39

8. Дискретно-аналоговые устройства

Последние десятилетия отмечены интенсивным внедрением в радиоэлектронику цифровых методов обработки сигналов. Аналоговые сигналы в радиоэлектронных устройствах после их предварительного усиления и преобразования, как правило, превращаются в цифровую форму, в которой они далее и обрабатываются. Выходной сигнал либо остается цифровым, в частности при хранении информации, либо вновь превращается в аналоговую форму удобную для пользователя, например, при воспроизведении речи, музыки, изображения на телевизионном экране и т.п. Таким образом, возникает необходимость в устройствах преобразования аналоговых сигналов в цифровые и обратно. Кроме того, иногда приходится прибегать к дискретизации аналоговых сигналов с целью более удобной реализации устройств для их обработки, например, в активных фильтрах с коммутируемыми конденсаторами или в приборах с зарядовой связью. Такие устройства уже нельзя изучать с помощью методов, основанных на классических преобразованиях Фурье, Лапласа, используя комплексные и операторные коэффициенты передачи и соответствующие им переходные функции. Дискретно-аналоговые устройства, которые рассматриваются в разделе 8.3, исследуются с помощью дискретного прямого и обратного Z-преобразования, которое при уменьшении интервала дискретизации превращается в интегральное преобразование Лапласа.

В главе 8 рассмотрены аналого-цифровые преобразователи(АЦП), : цифро-аналоговые преобразователи(ЦАП), фильтры на коммутируемых конденсаторах.

8.1. Аналого-цифровые преобразователи.

Известно, что если производится дискретизация аналогового сигнала во времени, то для его восстановления без заметной потери информации интервал дискретизации Δtдолжен удовлетворять неравенству:Δt≤1/2f_В, гдеf_В- верхняя частота спектра сигнала, выше которой его спектральные составляющие практически не учитываются ( приложение5). Дискретные отсчеты сигналаS(Δtk) должны быть превращены в цифровую форму за время интервала дискретизации Δt.Обычно используется двоичная система исчисления. Число разрядовМдвоичного числа, с помощью которого фиксируются значения в моменты дискретизации, зависит от динамического диапазона исследуемого сигнала. В зависимости от характера сигнала и необходимой точности его измерения числоМможет быть:М=7-10 и даже больше. Это означает, что максимальная амплитуда изменения сигнала составляет 128-1024 и более нормированных единиц, а каждый элемент двоичного числа должен обрабатываться устройством АЦП за время. Если потребовать дополнительно достаточно хорошее воспроизведение импульса каждого разряда и ввести временной защитный интервал между ними, то время Δt_Цдолжно быть уменьшено. КоэффициентКтакого уменьшения составляет:К= 3-5. Отсюда инерционность АЦП или его верхняя рабочая частотаf_B(раб) должна быть в 2КМраз выше верхней частоты спектра сигнала:

.

При больших значениях f_B,МиКразработка аналого-цифрового преобразователя оказывается не простой задачей. Например, если спектр аналогового телевизионного сигнала без устранения в нем избыточности составляет 8 МГц, то при семиразрядном его представлении (М=7,К=5) в цифровую форму в двоичной системе исчисления потребуется инерционность АЦП, соответствующая полосе пропускания равной 0,56ГГц. При преобразовании сигнала звуковой частоты сf_В= 16 кГц в цифровой при тех же значенияхМ иКпотребуется инерционность АЦП, соответствующая полосе пропускания 1,12 МГц. В связи с этим приходится разрабатывать аналого-цифровые преобразователи, исходя из достижимой на практике инерционности устройства, точности измерения аналогового сигнала, а иногда до дискретизации устранять избыточность этого сигнала.

В таблице 8.1. приведены верхняя частота входного сигнала, число разрядов и время преобразования Δt_Цв зависимости от области применения АЦП в различных устройствах.

Таблица 8.1

Область применения	Число разрядов М	Время преобразования	Верхняя частота входного сигнала -Гц
радиолокация	6-8	(0,6-0,8) нс	2 10+7
Цифровое телевидение, видеотехника	10-12	(0,8-1) нс	10+7
Управление производственными процессами	10-12	(0,08-0,1)мс	100
Высококачественная звукозапись и звуковое воспроизведение	16-20	(0,25-0,3) мкс	2 10+4
электрокардиография	14	0,35 мс	100

Принято разделять аналого-цифровые преобразователи на три группы:

1.не очень высокой точности, но высокого и сверхвысокого быстродействия,

2.с средней точности и быстродействия,

3.прецизионные устройства малого быстродействия.

Первая группа АЦП выполняется по принципу параллельного измерения сигнала, во второй используются устройства с поразрядным сравнением и вычитанием входного сигнала, в третью группу входят аналого-цифровые преобразователи с двойным интегрированием.

