Устройства для формирования и аналого-цифрового преобразования сигналов

Односторонний амплитудный ограничитель — это устройство, напряжение на выходе которого Uвых (t) остается на постоянном уровне Uогр, когда входное напряжение Uвх (t) либо превышает некоторое пороговое значение Uпор (ограничение сверху), либо ниже порогового значения (ограничение снизу). Иначе выходное напряжение повторяет форму входного.

Двусторонние ограничители ограничивают сигнал на двух уровнях. Наиболее простыми являются ограничители на диодах (диодные ограничители).

Диодные ограничители бывают последовательные и параллельные. В последовательных ограничителях диод включен последовательно с нагрузкой, а в параллельных — параллельно нагрузке.

Рис. 18.1. Последовательный диодный ограничитель

Рассмотрим идеализированную схему последовательного диодного ограничителя (рис. 18.1). До тех пор пока входное напряжение меньше E0, диод закрыт и Uвых равно Е0. В промежутках времени, когда входное напряжение превышает E0, диод открыт и Uвых повторяет Uвх. Таким образом, рассмотренный ограничитель является последовательным диодным ограничителем на положительном уровне снизу.

Практически используемая схема рассмотренного ограничителя приведена на рис. 18.2. Она позволяет регулировать уровень ограничения, сделав одно из резисторов R1 или R2 переменным.

Рис. 18.2. Реальная схема последовательного диодного ограничителя

Рассмотрим принцип действия параллельного диодного ограничителя (рис. 18.3). Лишь в промежутках времени, когда входное напряжение более отрицательно, чем E0, диод открыт и Uвых равно Е. Во все остальные моменты времени диод закрыт и Uвых повторяет Uвх. Таким образом, данный ограничитель является параллельным диодным ограничителем на отрицательном уровне снизу.

Широкое распространение нашли ограничители амплитуды, построенные на основе ОУ. На рис. 18.4,а приведена схема одностороннего ограничителя на основе ОУ, на рис. 18.4,б — передаточная характеристика ограничителя, а на рис. 18.4,в — временные диаграммы его работы.

Рис. 18.4. Ограничитель амплитуды на ОУ

Основой данного ограничителя является инвертирующий усилитель на основе ОУ. В промежутках времени, когда напряжение Uвых отрицательное или меньше, чем Uст+Uд, диод закрыт и устройство работает как обычный инвертирующий усилитель (Uст — напряжение стабилизации стабилитрона, Uд — прямое падение напряжения на диоде). В промежутках времени, когда напряжение Uвх выше уровня Uст+Uд, диод закрыт, а стабилитрон находится в режиме стабилизации и напряжение Uвых ограничивается на уровне Uст+Uд.

Входное напряжение U1, при котором начинается ограничение выходного, определяется выражением.

.

где К=R2/R1.

Цифроаналоговые преобразователи Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) предназначены для преобразования цифровых сигналов в аналоговые. Такое преобразование необходимо, например, при восстановлении аналогового сигнала, предварительно преобразованного в цифровой для передачи на большие расстояния или хранения (таким сигналов, в частности, может быть звук).

К основным параметрам ЦАП относят разрешающую способность, время установления, погрешность нелинейности и др. Разрешающая способность — величина, обратная максимальному числу шагов квантования выходного аналогового сигнала. Время установления tуст — интервал времени от подачи кода на вход до момента, когда выходной сигнал войдет в заданные пределы, определяемые погрешностью. Погрешность нелинейности — максимальное отклонение графика зависимости выходного напряжения от напряжения, задаваемого цифровым сигналом, по отношению к идеальной прямой во всем диапазоне преобразования.

ЦАП является «связующим звеном» между аналоговой и цифровой электроникой. Существуют различные принципы построения АЦП.

На рис. 18.5 приведена схема ЦАП с суммированием весовых токов. Ключ S5 замкнут только тогда, когда разомкнуты все ключи S1…S4 (при этом uвых=0). U0 — опорное напряжение. Каждый резистор во входной цепи соответствует определенному разряду двоичного числа. По существу этот ЦАП — инвертирующий усилитель на основе операционного усилителя. Если замкнут один ключ S1, то.

.

что соответствует единице в первом и нулям в остальных разрядах. Модуль выходного напряжения пропорционален числу, двоичный код которого определяется состоянием ключей S1…S4. Токи ключей S1…S4 суммируются в точке «а» причем токи различных ключей различны (имеют разный «вес»). Это и определяет название схемы.

Рис. 18.5. ЦАП с суммированием токов

На рис. 18.6 приведена схема ЦАП на основе резистивной матрице R — 2R (матрицы постоянного сопротивления.

Рис. 18.6. ЦАП на основе резистивной матрицы

В схеме использованы так называемые перекидные ключи S1…S4, каждый из которых в одном из состояний подключен к общей точке, поэтому напряжения на ключах невелики. Ключ S5 замкнут только тогда, когда все ключи S1…S4 подключены к общей точке. Тогда напряжение относительно общей точки в каждой следующей из точек «а»…"d" в 2 раза больше, чем в предыдущей. К примеру, напряжение в точке «b» в 2 раза больше, чем в точке «а» (напряжение Ua, Ub, Uc и Ud в указанных точках определяются следующим образом: Ud=U0; Uc=U0/2; Ud=U0/4; Ua=U0/8). Допустим, что состояние указанных ключей изменилось. Тогда напряжения в точках «а»…"d" не изменится, так как напряжение между входами операционного усилителя практически нулевое.

