10.4 Умножающие цап

Поскольку выходное напряжение ЦАПа пропорционально и величине Uопорное, и входному коду, значит оно пропорционально их произведению. Поэтому ЦАП производит умножение кода и опорного напряжения.

Умножающие ЦАП можно использовать как усилитель с коэффициентом усиления управляемым с помощью кода.

10.5 Параметры цап

Основные параметры ЦАП:

1) число разрядов n;

2) номинальный выходной ток (Iвых);

3) время установления после подачи кода (tуст);

4) погрешность полной шкалы (δпш);

5) погрешность линейности (δл);

Рис.10-3 Идеальная и реальная характеристики 3-х разрядного ЦАП

6) Дифференциальная нелинейность (δлд) - это наибольшая по модулю разность единичного приращения (кванта) выходного напряжения qi и среднего значения этого приращения.

тип ИС	n	Iвых, мА	tуст, мкс	Uопорное, В	δпш
К572ПА1А         К572ПА2А         К1108ПА1А	10         12         12	1         0,8         5	5         15         0,4	-17 - 17         -15 - 15         2,2 - 10,5	±30 квант         ±20 квант         ±30 квант

Таблица 11 Параметры некоторых ЦАП

Погрешность δлд для ПА1А не превышает 1 кванта, ПА1Б – 2 кванта, ПА1В – 4 кванта, ПА1Г – 8 квантов.

11 Аналого-цифровые преобразователи (АЦП)

АЦП – устройства, преобразующие аналоговый сигнал (напряжение) в соответствующий ему код (двоичный, десятичный и т.д.).

Методы преобразования:

1) последовательный счет (динамическая компенсация);

2) слежение;

3) поразрядное уравновешивание (весовой метод);

4) параллельное преобразование;

5) интегрирование.

11.1 АЦП последовательного счета

Структура такого АЦП показана на рис.10-4.

Рис.11-1 АЦП последовательного счета

На выходе счетчика появляется нарастающий код, который ЦАПом преобразуется в нарастающее напряжение Uцап. В тот момент, когда Uцап = Uвх, компаратор выдает сигнал равный "1", по которому полученный код записывается в регистр, и (с некоторой задержкой) сбрасывается счетчик. Процесс повторяется непрерывно.

Рис.11-2 Процесс преобразования в АЦП

Недостаток: время преобразования пропорционально величине сигнала Uвх, поэтому отслеживать можно только сравнительно медленные сигналы.

11.2 Следяший АЦП

В нем применяется реверсивный счетчик, переключаемый сигналом с выхода компаратора. Поэтому АЦП отслеживает изменения напряжения на входе не начиная цикл с начала.

Рис.11-3 Работа следящего АЦП

11.3 АЦП поразрядного уравновешивания

Уравновешивание начинается со старшего разряда кода на выходе АЦП; в нем устанавливается "1" и оценивается знак разности преобразуемого сигнала и уравновешивающего сигнала, формируемого в ЦАП. Если Uцап < Uвх, то "1" сохраняется, если Uцап > Uвх, то "1" сбрасывается. Затем аналогично проверяются все остальные разряды. Уравновешивание происходит за n шагов при n разрядах.

11.4. АЦП параллельного преобразования

Это самый быстрый метод: преобразование выполняется за 1 шаг.

Для построения n–разрядного АЦП параллельного преобразования требуется 2n-1 компараторов. На рис.11-4 приведена структурная схемя простейшего трехразрядного АЦП, поясняющая принцип работы. Здесь n = 3, поэтому требуется 23-1 = 7 компараторов.

Рис.11-4 Трехраэрядный АЦП поразрядного уравновешивания

В делителе верхний и нижний резисторы вдвое меньшей величины, это обеспечивает напряжение на прямых входах компаратора х+0,5В. Благодаря этому АЦП выдает напряжения с учетом правила округления (0B < Uвх <0,5B → 0B; 0,5B < Uвх < 1,5B → 1B и т.д.). Дешифратор преобразует код, поступающий с компараторов в двоичный код (таблица 12).

К7	К6	К5	К4	К3	К2	К1	D2	D1	D0
0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
0	0	0	0	0	0	1	0	0	1
0	0	0	0	0	1	1	0	1	0
0	0	0	0	1	1	1	0	1	1

Таблица 12 Преобразования выполняемые дешифратором

Параметры АЦП К1107ПВ1 (2):

ПВ1 – 6 разрядов, 63 – компаратора, tпр = 0,1 мкс.

ПВ2 – 8 разрядов, 255 – компараторов.

11.5 Интегрирующие АЦП

Они работают медленнее других АЦП, но обладают высокой помехоустойчивостью. Используются в системах выполняющих до нескольких тысяч измерений в секунду.

