1,20 Аналого – цифровые преобразователи

Процесс аналого-цифрового преобразования состоит из многократного сравнения входного сигнала (напряжение и ток, угловое и линейное перемещение, временной интервал, фаза и частота переменного тока) с набором эталонных сигналов. Структурная схема простейшего АЦП последовательного счёта приведена на рис.18.

Поступающие с генератора с частотой f_сч импульсы подсчитываются n-разрядным (в данной схеме – четырёхразрядным) счётчиком. Одновременно с этой же частотой ЦАП вырабатывает дискреты по уровню А, которые подаются один из входов компаратора. На другой вход компаратора подаётся входное аналоговое напряжение, которое необходимо преобразовать в цифровую форму. Компаратор сравнивает два напряжения и вырабатывает сигнал в момент равенства их значений. При достижении суммой дискретовА значения аналогового напряжения компаратор срабатывает, его сигнал прерывает поступление счётных импульсов на счётчик, счёт останавливается и на счётчике оказывается зафиксированнымn-разрядный двоичный цифровой код, соответствующий значению аналоговой величины на данном периоде квантования. Размеры квантов по времени и по уровню определяют погрешность преобразования. К ней добавляются погрешности, вызванные разбросом параметров и деградацией элементов схемы, нестабильностью источников опорного питания ЦАП и изменением температуры. По этим причинам наиболее качественные АЦП позволяют получить лишь двадцатиразрядный цифровой код.

Для преобразования напряжения в цифровой код весь диапазон возможных значений аналоговых сигналов разбивают на уровни с одинаковым шагом квантования, которым ставится в соответствие позиционный двоичный код. Число уровней равно 2ⁿ, где n – разрядность кода. Через временной интервал, называемый периодом квантования по времени Т_к, происходит фиксация текущего состояния входного сигнала (режим выборки) и преобразованииефиксированного значения сигнала в двоичный код за время Т_к – цикла преобразования, равнго задержке между моментом фиксации сигнала и выдачи кода.

1,21 Основные характеристики АЦП и ЦАП

Электрические характеристики ЦАП и АЦП подразделяются на статические и динамические.

Статические характеристики устанавливают соотношения между цифровым кодом и аналоговой величиной сигнала. К ним относятся:

Количество разрядов N – для двоичных АЦП (ЦАП) – это двоичный логарифм от максимального числа возможных кодовых комбинаций (уровней квантования) на выходе АЦП или входе ЦАП.

Разрешающая способность – величина, обратная максимальному числу кодовых комбинаций N – 1 на выходе (входе) АЦП (ЦАП). Разрешающая способность выражается в процентах, разрядах или в децибелах и характеризует потенциальные возможности АЦП (ЦАП) с точки зрения достижимой точности.

Абсолютная погрешность шкалы_шк – отклонение реального значения входного для АЦП (выходного для ЦАП) аналогового сигнала от расчётного, соответствующего конечной точке преобразования (погрешность полной шкалы).

Погрешность коэффициента преобразования АЦП – это разность между действительным и номинальным значениями коэффициента преобразования. При этом номинальное значение коэффициента преобразования определяется тангенсом угла наклона к оси абсцисс прямой, проведенной через начальную и конечную точки номинальной характеристики преобразования АЦП (ЦАП).

Напряжение смещения нуля U₀ для АЦП – это напряжение , которое необходимо приложить к его входу для получения на выходе нулевого кода. Для ЦАП – это напряжение, появляющееся на его выходе при нулевом коде на его входе.

Нелинейность () – отклонение реальной характеристики преобразования от теоретической и определяется в единицах МЗР как наибольшее отклонение входного для АЦП (выходного для ЦАП) сигнала от прямой линии, проведенной через ноль и максимальное теоретическое значение выходного сигнала. Значение нелинейности не должно превышать 0,5 единицы МЗР.

Дифференциальная нелинейность_Lк – характеризует идентичность соседних приращений сигнала. Приращение определяют как разность между данным значением кванта преобразования и средним действительным значением кванта преобразования.

Время установления t_уст. – интервал времени для ЦАП от подачи входного кода до вхождения выходного сигнала в зону заданной ширины (обычно равной МЗР), симметрично расположенную относительно установившегося значения. Для АЦП этот параметр называется временем преобразования.

Максимальная частота преобразования t_уст. – наибольшая частота дискретизации, при которой заданные параметры преобразования соответствуют установленным нормам. Значение t_уст. связано с максимальной частотой f_max условием f_max≤ ½ t_уст..

