Схемотехника и системотехническое проектирование Аналого — цифровая схемотехника

Схемотехника и системотехническое проектирование Аналого - цифровая схемотехника Компараторы Интегральные таймеры Цифро - аналоговые преобразователи (ЦАП) Аналого - цифровые преобразователи (АЦП)

Компараторы • • Компаратором (схемой сравнения) называют аналоговую схему, которая выдает сигнал высокого уровня (1) на выходе при превышении уровня сигнала на одном из входов над порогом срабатывания и сигнал низкого уровня (0) в противном случае. Обычный операционный усилитель может быть с успехом применен для работы в качестве компаратора. Изображенный на рис. компаратор иначе называют триггером Шмидта. Указанный элемент имеет статическую характеристику Vвых =F( Vвх ) называемую петлей гистерезиса. Это означает, что при увеличении входного напряжения срабатывание компаратора происходит в одной точке, а при уменьшении в другой. Разность Х 2 - Х 1 называют шириной петли гистерезиса, определяющей погрешность компаратора. На рис. показана схема идеального триггера Шмидта с положительной обратной связью, которая задает порог срабатывания компаратора. Статическая характеристика идеального компаратора имеет ширину петли гистерезиса равную нулю.

Схема триггера Шмидта

Идеальная характеристика триггера Шмидта

Интегральный таймер • Таймером называют аналого - цифровую интегральную схему имеющую 2 порога срабатывания - верхний и нижний. Пример таймерa типа SE 555 или NE 555 приведен далее. Функциональная схема этого таймера содержит два компаратора, RS - триггер, резистивный делитель напряжения и выходные каскады. Microcap - модель таймера показана на рис. • Напряжение питания изменяется в пределах 5 - 15 В. Резистивный делитель подает на нижний компаратор trig пороговое напряжение Uн = Uп+/3, а на верхний thres - Uв = 2 Uп+/3. Если на вход trig подается напряжение меньше, чем Uн, то триггер устанавливается в состояние 1, если на входе thres наряжение станет больше, чем Uв, то триггер установится в состояние 0. Сигнал reset соответствует установке триггера в начальное состояние, а также разрешению и запрету работы таймера. Выход out информационный, выход disch - токовый с открытым коллектором. • Входы NF моделируют работу нижнего и верхнего компараторов.

Макромодель таймера

• • Моновибраторная схема включения таймера Основная схема включения таймера соответствует режиму моновибратора (см. рис). Моновибратор (одновибратор) - это схема, обеспечивающая одно устойчивое состояние. Переход схемы во второе неустойчивое состояние обеспечивается воздействием на вход trig напряжения ниже порога срабатывания Uн. Время пребывания моновибратора в неустойчивом состоянии определяется величиной постоянной времени t = R 2*C 2 (см. временные диаграммы). Напряжение срабатывания подается на trig, а исходное устойчивое состояние обеспечивается подачей на вход reset постоянного напряжения от источника питания. Конденсатор С 2 разряжен. При уменьшении напряжения на входе trig ниже порога срабатывания Uн триггер перебрасывается в состояние 1, а конденсатор С 2 заряжается через R 2, что приводит к росту напряжения на входе thres выше порога Uв и триггер возвращается в состояние 0. Конденсатор С 2 разряжается, чем обеспечивается исходное устойчивое состояние. Вход cont служит для управления режимом колебаний.

Моновибратор на таймере

Временная диаграмма работы моновибратора

Квантование и дискретизация • Построение аналого - цифровых преобразователей связано с процессами дискретизации и квантования аналоговых сигналов. • Квантование - это процесс представления аналоговой величины дискретными квантами по шкале амплитуды. • Дискретизацией называется процесс представления аналоговой величины дискретными отсчетами во времени. • Указанные преобразования применяются по отдельности к аналоговой величине или совместно. • Квантование Дискретизация • q -шаг квантования • • • шаг дискретизации t t t Квантование и дискретизация

Расчет АЦП • Целью расчета является определение числа уровней (шагов) квантования N и количества разрядов выходного кода АЦП n, исходя из заданной погрешности квантования. • Число уровней квантования N определяется по формуле: • N - 1 = Umax - Umin/q, где • Umax, Umin - нижний и верхний пределы изменения аналоговой величины, q- шаг квантования. • Относительная погрешность квантования равна отношению абсолютной погрешности ky квантования к разности пределов аналоговой величины ky = ky/Umax - Umin*100% • Очевидно, что ky равна q/2 либо q , следовательно q = ky * (Umax - Umin)/50 при Umin = 0 q = ky *Umax /50 • Подставив в выражение для N значение q имеем N = 50/ ky +1, a для ky = q N = 100/ ky +1. • Число разрядов кода n =]log 2 N[.

Аналого - цифровые преобразователи • • • В настоящее время применяются АЦП пространственного кодирования, последовательного приближения, параллельного типа и интегрирующего типа. Пространственные АЦП применяются для считывания штрих - кодов, нанесенных на предметы и товары. Принцип их действия связан с получением разных по интенсивности оптических сигналов при освещении светлых и темных участков штрих – кода, рис 5. 3. АЦП с прямым преобразованием – подсчет входных импульсов за эталонный интервал времени, рис. 5. 4. АЦП с развертывающим преобразованием – подсчет входных импульсов за изменяющийся интервал времени, зависящий от ГПН, рис 5. 5. Принцип действия АЦП последовательного приближения связан с тем, что код в основном регистре меняется так, что происходит уравновешивание входного напряжения напряжением, снимаемым с ЦАП, присоединенному к данному регистру. Уравновешивание начинается со старшего разряда регистра, который устанавливается в 1, после чего оценивается знак разности между входным напряжением и напряжением, формируемым ЦАП. Если знак положительный, то данный разряд регистра остается включенным, если же знак отрицательный, то разряд регистра сбрасывается в 0. Далее преобразование происходит аналогично и в результате в регистре формируется код аналоговой величины, рис. 5. 13.

