|
| |
 |
Электронные компоненты Мануалы Глава 3 . ЭЛЕМЕНТЫ И УЗЛЫ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ . § 3.1. РОЛЬ ОПЕРАЦИЙ АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ В УСТРОЙСТВАХ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ Электрические сигналы, являющиеся объектом обработки в радиотехнических системах (РТС), по своей физической природе являются аналоговыми, т. е. представляют собой непрерывные функции напряжения или тока от времени. Поэтому в процессе формирования и обработки таких сигналов с помощью цифровых устройств важную роль играют операции преобразования в цифровую форму и обратно. Для выполнения этих операций служат аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи (АЦП и ЦАП). Первые обеспечивают сопряжение источников аналоговых сигналов (например, радиоприемных устройств) с цифровыми устройствами обработки, а вторые предназна-*1ены главным образом для сопряжения цифровых устройств формирования и обработки сигналов с аналоговыми потребителями информации (например, визуальными индикаторами). В радиотехнических системах широко применяются следующие разновидности устройств аналого-цифрового преобразования: преобразователи код-напряжение (ПКН), напряжение-код (ПНК), время-код (ПВК) и код-время (ПКВ). Последние два вида преобразователей (ПВК и ПКВ) входят в устройства обработки сигналов РТС, использующих в качестве переносчика информации временные параметры сигнала (например, импульсные радиодальномерные системы). Принципы построения и функциональные схемы таких устройств подробно рассмотрены в [53], а особенности их применения в РТС, использующих программную обработку сигналов на базе вычислительных средств (микро- и мини-ЭВМ), отражены в [22]. Поэтому в дальнейшем остановимся только на рассмотрении устройств аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования, называемых ПНК и ПКН. Такие преобразователи являются неотъемлемой частью большинства РТС, использующих цифровую обработку сигналов, особенно если она выполняется на базе универсальных или специализированных вычислительных средств. Смысл операции аналого-цифрового преобразования напряжения заключается в замене непрерывно-изменяющегося электрического сигнала u{t) его значениями (выборками) Ut = u(ti), соответствующими дискретным моментам времени tt = iAt (i = 0, 1,2, ...) (отстоящим друг от друга на интервал дискретизации Д, с последующим цифровым кодированием выборочных значений Ut (например, в виде параллельного двоичного кода). Операция замены непрерывной функции u{t) ее выборочными значениями Ui в дискретные моменты времени ti (рис. 3.1) называется дискретизацией по времени. Чем меньше интервал дискретизации At, тем точнее отображается ис- ходный сигнал u{t) и тем больше объемотображаемой информации, приходящийся на единицу времени обработки сигнала. Следовательно, увеличение точности операции временной дискретизации сигнала сопровождается увеличением объема памяти и повышением быстродействия устройств обработки. Поэтому при выборе интервала дискретизации At обычно руководствуются известной теоремой Котель-никова, определяющей верхнюю границу этого интервала, исходя из максимальной частоты спектра сигнала /щах." At < l/2/max. Операция цифрового кодирования выборочных значений Ut, называемая также квантованием сигнала по уровню (в отличие от дискретизации по времени), состоит в разбиении априорного интервала изменения функции u(t) на ряд дискретных уровней, различающихся между собой на Аи (называемую интервалом квантования), и присвоении аналоговой выборке Uj целочисленного значения (или цифрового кода) /С, если Ui попадает в интервал [КАи, (К + 1)Аи] (см. рис. 3.1). Ясно, что точность этой операции кодирования определяется числом уровней квантования, или разрядностью цифрового кода. При этом повышение точности (так же как при операции временной дискретизации) сопряжено с увеличением объема памяти и повышением быстродействия устройств цифровой обработки сигналов. Поэтому на практике стремятся к минимально возможной разрядности ПНК, исходя из допустимых погрешностей преобразования, которые определяются заданными требованиями к характеристикам цифрового устройства обработки. При объединении операций временной дискретизации и квантова НИЯ по уровню в едином устройстве аналого-цифрового преобразования возникают специфические погрешности, связанные с конечным временем операции цифрового кодирования, которое определяет такую важную характеристику ПНК, как быстродействие, или время преобразования Гдр. Быстродействие ПНК ограничивает частоту временной дискретизации сигнала u(t), так как должно выполняться ус ловие Д> Гдр. Если сигнал u(t) изменяется во времени, то конечное время преобразования приводит к динамической погрешности, которая определяется как du (О Рис. 3.1. Пояснение процессов дискретизации по времени и квантования по уровню непрерывной функции u{t) Чтобы устранить эту погрешность, время преобразования Т и ошибка дискретизации преобразования (интервал квантования) Ай должны удовлетворять условию du(t)ldt < Аи/Тр, которое можно рассматривать как ограничение возможностей ПНК по скорости изменения преобразуемого сигнала. Из рассмотренных особенностей операции аналого-цифрового преобразования следует, что основными характеристиками, определяющими качество работы соответствующих устройств преобразования (ПНК), являются время преобразования и ошибка дискретизащш Ди. Кроме того, к важным характе- ристикам ПНК следует отнести диапазон изменения уровня входного напряжения, который определяет число двоичных разрядов преобразователя. Аналогичные характеристики присущи и устройствам цифро-аналогового преобразования, выполняющим обратную операцию, т. е. преобразование код-напряжение. Эта операция применяется для сопряжения цифровых устройств формирования и обработки сигналов с аналоговыми элементами, узлами и блоками РТС. Указанные характеристики являются основой для выбора принципа построения ПНК и ПКН, разработки их функциональных схем и практической реализации соответствующих устройств на приемлемой элементной базе. § 3.2. АНАЛОГОВЫЕ КЛЮЧИ Эти ключи предназначены для коммутации аналоговых сигналов от источника на нагрузку с малыми искажениями. Они широко применяются в ЦАП, АЦП, устройствах выборки и запоминания сигналов, для коммутации аналоговых сигналов многих источников на общую нагрузку и для других целей. Аналоговые ключи могут коммутировать ток или напряжение. Для коммутации напряжения можно использовать либо однополюсный последовательный ключ (прерыватель), либо переключатель на два положения (нагрузка подключается к источнику напряжения или к общей точке схемы). При коммутации же тока необходим переключатель на два положения (ток источника никогда не должен прерываться, а лишь переключаться в различные ветви цепи). Требования к характеру нагрузки должны быть различными для ключей тока и напряжения. В цепи для коммутации напряжения нагрузка должна иметь достаточно высокое сопротивление по сравнению с выходным сопротивлением источника сигнала, а для коммутации тока - наоборот. Реальные аналоговые ключи вносят погрешность при передаче сигнала (тока, напряжения) от источника в нагрузку. Основными параметрами ключа, определяющими величину погрешности, являются: остаточное напряжение на замкнутом ключе, остаточный ток разомкнутого ключа и конечное время переключения. Основной задачей проектирования аналоговых ключей является минимизация перечисленных параметров, и тем самым уменьшение погрешности, вносимой ключами при коммутации сигналов. Диодные ключи. На рис. 3.2, а приведена схема переключения тока на двух диодах. Статические вольт-амперные характеристики и процессы переключения диодов подробно изложены в литературе [53, 68J и здесь не рассматриваются. При подаче на управляющий вход положительного напряжения (рис. 3.2, в) = Ei>- ица + + «nP2 диод закроется и ток / = E/R от источника тока (Е, R) через открытый диод Дг проходит в нагрузку i?h (ы/н - падение напряжения на нагрузке R, R С R, и - напряжение на проводя- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 [ 27 ] 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 |