Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Системы автоматического управления высокой точности. Учебное пособие для СПО
.pdf
Рис. 5.7. Результат моделирования триггера Шмитта при правильно выбранном
гистерезисе для устранения множественных фронтов
Рис. 5.8. Результат моделирования триггера Шмитта
при неверно выбранном гистерезисе
5.4. Электронные ключи и коммутаторы
Электронные ключи предназначены для коммутации аналоговых сигналов в последовательности, определяемой управляющими цифровыми
сигналами [5–15]. Идеальный ключ коммутирует ток и напряжение. Из-за
неидеальности ключей различают ключи напряжения и ключи тока. В отечественной электронике наиболее популярными были ключи серий КР590
51
и КР591. Также имеются аналоговые ключи в составе цифровых серий
КМОП-технологии, например К176КП1.
Ключи напряжения (КН) следует применять для передачи сигнала от
низкоомного источника напряжения (например, с выхода ОУ) на высокоомную нагрузку (например, на резистор на входе ОУ или на запоминающий конденсатор). Режим короткого замыкания (КЗ) по выходу для таких
ключей некорректен, зато допустим режим холостого хода (ХХ). Включение КН непосредственно на вход ОУ некорректно (кроме ОУ в режиме
повторителя). Объединение нескольких КН по выходу разрешается только
в следующих случаях:
если ключи замыкаются строго в несовпадающие интервалы време-
1)
ни, например, два ключа работают противофазно;
если приняты меры по ограничению тока во входных цепях этих
2)
ключей, т. е. исключается замыкание выходов низкоомных источников
напряжения друг на друга через эти ключи.
Ключи тока следует применять для коммутации сигналов от высокоомных источников тока на низкоомную нагрузку. Объединение токовых
ключей по выходу допустимо. Режим ХХ для них некорректен, а режим КЗ
по выходу допустим. Допустимо включение непосредственно на вход ОУ.
Основные параметры ключа:
максимальный коммутируемый ток I
1)
максимальное коммутируемое напряжение U
2)
сопротивление ключа в открытом состоянии R
3)
время переключения ключа t
4)
уровни напряжений по управляющему входу (обычно ТТЛ, КМОП).
5)
ВКЛ
;
открытого канала;
КОМ
;
КОМ
;
ОТК
Схемы ключей реализуются на мало потребляющих МОП-транзисторах. В одной микросхеме, как правило, содержится несколько ключей
и схемы управления ими. Аналоговые коммутаторы содержат, наряду с
ключами, схему управления и коммутируют сигналы с многих входов на
меньшее число выходов. Схема управления может допускать, наряду с
адресным управлением, последовательный опрос.
Основная тенденция развития интегральных ключей – стирание грани
между ключами тока и напряжения, что выражается в увеличении сопротивления разрыва и уменьшении сопротивления замыкания.
Аналоговые ключи могут использоваться для реализации операции умножения аналогового сигнала на сигнал, принимающий значения –1, 0, +1.
Умножение на ноль осуществляется точнее, чем на аналоговом умножителе
(дрейф выходного сигнала мал). В этом состоит преимущество применения
ключей в синхронных детекторах (СД). Такое применение предполагает коммутацию входного сигнала и его отключение в определенные моменты времени. Простое размыкание КМОП-ключа часто порождает импульсную помеху на выходе. Если использовать противофазный канал для замыкания на этот
52
период выхода ключа на нулевой потенциал, помеха уменьшается, этот способ рекомендуется, когда требуется качественно отсечь выходной сигнал в
реальном времени.
При использовании КМОП-ключей недостаточное напряжение питания
± 12 В вместо ± 15 В) может приводить к некачественной коммутации.
(
Следует строго выполнять паспортные требования к этим напряжениям.
5.5. Умножители аналоговых сигналов
Умножители аналоговых сигналов можно подразделить на четырехквадрантные умножители (идеальные) и балансные модуляторы [5–15].
