Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Скачиваний:
27
Добавлен:
26.05.2014
Размер:
301.57 Кб
Скачать

100

Глава 8 дискретно-аналоговые устройства

Последние десятилетия отмечены интенсивным внедрением в радиоэлектронику цифровых методов обработки сигналов. Аналоговые сигналы в радиоэлектронных устройствах после их предварительного усиления и преобразования, как правило, превращаются в цифровую форму, в которой они далее и обрабатываются. Выходной сигнал либо остается цифровым, в частности при хранении информации, либо вновь превращается в аналоговый удобный для пользователя, например, при воспроизведении речи, музыки, изображения на телевизионном экране и т.п. Таким образом, возникает необходимость в устройствах преобразования аналоговых сигналов в цифровые и обратно. Кроме того, иногда приходится прибегать к дискретизации аналоговых сигналов с целью более удобной реализации устройств для их обработки, например, в активных фильтрах с коммутируемыми конденсаторами или в приборах с зарядовой связью. Такие устройства уже нельзя изучать с помощью методов, основанных на классических преобразованиях Фурье, Лапласа, используя комплексные и операторные коэффициенты передачи и соответствующие им переходные функции. Дискретно-аналоговые устройства, рассматриваемые в разделе 8.3, исследуются с помощью дискретного прямого и обратного Z-преобразования, которое при уменьшении интервала дискретизации превращается в интегральное преобразование Лапласа. В главе 8 рассмотрены аналого-цифровые преобразователи(АЦП), : цифро-аналоговые преобразователи(ЦАП), фильтры на коммутируемых конденсаторах.

8.1. Аналого-цифровые преобразователи

Известно, что если производится дискретизация аналогового сигнала во времени, то для его восстановления без заметной потери информации интервал дискретизации Δtдолжен удовлетворять неравенству:Δt≤1/2fВ, гдеfВ- верхняя частота спектра сигнала, выше которой его спектральные составляющие практически не учитываются ( приложение5). Дискретные отсчеты сигналаStk) должны быть превращены в цифровую форму за время интервала дискретизации Δt.Обычно используется двоичная система исчисления. Число разрядовМдвоичного числа, с помощью которого фиксируются значения в моменты дискретизации, зависит от динамического диапазона исследуемого сигнала. В зависимости от характера сигнала и необходимой точности его измерения величинаМможет быть:М=7-10 и даже больше. Это означает, что максимальная амплитуда изменения сигнала составляет 128-1024 и более нормированных единиц, а каждый элемент двоичного числа должен обрабатываться устройством АЦП за время. Если потребовать дополнительно достаточно хорошее воспроизведение импульса каждого разряда и ввести временной защитный интервал между ними, то время ΔtЦдолжно быть уменьшено. КоэффициентКтакого уменьшения составляет:К= 3-5. Отсюда инерционность АЦП или его верхняя рабочая частотаfB(раб) должна быть в 2КМраз выше верхней частоты спектра сигнала:

.

При больших значениях fB,МиКразработка аналого-цифрового преобразователя оказывается не простой задачей. Например, если спектр аналогового телевизионного сигнала без устранения в нем избыточности составляет 8 МГц, то при семиразрядном его представлении (М=7,К=5) в цифровую форму в двоичной системе исчисления потребуется инерционность АЦП, соответствующая полосе пропускания равной 0,56ГГц. При преобразовании сигнала звуковой частоты сfВ= 16 кГц без устранения в нем избыточности в цифровой при тех же значенияхМ иКпотребуется инерционность АЦП, соответствующая полосе пропускания 1,12 МГц. В связи с этим приходится разрабатывать аналого-цифровые преобразователи, исходя из достижимой на практике инерционности устройства, точности измерения аналогового сигнала, а иногда до дискретизации устранять информационную избыточность этого сигнала. В табл. 8.1. приведены верхняя частота входного сигнала, число разрядов и время преобразования ΔtЦв зависимости от области применения АЦП в различных устройствах.

