книги / Электроника электрофизические основы, микросхемотехника, приборы и устройства

тора 0удет продолжаться до нулевого значения. При изменении знака вы­ ходного напряжения интегратора компаратор изменит свое состояние и напряжение ик = U0 закроет схему совпадения. Отсутствие импульсов на транзисторном переключателе обеспечивает замыкание тока источника на корпус. Это вызывает дальнейшее возрастание напряжения на выходе ин­ тегратора за счет воздействия входного преобразуемого напряжения.

В установившемся режиме импульсы тока под управлением выход­ ного сигнала компаратора по цепи обратной связи компенсируют заряд конденсатора от входного сигнала, поддерживая в узле суммирования ин­ тегратора нулевой уровень среднего значения тока. Частота, с которой происходит переключение компаратора, пропорциональна значению пре­ образуемого напряжения ancp=kuxAt/(RC )9 где к - коэффициент уравно­

вешивания. Измерение частоты переключения осуществляется путем под­ счета числа импульсов, прошедших схему совпадения за фиксированный интервал, который задается временем заполнения импульсами двоичного счетчика СТ2. После подсчета N импульсов СТ2 переходит в нулевое состо­ яние и появившийся на его выходе импульс записывает в регистр показа­ ния суммирующего счетчика СТЬ выходной код которого D отображает М импульсов, пропорциональных среднему значению входного напряжения.

Преобразователь обеспечивает хорошую линейность выходной ха­ рактеристики и высокую разрешающую способность благодаря небольшо­ му уровню входного сигнала интегратора. Усреднение результатов изме­ рения на достаточно большом интервале времени существенно снижает влияние случайных помех. На основе сигма-дельта преобразователей вы­ пускаются АЦП большой разрядности (от 18 до 24 разрядов).

Приведенный принцип преобразования может быть реализован на базе коммутируемого конденсатора, периодически подключаемого к ис­ точнику стабильного эталонного напряжения с последующим разрядом на суммирующую точку. Интегратор также реализуется на основе переклю­ чаемых конденсаторов. При этом АЦП полностью выполняется по МОПтехнологии, и на кристалле вместе с сигма-дельта преобразователем рас­ полагаются цифровой ФНЧ, программно-управляемый усилитель и уст­ ройство управления. Такие АЦП обладают развитой цифровой частью, со­ держащей микроконтроллер, что дает возможность реализовывать режимы автоматической установки нуля, калибровки полной шкалы, управления входным усилителем и фильтром.

Разработка и выпуск недорогих микропроцессоров внесли корректи­ вы в принципы построения АЦП, теперь функции управляющего устрой­ ства практически полностью перешли к микропроцессору, что позволило существенно повысить гибкость системы управления и непосредственно реализовать различные виды АЦП.

В составе простых измерительных блоков нашли применение АЦП с широтно-импульсным модулятором (рис. 14.27,я).

* МП

5 )Ц ЦАП |С

Рис* 14.27. Структуры АЦП с ШИМ (а) и развертывающего (б) на микропроцессоре

Запуск модулятора и подсчет числа импульсов на выходе схемы сов­ падения осуществляет непосредственно микропроцессор (МП). Длитель­ ность импульса, открывающего схему совпадения, пропорциональна вход­ ному сигналу иХ9а число синхроимпульсов, прошедших на вход МП, отра­ жает значение преобразуемого напряжения. При необходимости можно на выходе схемы совпадения установить счетчик с регистром и вводить в МП цифровой код. Погрешность преобразования определяется характеристи­ кой модулятора и стабильностью частоты тактовых импульсов.

Применение ЦАП на входе микропроцессора позволяет достаточно просто и эффективно реализовать АЦП развертывающего преобразования (рис. 14.27,6). Процедуру преобразования можно задавать программным способом. Такого типа АЦП обычно применяются в высокоскоростных системах преобразования сигналов. Точность преобразования определяет­ ся параметрами ЦАП и может быть достаточно высокой.