Балансные модуляторы (БМ) предназначены для перемножения медленно меняющегося сигнала на высокочастотный сигнал. Они применяются
для амплитудной модуляции и демодуляции, преобразования спектров, в
синхронных детекторах (СД), системах автоматической регулировки уровня
(АРУ), а также частотной и фазовой автоподстройки (ЧАП и ФАП).
рис. 5.9 показан характерный вид произведения медленно изменя-
На
ющегося гармонического сигнала на быстро изменяющийся, там же показан исходный медленный сигнал (огибающая линия). Это результат модуляции сигнала. На
действия. Это результат достигается, если сигнал, показанный на
рис. 5.10 показан результат демодуляции, т. е. обратного
рис. 5.9,
умножить на исходный высокочастотный сигнал повторно.
Рис. 5.9. Результат моделирования модуляции сигнала
с помощью аналогового умножителя
53
Рис. 5.10. Результат моделирования демодуляции сигнала с помощью аналогового
умножителя
Для восстановления исходного сигнала достаточно применить фильтр
низких частот. При этом фильтрация вносит фазовый сдвиг. Результат такой фильтрации на одном и двух каскадах показан на
рис. 5.11.
Рис. 5.11. Результат фильтрации демодулированного сигнала
с одного и двух каскадов фильтров
54
Балансные модуляторы, как правило, не предполагают применение
низкочастотных сигналов на обоих входах, поэтому они хотя и могут использоваться для перемножения сигналов произвольной формы, но при
этом качество перемножения НЧ-сигналов не очень высоко. Один из входов (ВЧ) может быть нелинейным (логарифмирующим). Дрейф (неконтролируемое изменение выходного уровня) может быть значительным.
Четырехквадрантные умножители допускают входные сигналы от
нулевых частот до ВЧ. Они применяются в АРУ, СД, ЧАП, ФАПЧ. У них
лучше коэффициент линейности, ниже НЧ дрейфы, но худшие частотные
свойства. На
могут быть перемножены на таком умножителе, а на
рис. 5.12 показан пример двух исходных сигналов, которые
рис. 5.13 приведен
результат умножения.
Рис. 5.12. Два сигнала, которые могут быть умножены
на четырехквадрантном умножителе
Естественно, при перемножении сигналов результат умножения соответствует произведению исходных сигналов лишь с точностью до некоторого постоянного коэффициента, поскольку необходимо, чтобы выходной
сигнал не превышал значения максимально допустимого значения выходного напряжения для данного типа микросхем.
Проблемы применения БМ и умножителей – существенные дрейфы
(приведенные к входу). Другой проблемой является зависимость выходного напряжения от напряжения питания.
55
Рис. 5.13. Результат умножения двух сигналов, показанных на рис. 5.12,
на четырехквадрантном умножителе
В схемах на умножителях отечественного производства требуется
большое количество навесных элементов для регулировки смещения рабочей точки. Современные тенденции развития этой техники – устранение
этих недостатков, проникновение в СВЧ-диапазон, операции идеального
перемножения.
5.6. Устройства выборки – хранения (УВХ)
УВХ содержит ключ, конденсатор (чаще внешний), запоминающий
напряжение, и повторитель [5–15]. УВХ применяются для запоминания
значения аналогового сигнала и воспроизведения его значения в режиме
хранения на время работы АЦП. Время выборки много меньше времени
хранения. В режиме выборки конденсатор заряжается через открытый
ключ, в режиме хранения ключ закрыт, разряд конденсатора происходит
только через паразитные цепи и вход повторителя. Критичные параметры:
время выборки (уменьшается с уменьшением емкости запоминающего
конденсатора, т. е. желательно уменьшать С) и скорость изменения выходного напряжения в режиме хранения (уменьшается с уменьшением емкости запоминающего конденсатора, т. е. следует увеличивать С). На
рис. 5.14 показана принципиальная схема УВХ на основе операционного
усилителя с использованием ключа и запоминающего конденсатора
C
1
Имеются интегральные микросхемы, содержащие все элементы, кроме
.
