4.1. Завдання на лабораторну роботу № 2

Дослідження характеристики перетворення сигналів та закону кодування блока АЦ-11

4.2. Теоретичні відомості

до лабораторної роботи

АІМ сигнал - поступає з виходів трактів передачі плат ІП-11.

Плата АЦ–11

Призначення

Плата АЦ–11 призначена для нерівномірного квантування і кодування (аналогово–цифрового перетворення) групового АІМ–сигналу, який поступає з виходів трактів передачі плат ІП–11 та ІП–10.

Плата АЦ–11 входить в склад АЦО–11.

Технічні дані

Вхідним сигналом АЦ є послідовність біполярних АІМ–сигналів з максимальною амплітудою для АЦ–11 – 1,0В, для АЦ–10 – 2,5В і тривалістю 1,95 мкс. Вхідний опір АЦ–11 – 1 кОм, АЦ–10 – 1,7 кОм.

Вихідний сигнал АЦ – паралельний восьми розрядний симетричний двійковий код. Перший символ вихідної кодової комбінації несе інформацію про полярність перетвореного сигналу, решта сім – про амплітуду, причому максимальній амплітуді вхідного сигналу відповідає кодова комбінація Х1111111, мінімальній – Х0000000, крім того, всі кодові комбінації на виході АЦ підлягають додатковому перетворенню, який полягає в інверсії парних розрядів.

Тактова частота роботи АЦ – 4096 кГц.

Частота перетворювача – 256 кГц.

Закон кодування – логарифмічний, апроксимований 13–ти сегментною характеристикою з відношенням нахилів характеристик на сусідніх сегментах, рівним двом (А–87, 6/13).

Характеристика перетворювання АЦ для додатних сигналів приведена на мал. 2. Робоча точка АЦ знаходиться на межі між двома кроками квантування. Характеристика АЦ відповідає Рекомендації МККТТ G711.

Структурна схема плати АЦ

АЦ по принципу дії являє собою нелінійний аналого-цифровий перетворювач послідовного зважування з зворотнім зв’язком. Структурна схема АЦ приведена на мал. 3.

АЦ містить наступні функціональні вузли:

1. пристрій вибірки і зберігання (динамічний запам’ятовуючий пристрій), призначений для взяття вибірки напруги вхідного сигналу і фіксуванні її на час процесу кодування. Пристрій вибірки і зберігання складається з вхідного підсилювача Пс1, ключа SW запам’ятовуючого конденсатора С і узгоджуючого підсилювача Пс2;

2. два цифро–аналогових перетворювачі ЦАП1 і ЦАП2, які призначені для формування сум еталонних струмів ( ), з допомогою яких відбувається зважування сигналу, який кодується;

3. компаратор К, який визначає знак результату віднімання струму від струму вибірки на кожному етапі зважування;

4. регістр послідовного наближення RG1, який запам’ятовує результат кожного етапу зважування в циклі кодування і який формує сигнали, які визначають послідовність порівняння сигналу вибірки з сумою еталонних струмів;

5. перетворювач коду, який формує нелінійну характеристику перетворення кодера;

6. буферний регістр RG2;

7. коректор нуля, який компенсує дрейф нульового рівня пристрою вибірки і зберігання, і компаратора;

8. живлячий пристрій ЖИВ, який формує напругу для живлення ключа SW, підсилювача Пс1, компаратора К і цифро–аналогових перетворювачів ЦАП1 і ЦАП2.

Рис. 4.1. Характеристика перетворення АЦ (для додатних сигналів)

Процес кодування полягає у визначенні на характеристиці кодуючого пристрою кроку квантування, в межах якого знаходиться вхідний сигнал, який перетворюється, і формуванні двійкового коду, який відповідає номеру цього кроку. Кодування по методу послідовного зважування можна розглядати як послідовний пошук номеру кроку шляхом підбору суми еталонних сигналів різної величини для досягнення найбільш точного врівноваження сигналу, який кодується. При цьому результати кожного з порівнянь утворюють код сигналу, який перетворюється.

Цикл роботи АЦ–11 складається з 16 тактових інтервалів тривалістю 244 нс. В інтервал часу відбувається перерозряд запам’ятовуючого конденсатора С у пристрої вибірки і зберігання, а в моменти відбувається запис вихідного сигналу компаратора К в регістр послідовних наближень RG1.

