Ris_DSP / TZOS_red4_ch1_for_Tablet
.pdf
81
В аналого-цифровой части осуществляется дискретизация с частотой fd аналогового сигнала с помощью УВХ и преобразование дискретного сигнала в цифровой с помощью АЦП.
Рис.3.1 Обобщенная структурная схема устройства цифровой обработки сигналов
Обобщенная структурная схема устройства ЦОС представлена на рис.3.1. В ее состав входят: фильтры нижних частот (или полосовые фильтры) на входе и выходе устройства (ФНЧвх и ФНЧвых); устройство выборки и хранения (УВХ); аналого-цифровой преобразователь (АЦП); цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП); процессор цифровой обработки сигналов (DSP), включающий в общем случае центральное арифметико-логическое устройство (CALU), оперативное (RAM) и постоянное (ROM) запоминающие устройства. Для обеспечения работы в реальном масштабе времени DSP должен выполнять все вычисления и передачу результата на ЦАП в пределах интервала дискретизации td=1/fd.
ФНЧвх (или ПФ) - осуществляет селекцию сигнала на фоне помех и ограничивает высокочастотную часть спектра входного сигнала для устранения наложения повторяющихся спектров после дискретизации.
УВХ - уменьшает динамические погрешности АЦП, храня выборку в пределах времени преобразования АЦП. Обязательно необходимо при использовании медленных АЦП (например, работающих по принципу последовательного приближения) или быстро меняющихся входных процессах.
АЦП - преобразует входной дискретный сигнал в соответствующий ему цифровой код (двоичное число с фиксированным количеством разрядов).
CALU содержит умножитель и накапливающий сумматор, и выполняет операции ЦОС в соответствии с алгоритмом. RAM используется для хранения отсчетов входных данных и промежуточных результатов вычислений, ROM - для хранения коэффициентов и программы вычислений.
82
ЦАП - преобразует выходной цифровой код блока обработки в аналоговый сигнал. Хотя сигнал на выходе ЦАП аналоговый, но он имеет ступенчатую форму. Сигнал на выходе ЦАП появляется не мгновенно, а через некоторое время tуст – время установки ЦАП (рис.3.2). В течении этого времени выходной сигнал ЦАП не стабилен, пока не установится в пределах погрешности преобразования ЦАП (примерно половина веса младшего разряда ЦАП).
Рис.3.2 Динамическая погрешность |
Рис.3.3. Сглаживание отклика |
ЦАП |
ЦАП |
ФНЧвых (или ПФ) - устраняет динамические погрешности и сглаживает ступенчатый сигнал на выходе ЦАП (рис.3.3). Сглаживающий фильтр должен иметь частоту среза меньше, чем частота дискретизации сигнала на выходе блока обработки.
3.2. ФИЛЬРЫ ДЛЯ УСТРАНЕНИЯ НАЛОЖЕНИЯ СПЕКТРОВ
Как отмечалось ранее, неправильный выбор частоты дискретизации fd приводит к наложению копий спектров сигнала (aliasing) в полосе частот от fd-fв до fв (рис.3.4).
Рис.3.4. Наложение в частотной области при неправильном выборе частоты дискретизации: а) спектр аналогового сигнала; б) спектр дискретного сигнала
83
Таким образом, любой частотный компонент (сигнал или шум), который находится за пределами частоты fd/2 (частота Найквиста), будет создавать дополнительные частотные составляющие в пределах от fd-fв до fв вследствие наложения спектров. Эти составляющие неотличимы от полезного сигнала и ограничивают его реальный динамический диапазон
DR (рис.3.4б).
Наложение спектров можно устранить повышением частоты дискретизации до fd (рис.3.5), однако это приводит к удорожанию устройства обработки.
Для борьбы с наложением спектров сигнал перед дискретизацией предварительно фильтруется с помощью ФНЧ или ПФ (antialiasing filter) с частотой среза fф fd/2 (рис.3.6).
При известных частотных свойствах сигнала удалить налагающиеся спектральные компоненты можно и после дискретизации с помощью цифрового фильтра имеющего частоту среза fцф (fd-fв) (рис.3.7).
Необходимо отметить, что применение фильтров устраняющих наложение перекрывающейся частотной области приводит к потере некоторой информации.
Рис.3.5. Повышение частоты дискретизации для устранения наложения спектров: а) спектр аналогового сигнала; б) спектр дискретного сигнала
84
Рис.3.6. Фильтрация сигнала перед дискретизацией:
а) спектр аналогового сигнала; б) спектр дискретного сигнала
Для минимизации частоты дискретизации желательно применять фильтры с узкой переходной полосой (высокого порядка). Однако при этом резко возрастает сложность фильтра. Поэтому при реализации реальных цифровых систем необходимо принимать компромиссное решение между частотой дискретизации, частотой среза, шириной переходной полосы и типом фильтра. Например, недостаточная крутизна спада ЧХ фильтра может быть скомпенсирована более высокой частотой дискретизации fd. Однако это потребует применять более быстродействующий (а значит и более дорогой) АЦП и DSP. На практике рекомендуется выбирать частоту дискретизации от 2.5fв до 4fв.