56
этого конденсатора. Принцип действия УВХ понятен из принципиальной
SW
схемы: пока ключ
равного входному напряжению
замкнут, конденсатор заряжается до напряжения,
1
U
, когда ключ разомкнут, конденсатор
ВХ1
сохраняет свой заряд вследствие отсутствия цепей разряда, поэтому он
также сохраняет свое напряжение, которое повторяется повторителем и
выдается на выход УВХ.
рис. 5.15 показан результат действия идеального УВХ. Сигнал на
На
практике может быть зашумлен, как показано на
SW1
U
ВХ1
рис. 5.16.
U
ВЫХ
U
ВХ2
C1
Рис. 5.14. Принципиальная схема устройства выборки – хранения
на основе операционного усилителя
Рис. 5.15. Результат периодического запоминания входного
гармонического сигнала на устройстве выборки – хранения
57
Рис. 5.16. Зашумленный сигнал
Рис. 5.17. Результат преобразования на устройстве выборки – хранения зашумлен-
ного сигнала по рис. 5.16 (синяя линия) и результат преобразования идеального
сигнала (красная линия)
58
Если сигнал зашумлен, то в результате действия УВХ сформируются
сигналы, содержащие ошибку. Результат преобразования зашумленного
сигнала показан на
рис. 5.17 (синяя линия), для сравнения там же показан
результат преобразования сигнала в отсутствие шума. Можно видеть, что
действие УВХ увеличивает результат действия шумов. Для наглядности
рассмотрим только высокочастотный шум и результат его преобразования
с помощью УВХ, как показано на
рис. 5.18.
Рис. 5.18. Шумоподобный сигнал и результат его преобразования на устройстве
выборки – хранения
Из графиков
рис. 5.18 видно, что высокочастотные шилообразные шу-
мовые всплески могут приводить к формированию длительных импульсов,
значение которых существенно отличается от среднего значения входного
сигнала УВХ. С целью наглядной оценки этого явления осуществим фильтрацию низкочастотным фильтром сигналов, показанных на
зультат показан на
рис. 5.19. Видно, что, хотя исходный сигнал содержит
рис. 5.18. Ре-
малую низкочастотную компоненту, сигнал, подвергшийся преобразованию на УВХ, содержит много большую низкочастотную компоненту.
Данный пример иллюстрирует опасность применения УВХ при преобразовании сигнала, содержащего высокочастотные шумы. Можно сделать
следующий вывод: для корректной обработки сигнала с помощью УВХ
необходимо, чтобы и из него предварительно были устранены путем фильтрации высокочастотные компоненты.
59
Рис. 5.19. Результат фильтрации шумоподобного сигнала и результата его преобра-
зования на устройстве выборки – хранения
(синий – до УВХ, красный – после УВХ)
Критерием корректности работы может служить, например, следующее
требование: если на выходе УВХ предполагается применение АЦП, то
действия УВХ не должны увеличивать ошибку преобразования, которая
порождается действием АЦП.
Из этого требования следует, что сигнал на входе УВХ должен отвечать требованиям теоремы Котельникова, которые будут рассмотрены ниже. При этом частота преобразования определяется условиями работоспособности АЦП. Но в этом случае сигнал сам по себе будет соответствовать
требованиям, предъявляемым к сигналам, подаваемым на АЦП, т. е. УВХ в
этом случае не является необходимым.
Каждый раз, когда УВХ устанавливается на входе АЦП, оно либо не
нужно, либо вредит. Данное утверждение далее будет обосновано более
детально.
Тем не менее УВХ можно использовать как «аналоговое запоминающее
устройство», например, в системах автоподстройки частоты в том случае,
когда входной сигнал, вследствие своей природы, кратковременно пропадает. Кратковременность в данном случае означает, что за время его исчезновения сигнал обратной связи должен был бы измениться существенно, и если его сохранить таким же, каким он был в момент такого исчезновения, то в момент его нового появления сигнал обратной связи с доста-
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]