На рис. 18.7 приведена схема ЦАП для преобразования двоично-десятичных чисел.

Рис. 18.7. ЦАП для преобразования двоично-десятичных чисел

Для представления каждого разряда десятичного числа используется отдельная матрица R — 2R (обозначены прямоугольниками). Z0…Z3 обозначают числа, определенные состоянием ключей каждой матрицы R — 2R. Принцип действия становится понятным, если учесть, что сопротивление каждой матрицы равно R. На выходе ЦАП получим.

.

Наиболее распространенными являются ЦАП серий микросхем 572, 594, 1108, 1118 и др. В табл. 18.1 приведены параметры некоторых из них.

Таблица 18.1.

Аналого-цифровые преобразователи Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) — это устройства, предназначенные для преобразования аналоговых сигналов в цифровые. Для такого преобразования необходимо осуществить квантование аналогового сигнала, т. е. мгновенные значения аналогового сигнала ограничить определенными уровнями, называемыми уровнями квантования. Характеристика идеального квантования имеет вид, приведенный на рис. 18.8.

Рис. 18.8. Квантование аналогового сигнала

Квантование представляет собой округление аналоговой величины до ближайшего уровня квантования, т. е. максимальная погрешность квантования равна ±0,5h (h — шаг квантования).

К основным характеристикам АЦП относят число разрядов, время преобразования, нелинейность и др. Число разрядов — количество разрядов кода, связанного с аналоговой величиной, которое может вырабатывать АЦП. Разрешающая способность — величина, обратная максимальному числу кодовых комбинаций на выходе АЦП. Так, 10-разрядный АЦП имеет разрешающую способность (210=1024)-1, т. е. при шкале АЦП, соответствующей 10 В, абсолютное значение шага квантования не превышает 10 мВ. Время преобразования tпр — интервал времени от момента заданного изменения сигнала на входе АЦП до появления на его выходе соответствующего устойчивого кода.

Характерными методами преобразования являются следующие: параллельного преобразования аналоговой величины и последовательного преобразования.

Рассмотрим АЦП с параллельным преобразованием входного аналогового сигнала (рис. 18.9). По параллельному методу входное напряжение одновременно сравнивают с n опорными напряжениями и определяют, между какими двумя опорными напряжениями оно лежит. При этом результат получают быстро, но схема оказывается достаточно сложной. Например, если Uвх>3/2U, но меньше 5/2U, то на выходе двух нижних ОУ появляется напряжение +Епит, что приводит к появлению на выходах кодирующего преобразователя (КП) кода 010.

Рассмотрим конкретный вариант АЦП с последовательным преобразованием входного сигнала (последовательного счета), который называют АЦП со следящей связью (рис. 18.10). В АЦП рассматриваемого типа используется ЦАП и реверсивный счетчик, сигнал которого обеспечивает изменение напряжения на выходе ЦАП.

Рис. 18.9. АЦП с параллельным преобразованием

Настройка схемы такова, что обеспечивается примерное равенство напряжений на входе Uвх и на выходе ЦАП — U. Если входное напряжение Uвх больше напряжения U на выходе ЦАП, то счетчик переводится в режим прямого отсчета и код на его выходе увеличивается, обеспечивая увеличение напряжения на выходе ЦАП. В момент равенства Uвх и U счет прекращается и с выхода реверсивного счетчика снимается код, соответствующий входному напряжению.

Рис. 18.10. АЦП с последовательным преобразование входного сигнала

Метод последовательного преобразования реализуется и в АЦП время-импульсного преобразования (АЦП с генератором линейно изменяющегося напряжения — ГЛИН) (рис. 18.11).

Рис. 18.11. Последовательное АЦП с время-импульсным преобразованием

Принцип действия рассматриваемого АЦП основан на подсчете числа импульсов в отрезке времени, в течение которого линейно изменяющееся напряжение (ЛИН), увеличиваясь от нулевого значения, достигает уровня входного напряжения Uвх. Используются следующие обозначения: СС — схема сравнения; ГИ — генератор импульсов; Кл — электронный ключ; Сч — счетчик импульсов. Отмеченный на временной диаграмме момент времени t1 соответствует началу измерения входного напряжения, а момент времени t2 — равенству входного напряжения и текущего напряжения ГЛИН. Погрешность измерения определяется шагом квантования времени. Ключ Кл подключает к счетчику генератор импульсов от момента начала измерения до момента равенства Uвх и UГЛИН. Через UСч обозначено напряжение на входе счетчика. Код на выходе счетчика пропорционален входному напряжению. Одним из недостатков этой схемы является невысокое быстродействие.

Наиболее распространенными являются АЦП серий микросхем 572, 1107, 1138 и др. (табл. 18.2).

Таблица 18.2.

Из таблицы видно, что наилучшим быстродействием обладает АЦП параллельного преобразования, а наихудшими — АЦП последовательного преобразования.