Рассмотрим их в указанной последовательности.

1. На рис.8.1. приведена структурная схема аналого-цифрового преобразователя параллельного действия при М=4. Как видно из рисунка, входной сигнал от источникаU_Cпоступает одновременно на все инвертирующие входыМ-компараторов, на неинвертирующие входы поступают напряжения с прецизионного делителя на резисторах от источника опорного напряженияU_ОП Число компараторов совпадает с числом разрядов преобразования аналогового сигнала в цифровой код.

U_C

ДИОДНАЯ МАТРИЦА

СТАТИЧЕСКИЙ РЕГИСТР

R₁

R₂

R₃

U_ОП

R₄

Рис.8.1

Сигналы на неинвертирующих входах компараторов соответствуют уровням дискретизации. Принцип работы устройства достаточно простой. Если в момент опроса сигнал U_C на инвертирующем входеi-го компаратора будет больше, чем на его неинвертирующем входе, то на выходе компаратора образуется сигнал, поступающий на шину диодной матрицы соответствующей данному разряду. Если уровень сигнала ниже опорного напряженияi-го компаратора, то сигнал с его выхода на диодную матрицу не поступает. Сигналы на шинах запоминаются. По окончании дискретизации в течении времениΔtпроизводится опрос сигналов с шин диодной матрицы и превращение их в последовательный или параллельный цифровой код в статическом регистре, выход которого подключен к приемнику цифровой информации..

Учет знака сигнала U_Cпроизводится различными способами. Например, в устройство дополнительно вводится амплитудный компаратор, оценивающий полярность входного сигнала. Если напряжениеU_Cв момент опроса имеет отрицательное значение, то амплитудный компаратор выдает сигнал, что приводит к изменению знака входного сигнала. При этом триггер знакового разряда статического регистра переводится в положение соответствующее отрицательному знаку входного напряженияU_C.

Для защиты устройства от воздействия больших уровней сигнала между входами компараторов иногда включают два параллельно и встречно-включенных диода, которые образуют вместе с резисторами амплитудный ограничитель. Однако такое включение диодов приводит к увеличению инерционности АЦП.

Разрешающая способность рассмотренного преобразователя определяется, главным образом, чувствительностью компараторов и достигает точности порядка 0,1-0,01 % .Отметим следующие положительные качества указанных преобразователей:

-простота конструктивного построения;

-возможность использования широко известных и хорошо разработанных элементов и схем,

-сравнительно высокая точность преобразования.

2. АЦП с поразрядным управлением (метод сравнения и вычитания).

В преобразователях этого типа производится последовательное сравнение известных по величине эталонных сигналов (например, напряжений) с аналоговым сигналом. Если эталонный сигнал в момент опроса больше преобразуемого, то входной сигнал пропускается и для сравнения берется следующее меньшее эталонное. При этом на выходе преобразователя кодовый импульс не появляется и в данном разряде кода будет записан нуль. Если же эталонное напряжение меньше аналогового напряжения, то оно вычитается из последнего и на выходе появляется кодовый импульс, соответствующий единице в данном разряде цифрового эквивалента.

Если ряд эталонных напряжений соответствует убывающейпоследовательности с основанием 2 (например, 512,256,128,64,32 и т.д ), то в результате на выходе преобразователя будет получено двоичное число, соответствующее входному напряжению. Принцип работы АЦП рассмотрим при преобразовании аналогового сигнала (напряжения) величиной 62 мВ в двоичный код. Сначала преобразуемый сигнал сравнивается с наибольшим эталонным равным 64 мВ. Так как 62<64, то на выходе устройства импульса нет и в старшем разряде кода будет записан нуль. Следующий эталонный сигнал 32 мВ вычитается из преобразуемого 62 мВ. При этом на выход устройства поступает импульс представляющий разряд числа 32.Далее разность сигналов 62мВ-32мВ=30мВ сравнивается с третьим эталонным сигналом, соответствующим 16мВ. Так как 16<30, то на выход подается импульс, представляющий разряд числа 16. Разность 30мВ-16мВ=14мВ сравнивается со следующим эталонным сигналом 8 мВ и т.д. В результате на выходе получается код двоичного числа 0111110, соответствующий входному сигналу 62мВ. Кодовые импульсы с выхода устройства поступают последовательно, начиная со старшего разряда, поэтому такой преобразователь имеет последовательный во времени выход. В течение времени преобразования величина измеряемого сигнала не должна изменяться (условие малой скорости изменения входного сигнала). Поэтому необходима фиксация входного сигнала за время Δt образования кодовой последовательности.

Существует много вариантов построения преобразователей, работающих по такому алгоритму. Операции вычитания сигналов могут быть выполнены с использованием, например, вариантов функциональной схемы рис.6.4, а сравнения – с применением компараторов.