Сигнал, який кодується, представляється незмінним по величині протягом циклу кодування струмом , який пропорційний відліку миттєвого значення напруги вибірки вхідного сигналу. Для формування струмового сигналу вхідний сигнал поступає на пристрій вибірки і зберігання, який виконує фіксацію миттєвого значення вхідного сигналу шляхом заряду запам’ятовуючого конденсатора С до напруги вхідного сигналу в момент і наступного зберігання. З виходу підсилювача Пс2 струми і мінус поступають в точки сумування А і Б. В одну з точок сумування, в залежності від полярності вхідного сигналу, на наступних етапах кодування подаються суми еталонних струмів , які віднімаються від струму .

Різниця в одній точці сумування і струм мінус в іншій точці створюють на вихідних опорах ЦАП1 і ЦАП2 напругу і мінус відповідно. Компаратор К, входи якого підключені до точок сумування, робить операцію віднімання і виробляє сигнал зворотного зв’язку, який поступає на вхід регістра послідовного наближення RG1:

В цій процедурі пошуку необхідної суми еталонних струмів, яка врівноважує вхідний сигнал, перехід до наступної суми еталонах струмів відбувається на основі всіх попередніх (в даному циклі) рішень компаратора, які зберігаються в регістрі послідовних наближень. На виходах восьми тригерів регістру по мірі запису в нього рішень компаратора формується код сигналу, що перетворюється.

Перший розряд регістру RG1 містить інформацію про полярність вхідного сигналу. Визначення полярності відбувається без подачі в точки сумування А і Б еталонних струмів (тобто ) в інтервал часу результат визначення в момент записується в регістр RG1. Другим, третім і четвертим розрядами кода кодується номер сегмента характеристики кодера, якому відповідає рівень вхідного сигналу. У відповідності з цим під час пошуку сегмента відшукується найближчий менший ніж сигнал еталонний струм з струмів з вагами 2¹⁰, 2⁹, 2⁸, 2⁷, 2⁶, 2⁵, 2⁴ і 0 умовних одиниць (у.о.), де у.о. – струм, який відповідає найменшому кроку на характеристиці кодера. Вказані еталонні струми відповідають нижнім граничним точкам сегментів.

Пошук сегмента займає три тактових інтервалу, і починається з порівняння вхідного сигналу (струму ), з еталонним струмом вагою 2⁷ у.о. (який відповідає нижній границі середнього по номеру сегменту). Струм вагою 2⁷ у.о. подається в одну з точок сумування в інтервал . У відповідності з рішенням компаратора, який записується в момент в регістр RG1, в інтервал часу включається еталонний струм вагою 2⁹ у. о. або 2⁵ у.о., далі – в інтервал відбувається обумовлений попередніми рішеннями компаратора перехід до одного з еталонних струмів 2¹⁰ у.о., 2⁸ у.о., 2⁶ у.о., або 2⁴ у.о. Еталонний струм, який відповідає нижній границі шуканого сегмента, залишається включеним до кінця циклу кодування.

Розрядами з п’ятого по восьмий кодується номер одного з 16 кроків на сегменті, в межах якого знаходиться вхідний сигнал. Визначення номеру кроку на сегменті відбувається в інтервал , причому в інтервал включається еталонний струм вагою, яка рівна половині ваги еталонного струму, який відповідає нижній границі сегменту (або 2³ у.о., якщо сигнал знаходиться в сегментів, близькому до нуля). В кожному з наступних інтервалів , і в точку сумування додаються еталонні струми, які постійно зменшуються в два рази, а їх включення залежить від рішень компаратора у відповідні моменти часу. Наприклад, в інтервал включається еталонний струм вагою 1/4 ваги струму, який включений в інтервал , а його вимикання обумовлено рішенням компаратора, який записується в RG1 в момент .

Сигнали, які керують включенням еталонних струмів в ЦАП1 або ЦАП2, поступають на керуючі входи останніх з виходів перетворювача коду, який перетворює 7 розрядів коду на виходах 2–го – 8–го тригерів RG1 в 11–ти розрядний код.

Стан 1–го тригера RG1 визначає номер ЦАП, який формує еталонні струми.

Вихідний сигнал АЦ формується зчитуванням паралельного коду з виходів RG1 в буферний паралельний регістр RG2 в момент часу . При зчитуванні парні розряди інвертуються.

В кодуючому пристрої передбачена автоматична корекція нуля. Зміщення робочої точки АЦ обумовлено розкидом і дрейфом параметрів елементів пристрою вибірки і зберігання і компаратора. Вхід коректора нуля підключений до першого тригера регістра RG1, а вихід – до виходу підсилювача ПС1 пристрою вибірки і зберігання.

Для забезпечення можливості відображення процесу нерівномірного квантування і кодування на ЕПТ осцилографа в структурну схему АЦ-11 введено цифро-аналоговий перетворювач - ЦАП, що не є складовою частиною АЦ-11 і тому зображений пунктиром.

Рис. 3. Структурна схема АЦ