книги из ГПНТБ / Бобровников Л.З. Радиотехника и электроника учебник

работы используемого преобразователя кода и обычно не превышает 0 , 1 % . Преобразователи с обратной связью имеют весьма высокое быстродействие (до 10е преобразований в секунду), значительно

ния сигнала в пространственное перемещение кодирующего диска, блика гальванометра или электронного луча. На рис. 140, а при­ ведена функциональная схема преобразователя на основе элек­ тронно-лучевой трубки со специальной кодирующей маской.

Маска с рисунком используемого кода наносится на экран трубки. Входное напряжение подается на вертикальные отклоняющие пла­ стины, а на горизонтальные пластины подводится линейно изменя­ ющееся напряжение развертки. Электронный луч отклоняется вверх пропорционально величине входного напряжения и при развертке проходит по соответствующей строке маски. Поэтому на выходе маски будет формироваться последовательный код световых импуль­ сов, соответствующий входному напряжению. Эти импульсы вос­ принимаются фоторезисторами и после усиления и формирования подаются на выход преобразователя. Максимальное число дискрет­ ных уровней определяется размерами экрана электронно-лучевой трубки и диаметром луча. Погрешность работы зависит от линей­ ности системы вертикального отклонения и в лучшем случае составляет 0,1—0,3%.

Максимальное число преобразований может доходить до 107 в секунду.

Для увеличения быстродействия применяются преобразователи параллельного считывания (рис. 140, б). Имеется источник с числом эталонных напряжений, равным числу уровней квантования, и столько же схем сравнения. Очевидно, что скорость преобразова­ ния определяется быстродействием схем сравнения и формирования

Существует много различных способов преобразования цифрового кода в напряжение, отличающихся быстродействием, точностью, конструктивной сложностью, надежностью в работе и т. д. В ча­ стности, преобразователи код — напряжение могут быть основаны на преобразовании кода во временной интервал. При этом генери­ руется последовательность импульсов строго заданной амплитуды с длительностью, пропорциональной цифровой величине, отобража­ емой кодом. Эти импульсы интегрируются и выходное напряжение воспроизводит исходный сигнал. Параллельный код можно пре­ образовывать в световой сигнал (с помощью светодиодов), воспри­ нимать его (с помощью фоторезисторов) и интегрировать.

260

Наиболее точными являются преобразователи, выполненные на основе калиброванных делителей, питаемых от эталонного источника напряжения (рис. 141). В зависимости от двоичной кодовой комби­ нации часть ключей окажется замкнутой в положение «О», другая — в положение «1», вследствие чего при соответственно подобранных

Рис. 141.

сопротивлениях резисторов R0, RI, R2, . . ., Rn амплитуда выход­ ного напряжения окажется пропорциональной амплитуде исходного сигнала. Сглаживание восстановленного сигнала осуществляется с помощью обычного интегратора.

§ 80. Кодирование графической информации

Из различных способов представления информации графическая форма является самой наглядной и обеспечивает наиболее быстрое восприятие и качественный анализ изучаемых явлений. Однако для количественной обработки этой информации с помощью ЦВМ ее нужно представить в цифровой форме.

Преобразователи графической информации в код принято под­ разделять на:

1)преобразователи однозначных функций одного аргумента (на­ пример, записи обычных одноканальных и многоканальных фоторегистраторов).

2)преобразователи неоднозначных функций одного аргумента (например, записи двухкоординатных самописцев и фоторегистрато­ ров, чертежи, а также буквенные и цифровые тексты).

3)преобразователи функций двух и более аргументов (например, геологические, геофизические и топографические карты, фотографии).