Важную часть АЦП составляет цифровой интерфейс, т. е. схемы, обеспечивающие связь АЦП с микроконтроллером или ЭВМ. Структура цифрового интерфейса определяет способ подключения АЦП к цифровому процессору, и его свойства непосредственно влияют на уровень верхней границы частоты преобразования.

Для процессора АЦП является адресуемым устройством и обра­ щение к нему осуществляется как к одной из ячеек памяти. При этом АЦП имеет необходимое число адресных входов, дешифратор адреса и подклю­ чается непосредственно к шинам адреса и данных процессора. Для этого он обязательно должен иметь выходные каскады с тремя состояниями.

Другое требование совместной работы АЦП с микропроцессора­ ми, называемое п р о г р а м м н ы м с о п р я ж е н и е м , является общим для любых систем, в которые входят ЭВМ и АЦП. Имеется несколько спо­ собов программного сопряжения АЦП с процессорами.

Способ п р о в е р к и с и г н а л а п р е о б р а з о в а н и я состоит в том, что команда начала преобразования «Пуск» периодически подается на АЦП от таймера. Процессор находится в цикле ожидания от АЦП сиг­ нала окончания преобразования «Готов», после которого выходит из цик­ ла, считывает данные с АЦП и в соответствии с ними приступает либо к следующему преобразованию, либо к выполнению основной программы, а затем вновь входит в цикл ожидания. Здесь АЦП выступает в роли веду­ щего устройства (master), а процессор - ведомого (slave). Этот способ поч­

ти не требует дополнительной аппаратуры, но пригоден только в системах, где процессор не слишком загружен, т.е. длительность обработки данных от АЦП меньше времени преобразования АЦП. Указанный способ позво­ ляет максимально использовать производительность АЦП.

При способе п р о с т о г о п р е р ы в а н и я , выдав команду «Пуск», процессор продолжает работу по основной программе. После окончания преобразования формируется сигнал прерывания, который пре­ рывает в процессоре вычисления и включает процедуру поиска перифе­ рийного прибора, пославшего сигнал прерывания. Эта процедура состоит в переборе всех периферийных устройств до тех пор, пока не будет найден нужный. Преимущество этого способа по сравнению с предыдущим про­ является в большем числе преобразований за одно и то же время, если ис­ пользуемый АЦП работает медленно. Если же АЦП - быстродействую­ щий, то этот способ работы может оказаться даже медленнее предыдуще­ го, так как на обработку прерывания требуется значительное время.

В режиме п р я м о г о д о с т у п а к п а м я т и также используется прерывание, но в отличие от предыдущих двух способов управление по системе прерывания передается на специальный интерфейс, который и производит перезапись данных преобразования в память, минуя регистры процессора. Это позволяет сократить длительность прерывания до одного такта. Номера ячеек памяти хранятся в адресном регистре интерфейса. Для этой цели служит контроллер прямого доступа к памяти.

В зависимости от способа пересылки выходного слова из АЦП в цифровой приемник различают преобразователи с последовательным и па­ раллельным интерфейсами выходных данных. Последовательный интер­ фейс медленнее параллельного, однако он позволяет осуществить связь с цифровым приемником значительно меньшим количеством линий и в не­ сколько раз сократить число выводов ИМС.

14.4. Устройства на переключаемых конденсаторах

Аналоговые преобразователи сигналов, как правило, реализуются на базе ОУ с резистивно-емкостными элементами в цепях прямой и обратной связи. Обеспечение заданных параметров требует использования высоко­ точных резисторов и конденсаторов, которые достаточно сложно получить методами полупроводниковой интегральной технологии. Развитие МДПтехнологии привело к созданию ОУ, выполненных полностью на полевых транзисторах. Это позволило производить по единой МДП-технологии элементную базу устройств на коммутируемых конденсаторах (ОУ, ключи, конденсаторы).

