

Рисунок 22.2 – Принцип равномерной дискретизации:

сигнал до дискретизации (а),

дискретизация сигнала S(t) на промежутки равные ( б),

сигнал S(t) после дискретизации(в)

На рисунке показана наиболее распространненая равномерная дискретизация. Сначала имеется непрерывный сигнал S(t). Затем он подвергается разбиению на равные промежутки времени . Вот эти промежутки и есть дискретные отсчеты, называемые периодами дискретизации. В результате получается последовательность отсчетов (дискретных) с шагом в . По сути в основе дискретизации непрерывных сигналов лежит возможность представления их, т. е. сигналов в виде взвешенных сумм некоторых коэффициентов, обозначим их как , иначе называемых отсчетами, и набора элементарных функций, обозначим их как ,используемых при восстановлении сигнала по его отсчетам.

Период дискретизации выбирается исходя из выражения:

,

где F_в - максимальная частота спектра сигнала. Это выражение называется теоремой Котельникова. Теорема звучит следующим образом: Любой непрерывный сигнал можно абсолютно точно восстановить на выходе идеального полосового фильтра (ПФ) с полосой , если дискретные отсчеты взяты через интервал .

А это значит, что частота дискретизации должна быть вдвое больше максимальной частоты сигнала. На практике, например, это хорошо иллюстрирует обычный компакт диск (КД или CD) или, как его называют, AudioCD. КД записывают с частотой дискретизации 44,1 кГц. А это значит, что максимальная верхняя частота будет равна 22 кГц, что, как считается, вполне достаточно для уха человека (частотный диапазон для уха человека равен 20...20 000 Гц).

При квантовании шкала сигнала разбивается на уровни. Отсчеты помещаются в подготовленную сетку и преобразуются в ближайший номер уровня квантования. Рассмотрим рисунок 22.3, на котором продемонстрирован процесс квантования. Разделим отрезок на 16 частей.

Рисунок 22. 3 – Процесс квантования

На рисунке изображено равномерное квантование. Одним из основных параметров является шаг квантования . При равномерном квантовании шаг квантования одинаков. Итак, согласно определению записываем отсчеты в подготовленную сетку. Первый (слева направо) отсчет находится ближе к уровню 0001 (уровни квантования – по вертикальной оси). Второй – к уровню 0010 и т.п. Таким образом, вместо последовательности отсчетов получаем последовательность чисел, соответствующих уровням квантования.

При равномерном квантовании динамический диапазон получается довольно большим, а это не очень хорошо. Поэтому придумали так называемое неравномерное квантование, при котором динамический диапазон уменьшается. Понятно, что шаг квантования будет различным при различных уровнях. При малых уровнях сигнала шаг небольшой, при больших он увеличивается. На практике же неравномерное квантование практически не используется.