По конструктивному признаку преобразователи делятся на три основные группы: сканирующие, следящие и матричные. На рис. 142, а приводится функциональная схема простейшего сканирующего пре­ образователя. Сканированием принято называть периодически по­ вторяющийся обзор фотоленты по ее ширине. В рассматриваемом преобразователе сканирование осуществляется за счет электро­ механической системы, производящей периодическое качание луча

261

света вверх-вниз в направлении, перпендикулярном перемещению фотоленты. Сканирование можно производить также при помощи электронно-лучевой трубки, вращающегося зеркала, многогранного зеркального барабана или вращающегося диска со спиральной щелью. Отраженный от фотоленты луч попадает через объектив в фо­ топриемник и в момент пересечения линии графика на выходе

Кодирующее [—*- о устройство *

Управление

Кодирующее

устоойство.

Рис. 142.

возникает электрический импульс, который кодируется и в цифровой форме подается на выход.

На рис. 142, б приводится функциональная схема преобразова­ теля следящего типа, в нем преобразование графически заданной функции в электрическое напряжение осуществляется путем измене­ ния положения осветительного устройства, в качестве которого может использоваться кинескоп. Сначала необходимо луч света совместить с началом отсчета преобразуемого графика. Когда свето­ вой луч идет по преобразуемой кривой, отражение света минимально,

262

если световой луч уходит с кривой, то появляется сигнал рассогласо­ вания, поступающий в исполнительное устройство, в результате чего луч возвращается снова на линию преобразуемого сигнала.

На рис. 142, в представлена функциональная схема преобразу­ ющего устройства матричного типа. Основным элементом считыва­ ющего устройства является линейка световодов, выполняемая обычно из тонких стеклянных волокон. Диаметр каждого волокна менее нескольких десятых, даже сотых долей миллиметра, что обеспечи­ вает высокую разрешающую способность.

При рассмотрении преобразователей предполагалось, что проис­ ходит преобразование одной кривой. Однако во многих случаях приходится преобразовывать сразу несколько кривых. При сбли­ жении кривых возможен случай их пересечения или касания. Если преобразуемые функции непрерывны и монотонны, то разделение осуществляется на основе анализа процесса сближения.

Чтение текста (карт, фотографии) наиболее целесообразно произ­ водить матричным способом. При этом набирается квадратная или прямоугольная матрица из волоконных световодов, оканчивающихся фотоприемниками, на которую проектируется изображение текста. Сигналы с выходов фотоприемников подаются в логическое опозна­ ющее устройство, кодируются и выдаются в виде последовательного или параллельного кода. Быстродействие подобных преобразова­ телей велико и может достигать 105 знаков (букв, символов) в се­ кунду.

§ 81. Основные элементы преобразователей напряжение — цифровой код

В зависимости от выполнения функциональных элементов схемы преобразователя выходные двоичные сигналы могут быть потенци­

(рис. 143, б). Кодированный сигнал часто выдается в динамической форме — в виде радиоимпульсов (рис. 143, в), заполненных колеба­ ниями достаточно высокой частоты (в том числе и световыми).

В связи с этим основные функциональные элементы выполняются как потенциальные, импульсные или динамические.

Для выполнения преобразователя необходимы: сравнивающие устройства, генераторы эталонного напряжения, пороговые устрой­ ства, усилители, ключевые элементы и коммутаторы, логические элементы, счетные устройства, запоминающие устройства, шифра­ торы и дешифраторы, генераторы импульсов. Ниже будут рассмо­ трены только сравнивающие устройства, логические элементы,

263

шифраторы и дешифраторы, поскольку остальные функциональные элементы уже рассматривались выше.

У с т р о й с т в а с р а в н е н и я (нуль-органы, компараторы, нулевые индикаторы) производят сравнение входного преобразуемого

264

бильный порог срабатывания не превышает 2 0 — 5 0 мв, что позволяет проводить сравнение с точностью, определяемой уровнем собствен­ ных шумов усилительного устройства. Последнее обычно выпол­ няется в виде модуляционного параметрического или автогенератор­ ного усилителя постоянного тока.

