Аналого-цифровое преобразование

В микропроцессорных системах роль импульсного элемента выполняет аналого-цифровой преобразователь (АЦП), а роль экстраполятора – цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).

Аналого-цифровое преобразование заключается в преобразовании информации, содержащейся в аналоговом сигнале, в цифровой код. Цифро-аналоговое преобразование призвано выполнять обратную задачу, т.е. преобразовывать число, представленное в виде цифрового кода, в эквивалентный аналоговый сигнал.

АЦП, как правило, устанавливаются в цепях обратных связей цифровых систем управления для преобразования аналоговых сигналов обратных связей в коды, воспринимаемые цифровой частью системы. Т.о. АЦП выполняют несколько функций, таких как: временная дискретизация, квантование по уровню, кодирование. В АЦП входным сигналом является напряжение, выходным – соответствующий этому значению цифровой код. Для АЦП с высокочастотными сигналами часто необходимо квантование входного напряжения по времени и поддержание выбранного зна­чения напряжения в течение всего времени преобразования. Эта операция выполняется отдельным устройством. В самом АЦП происходит квантование входного напряжения по уровням с соответствующим отображением в виде цифрового кода.

Принцип АЦП, состав и структурные схемы в значительной мере зависят от метода преобразований. АЦП по способу преобразования разделяются на последовательные, параллельные и последовательно-параллельные.

В последовательных АЦП входной аналоговый сигнал (далее входной сигнал) уравновешивается либо суммой эталонов, т.е. минимальных для данного преобразователя и равных друг другу мер (АЦП счета), либо набором из n эталонов, выработанных внутри преобразователя (где n – число разрядов АЦП) и взвешенных по двоичному счислению (АЦП сравнения). К последова­тельным АЦП счета относят преобразователи с накоплением, без промежуточного преобразования, с промежуточным преобразова­нием и интегрирующие [1].

К АЦП без промежуточного преобразования можно отнести преобразователи напряжение-частота. Частота повторения вы­ходных импульсов таких преобразователей пропорциональна зна­чению входного сигнала. Среди АЦП с промежуточным преобразо­ванием чаще других используются преобразователи во времен­ной интервал и частоту. В первом случае происходит последо­вательное преобразование входного сигнала во временной интервал и временного интервала в цифровой код. Во втором случае осуществляется последовательное преобразование входного сигнала в импульсы соответствующей частоты от генератора плавающей частоты, которые затем подсчитываются счетчиком за определенный интервал времени. Число зафиксированных им пульсов пропорционально входному сигналу.

Распространение получили интегрирующие АЦП с двухтактным интегрированием и с дискретной обратной связью. В преобразователях с двухтактным интегрированием выделяют АЦП с интегрированием входного сигнала за постоянный интервал времени и с интегрированием входного сигнала до заданной величины. Принцип их действий сводится к следующему: в первом такте интегрируется входной сигнал, во втором – противоположный ему по знаку опорный сигнал. Окончание первого такта интег­рирования является началом второго. В течение выбранного такта интегрирования ведётся счет импульсов, который прекращается в момент равенства нулю сигнала на выходе интегратора. Число зафиксированных счетчиком импульсов пропорцио­нально входному сигналу АЦП [1].

В интегрирующих АЦП с дискретной обратной связью осуществляется одновременное измерение входного сигнала и счет импульсов генератора в течение цикла преобразования. На входе интегратора происходят управляемый специальным устрой­ством процесс суммирования или вычитания эталонных токов, поддерживающих выходное напряжение интегратора равным опор­ному. Число импульсов в счетчике пропорционально входному сигналу и определяется временем, необходимым для уравновешения заряда в конденсаторе интегратора эталонными токами. Аналого-цифровые преобразователи сравнения конвейерно­го типа представляют собой достаточно сложные схемы с большим числом аналоговых устройств. В последнее время они не находят широкого распространения в связи с появлением микросхем быстродействующих параллельных АЦП.