Таблица 8.1

Область

применения

Число разрядов М

Время преобразования

Верхняя частота входного сигнала -Гц

радиолокация

6-8

(0,6-0,8) нс

2 10+7

Цифровое телевидение, видеотехника

10-12

(0,8-1) нс

10+7

Управление производственными процессами

10-12

(0,08-0,1)мс

100

Высококачественная звукозапись и звуковое воспроизведение

16-20

(0,25-0,3) мкс

2 10+4

электрокардиография

14

0,35 мс

100

Принято разделять аналого-цифровые преобразователи на три группы:

1.не очень высокой точности, но высокого и сверхвысокого быстродействия,

2.со средней точностью и быстродействием,

3.прецизионные устройства малого быстродействия.

Первая группа АЦП выполняется по принципу параллельного измерения сигнала, во второй используются устройства с поразрядным сравнением и вычитанием входного сигнала, в третью группу входят аналого-цифровые преобразователи с двойным интегрированием. Рассмотрим их в указанной последовательности.

1. На рис.8.1. приведена структурная схема аналого-цифрового преобразователя параллельного действия приМ=4. Из рисунка видно, что входной сигнал от источникаUCпоступает одновременно на все инвертирующие входыМ-компараторов, на неинвертирующие входы поступают напряжения с прецизионного делителя на резисторах от источника опорного напряженияUОП Число компараторов совпадает с числом разрядов преобразования аналогового сигнала в цифровой код.

ДИОДНАЯ МАТРИЦА


Рис.8.1

Сигналы на неинвертирующих входах компараторов соответствуют уровням дискретизации. Принцип работы устройства достаточно простой. Если в момент опроса сигнал UC на инвертирующем входеi-го компаратора будет больше, чем на его неинвертирующем входе, то на выходе компаратора образуется сигнал, поступающий на шину диодной матрицы соответствующей данному разряду. Если уровень сигнала ниже опорного напряженияi-го компаратора, то сигнал с его выхода на диодную матрицу не поступает. Сигналы на шинах запоминаются. По окончании дискретизации в течении времениΔtпроизводится опрос сигналов с шин диодной матрицы и превращение их в последовательный или параллельный цифровой код в статическом регистре, выход которого подключен к приемнику цифровой информации. Учет знака сигналаUCпроизводится различными способами. Например, в устройство дополнительно вводится амплитудный компаратор, оценивающий полярность входного сигнала. Если напряжениеUCв момент опроса имеет отрицательное значение, то амплитудный компаратор выдает сигнал, что приводит к изменению знака входного сигнала. При этом триггер знакового разряда статического регистра переводится в положение соответствующее отрицательному знаку входного напряженияUC.Для защиты устройства от воздействия больших уровней сигнала между входами компараторов иногда включают два параллельно и встречно-включенных диода, которые образуют вместе с резисторами амплитудный ограничитель. Однако такое включение диодов приводит к увеличению инерционности АЦП.

Разрешающая способность рассмотренного преобразователя определяется, главным образом, чувствительностью компараторов и достигает точности порядка 0,1-0,01 % .Отметим следующие положительные качества указанных преобразователей:

-простота конструктивного построения;

-возможность использования широко известных и хорошо разработанных элементов и схем,

-сравнительно высокая точность преобразования.