Теория цепей с переключаемыми конденсаторами (ЦПК), называе­ мыми также Switched Capacitor Filters или SC-цепями, разработана в сере­ дине прошлого века, а эквивалентное сопротивление периодически пере­

ключаемого конденсатора было получено значительно раньше Д. К. Мак­ свеллом. В микроэлектронике это направление получило развитие для за­ мены в аналоговых преобразователях резисторов схемами на переключае­ мых конденсаторах. Это позволило сблизить степень интеграции аналого­ вых и цифровых устройств обработки сигналов. Одно из основных досто­ инств преобразователей на коммутируемых конденсаторах заключается в зависимости их передаточных функций от отношения емкостей конденса­ торов, которое имеет более высокую стабильность по сравнению с их аб­ солютными значениями.

Приведенный набор элементов позволяет реализовать практически все алгоритмы обработки сигналов на основе известных структур аналого­ вых преобразователей, в которых функции резисторов реализованы на базе переключаемых конденсаторов (ПК). Такой элемент цепи содержит кон­ денсатор С, поочередно с периодом Т подключаемый при помощи МДП ключей Ки К2 к входу и выходу, характеризуемым напряжениями щ и и2 (рис. 14.28,а).

Рис. 14.28.Переключаемый конденсатор (а), временные диаграммы (б) и эквивалентная схема (в)

Сигналы управления Фхи Ф2 обеспечивают противофазное замыка­ ние ключей (рис. 14.28,6). Частоту коммутации выбирают достаточно большой, чтобы в течение периода Т входное U\ и выходное U2 напряже­ ния можно было считать неизменными.

Если ключи считать идеальными и предположить, что входная и вы­ ходная цепи близки к источникам напряжений их и и2>то несложно запи­ сать приращение заряда конденсатора за период коммутации. На началь­ ном интервале у'-го периода замкнутый ключ Кх при разомкнутом К2 обес­ печивают заряд конденсатора до значения q(jT)-Cu\{jT). В следующем полупериоде при разомкнутом ключе К\ и замкнутом К2 его заряд будет q[(J+\)T] =Cu2([(j+l)T\. Таким образом, приращение заряда за период Т со­ ставит A q = C(ux- u2). Изменение заряда при периодической коммутации можно интерпретировать как среднее значение тока за период = Aq/T, проходящего от узла 1 к узлу 2. Подстановка соотношения для прираще­ ния заряда Aq приводит к выражению icp= (щ -и2)/Я, где введено обозначе­ ние R ~Т/С=\/(/тС) эквивалентного сопротивления участка цепи между уз­ лами 1 и 2 при коммутации ключей с частотойf T.

Схема на переключаемом конденсаторе, описываемая для среднего тока при достаточно высокой частоте коммутации выражением, подобным соотношению тока и напряжения в резисторе, будем называть резистив­ ным элементом на переключаемом конденсаторе, или ПК-элементом.

Замена резисторов их ПК-моделями в ÆC-цепях позволяет построить устройства обработки аналоговых сигналов с использованием подобия уравнений и соответствующих им схем. При этом для устранения взаимо­ влияния отдельных блоков и обеспечения полной передачи зарядов между конденсаторами используют разделительные операционные усилители.

Проиллюстрируем построение устройств на переключаемых конден­ саторах и получение их характеристик для схемы аналогового интегратора, реализованного на основе ОУ с емкостной ООС (рис.14.29,а).

й л

J У+1/2

«)

Рис. 14.29. Аналоговый интегратор (а), его реализация на коммутируемых конденсато­ рах (б) и управляющие импульсы (в)

С использованием модели идеального ОУ передаточную функцию интегратора можно представить в виде Н (р) = U2(p)/U l(p) =-l/(p R lC2).

Обозначив сои = l/(RlC2), несложно по передаточной функции записать со­ отношения для амплитудной и фазовой частотных характеристик:

Я (со) = сои /со, 0(со) = к - arctg (со/сои ).

Для реализации схемы интегратора на основе коммутируемого кон­ денсатора следует заменить резистор Rx эквивалентным ПК-элементом (рис. 14.29,6). Ключи Кх и К2поочередно переключаются под воздействием управляющих напряжений Ф( и Ф2 (рис. 14.29,в).