1,22

В наиболее распространённых автогенераторах с времязадающей RC-цепью формирование периодических импульсов происходит в процессе заряда или разряда конденсатора через резистор (Рис.20). В момент, когда напряжение на конденсаторе достигает определённого значения, происходит быстрое открывание или закрывание активных элементов (УЭ), после чего процесс идёт в обратном направлении. Эпюры напряжений генераторов приведены на рис.21.

Автогенераторы прямоугольных импульсов называются автоколебательными мультивибраторами. Они характеризуются 2-мя чередующимися временно устойчивыми состояниями. Смена состояний происходит скачком (регенеративно) в течение очень коротких интервалов времени. Такие генераторы называют также релаксационными. Мультивибраторы могут работать в 3-х режимах и делятся на три группы: 1) астабильные мультивибраторы, не имеющие устойчивых состояний и работающие в автоколебательном режиме; 2) моностабильные мультивибраторы, которые имеют одно устойчивое состояние. Такие схемы называют ждущими мультивибраторами. 3) бистабильные мультивибраторы, имеющие два устойчивых состояния. Такие схемы называются триггерами.

Каждый из 3-х разновидностей мультивибраторов имеет свою разновидность положительной обратной связи (ПОС) и его выход замкнут на вход. Вид обратной связи определяет разновидность мультивибратора.

Если коэффициент ПОС , то автогенератор вырабатывает несинусоидальные колебания, близкие по форме к прямоугольным. Объясняется это тем что уровень входного сигнала на УЭ транзистора заходит за пределы линейного участка в область ограничения амплитуды выходного сигнала. Полученный на выходе такого генератора импульс называетсярелаксационным.

Если в качестве Z_ос используются конденсаторы, а Е_смещ.=0, то схема представляет собой автогенератор релаксационных колебаний - автогенерирующий мультивибратор. Т. к. связь между каскадами осуществляется только по переменному току, то мультивибратор не имеет ни одного устойчивого состояния, а выходные напряжения имеют форму П-образных импульсов, длительность которых определяется постоянными времени базовых цепей схемы (рис.20,а).

1,24 Триггером называются регенеративные переключающие устройства, обладающие несколькими (чаще 2-мя) состояниями устойчивого равновесия,(Рис.16,в). Переход из одного состояния в другое происходит каждый раз, когда действующий на входе управляющий сигнал достигает определённого уровня, называемого порогом срабатывания ( опрокидывания). Этот переход сопровождается скачкообразным изменением токов и напряжений.

Эти устройства широко используют в ЭВМ как элемент памяти.

Различают несколько разновидностей схем транзисторных триггеров:

а) с независимым смещением; б) без смещения; в) с непосредственной связью. В зависимости от режима работы открытого транзистора различают насыщенные и ненасыщенные триггеры.

Схемы симметричных триггеров (Рис.20,в) с независимым смещением представляют собой 2^х-каскадный усилитель , в котором выход 1-го (левого) каскада через делитель R₁R₂ соединён со входом 2-го (правого) каскада, а выход 2-го каскада через такой же делитель R₁R₂ соединён со входом 1-го каскада. Поэтому такие триггеры называют триггерами с перекрёстными связями между каскадами. Конденсаторы С являются ускоряющими. Они уменьшают время переключения триггера из одного устойчивого состояния в другое. Симметрия достигается выбором соответствующих компонентов левой и правой половины схемы. Напряжение смещения на базу транзистора подаётся от независимого источника Е_см..

1,25 Принцип работы триггера Шмитта, собранного на транзиcторах.

Триггер Шмитта (Рис.22) является двухкаскадным усилителем с нелинейной ПОС. Когда на входе напряжение отсутствует,VT1закрыт. На его коллекторе существует напряжение, которое открывает VT2. Эмиттерный ток VT2 создаёт падение напряжения на R3, которое закрывает VT1. Если Uвх превысит напряжение на эмиттере, то VT1 откроется и перейдёт в насыщение. В результате потенциалы базы и эмиттера VT2 будут равны. VT2 закроется. На выходе устанавливается напряжение, равное напряжению питания.

Рис. 22. Принципиальная схема триггера Шмитта и эпюры напряжений на входе и выходе схемы.

При уменьшении Uвх транзистор VT1 выходит из режима насыщения. Наступает лавинообразный процесс. Эмиттерный ток VT2, создающий закрывающее напряжение на R3, ускоряет закрывание VT1. В результате триггер возвращается в исходное состояние.