Рис.3.7. Фильтрация сигнала после дискретизации:
а) спектр аналогового сигнала; б) спектр дискретного сигнала
Общая рекомендация:
Фильтр для защиты от наложения повторяющихся спектров следует проектировать так, чтобы на частотах выше частоты Найквиста fd 
2
85
сигнал подавлялся до уровня неразличимого для АЦП (меньше, чем шум квантования).
3.3. УСТРОЙСТВА ВЫБОРКИ И ХРАНЕНИЯ
Устройства выборки и хранения (УВХ) осуществляют выборку мгновенного значения входного сигнала и хранение его заданное время с требуемой точностью. В качестве запоминающего элемента в них используется обычный конденсатор. Чаще всего УВХ используются для уменьшения динамической погрешности АЦП.
Основные параметры УВХ:
-время выборки - минимальная длительность сигнала выборки, при которой погрешность, вызванная переходным процессом в цепи запоминающего конденсатора, не превышает заданной;
-время хранения - время, в течение которого выбранное значение входного напряжения храниться с заданной точностью;
-скорость спада выходного напряжения - максимальная скорость разряда накопительного конденсатора (обусловлено токами утечки элементов УВХ).
Как правило, УВХ состоит из: операционного усилителя, ключа, схемы управления ключом и запоминающего элемента (рис.3.8). Операционный усилитель играет роль буферного элемента между входом УВХ и запоминающим элементом. Ключ обеспечивает переход схемы из режима выборки в режим хранения и наоборот. Схема управления ключом вырабатывает сигнал выборки – хранения.
При относительно невысоких требованиях к точности реализации коэффициента передачи УВХ, в качестве ключа может быть использован обычный аналоговый коммутатор, например: 564КП1, 564КП2, 590КН2, и т.п. (рис.3.8). Операционный усилитель обеспечивает высокое выходное сопротивление схемы для снижения токов утечки конденсатора хранения.
Устройства выборки и хранения выпускаются отечественной промышленностью в виде интегральной микросхемы КР1100СК2(СК3). Функциональная схема приведена на рис.3.9.
При подаче на вход управления сигнала Uупр амплитудой больше 1.5 В УВХ переходит в режим выборки, при уменьшении Uупр ниже 1.5 В - в режим хранения. Микросхема обладает защитой от короткого замыкания
по выходу и входу, время выборки 10 мкс, время спада выходного напряжения в режиме хранения 5 мВ/мс.
86
На рис.3.10 представлены временные диаграммы работы УВХ.
Рис.3.8 Постейшая схема УВХ
|
Рис.3.10 Временные диаграммы |
Рис.3.9 УВХ – КР1100СК2 |
работы УВХ |
3.4. АНАЛОГО - ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
АЦП - устройство для преобразования изменяющегося во времени аналогового сигнала в соответствующие значения цифровых кодов.
Преобразование осуществляется через интервал времени, определяемый частотой дискретизации. Идеальный В-разрядный АЦП имеет ошибки, связанные только с процессами дискретизации и квантования. Максимальная ошибка, которую имеет идеальный АЦП, равна половине веса младшего разряда – q/2. Количество уровней квантования АЦП определяет динамический диапазон амплитуд входного сигнала: DD (дБ)
6·B.
АЦП бывают последовательные и параллельные. Последовательные АЦП делятся на: интегрирующие; следящие; последовательного приближения; сигма-дельта АЦП.
Интегрирующие АЦП.
Структурная схема интегрирующего АЦП изображена на рис.3.11а. В ее состав входят: ключ (Кл), интегратор (И), компаратор (Ком), схема управления (СУ), генератор кварцованной частоты (КГ) и счетчик (Сч).
87
а). |
б). |
Рис.3.11. АЦП двойного интегрирования. |
|
а) - структурная схема, б) - временные диаграммы работы
Интегрирующие АЦП работают по методу двойного интегрирования. На первом этапе за фиксированное время tи интегрируется входной сигнал +Uвх , на втором - противоположный ему по знаку опорный сигнал -Uоп. В течение второго этапа счетчик считает импульсы кварцованной частоты до момента равенства нулю сигнала на выходе интегратора. Количество сосчитанных импульсов за время разряда интегратора пропорционально входному напряжению (рис.3.11б). Эти АЦП обладают высокой точностью преобразования, но являются медленными (дес.-сот. мкс).
АЦП последовательного приближения.
Функциональная схема АЦП последовательного приближения представлена на рис.3.12. В ее состав входят: компаратор (Ком), регистр последовательного приближения (РПП), цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), генератор кварцованной частоты (КГ), схема управления, состоящая из триггера (Т) и схемы "И" (&).