Пространственные АЦП с прямым преобразованием

Принцип действия АЦП последовательного приближения • АЦП с развертывающим преобразованием

АЦП параллельного преобразования • Метод параллельного преобразования позволяет строить быстродействующие, но сложные в реализации АЦП. Однако, интегральная технология позволяет построить достаточно сложные многоэлементные АЦП. • Принцип действия параллельного АЦП Входное аналоговое напряжение подается на вход In одновременно на все компараторы АЦП, число которых равно количеству уровней квантования. На пороговые входы компараторов подаются напряжения, снимаемые с резистивного делителя напряжения и равные шагу квантования. Если входное напряжение больше порога срабатывания текущего компаратора, то последний устанавливается в состояние 1, иначе 0. Таким образом, за один временной такт формируется единичный код пропорциональный входному напряжению. Затем единичный код преобразуется в двоичный. - рис. 5. 14

АЦП параллельного преобразования

Цифро - аналоговые преобразователи • • • Цифро - аналоговые преобразователи (ЦАП) служат для преобразования n- разрядного кода в аналоговый сигнал тока или напряжения. Для построения ЦАП применяют резисторную схему, резисторы которой имеют величину, кратную степени 2, т. е. R, 2 R, 4 R, 8 R, 16 R и т. д. R=1 Oм Выходное напряжение, формирующееся на нагрузке Rн равно: Uвых = Е*Rн/Rэ + Rн квант напряжения примерно равен e 0=E/2 n*R 1/Rэ = 1/R*q 1 + 1/2 R*q 2 + 1/4 R*q 3 + 1/8 R*q 4 и т. д. • • • q 4 q 3 q 2 • q 1 8 R 4 R 2 R Транзисторные ключи q 1, q 2, q 3, q 4 = 0 или 1 управляются разрядами кода, а через сопротивления протекают токи кратные степени 2. Затем токи суммируются на нагрузке. R Е • Rн Uвых

Схема и модель ЦАП • • • Microcap - модель ЦАП. DEFINE IN 1 +0 NS 0 +LABEL=START + 100 NS INCR BY 1 + 200 NS GOTO START -1 times • . MODEL DIN 4000 B UDAC (TSWMN=10 N TSWTY=10 N TSWMX=10 N) • При V 1 = 16 B, n = 4 • значение кванта напряжения е 0 = V 1/2 n = 16/16 =1 B

Диаграмма функционирования ЦАП

ЦАП с отрицательным напряжением на выходе

Виды и параметры ЦАП • ЦАП распадаются на два основных вида: ЦАП с двоично взвешенной сеткой резисторов и биполярными транзисторными ключами и ЦАП с сеткой резисторов типа R- 2 R и МОП транзисторными ключами. Второй тип ЦАП позволяет формировать двухполярное выходное напряжение. • На основе ЦАП могут быть построены операционные усилители с управляемым коэффициентом усиления. Если, например, ко входу неинвертирующего усилителя подключить ЦАП так, как это показано на рис. , то при поступлении кода 0000 на ЦАП, коэффициент усиления будет равен примерно 20, а при управляющем коде 1111 коэффициент усиления равен 1. • Параметры ЦАП: число разрядов управляющего кода n, время установления выходного сигнала ty, погрешность полной шкалы ЦАП равна разности напряжения идеальной и реальной шкалы • = Ui - Ur

Управляемый кодом операционный усилитель

Анализ работы усилителя для кодов управления 0000 и 1111

Параллельный АЦП Двоичный код снимается с выходов out 0 - outn. На вход convert поступают тактирующие сигналы. Выходы over-range, status служат для каскадирования АЦП. Ко входу Ref подключается источник питания, ко входу Gnd - земля.

Временная диаграмма работы АЦП

Дискретизация и квантование - звуковая карта • При вводе аналоговой информации, например, сигнала с микрофона или сомпакт - диска в компьютер устанавливается звуковая плата. Изначально звук преобразуется микрофоном в аналоговый сигнал и представляет собой сложную кривую. • Частота, с которой сигнал отсчитывается называется частотой дискретизации. Очевидно, чем выше частота дискретизации, тем точнее воспроизводится аналоговый сигнал. • Как известно, частота отсчетов (выборки) зависит от частоты преобразуемого сигнала Fmax. Согласно теореме Котельникова Найквиста интервал времени между соседними отсчетами • определяется как, t = 1/2 Fmax. • Стандарт MPC предполагает частоту дискретизации 11 к. Гц, следовательно, Fmax = 5, 5 к. Гц. • Разрешающая способность АЦП (шаг квантования) для звуковых 8 - разрядных плат равна Umax/256, а 16 - разрядов - Umax/65536, что обеспечивает динамический диапазон равный 48 д. Б и 96 д. Б соответственно.

Упрощенный пример звуковой платы

Диаграммы работы АЦП и ЦАП