
Дискретно-аналоговые устройства
Дискретные преобразователи аналоговых сигналов
В электронной аппаратуре широко применяются экономичные устройства на базе полупроводниковых приборов, работающих в режиме переключения при воздействии импульсных сигналов, которые гарантируют высокую помехоустойчивость при их преобразовании и передаче.
Дискретные (импульсные) устройства оперируют с импульсными последовательностями, параметр которых изменяется (модулируется) в соответствии с аналоговыми информационными сигналами. В качестве информационного параметра последовательности импульсов, например, прямоугольной формы может быть амплитуда, длительность, частота следования импульсов. Частотно-временное представление сигналов характеризуется точностью преобразования и высокой помехоустойчивостью. Последовательности с модуляцией частоты следования (ЧИМ) или ширины (ШИМ) импульсов нашли применение в системах обработки на основе микропроцессоров, обладающих возможностью реализации встроенных функций и имеющих порты приема ЧИМ или ШИМ сигналов.
Дискретные (цифровые) устройства различного назначения на основе микропроцессоров служат основой большинства современных систем обработки информации и управления. В общем случае аналого-цифровая система обработки информации включает аналоговые устройства, цифровой вычислитель (микропроцессорную систему), а также преобразователь аналогового сигнала в числовую последовательность и блок восстановления непрерывного сигнала по его цифровому представлению (рис.13.1).
Рис.13.1. Структура аналого-цифровой системы
Н
u
Аналоговые частотнозовисимые устройства предварительной обработки сигналов (усиления, фильтрации) преимущественно строятся на основе операционных усилителей с резистивно-емкостными цепями обратной связи. Качественные характеристики можно получить при использовании высокоточных резисторов, которые занимают большие площади на кристалле и трудно реализуются в интегральной технологии. Для преобразования сигналов используют цепи с коммутируемыми или переключаемыми конденсаторами (ЦПК), полностью выполненные по МДП технологии. Коммутируемые с помощью быстродействующих ключей конденсаторы имитируют высокоточные резисторы. Принцип моделирования процессов в резисторе с помощью цепи на переключаемых конденсаторах (ЦПК) базируется на выражении среднего тока конденсатора через изменение его заряда и разности потенциалов на зажимах iср = q/T = C/T, которое можно представить в форме соотношения для резистора iср = u/RC , где RC = T/C.
Совместную работу аналоговых и цифровых устройств обеспечивают самые различные элементы и блоки сопряжения с кнопками управления и клавиатурой, релейными схемами, системами индикации и отображения информации, аналого-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) сигналов.
Простые устройства внешнего ввода сигналов в цифровые устройства реализуются на отдельных логических элементах или с использованием буферных усилителей периферийных устройств. При этом решаются вполне конкретные задачи: исключение дребезга контактов механических переключателей, обеспечение требуемой для управления мощности и скорости переключения. Так, ввод цифровых сигналов с помощью механических ключей (кнопок) осуществляется по простой схеме (рис. 13.2,а).
Рис 13.2. Механический ввод сигналов (а) и схема защиты от “дребезга” контактов (б)
Вход инвертора при замкнутом ключе имеет нулевой потенциал (низкий уровень напряжения), а при разомкнутом ключе он через резистор R1 подключен к источнику напряжения, обеспечивающему единичный уровень входного сигнала. Очевидно, что элементы задающего устройства должны обеспечить стандартные уровни входных напряжений и токов для конкретной серии логических элементов. Например, при реализации на базе КМОП инвертора, практически не потребляющего ток по входу, сопротивление резистора R1 можно выбрать достаточно большим, что гарантирует в режиме ввода нуля малое потребление тока I 0 = U 0 / R1.
Основным недостатком устройства непосредственного ввода сигналов с помощью механической клавиши (ключа) является образование помех вследствие эффекта «дребезга» контактов, т.е. спонтанного замыкания и размыкания контакта более 10 раз за время примерно 10 мс. Возникающие дополнительные паразитные импульсы могут вызвать ложные срабатывания последующих устройств. Для устранения помех от дребезга контактов создано множество схем защиты, входящих в состав цифровых систем или реализуемых на отдельных компонентах. Короткие паразитные импульсы подавляются с помощью резистивно-емкостной схемы задержки, включенной на входе триггера Шмитта, проходная характеристика которого имеет зону нечувствительности (рис.13.2,б).
Управление цифровой логикой с помощью аналогового сигнала требует выделения единичного и нулевого уровней напряжения. В качестве элемента, различающего превышение непрерывным сигналом uс уровня срабатывания цифровой логики uп можно использовать операционный усилитель, на входы которого поданы анализируемое uс и опорное uоп = uп напряжения, а выход через резистор подключен к входу инвертора (рис.13.3,а).