В каскадных АЦП сравнения можно выделить преобразователи с постоянными и переменными порогами, кодом Грея. В наибо­лее простых преобразователях с переменными порогами в каж­дом разряде преобразования используется компаратор. Порого­вое напряжение первого компаратора (старшего разряда) пос­тоянно и равно половине опорного напряжения 1/2U_оп. Порог срабатывания второго компаратора изменяется с помощью одно­разрядного ЦАП, управляемого первым компаратором, и соответ­ствует 3/4Uоп. Порог срабатывания n-го компаратора изменяется с помощью соответствующего ЦАП, управляемого предыдущими компараторами, и равен (2ⁿ–1)2ⁿU_оп, n – число разрядов АЦП. Цифровая информация получается с выхода каждого из n компараторов.

Наибольшее распространение среди АЦП сравнения получи­ли преобразователи, реализующие принцип последовательных приближений. В АЦП последовательных приближений используются, как правило, ЦАП в цепи ОС и счетчик или регистр в качестве устройства управления. Сравнение входного сигнала с опорным ведется, начиная со значения 1/2U_оп, соответствующего старшему разряду выходного кода. Таким образом, n-разрядное преобра­зование выполняется всего за n тактов приближений. Разновид­ностью АЦП последовательных приближений являются преобра­зователи следящего типа, использующие реверсивный счетчик. В зависимости от результата сравнения входного и компен­сирующего сигналов ОС он изменяет код на входе ЦАП в цепи ОС таким образом, чтобы код на выходе АЦП поддерживался около заданного значения с требуемой точностью.

В работе параллельных АЦП общим является то, что преоб­разуемый сигнал подается сразу на ряд параллельно включен­ных компараторов; Для получения цифрового кода сигналы с вы­ходов компараторов обрабатываются в кодирующем устройстве. Параллельные АЦП являются наиболее быстродействующими и в последнее время получили значительное развитие в связи с дости­жениями в области изготовления БИС и СБИС.

В последовательно-параллельных АЦП используется сочетание методой последовательного и параллельного преобразова­ния. В простейшем случае два и более параллельных АЦП рабо­тают последовательно во времени. Первый АЦП вырабатывает n старших разрядов выходного кода. Цифровая информация с выхо­да АЦП поступает на вход ЦАП, результат преобразования кото­рого сравнивается с выходным сигналом. Получившийся остаток поступает на вход другого АЦП для получения m младших разря­дов выходною кода [1].

Микроэлектронным АЦП присущи расширенные функциональные возможности, позволяющие использовать их в современных сис­темах управления и обработки данных на основе МП и микроЭВМ.

Электронные фильтры.

К выпрямительным устройствам очень часто предъявляются требования не только малой пульсации выпрямленного напряжения, но и малого выходного (внутреннего) сопротивления выпрямителя. Последнее требование предъявляется в тех случаях, когда периодические колебания тока нагрузки выпрямителя не должны вызывать заметного изменения выпрямленного напряжения.

Малая пульсация может быть получена путем увеличения индуктивности и емкости сглаживающего фильтра, а низкое выходное сопротивление для периодических изменений тока нагрузки — увеличением выходной емкости фильтра. Однако, если частота колебаний тока нагрузки мала (порядка единиц — десятков герц), то размеры фильтра возрастают настолько, что исключают возможность его использования.

Оба указанных выше требования сравнительно легко выполняются с помощью компенсационных стабилизаторов напряжения. Однако в тех случаях, когда стабилизация выпрямленного напряжения не нужна, для уменьшения пульсации и выходного сопротивления целесообразно использовать электронные фильтры, которые имеют более высокий К.П.Д. по сравнению со стабилизаторами напряжения.

В таких случаях электронные фильтры позволяют значительно уменьшить выходную емкость фильтра С ₁. Наиболее выгодно использовать электронные (ламповые) фильтры в нестабилизированных высоковольтных выпрямителях (при Е0 > 500÷700 В).