Если входой сигнал имеет несимметричные перепады напряжений U1 и U2 , то длительность выходных будет неодинакова.

В современной аппаратуре широко используются триггеры Шмитта, собранные на операционных усилителях с ПОС. Особенностью схем таких триггеров является правильный подбор номиналов резисторов, входящих в схему триггера. Сопротивления резисторов схемы не должны превышать 1/10 входного сопротивления ОУ.

1,27  Оптический приёмник (рис.59) является электооптическим прибором для преобразования оптического сигнала в электрический. Он состоит из оптического детектора и промежуточных соединительных компонентов между оптическим входом и коаксиальным выходом. На вход оптического приёмника подаётся оптический сигнал. Полученный в результате преобразования в приёмнике электрический сигнал усиливается, импульсы тока преобразуются в импульсы напряжения, чтобы сигнал с выхода приёмника был совместим с той радиочастотной системой передачи, которая подключается к его выходу. Именно параметры оптического приёмника во многом определяют технические возможности распределительной сети, среди которых длина регенерационного участка, рабочая полоса частот реверсного канала и качество выходного сигнала.

Основными параметрами оптических приёмников являются:

1.   Чувствительность фотодетектора. Она измеряется соотношением его выходного напряжения к входной оптической мощности.

2.   Квантовая эффективность. Это характеристика, которая аналогична чувствительности диода, выраженная как отношение числа фотонов, падающих на диод, к числу порождённых им электронов, образующих ток во внешней цепи. Эффективность, равная 1 (или 100%), означает, что каждый фотон увеличивает ток во внешней цепи на один электрон.

3. Темновой ток. Даже при отсутствии падающего света через диод протекает некоторый ток, объясняющийся тепловой генерацией электронно-дырочных пар. Этот ток, величина которого зависит от температуры прибора, называется темновымили током утечки.

4. Эквивалентная или средняя мощность шума (NEP). Это среднеквадратичная мощность сигнала, требуемая для получения единичного отношения сигнал / шум или минимальная оптическая мощность, необходимая для создания тока, равного собственному среднеквадратичному шумовому току прибора, который аналогичен тепловому порогу детектирования приёмника.

5. Время нарастания (время срабатывания). Это время, которое требуется детектору для увеличения уровня его выходного электрического сигнала от 10 до 90% пикового значения. Это время может составлять порядка 1нс для лавинных диодов, около 3-4нс для рin-диодов и зависит от напряжения смещения.

6. Напряжение смещения. Работая с током, детектор требует смещения в рабочую областьс помощью приложения к нему напряжения смещения. Обычно pin-диоды требуют смещения менее 100 В, тогда как лавинные диоды требуют приложения нескольких тысяч вольт. Тем, что подача напряжения смещения повышает температуру фотодетектора, объясняется его влияние на время отклика, темновой ток и чувствительность прибора. С ростом смещения изменяются рабочие характеристики фотодиода.

Основным элементом приёмника является фотодетектор, который преобразует поступающую энергию света в электрическую энергию выходного сигнала. В настоящее время используется главным образом два типа фотодетекторов:PIN-диоды и лавинные диоды АРD.

PIN-диод  является полупроводниковой структурой, которая включает область положительных зарядов (positive), область отрицательных зарядов (neqative) и разделяющую их нейтральную область (intrinsic), обеднённую носителями зарядов. Обеднённая область создаётся обратным смещением перехода, при котором через прибор течёт очень слабый обратный ток. При обратном смещении электроны стремятся выйти из n-области во внешнюю цепь и образовать дырки в р-области,обедняя носителями заряда область перехода.

Когда свет падает на поверхность диода, поглощаемые фотоны создают электронно-дырочные пары в обеднённой области. Затем электроны и дырки разделяются под действием обратного смещения перехода и текут в направлении своих областей. Каждая электронно-дырочная пара производит ток в один электрон во внешней цепи.

В идеальном PIN-диоде каждый фотон создаёт одну электронно-дырочную пару. Если на диод падает слабый световой поток, то производимый электрический ток может быть недостаточным, чтобы детектировать его на фоне внутреннего шума самого pin-диода и внешней цепи.

PIN-диод обладает следующими характеристиками:

·     относительно простая структура по сравнению с лавинными диодами;

·     относительно слабая чувствительность к изменению температуры прибора;

·     квантовая эффективность обычно менее или равна 1;

·     ограниченный динамический диапазон;

·     высокая прочность и длительное время эксплуатации;

·     невысокая стоимость;

·     низкая чувствительность при данном отношении сигнал / шум по сравнению с лавинными диодами.