Схема устройства сравнения может быть упрощена, если усили­ тель разностного сигнала перевести в генераторный режим. В ча­ стности, на рис. 1 4 3 , д приведена схема автогенераторного сравни­ вающего устройства. При отсутствии входного сигнала и эталонного пилообразного напряжения цепь положительной обратной связи разомкнута, поскольку сопротивление исток — сток полевого тран­ зистора при нулевом смещении на затворе минимально. Когда дей­ ствует только одно линейно (или ступенчато) уменьшающееся эта­ лонное напряжение положительной полярности, полевой транзистор также полностью открыт и цепь положительной обратной связи зашунтирована его малым внутренним сопротивлением. Если пода­ вать напряжение входного сигнала отрицательной полярности, то, как только |c7B X (t) | ^ U3 (t), полевой транзистор начнет запи­ раться, его внутреннее сопротивление увеличится и коэффициент положительной обратной связи начнет возрастать. В результате

может быть весьма просто переведено в однократный режим. Послед­ нее устройство может использоваться для сравнения как непрерыв­ ных, так и импульсных напряжений. Входной сигнал (как и сигнал от эталонного источника) может быть задан в световой форме, тогда на входе устройства сравнения ставятся фотоприемники. Если выход­ ной сигнал должен выдаваться в световой форме, то в схеме релакса­ тора используется светодиод.

Л о г и ч е с к и е э л е м е н т ы . В схемах преобразователей напряжение — код (и обратно) используются особого рода коммута­ ционные функциональные элементы — логические схемы, с помощью которых над двоичными сигналами производятся операции логи­ ческого сложения, вычитания, умножения, деления и т. д. При этом сколь угодно сложные логические устройства могут быть выполнены на основе всего лишь трех основных функциональных элементов — «И», «ИЛИ», «НЕ» или даже одного универсального функционального элемента «И» — «ИЛИ» — «НЕ». Элемент «И» — логическая схема, реализующая операцию конъюнкции (логического умножения), имеет несколько входов и, как правило, один выход, на котором сигнал появляется только в том случае, если имеются сигналы на всех входах. При отсутствии на каком-либо входе сигнала — нет сигнала и на выходе, поэтому элемент «И» часто называют схемой совпа­ дения.

265

На рис. 144, а приведена схема элемента «И» на биполярных транзисторах. При отсутствии на любом входе импульса сигнала выходной сигнал равен нулю, поскольку все транзисторы соединены последовательно, и если хотя бы один из них заперт, то ток в цепи не протекает.

Схема для световых сигналов приведена на рис. 144, б. Включе­ ние светодиода может произойти только в том случае, если на все

Рис. 144.

фоторезисторы одновременно будут действовать световые сигналы. Элемент «И» часто выполняет одновременно и операцию «НЕ» —

входному. Элемент «И» можно выполнить по параллельной схеме (рис. 144, в). Например, применяя полевые транзисторы с нулевым начальным смещением, сопротивление которых очень мало, напряже­ ние на выходе будет практически отсутствовать.

При подаче на затворы всех транзисторов запирающих положи­ тельных импульсов транзисторы закроются и напряжение на выходе резко увеличится; при этом произойдет инвертирование — выходной импульс будет отрицательным. Если хотя бы один транзистор не

266

закроется входным сигналом, то выходной сигнал практически будет равен нулю. Использование интегральной технологии позволяет создавать логические элементы «И» на биполярных и полевых тран­ зисторах в виде компактных, надежных и экономичных узлов, име­ ющих только входные и выходные клеммы, а также клеммы подклю­ чения напряжения питания. В частности, на рис. 144, г приведена упрощенная конструктивная схема многоэмиттерного транзистора, а на рис. 144, д дается элемент «И» на его основе в интегральном исполнении. На все эмиттеры транзистора Т1 подается положитель­ ное напряжение, все п — р переходы эмиттер — база закрываются,

Рис. 145.