Одна из возможных схем фильтра с одним каскадом усиления дана на рисунке:

Схема электронного фильтра

На выходе источника постоянного напряжения (выпрямителя), обладающего внутренним сопротивлением R _в, включен электронный фильтр, состоящий из ламп Л ₁, Л ₂, конденсаторов С _с1, С _с2, С ₁, С _н и резисторов.

Давайте рассмотрим работу электронного фильтра при периодических колебаниях тока нагрузки, вызванных периодическими изменениями сопротивления нагрузки.

Если сопротивление нагрузки увеличивается, то ток в цепи нагрузки уменьшается, а напряжение на входе электронного фильтра возрастает за счет уменьшения падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника R _в. Так как в этот момент напряжение на нагрузке также стремится возрасти, то это вызывает уменьшение отрицательного потенциала на сетке усилительной лампы Л ₂ и соответствующее увеличение отрицательного потенциала на сетке регулирующей лампы Л ₁. В результате почти весь избыток напряжения источника падает на лампе Л ₁, а выходное напряжение остается почти без изменений. Периодически изменяющиеся сигналы передаются на сетки ламп через конденсаторы С _с1, С _с2, емкость которых определяется низшей частотой колебаний тока нагрузки. При уменьшении сопротивления нагрузки схема работает аналогично.

Подобным же образом электронный фильтр ослабляет пульсацию источника постоянного напряжения.

Способность электронного фильтра поддерживать постоянство выходного напряжения при периодических колебаниях тока нагрузки позволяет рассматривать выпрямитель с электронным фильтром, как источник напряжения с низким выходным сопротивлением.

Для уменьшения мощности, рассеиваемой на аноде регулирующей лампы, ее можно шунтировать сопротивлением R _ш при условии, что колебания тока нагрузки невелики.

Выходное сопротивление электронного фильтра

где R _iр — внутреннее сопротивление регулирующей лампы Л ₁; μ _р — коэффициент усиления регулирующей лампы; К _у — коэффициент усиления усилителя; k _ш = R _ш/(R _ip + R _ш); R _ш — сопротивление, шунтирующее регулирующую лампу; Х = √1 + Ω² R ²_в С ²₁; Ω — угловая частота
колебаний тока нагрузки; С ₁ — емкость на входе электронного фильтра.

Коэффициент сглаживания электронного фильтра

где С _н — емкость на выходе электронного фильтра.

Регулирующая и усилительная лампы должны работать на линейных участках характеристик без захода в область сеточных токов. Минимальное анодное напряжение регулирующей лампы должно быть таким, чтобы максимальный ток нагрузки протекал через лампу при отрицательном напряжении на сетке. Для защиты от перенапряжений в схемах высоковольтных выпрямителей служат разрядники Р ₁ и Р ₂.

HYPERLINK "http://www.google.com/bookmarks/mark?op=edit&output=popup&bkmk=http%3A%2F%2Fradioelpribori.ru%2Felektronnyie-filtryi.html&title=%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B5%20%D1%84%D0%B8%D0%BB%D1%8C%D1%82%D1%80%D1%8B"HYPERLINK \l ""HYPERLINK "http://connect.mail.ru/share?url=http%3A%2F%2Fradioelpribori.ru%2Felektronnyie-filtryi.html&title=%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B5%20%D1%84%D0%B8%D0%BB%D1%8C%D1%82%D1%80%D1%8B"HYPERLINK \l ""HYPERLINK "http://zakladki.yandex.ru/newlink.xml?url=http%3A%2F%2Fradioelpribori.ru%2Felektronnyie-filtryi.html&name=%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B5%20%D1%84%D0%B8%D0%BB%D1%8C%D1%82%D1%80%D1%8B"HYPERLINK ""HYPERLINK \l ""HYPERLINK "http://feeds.feedburner.com/radioelpriborinew"

Триггер (триггерная система) — класс электронных устройств, обладающих способностью длительно находиться в одном из двух устойчивых состояний и чередовать их под воздействием внешних сигналов. Каждое состояние триггера легко распознаётся по значению выходного напряжения. По характеру действия триггеры относятся к импульсным устройствам — их активные элементы (транзисторы, лампы) работают в ключевом режиме, а смена состояний длится очень короткое время.