Лавинный фотодиод АРD является альтернативой фотодетектору на основе РIN-диода.

По сравнению с последним он имеет ряд преимуществ. Если на поверхность PIN-диода падает слабый свет, то выходной сигнал детектора также слаб, поэтому необходимо повысить его уровень перед дальнейшей обработкой и усилением в электронной части фотоприёмника.

Это и обеспечивается в лавинном фотодиоде. За счёт высокого напряжения смещения в лавинном диоде возникает ударная ионизация. Вследствие этого неосновные носители могут создавать ещё больше носителей заряда. В результате происходит явление, известное как лавинный пробой, которым и объясняется внутреннее усиление в диоде.

Количество электронов, образующих ток во внешней цепи диода, равно произведению числа падающих фотонов и коэффициента лавинного умножения прибора. Поэтому APD имеют квантовую эффективность около 4-х (т. е. больше 100%), хотя это может приводить и к усилению шума на выходе прибора. Лавинные диоды чувствительны к изменению температуры, поэтому обычно в структуру фотодетектора на основе АРD включена схема АРУ, которая поддерживает стабильное напряжение смещения.

Лавинные диоды обладают следующими характеристиками:

·     более сложная структура по сравнению с PIN-диодами;

·     чувствительность прибора зависит от температуры;

·     квантовая эффективность составляет от 3-х до 4-х;

·     более широкий динамический диапазон;

·     высокая прочность и длительное время эксплуатации;

·     более высокая стоимость по сравнению с PIN-диодами;

·     чувствительность обычно на 5 – 6 дБ выше, чем у PIN-диодов.

На рис. 59 показана структурная схема оптического приёмника. Обычно оптический

приёмник представляет собой чувствительный широкополосный фотодетектор с входным спектральным диапазоном, соответствующим рабочей длине волны, который совмещён  в одном корпусе с мощным двухступенчатым радиочастотным усилителем, имеющим высокую линейность. Для уверенного детектирования уровень оптического сигнала на входе приёмника должен по крайней мере в два раза превышать уровень собственного шума приёмника. Для обеспечения требуемого соотношения сигнал / шум или, в случае цифровой передачи, требуемого значения ВЕR (вероятность ошибки набит информации) желателен более сильный входной оптический сигнал. Это требование аналогично приемлемому соотношению уровня входного сигнала и коэффициента шума прибора в обычной высокочастотной аналоговой системе передачи. Для снижения шума в некоторые схемы оптических приёмников включается трансимпедансный усилитель (усилитель напряжения, управляемый током на полевом транзисторе). Такие приёмники, в которых используются детекторы на PIN-диодах, иногда называются устройством PIN-FET (PIN-диод с полевым транзистором). Полевой транзистор в данном случае используется для усиления выходного сигнала детектора. Поскольку активные области поверхности детектора относительно велики, эффективное введение светового сигнала с выхода волокна в детектор не представляет трудной задачи. Иногда для минимизации потерь  при вводе света в детектор применяются волокна с размером середины, большим, чем у используемых в звене передачи, в виде коротких отрезков гибкого волокна. Обычно приёмники на основе PIN –диодов устроены более просто, чем АРD. Последние, особенно в сочетании с устройством термоэлектрического контроля (ТЕС), являются более сложными приборами.      

1,28 Принцип работы оптических усилителей и повторителей

Оптические усилители обеспечивают усиление сигналов в волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС). Они подразделяются на повторители, собранные на светодиодах и усилители, собранные на лазерных диодах различного типа.

Электронно-оптический повторитель сначала преобразует оптический сигнал в электрическую форму, усиливает, корректирует, а затем снова преобразует в оптический сигнал. При цифровой передаче сигналов повторитель наряду с функцией усиления может выполнять функцию регенерации сигнала, свойственную цифровому фотоприёмнику.

Оптический усилитель в отличие от повторителя не осуществляет оптоэлектронного преобразования, а только усиливает оптический сигнал. Основными показателями, характеризующими свойства усилителя, являются: входные и выходные данные; коэффициент усиления (К_ус), КПД, частотная, фазовая, амплитудная, и переходная характеристики, динамический диапазон, уровень собственных шумов и помех, нелинейность.

.

1. 2,1 Схемы пассивной и активной логики, правила их построения.