11.5.1 АЦП однократного интегрирования

Рис.11-5 АЦП однократного интегрирования

Алгоритм работы

На входы компаратора поступает напряжение Uвх, которое нужно преобразовать в код и напряжение от генератора линейно нарастающего напряжения Uлин. Пока Uлин < Uвх, К = 1 – идет счет импульсов. В момент времени t = t0, когда Uлин = Uвх, К = 0 – счет прекращается. Результат счета пропорционален Uвх. ГЛИН обычно строится на основе ОУ (рис.11-5). Счётчик считает импульсы ГТИ (рис.11-6) в интервале времени 0 – t0. Количество импульсов пропорционально Uвх.

Недостаток: на точность преобразования очень сильно влияет нелинейность ГЛИН.

Рис.11-6 ГЛИН-интегратор на ОУ

11.5.2 Метод двойного интегрирования

Рис.11-7 Диаграмма работы АЦП двойного интегрирования

На вход АЦП подается преобразуемое напряжение, и интегрирование производится всегда в течении одинаковых интервалов времени 0 - t1. В момент t1 ко входу интегратора прикладывается всегда одинаковое напряжение обратного знака -Uопорное. Происходит "разинтегрирование" до момента времени t2 (или t3), когда напряжение на выходе интегратора станет равным 0.

Тогда интервал времени t2 – t1 (или t3 – t1) отображает во временном масштабе Uвх. Если в течении этого интервала считать импульсы от генератора, то количество импульсов пропорционально Uвх, то есть напряжение превращено в код.

Достоинства: тактовая частота и постоянная времени ГЛИН не влияют на точность. Важно лишь, чтобы ƒТ = const в интервале времени 0 - t. Достижимая погрешность d = 0,01%.

Пример интегрирующего АЦП микросхема КР572ПВ2:

tинт = 103Т, ƒТ = 10 - 50 кГц, tинт = от 0,02с до 0,1с.

Если ƒТ = ƒпомех/n, то АЦП нечувствителен к этой помехе. Цепь интегрирования в интеграторе – навесная: С = 0,1мкФ, R1 = 47кОм (Uвх = ±0,2B), если R1 = 470кОм (Uвх = ±2В).

Линейность напряжения интегратора очень зависит от качества конденсатора С. Если применен керамический конденсатор, то d = 0,1%; полистироловый – 0,01%; полипропиленовый – 0,001%.

Тема №5: Электронные средства связи [1,7,8,].

Потребность в оперативной передаче информации на расстоя­ние возникла давно. Коренной перелом в развитии связи наступил в XIX в., когда для передачи сообщения стали применять электри­ческий ток. В первой половине XIX в. был создан электрический телеграф, во второй — телефон.

Электрической связью называют такой вид связи, при котором информацию передают на расстояния посредством электрических сигналов. Электрическую связь подразделяют на телефонную и радиосвязь

Телефонная связь.

Для передачи речи на расстояние с помощью электрического тока необходимы источник тока, передатчик речи (микрофон), приемник речи (телефон) и электрическая линия, соединяющая микрофон и телефон.

Микрофон создает электрическую копию звукового сигнала. Самый простой и самый распространенный способ перевода звука на электрический язык — это создание точной электрической копии звукового сигнала, создание такого переменного тока или такого переменного напряжения, которые следовали бы за всеми изменениями звукового давления (Р-69). Такое преобразование как раз и осуществляет микрофон. Существует несколько разных типов микрофонов, все они решают одну и ту же задачу, но используют при этом разные физические процессы. Основа угольного микрофона (Р-69; 1) —мелкий угольный порошок. Под действием звуковых волн частички порошка то сближаются, то, наоборот, несколько отходят друг от друга. При этом меняется сопротивление порошка и ток в цепи, в которую включен микрофон. Для включения угольного микрофона могут понадобиться источник постоянного тока и элемент, который сможет отделить постоянный ток от переменного, появившегося под действием звуковых колебаний. Роль такого разделителя прекрасно выполняет трансформатор, (постоянная составляющая просто не создает напряжения во вторичной обмотке), который одновременно, если нужно, может повысить переменное напряжение.

В пьезоэлектрическом микрофоне под действием звуковых волн несколько деформируется пьезокристалл и создает при этом электрическую копию звука (Р-69; 2.) В динамическом микрофоне напряжение наводится на легкой подвижной катушке, которую звуковые волны двигают в магнитном поле (Р-69; 3.). В ленточном микрофоне вместо катушки одиночный проводник, тончайшая алюминиевая ленточка (Р-69; 4). Основа электромагнитного (индукционного) микрофона — магнитная цепь из стали, в которой имеется небольшой воздушный зазор (Р-69; 5). Под действием звуковых волн стальная мембрана колеблется, воздушный зазор меняется, вместе с ним меняется магнитное сопротивление всей магнитной цепи, а значит, и общий магнитный поток. Этот поток пронизывает витки неподвижной катушки и при изменении магнитного потока в ней наводится э.д.с, создается электрическая копия звука. В конденсаторном микрофоне одна из обкладок подвижна, и под действием звуковых волн она колеблется. При этом и емкость конденсатора несколько меняется, повторяя все изменения звукового давления. Конденсатор включен в цепь постоянного тока и при изменении емкости происходит заряд или разряд конденсатора: если пластины сближаются и емкость растет, то к пластинам движутся дополнительные заряды, если пластины удаляются, то некоторое количество зарядов уходит с них.