Отличительной особенностью триггера как функционального устройства является свойство запоминания двоичной информации. Под памятью триггера подразумевают способность оставаться в одном из двух состояний и после прекращения действия переключающего сигнала. Приняв одно из состояний за «1», а другое за «0», можно считать, что триггер хранит (помнит) один разряд числа, записанного в двоичном коде.

При изготовлении триггеров применяются преимущественно полупроводниковые приборы (обычно биполярные и полевые 0%A2%D1%80%D0%B0%D0%BD%D0%B7%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%80"транзисторы), в прошлом — электромагнитные 0%A0%D0%B5%D0%BB%D0%B5"реле, 0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%BB%D0%B0%D0%BC%D0%BF%D0%B0"электронные лампы. В настоящее время логические схемы, в том числе с использованием триггеров, создают в 0%A1%D1%80%D0%B5%D0%B4%D0%B0_%D1%80%D0%B0%D0%B7%D1%80%D0%B0%D0%B1%D0%BE%D1%82%D0%BA%D0%B8_%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B3%D1%80%D0%B0%D0%BC%D0%BC%D0%BD%D0%BE%D0%B3%D0%BE_%D0%BE%D0%B1%D0%B5%D1%81%D0%BF%D0%B5%D1%87%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F"интегрированных средах разработки под различные 0%9F%D0%9B%D0%98%D0%A1"программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС). Используются, в основном, в 0%92%D1%8B%D1%87%D0%B8%D1%81%D0%BB%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%82%D0%B5%D1%85%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%B0"вычислительной технике для организации компонентов вычислительных систем: 0%A0%D0%B5%D0%B3%D0%B8%D1%81%D1%82%D1%80"регистров, 0%A1%D1%87%D1%91%D1%82%D1%87%D0%B8%D0%BA"счётчиков, 0%9F%D1%80%D0%BE%D1%86%D0%B5%D1%81%D1%81%D0%BE%D1%80"процессоров, 0%9E%D0%97%D0%A3"ОЗУ.

RS-триггер 10"[10]HYPERLINK \l "cite_note-11"[11], или SR-триггер — триггер, который сохраняет своё предыдущее состояние при нулевых входах и меняет своё выходное состояние при подаче на один из его входов единицы.

При подаче единицы на вход S (от 0%90%D0%BD%D0%B3%D0%BB%D0%B8%D0%B9%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D1%8F%D0%B7%D1%8B%D0%BA"англ. Set — установить) выходное состояние становится равным логической единице. А при подаче единицы на вход R (от 0%90%D0%BD%D0%B3%D0%BB%D0%B8%D0%B9%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D1%8F%D0%B7%D1%8B%D0%BA"англ. Reset — сбросить) выходное состояние становится равным логическому нулю. Состояние, при котором на оба входа R и S одновременно поданы логические единицы, в простейших реализациях является запрещённым (так как вводит схему в режим генерации), в более сложных реализациях RS-триггер переходит в третье состояние QQ =00. Одновременное снятие двух «1» практически невозможно. При снятии одной из «1» RS-триггер переходит в

состояние, определяемое оставшейся «1». Таким образом RS-триггер имеет три состояния, из которых два устойчивых (при снятии сигналов управления RS-триггер остаётся в установленном состоянии) и одно неустойчивое (при снятии сигналов управления RS-триггер не остаётся в установленном состоянии, а переходит в одно из двух устойчивых состояний).

RS-триггер используется для создания сигнала с положительным и отрицательным фронтами, отдельно управляемыми посредством стробов, разнесённых во времени. Также RS-триггеры часто используются для исключения так называемого явления 0%94%D1%80%D0%B5%D0%B1%D0%B5%D0%B7%D0%B3"дребезга контактов.

Дата добавления: 2015-05-06