6.10.07 Типичный измерительный канал. Фильтры
Рис.22
Схему изображенную на рис.22 можно реализовать в LabVIEWи других программах.
Рис.23
Добротность фильтра зависит от выбора элементов.
Синфазная частота:
Классификация фильтров по количеству полюсов на частотной характеристике (первого, второго и более высоких порядков):
1) Баттерворта (Butterworth) (имеют более крутой спад АЧХ (6NдБ/окт., гдеN- порядок фильтра) по сравнению с Бесселем, и менее линейную ФЧХ
2) Чебышева (имеют более крутой спад АЧХ, но АЧХ не монотонна, а имеет пульсации заданного уровня, ФЧХ фильтров Чебышева немонотонна (есть пик вблизи частоты среза). При стремлении уровня пульсаций к 0 данный фильтр превращается в фильтр Баттерворта
3) Бесселя (обладают наиболее гладкими АЧХ и ФЧХ, но крутизна спада АЧХ у них наименьшая)
Рис.24
Задача
Задача : построим цифровой вольтметр с динамическим диапазоном измерения напряжения 0-100В.
Рис.25
Дешифратор (см рис.25) содержит набор элементов б). В зависимости от того, на какой сегмент структуры на рис.25 а) поступают от АЦП сигналы 0 и 1 варьируются показания сегментного индикатора. Например, если сигнал 1 поступил на сегменты a,b,c, на сегментном индикаторе наблюдаем число 7. Наличие фильтра в данной схеме не обязательно.
ЦАП
ЦАП предназначен для преобразования числа, определенного в виде двоичного кода, в напряжение или ток, пропорциональные значению цифрового кода.
Разрядность ЦАП – количество различных уровней выходного сигнала, которые ЦАП может воспроизвести, например, однобитный ЦАП способен воспроизвести 2 уровня (2^1=2), а восьмибитный – 256 (2^8) уровней.
Выделяют три основных типа ЦАП:
1) R-2R(медленный).
В данном ЦАП взвешенные значения создаются в специальной схеме, состоящей из резисторов с сопротивлениями Rи 2R. Это позволяет существенно улучшить точность по сравнению с обычным взвешивающим ЦАП.
Рис.26
Uвых=Uоп*Rвых/Uвх*{D0/2^n……Dn-1 /2^0}
Из рис.26 n=4
Недостатки данного АЦП:
- очень медленный
- необходимость подбора достаточного количества точных регистров
Достоинства:
- точность
2) ЦАП с взвешенными коэффициентами.
ЦАП, в котором каждому биту преобразуемого двоичного кода соответствует резистор или источник тока, подключенный на общую точку суммирования. Сила тока источника (проводимость резистора) пропорциональна весу бита, которому он соответствует. Таким образом, все ненулевые биты кода суммируются с весом.
ik
Рис.27
Uвых = +(I*R2)=(Uвх/R1)*R2, где I=∑ik
Рис.28
Uвых = -R2*{U1/R+U2/R+…+Un/R}
n=3: Uвых = -R2*{U1/2^3+U2/2^2+U3/2}
Достоинства:
- быстрота
Недостатки:
- низкая точность
Пример:
Рис.29
16=5В
8=2,5В
Uвых = -R1*{2,5/R+2,5/2R+2,5/4R+2,5/8R}=2,5,R1=4R
Сигнал «1» соответствует 5В, сигнал «0»-0В.
Сигма-дельта ЦАП.
ЦАП передискретизации, такие как дельта-cигма ЦАП, основаны на изменяемой плотности импульсов. Передискретизация позволяет использовать ЦАП с меньшей разрядностью для достижения большей разрядности итогового преобразования; часто дельта-сигма ЦАП строится на основе простейшего однобитного ЦАП, который является практически линейным. На ЦАП малой разрядности поступает импульсный сигнал с модулированной плотностью импульсов (c постоянной длительностью импульса, но с изменяемой скважностью), создаваемый с использованием отрицательной обратной связи. Отрицательная обратная связь выступает в роли фильтра высоких частот для шума квантования. Большинство ЦАП большой разрядности (более 16 бит) построены на этом принципе вследствие его высокой линейности и низкой стоимости. Быстродействие дельта-сигма ЦАП достигает сотни тысяч отсчетов в секунду, разрядность — до 24 бит
Рис.30
И.Ф.-интерполяционный фильтр, М-модулятор, ФНЧ- фильтр нижних частот