О достоинствах или недостатках того или иного микрофона рассказывают его характеристики. Такие, например, как чувствительность — она "показывает, какое напряжение появляется на выходе микрофона при изменении звукового давления на 1 Н/м2. В корпусе некоторых микрофонов находится дополнительное оборудование (трансформатор, микрофонный усилитель), и в этом случае

Р-69

Р-70

чувствительность указывают для всего комплекса в целом (например, микрофон + трансформатор).

Еще одна важная характеристика микрофона — диаграмма направленности (Р-69; 6, 7). В некоторых случаях, например, когда микрофон установлен в зрительном зале и собирает «реакцию публики», он должен одинаково хорошо принимать звуки со всех сторон. Здесь нужен ненаправленный микрофон, его часто сокращенно обозначают буквами НН. А бывает, что нужно передать только голос певца или оратора, и тогда лучше будет работать однонаправленный микрофон ОН,— по крайней мере, он не будет собирать лишние шумы, которые приходят к нему с разных сторон. Другие важные характеристики микрофона удобнее будет представить после того, как мы познакомимся с громкоговорителями.

Громкоговоритель создает звуковую копию электрического сигнала. Многие типы электрических генераторов являются машинами обратимыми — они могут работать двигателями, если подать на них напряжение . Точно так же многие типы микрофонов могут производить обратное преобразование — создавать звуковые волны, используя энергию электрического сигнала. Если к определенным граням пьезокристалла подвести напряжение, то в результате все того же пьезоэффекта произойдет некоторая деформация кристалла. А если подвести к нему переменное напряжение, то деформация будет идти непрерывно, кристалл будет двигаться и излучать звуковые волны. Будет двигаться и создавать звук также мембрана электромагнитного (индукционного) микрофона, если по его катушке пропустить низкочастотный переменный ток. При изменении тока меняется магнитный поток катушки и мембрана то сильнее, то слабее притягивается к сердечнику электромагнита, совершает колебания (Р-69; 5). Точно так же двигается в поле магнита катушка динамического микрофона — она сама, по сути, представляет собой электромагнит. Магнитное поле катушки, а значит, и сила ее взаимодействия с внешним постоянным магнитным полем меняется при изменении тока в цепи, заставляя катушку двигаться. Именно электродинамическая система («электро» — это ясно, что такое, «динамо» — значит движение) постоянный магнит — подвижная катушка есть основа динамического громкоговорителя (динамика), самого распространенного преобразователя электрических сигналов в звук.

Радиосвязь.

Рассмотрим обобщенную структурную схему передачи информации (рис. 1.2).

Отправитель должен передать получателю сообщение c(t), которое преобразуется в сигнал s(t), проходит через передатчик, линию связи и принимается приемником. В процессе этих преобразований возникают искажения, сообщение видоизменяется – c'(t). Кроме того, на все составляющие могут воздействовать помехи (шумы) n(t).

В радиотехнических системах линией связи является так называемый "эфир": радиоволны распространяются в свободном пространстве. Поскольку исходное сообщение, как правило, имеет неэлектрическую природу и скорость его изменения относительно невелика, то для эффективной передачи по радиоканалу необходимы дополнительные преобразования (рис. 1.3).

Исходное сообщение с(t) от отправителя (О) преобразуется датчиком (Д) в электрический сигнал s(t). Кодер (Код) осуществляет кодирование сигнала для повышения эффективности передачи информации. Запоминающее устройство (ЗУ) может накапливать информацию для последующей "пакетной" передачи в течение малого интервала времени. Модулятор (Мод) и генератор несущей (ГН) служат для эффективного излучения радиосигнала через антенну передатчика (А1) в эфир.

На приемной стороне слабый полезный сигнал с помехами, принимаемый приемной антенной (А2), проходит через избирательную цепь (ИЦ), предназначенную для фильтрации и поступает на усилитель (У), увеличивающий отношение сигнал/шум. Детектор (Дет) и декодер (ДК) выделяют из сигнала полезную информацию, которая преобразуется преобразователем сигнал/сообщение (ПСС) к виду, удобному для получателя (П).

Поскольку для передачи сигнала в радиотехнике используются радиоволны, характер связи существенно зависит от их свойств.

По своей физической природе радиоволны относятся к электромагнитным поперечным волнам и на шкале электромагнитных волн (рис. 1.4) занимают участок от 100 км до 0,1 мм.

В табл. 1.2 приведена классификация радиоволн.

Таблица 1.2