Рис.13.3. Преобразователь напряжения в цифровые уровни на ОУ (а), компаратор (б)
Приведенная схема применима только в устройствах, допускающих согласование выходных параметров ОУ с входными ЛЭ. Например, с помощью ОУ при однополярном питании несложно получить напряжения, уровни которых обеспечивают функционирование КМОП инвертора. Обычно используется специальный элемент – компаратор, осуществляющий сравнение напряжения с опорным уровнем и выдающим логические уровни напряжения uц = U 1 при uс – Uоп > 0 и uц = U 0 при uс – Uоп < 0 (рис.13.3,б). Выходные каскады выпускаемых компараторов согласованы по уровням и мощности сигналов с соответствующими сериями цифровой логики.
Цифровой сигнал с выхода логического устройства может быть использован для управления различными устройствами (реле, оптронами) и элементами индикации (лампами, светоизлучающими диодами). При этом нагрузочный элемент подключается либо непосредственно к шине электропитания и выходу ЛЭ (рис.13.4,а), либо через дополнительные буферные усилители или приемопередатчики (transceiver), увеличивающие нагрузочную способность выходной логики (рис.13.4,б).
Рис.13.4. Подключение нагрузки к ЛЭ (а) и с помощью буферного элемента (б)
Типичной операцией обработки информации в различных областях техники (цифровых измерительных приборах, устройствах числового программного управления технологическим оборудованием, цифровой аудио- и видеотехнике, телефонии, телевидении) является взаимное преобразование аналоговых и цифровых сигналов.
Аналого-цифровой преобразователь как элемент электронной техники (функционально завершенная микросхема) характеризуются системой общепринятых для ИМС параметров: напряжениями источников электропитания и потребляемыми токами, входными и выходными напряжениями высокого и низкого уровней, максимальной частотой преобразования и т.п. Набор параметров должен при оговоренных допущениях полностью описывать работу преобразователя в статическом и динамическом режимах. На начальном этапе развития цифровых систем аналого-цифровые преобразователи преимущественно применялись в средствах измерения, и для их описания использовалась терминология, принятая в теории измерений. В качестве основных данных, отражаемых в нормативно-технической документации, служили точностные параметры: нелинейность статической проходной характеристики, абсолютная погрешность в конечной точке шкалы и другие.
Процедура преобразования аналогового напряжения в цифровую форму содержит ряд операций (дискретизацию, квантование, кодирование), осуществляемых соответствующими преобразователями (рис.13.5).
Рис.13.5. Структура аналого-цифрового преобразования
Подаваемое на вход АЦП аналоговое напряжение предварительно необходимо усилить до требуемого уровня и ограничить его частотный спектр (снизить высокочастотные составляющие с помощью ФНЧ) для устранения наложения спектров при дискретизации.
Устройство выборки-хранения (УВХ) осуществляет дискретизацию аналогового сигнала (взятие выборок с интервалом времени Т ) и запоминание отсчётов (значений в фиксированные моменты времени). УВХ может быть выполнено на основе полупроводникового ключа на МОП транзисторе и конденсатора, подключенного к входу и операционного усилителя (рис.13.6,а).
Рис.13.6. Устройство выборки-хранения (а) и диграммы его работы (б)
За время действия короткого тактирующего импульса uупр конденсатор заряжается до значения входного напряжения u1(nT). По окончании импульса транзистор запирается и напряжение конденсатора, практически на изменяясь u2(t) = u1(nT) , передается на выход операционного усилителя, включенного по схеме повторителя напряжения.
Квантователь
предназначен для распределения амплитуд
дискретных выборок по уровням с заданным
шагом. Диапазон непрерывных значений
входного сигнала U
= (Umax
–
Umin)
подразделяется на N
равных интервалов с шагом квантования
.
Если входное напряжение удовлетворяет
условию
,
т. е. находится в k-м
интервале, то выходной сигнал принимает
значение Uк
= kh.
Проходная характеристика квантователя,
реализующего указанную операцию, имеет
вид ступенчатой (нелинейной) зависимости
(рис.13.7,а).
Рис.13.7. Характеристика (а) и реализация (б) квантователя
Для удобства последующего двоичного кодирования общее число уровней дискретизации выбирается из условия N = 2 n – 1, где n – число разрядов двоичного кода.
Ступенчатая характеристика квантователя реализуется схемой, содержащей резистивный делитель напряжения Uоп на n уровней переключения U1, U2,… UN компараторов, на инвертирующий вход которых подается входной сигнал u (рис.13.7,б). Единичный сигнал U 1 установится на выходах компараторов, для которых выполняется соотношение Uj > u.
Совокупность высоких и низких напряжений на выходах компараторов, преобразуется шифратором в удобный для передачи и обработки код (например, двоичная запись номера интервала, в котором находится входное напряжение).