и в цепн р — п перехода база — коллектор протекает ток, который открывает транзистор Т2, и на выходе появляется напряжение положительной полярности. Если хотя бы на одном эмиттере поло­ жительное напряжение отсутствует, то этот переход эмиттер — база оказывается открытым и практически весь ток, ранее проходивший через базу транзистора Т2 замыкается на корпус. Вследствие этого транзистор Т2 заперт и напряжение на выходе практически равно нулю.

Элемент «ИЛИ» осуществляет логическое сложение (объединение) сигналов. Если на одном из входов есть сигнал, то имеется сигнал и на выходе. На рис. 145, а приведена схема, выполненная на би­ полярных транзисторах и представляющая собой параллельное соединение нескольких эмиттерных повторителей. Схема элемента «ИЛИ» для световых сигналов дается на рис. 145, б. При воздействии импульсного светового сигнала на любой из фоторезисторов светодиод излучает импульс света. Использование многоэмиттерных

267

транзисторов в интегральном исполнении, включенных по схеме с общей базой (рис. 145, в), позволяет создаватьнадежные, компакт­ ные и быстродействующие устройства.

Элемент «НЕ» (инвертор) выполняет логическую операцию отри­

5о-

-5 3

• в *»

- 7

запертого положительным напряжением транзистора положитель­ ного напряжения (рис. 145, г) он не откроется и напряжение на выходе не изменится. Если будет подан отрицательный импульс, то транзистор откроется и на выходе появится положительный импульс. Инвертор для световых сигналов в исходном состоянии излучает свет, ток питания протекает через резистор R1 и светодиод СД. При воздействии светового сигнала сопротивление фото-

268

няется в современной интегральной электронике для создания раз­ личных цифровых устройств. На рис. 146, а приведена принципиаль­ ная (а на рис. 146, б — функциональная) схема этого элемента. Операцию «И» выполняет многоэмиттерный транзистор 77, операцию «ИЛИ» — «НЕ» — транзисторы Т2, ТЗ, Т4.

На основе универсального элемента «И» — «ИЛИ» — «НЕ» могут быть выполнены любые логические устройства. На рис. 146, в при­ водится схема синхронизируемого триггера на двух универсальных элементах «И» — «ИЛИ» — «НЕ».

Ш и ф р а т о р ы и д е ш и ф р а т о р ы . При преобразовании непрерывных сигналов в цифровой код часто возникает задача пре­ образования одного кода в другой. В частности, на рис. 147, а при­ ведена схема двоичного шифратора, преобразующего единичный код в параллельный двоичный, выполненного на основе элементов «ИЛИ» (например, на основе многоэмиттерного транзистора). Если на вход шифратора на клемму «5» поступает положительное напряжение (отображающее цифру 5), то оно подается только на вход первого и третьего элементов «ИЛИ» и на их выходах появляются положи­ тельные напряжения: 5 = 1 - 2 2 -J- 0 - 2 1 + 1-2° = 101. Используя многовходовые элементы «ИЛИ» (или соединяя их параллельно), можно выполнить шифратор на любое число разрядов кода. Для построения дешифраторов обычно применяются логические элементы

то импульс «1» младшего разряда поступает на элемент «И» № 1 непосредственно, а импульсы «0» в старшем и среднем разрядах инвертируются элементами «НЕ» и также поступают на элемент «И» № 1. Таким образом, на все три входа поступают положительные напряжения (одно непосредственно, два инвертируются) и на выходе также появляется напряжение. На выходах остальных элементов «И» напряжений нет, так как на их входах не действуют одновременно три положительных напряжения. По такому принципу могут быть выполнены практически любые преобразователи кодов.

Упражнения к главе X I X

1. Какого типа преобразователь напряжение — цифровой код надо приме­ нить для ввода в ЦВМ сигналов: а) человеческой речи (эффективная ширина спектра 200—4000 гц); б) полей теллурических токов (спектр 0,001—0,1 гц)?

2. Какого типа преобразователь целесообразно применить для кодирова­ ния аэрофотоснимков?

269