В предположении идеальности моделей ОУ и ключей можно полу­ чить передаточную функцию ПК реализации интегратора. При замкнутом ключе К\ и разомкнутом К2 конденсатор С\ заряжается от входного напря­ жения и приобретает заряд qx{jT)=С\ ux(jT). В последующем интервале, ко­ гда Кх разомкнут, а К2 замкнут, заряд qx полностью передается конденса­ тору С2 вследствие нулевого потенциала инвертирующего входа ОУ и от­ сутствия входного тока. Результирующий заряд конденсатора равен разно­ сти имевшегося и приобретенного зарядов ç2[(/+ 1)Т\ = Чг{]Т) - <7i(/T).

Записав заряды конденсаторов через соответствующие напряжения и применив преобразование Лапласа, с учетом u2(t+T) <-> U2(p)#T можно за­ писать передаточную функцию ПК-схемы в виде HnK(z) = -(C 1/C2)/(z -1), где z= epl - комплексная переменная.

Выражение передаточной функции имеет достаточно сложную фор­ му и в общем случае не описывает процедуру интегрирования. Подстанов­ ка z= eJiûTприводит к выражению комплексного коэффициента передачи

Нт(усо) = -(С, /Сг)[l/(ejmT-)] = - (С, /С2 )[ e ^ T/2/ÇeJ<“T/2 - e~jaT/1)]. Использование формулы Эйлера приводит соотношение к виду

HmUсо) = -(1/ЛэС2)[(соГ/2)/5т(со7’/2)]е->>г/2, где /?Э=(77С,) - эквивалентное сопротивление ПК-резистора.

При низких частотах соТ< 1 можно считать (co7’/2)/[sin(co7’/2)] = 1 и частотная характеристика принимает вид

Я пк(усо) = -(С ,/С 2)[(1 /(у с о Г Ж ^ 2.

Полученная частотная характеристика в выбранном частотном диа­ пазоне приближенно описывает операцию интегрирования входного ана­ логового напряжения щ. Постоянную интегратора т = ТС2/СХможно полу­ чить с высокой степенью точности и хорошей стабильностью, обеспечив стабилизацию периода управляющих импульсов Т при технологической основе гарантирования точности и стабильности отношения емкостей кон­ денсаторов, изготовленных на общей подложке в едином цикле. К недос­ таткам рассмотренной схемы следует отнести дополнительную задержку сигнала (фазовый сдвиг 0 ^ = со7/2), обусловленную способом дискретиза­ ции, т. е. построением дискретной модели резистора. Влияние на переда­ точную функцию оказывают нестабильные входные емкости ОУ, вклю­ ченные параллельно задающему конденсатору С\.

Разработаны различные варианты схем ПК-элементов, имитирую­ щих резисторы. Они базируются на разных способах численного решения уравнений, связывающего заряд с приложенным напряжением. Схемы ПКэлементов отличаются числом ключей, способами подключения конденса­ тора, степенью влияния утечки и другими параметрами. Наиболее распро­ страненной является универсальная мостовая схема (рис. 14.30,а).

<Di

Рис.14.30. ПК-элемент (а), эквивалентная схема (б) и неинвертирующий интегратор (в)

Эквивалентная схема приведенного элемента содержит две пары ключей, синхронно переключаемых под действием управляющих сигна­ лов Фхи Ф2 (рис. 14.30,6). Подключение ПК-элемента к входу ОУ с емко­ стной ООС образует схему неинвертирующего интегратора (рис. 14.30,в). В первый полупериод конденсатор С\ заряжается, обеспечивая средний

ток iicp = и{С\1Т, а во второй полупериод накопленный заряд передается конденсатору С2, ток которого /2ср= - hep создает выходное напряжение

и 2 = - 1 2/(р С 2) = и 1С 1/(С2р Т ) .

Передаточная функция Н (р ) = Сх/(С2р Т \ при надлежащем выборе перио­ да переключения обеспечивает интегрирование входного напряжения щ.