2. АЦП с поразрядным управлением (метод сравнения и вычитания). В преобразователях этого типа производится последовательное сравнение известных по величине эталонных сигналов (например, напряжений) с аналоговым сигналом. Если эталонный сигнал в момент опроса больше преобразуемого, то входной сигнал пропускается и для сравнения берется следующее меньшее эталонное значение напряжения. При этом на выходе преобразователя кодовый импульс не появляется и в данном разряде кода будет записан нуль. Если же эталонное напряжение меньше аналогового напряжения, то оно вычитается из последнего и на выходе появляется кодовый импульс, соответствующий единице в данном разряде цифрового эквивалента. Если ряд эталонных напряжений соответствует убывающей последовательности с основанием для двоичной последовательности (например, 512,256,128,64,32 и т.д ), то в результате на выходе преобразователя будет получено двоичное число, соответствующее входному напряжению. Принцип работы АЦП рассмотрим при преобразовании аналогового сигнала (напряжения) величиной 62 мВ в двоичный код. Сначала преобразуемый сигнал сравнивается с наибольшим эталонным равным 64 мВ. Так как 62<64, то на выходе устройства импульса нет, то в старшем разряде кода будет записан нуль. Следующий эталонный сигнал 32 мВ вычитается из входного 62 мВ. При этом на выход устройства поступает импульс представляющий разряд числа 32.Далее разность сигналов 62мВ-32мВ=30мВ сравнивается с третьим эталонным сигналом, соответствующим 16мВ. Так как 16<30, то на выход подается импульс, представляющий разряд числа 16. Разность 30мВ-16мВ=14мВ сравнивается со следующим эталонным сигналом 8 мВ и т.д. В результате на выходе получается код двоичного числа 0111110, соответствующий входному сигналу 62мВ. Кодовые импульсы с выхода устройства поступают последовательно, начиная со старшего разряда, поэтому такой преобразователь имеет последовательный во времени выход. В течение времени преобразования величина измеряемого сигнала не должна изменяться (условие малой скорости изменения входного сигнала). Поэтому необходима фиксация входного сигнала за времяΔt образования кодовой последовательности.

Существует много вариантов построения преобразователей, работающих по такому алгоритму. Операции вычитания сигналов могут быть выполнены с использованием, например, вариантов функциональной схемы рис.6.4, а сравнения – с применением компараторов.

3.Аналого-цифровые преобразователи высокой точности и малого быстродействия. Структурная схема преобразователя приведена на рис.8.2. Устройство содержит аналоговый интегратор, компаратор, схему управления, генератор счетных импульсов, счетчик, дешифратор и цифровой индикатор. Имеется два ключаК1 иК2.Cпомощью первого ключа ко входу устройства подключаются входной и эталонный сигналы:UСиUЭТ, полярность последнего противоположна полярности входного сигнала. КлючК2либо включает интегратор, либо разряжает его. Рассмотрим работу устройства. С помощью схемы управления в момент начала работыt0ключК1, переходя из нейтрального положения, подключает входной сигнал ко входу интегратора при разомкнутом ключеК2. Напряжение на выходе интегратора:

t0

где t1- момент окончания опроса.

Предполагается, что за время интегрирования входной сигнал практически не меняется (условие малой скорости изменения входного сигнала). Интервал интегрирования t1-t0жестко фиксирован. В моментt1схема управления отключает входной сигнал, переводя ключК1вправо и подключив интегратор к источнику опорного напряжения. Интегратор начинает разряжаться, напряжение на нём падает. В момент прохождения сигнала на выходе интегратора через нуль-t2компаратор образует сигнал остановки, воздействуя на схему управления. При этом ключК1переводится в нейтральное положение и производится контрольное обнуление интегратора с помощью кратковременного замыкания и размыкания ключаК2, подготовив его к новому циклу работы.

Временная диаграмма работы интегратора приведена на рис. 8.3.

Согласно рис.8.3. можно записать, что к моменту времени t2:

Следовательно, измеряемое напряжение UВХ(t0) будет:

Из последнего выражения следует, что при фиксированном интервале T1и величинеUЭТ, напряжениеUВХ(t0)пропорционально времениT2 разряда конденсатора интегратора. Схема управления включает счетчик на времяT2, который за указанный интервал подсчитывает импульсы генератора счетных импульсов (ГСИ). Количество этих импульсов пропорциональное напряжениюUВХ(t0), пройдя через дешифратор, отображается на десятичном цифровом индикаторе.

Для повышения точности измерения увеличивают частоту ГСИ.

t2

При измерении входного сигнала противоположной полярности необходимо устройство дополнить нуль–органом в виде компаратора, подключаемого ко входному сигналу. При наличии входного сигнала обратной полярности нуль-орган выдает сигнал, по которому происходит инверсия UВХ(t) и эталонного напряжения, что далее фиксируется на цифровом индикаторе.

Соседние файлы в папке САЭУ кн.2