Быстродействие АЦП зависит от характеристик и режимов работы входящих блоков (УВХ, квантователя, дешифратора) и время преобразования (интервал с момента подачи импульса разрешения до появления на выходе цифрового кода) определяется для каждой конкретной структуры.
Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) выполняет декодирование цифровой последовательности, как правило, представленной двоичным кодом, и вырабатывает на выходе электрический сигнал (напряжение или ток), пропорциональный в моменты отсчетов значениям входной цифровой последовательности. ЦАП выполняет функцию обратную АЦП, т. е. восстанавливает аналоговый сигнал по числовой последовательности.
Статическая проходная характеристика ЦАП описывает зависимость совокупности значений выходной аналоговой величины Uj от значений входного кода αj и ее графическим изображением можно считать характеристику АЦП (рис.13.7,а), у которой горизонтальные и вертикальные оси поменялись местами. Идентичность проходных характеристик АЦП и ЦАП позволяет описывать их единой системой параметров.
Одним из важных
параметров, характеризующих свойства
преобразования сигналов, является р а
з р е ш а ю щ а я с п о с о б н о с т ь (или
дискретность), определяемая как наименьшее
возможное изменение аналоговой величины
и численно равная интервалу h
(шагу квантования по уровню). Шаг
квантования, т.е. значение напряжения,
соответствующее единице младшего
разряда (ЕМР) двоичного кода, зависит
от напряжения полной шкалы U
и разрядности преобразователя n.
Например, если
полная шкала
U
=
10
В преобразуется
в двенадцатиразрядный (n
=
12) двоичный
код, то шаг квантования и
разрешающая способность равны
h
=
2,5
мВ. В результате
ступенчатого изменения квантованного
сигнала возникает зона неопределенности
,
называемая погрешностью квантования.
Аналоговые величины принято характеризовать динамическим диапазоном их изменения в виде отношения максимального и минимального значений. Для аналого-цифровых преобразователей максимальное значение определяется напряжением полной шкалы Umax = U, а минимальным можно считать разрешающую способность Umin = h. Динамический диапазон, выраженный в децибелах, описывается соотношением
,
из которого следует, что, десятиразрядный преобразователь может обеспечить динамический диапазон аналоговых сигналов Dдб 60 дб.
Проходные характеристики реальных преобразователей отличаются от идеальной ступенчатой линейной функции, приведенной на рис. 13.7,а, отклонением от линейности, смещением относительно начала координат, неравенством уровней. Степень совпадения реальной характеристики с идеальной определяет точность преобразования, количественно описываемую соответствующими параметрами: погрешностью полной шкалы, погрешностью смещения нуля, погрешностями от нелинейности и др. Обычно значения погрешностей выражаются в единицах младшего разряда h.
ЦАП можно реализовать с помощью схемы, содержащей управляемые разрядами входного кода α = α2 α1 α0 ключи К2, К1, К0, которые подключают к суммирующему узлу токи, пропорциональные весам двоичных разрядов (рис.13.8,а).
Рис.13.8. Структура ЦАП (а), диаграмма работы (б) и переходная характеристика (в)
Созданные стабильным источником напряжения Uоп с использованием прецизионных резисторов взвешенные токи I0 = Uоп /R, I1 = 2 I0, I2 = 4 I0, в зависимости от положения ключа замыкаются на корпус (при αp = 0) либо подключается к суммирующему узлу ξ (при αq = 1). Результат суммирования можно рассматривать как произведение числа α = 2 2 ∙α2 + 2 1 ∙α1 +2 0 ∙α0 , представляющего входной двоичный код на эталонный тока I0
IΣ = I0(2 2 ∙α2 + 2 1 ∙α1 +2 0 ∙α0 ).
Схему на ОУ с обратной связью можно представить в виде преобразователя тока IΣ в напряжение u = – R0 IΣ. Следовательно, выходное напряжение идеального ЦАП в момент подачи входного кода α2 α1 α0 устанавливается пропорциональным произведению u = – R0 I0 α и остается неизменным до смены кода через интервал времени T (рис.13.8,б). Для получения более гладкой кривой аналогового напряжения на выход ОУ подключается формирователь сигналов (интерполятор).
Инерционность переключающих элементов и наличие в схеме емкостей приводят при смене кода к возникновению переходных процессов, которые могут создать динамические погрешности. Для их снижения следующее значение кода необходимо устанавливать после завершения переходных процессов в преобразователе. Быстродействие преобразователя характеризуется переходной функцией, полученной при скачкообразном изменении входного кода от минимального до максимального значений (рис.13.8,в). В качестве параметров используются время нарастания tн, за которое выходной аналоговый сигнал изменяется от 0,1 до 0,9 установившегося значения, или время переключения t1 от момента изменения входного кода до достижения значения с заданной погрешностью.
Полупроводниковые ключи обладают высоким быстродействием, и задержка установки сигнала обусловлена главным образом инерционностью операционного усилителя и последующих формирователей.