Очевидным является подход к синтезу ПК-структуры на основе за­ мены резисторов в активной RC-схеме аналогового прототипа одной из моделей ПК-элемента и расчет параметров, обеспечивающих требуемые частотные характеристики в выбранном диапазоне. Таким способом по­ строены типовые блоки преобразователей первого и второго порядка с ис­ пользованием коммутируемых конденсаторов.

Общую структуру звена первого порядка (рис. 14.31,д) можно опи­ сать передаточной функцией Я(/?)=-(Сз/С4)[р+1/(/?1С})]/[р+1/(/?2С4)].

Рис. 14.31. Аналоговый преобразователь ( а ) и его ПК-модель (б)

Заменив резисторы в аналоговом преобразователе ПК-элементами, не­ сложно составить ПК-модель преобразователя (рис.14.31,6). Такой прием по­ лучения преобразователя на переключаемом конденсаторе используют толь­ ко для простых схем, так как могут получиться неработоспособные варианты.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Каков состав и назначение основных блоков дискретно-аналоговой системы?

2.С помощью каких элементов осуществляется аналого-цифровое преобразование?

3.Что такое квантователь и какую он имеет проходную характеристику?

4.Какими параметрами характеризуются АЦП и ЦАП?

5.По каким признакам классифицируются ЦАП?

6.Каковы разновидности ЦАП с резистивными матрицами?

7.Какие недостатки присущи параллельным АЦП?

8.По каким признакам классифицируются АЦП?

9.Каковы структура и принцип действия развертывающих АЦП?

10.Каковы преимущества и недостатки интегрирующих АЦП?

11.На чем основан принцип действия сигма-дельта АЦП?

12.Каков принцип функционирования ПК-элемента?

Глава 15

СИСТЕМЫ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ

15.1. У строй ства и элементы индикации

Важным этапом обработки информации в электронных системах яв­ ляется ее визуальное отображение с использованием технических средств. Простой способ преобразования аналоговых электрических сигналов в ви­ зуально наблюдаемые результаты состоит в применении электромеханиче­ ских измерительных преобразователей (магнитоэлектрических, электро­ динамических и др.) для отклонения стрелок индикаторов. При больших объемах информации такой вид отображения становится неэффективным.

Благодаря развитию электроники существенно возросли возможно­ сти средств обработки и отображения информации. Подверглись значи­ тельному совершенствованию элементы индикации, разработаны методы организации информационных полей, способы и аппаратные средства по­ строения для массового производства плоских экранов, обладающих вы­ сокой надежностью и хорошими эксплуатационными свойствами.

Устройства отображения информации являются сложными систе­ мами, включающими элементы индикации (ЭИ) со средствами управления вводом, хранением и преобразованием информации. Э л е м е н т и н д и ­ к а ц и и - это конструктивно завершенный преобразователь информаци­ онного электрического сигнала в пространственное распределение пара­ метров излучения. С его помощью определяются основные показатели ка­ чества устройств отображения: размер, разрешающая способность, яр­ кость, контрастность, цвет.

По принципу светоотдачи ЭИ делят на а к т и в н ы е , излучающие фотоны света, и п а с с и в н ы е , управляющие внешним световым излу­ чением с использованием свойств вещества.

Классификация ЭИ по физико-химическим явлениям, на основе ко­ торых осуществляется вывод информации в визуальной форме, приведена на рис. 15.1.

К наиболее простым ЭИ активного типа можно отнести лампы нака­ ливания с различным размером колб - от 1,5 до 350 мм. Совместно с про­ екционным объективом источники света на мощных лампах образуют проекционно-осветительную систему (проектор). Основными недостатка­ ми ламп накаливания являются малый срок службы и большое потребле­ ние электроэнергии. Наряду с лампами накаливания используют также га­

зоразрядные приборы. Вакуумные люминесцентные буквенно-цифровые индикаторы применяются в контрольных панелях промышленного обору­ дования, где требуется высокая яркость свечения. В экранных системах отображения (дисплеях) широко используются электронно-лучевые труб­ ки (ЭЛТ), обладающие стабильно высокой разрешающей способностью и хорошими эксплуатационными характеристиками.

|| ^ЭЛЕМЕНТЫ ИНДИКАЦИИ ||

►Полупроводниковые I (СИД, лазерные)

Рис. 15.1. Типы элементов индикации

Развитие полупроводниковой технологии способствовало преиму­ щественному использованию индикаторов на светоизлучающих и лазер­ ных диодах, а также пассивных элементах на основе жидких кристаллов.