Рис. 3.12. АЦП последовательного приближения
88
Регистр последовательного приближения формирует коды, которые поступают на ЦАП, а выходной сигнал ЦАП сравнивается при помощи компаратора с входным напряжением. В исходном состоянии все разряды РПП сигналом «S» установлены в «0». Затем каждый из них, начиная со старшего, под управнением сигнала тактовой частоты fг поочередно устанавливается в «1». Если выходной сигнал ЦАП не превышает уровень входного, анализируемый разряд РПП остается в «1», в противном случае он сбрасывается в «0». Для АЦП разрядностью B необходимо совершить В шагов преобразования, т.е. время преобразования равно tпр B tуст .
Для устойчивой работы АЦП последовательного приближения должны соблюдаться условия: во-первых, интервал следования тактовых импульсов кварцевого генератора не должен быть меньше времени установки ЦАП:
tг = 1/fг tуст , (3.1)
во-вторых, сигнал Uвх на входе компаратора не должен менять своего значения до тех пор, пока не будут закончены все преобразования (для этого на входе АЦП устанавливается УВХ, тактируемое сигналом частотой fd).
Этот класс АЦП имеет относительно высокую точность преобразования и высокое быстродействие (ед.-дес. мкс).
Задача: Рассчитать максимальную частоту входного сигнала, которую может обработать АЦП последовательного приближения, построенный на основе 10-разрядного ЦАП КР572ПА1.
Решение:
1.Время установки ЦАП КР572ПА1 tуст= 3.5мкс.
2.Согласно условию (3.1) в предельном случае tг= tуст=3.5 мкс. Тогда
частота тактового генератора будет равна: fг=1/ tг 286кГц.
3.Так как преобразование совершается за 10 тактов (В=10), то выборки входного сигнала на вход компаратора должны поступать с частотой не более чем 28.6кГц (fг/В).
4.С учетом теоремы Котельникова (fd 2 fв) частота входного сигнала не может быть выше чем fв=14.3 кГц.
Следящие АЦП.
Всостав следящего АЦП (рис.3.13) входят: компаратор (Ком); схема управления направлением счета, состоящая из логического коммутатора на
89
элементах «НЕ» и «2-И»; реверсивного счетчика (Сч), с выхода которого снимается цифровой код; кварцевого генератора (КГ) и ЦАП.
рис. 3.13. Следящий АЦП
До тех пор, пока выходное напряжение АЦП не превышает входного напряжения, открыта первая схема «И» и счетчик работает в режиме суммирования импульсов кварцевого генератора. В противном случае, открывается вторая схема «И» и счетчик переключается в режим вычитания.
Таким образом, схема работает в режиме «счет-досчет», при котором уровень входного напряжения постоянно отслеживается на уровне младшего разряда АЦП.
Для устойчивой работы следящего АЦП также должно соблюдаться условие (3.1).
Следящие АЦП обладают высоким быстродействием, но время преобразования их зависит от скорости изменения входного сигнала.
Сигма-дельта АЦП.
Структура и функционирование сигма-дельта АЦП строятся на следующих принципах: избыточная дискретизация, цифровая фильтрация (ЦФ) и децимация (DEC) (прореживание выходных выборок).
При дискретизации сигналов с частотой fd (по теореме Котельникова) шум квантования распределен равномерно в полосе (0 fd/2) Гц, и имеет дисперсию шк2=q2/12 (рис.3.14а).
При избыточной дискретизации сигнала с частотой kfd шум квантования равномерно распределяется в полосе от 0 до kfd/2. Уровень шума квантования может быть уменьшен с помощью цифрового фильтра (рис.3.14б). Кроме того, как отмечалось ранее, избыточная дискретизация уменьшает требования к аналоговому фильтру. Так как ширина полосы пропускания уменьшена цифровым фильтром, скорость выдачи данных с
90
АЦП может быть снижена до fd. Эту функцию, не вызывая никакой потери информации, выполняет дециматор DEC.
Рис.3.14. Шум квантования при избыточной дискретизации и децимации для обычного (б) и сигма-дельта АЦП (в)
Использование сигма-дельта преобразователя позволяет сформировать форму кривой распределения шума квантования, как показано на рис.3.14в. Большая часть этого шума отфильтровывается цифровым фильтром.
Структурная схема простейшего одноразрядного сигма-дельта АЦП первого порядка приведена на рис.3.15 и состоит из: сумматора ( ), интегратора ( ), компаратора (К), одноразрядного ЦАП, цифрового фильтра (ЦФ) и дециматора (DEC). Среднее выходное напряжение ЦАП определяется плотностью потока единиц и нулей в одноразрядном потоке данных с выхода компаратора, в котором содержится среднее значение входного напряжения. Благодаря отрицательной обратной связи напряжение на выходе ЦАП стабилизируется на уровне входного напряжения Uвх. Цифровой фильтр и дециматор обрабатывают поток данных с выхода компаратора и выдают окончательный результат.
В В-разрадном сигма-дельта АЦП компаратор заменяется на В- разрядный параллельный АЦП, а одноразрядный ЦАП - на В-разрядный.