Среди группы пассивных элементов следует упомянуть разнообраз­ ные электростатические индикаторные ячейки конденсаторного типа. На­ пример, микромеханический элемент представляет собой электромехани­ ческое устройство, состоящее из тонкой проводящей пленки на стеклян­ ной подложке и металлической мембраны. В отсутствие напряжения пла­ стины разделены, и свет отражается от тонкой пленки. Если приложено небольшое напряжение, то за счет электростатического взаимодействия пластины притягиваются и свет поглощается, т. е. элемент обладает двумя устойчивыми состояниями. Принцип действия электрохромной ячейки ос­ нован на окрашивании тонких слоев окислов металлов (ТЮ3) вследствие индикации электронов под влиянием электрического поля, приложенного к проводникам, нанесенным на электрохромные вещества.

Пассивные электромагнитные ЭИ базируются на модуляции внеш­ него рассеянного освещения шторкой, поворачивающейся при изменения направления вектора индукции управляющего магнитного поля. Измене­ ние освещенности связано с нанесением на одну сторону шторки светоот­ ражающего, а на другую - светопоглощающего покрытий.

В промышленной и бытовой аппаратуре используется множество буквенно-цифровых и графических дисплеев от сверхминиатюрных экра-

нов для часов и телефонных аппаратов до информационных панелей вну­ шительных размеров.

Особую группу составляют графические дисплеи цифровых вычис­ лительных машин, к параметрам которых предъявляют жесткие требова­ ния по разрешающей способности, воспроизведению широкой цветовой гаммы, быстроте реакции на изменение картинки, небольшим массогаба­ ритным показателям и потреблению энергии.

Аппаратура отображения информации чрезвычайно многообразна. Она может включать одиночные элементы индикации, алфавитноцифровые дисплей различного назначения, формата и габаритов, графиче­ ские дисплеи и панели. Проникновение электронных вычислительных средств во все сферы человеческой деятельности поставило сложную за­ дачу создания систем оперативной обработки больших информационных потоков. Сравнительная простота реализации в сочетании с большой ин­ формационной емкостью привели к преимущественному распространению двумерной системы отображения информации на экране дисплея. При этом дисплеи как массовые электронные средства отображения должны удовлетворять совокупности требований:

•универсальности в отношении формы отображаемой информа­ ции (текста, графиков, мнемосхем, мультимедиа);

•высокого быстродействия (по каналам отображения, поиска и вызова информации, управления;

•большого объема выводимой информации;

•высокой надежности при длительном сроке службы;

•простоты и эффективности управления обработкой информации;

•набору эргономических и экологических параметров (размеру

экрана, светотехническим характеристикам, уровню излучений). Развитие микроэлектроники дало возможность для построения ка­

чественных средств представления оперативной информации с учетом психофизиологических свойств зрения человека-оператора и пользовате­ ля. Дисплеи являются весьма важным средством диалога человека с вы­ числительной средой, и их значение постоянно возрастает. Оператор в человеко-машинной системе контроля и управления не имеет непосред­ ственного контакта с реальными объектами, он пользуется информаци­ онной моделью, полученной в результате взаимодействия с технически­ ми средствами отображения информации.

Если аппаратуру отображения информации (дисплей) рассматривать как преобразователь входного электрического сигнала в световое излуче­ ние, то его параметры следует согласовывать с характеристиками элемен­ тов восприятия информации пользователем. Процесс восприятия включает активный анализ внешних воздействий, выделение существенных компо­ нентов и синтез на их основе моделей (зрительных образов). Основопола­