Космонавтика  Декомпозиция цифровых систем 

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 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147


Цифровой

Вход

Анапоговый

Цифровой

вход

йеподер

выход

Аналоговый

Bbixod

Рис. 2.22. Эквивалентная схема ЦАП при Рис. 2.23. Структурная схема ЦАП преобразовании слова 010

В общем случае и-разрядный ЦАП с цепной {R - 2/?)-матрицей содержит п параллельных резисторов сопротивлением 2R; выходной ток при этом определяется выражением

R (2-23)

3L 2

1 2

Так как при Ц/А преобразовании цифровой сигнал трансформируется в аналоговый соответствующей величины, то ЦАП как система может быть представлен в виде декодера и устройства выборки и хранения (УВХ) сигнала (рис. 2.23). В декодере цифровое слово преобразуется в число или в амплитудно-модулированный импульс. Квантователь в показанной на рисунке структурной схеме в действительности не нужен. Поскольку УВХ обычно рассматривается как единое целое, то операция квантования присутствует, даже если в ней нет необходимости. Передаточная функция декодера соответствует простому усилительному звену, причем коэффициент усиления в идеальном случае равен единице.

Следует заметить, что на выходе ЦАП из-за работы операционного усилителя могут возникать колебания и пульсации; на практике УВХ может быть использовано для устранения этих пульсаций. Таким образом, использование устройства выборки и хранения в структурной схеме ЦАП имеет реальную предпосылку.

2.6. АНАЛОГО-ЦИФРОВОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ

Аналого-цифровое преобразование, или кодирование, заключается в преобразовании информации, содержащейся в аналоговом сигнале, в цифровой код. А/Ц преобразование является более сложным процессом, чем Ц/А преобразование, и требует более сложного схемотехнического решения. АЦП по сравнению с ЦАП, как правило, имеет меньшее быстродействие при той же точности; стоимость АЦП также выше.

Если рассматривать преобразование числа, то АЦП совершает две операции: квантование по уровню и кодирование. Когда в цифровую форму должен быть преобразован изменяющийся во времени сигнал (напряжение или ток), то АЦП совершает следующую последовательность операций; выборку и хранение, квантование по уровню, кодирование.

Квантование по времени необходимо для выборки значений аналогового сигнала в периодически повторяющиеся моменты времени. Теорети-



Рис. 2.24. Структурная схема АЦП Аналоговтй Иифродпй

вход

Выход

Шифра-тор

Цифровой Выход

Аналоговый

чески операция хранения не явля- вхов\- ется необходимой, однако АЦП

имеет отличное от нуля время пре- квантователе

образования в течение которого

аналоговый сигнал может измениться. Для устранения этого явления квантованный сигнал сохраняется постоянным до завершения преобразования. Структурная схема АЦП представлена на рис. 2.24.

Обычно на вход АЦП подается сигнал в виде тока или напряжения, который в процессе преобразования квантуется по уровню. Идеальная статическая характеристика вход-выход для 3-разрядного двоичного АЦП вдентична характеристике, приведенной на рис. 2.8. Входные сигналы могут принимать любые значения, а выходные соответствуют восьми (2) дискретным уровням. Как видно из рис. 2.8, погрешность преобразования, равная по модулю половине значения младшего разряда, будет всегда добавляться к ошибкам реального АЦП. При необходимости повысить точность преобразования следует увеличить количество разрядов в выходном сигнале. Однако это приведет к возрастанию сложности АЦП и, возможно, к увеличению времени преобразования.

Хотя существуют различные схемы АЦП, только некоторые из них могут быть рекомендованы для практического применения. Наиболее часто используются следующие типы АЦП: с поразрядным уравновешиванием; интегрирующий (однотактный и двухтактный); со ступенчато нарастающим опорным напряжением или следящим алгоритмом; параллельный. Каждый тип АЦП имеет свои преимущества и недостатки. Выбор типа АЦП определяется скоростью и точностью преобразования, стоимостью АЦП, его размерами, спецификой использования. Промышленность выпускает АЦП с колз еством разрядов от 6 до 16; погрешность преобразования обычно составляет 0,01 % МВН ± 1/2 МБ.

Для иллюстращш А/Ц преобразования коротко рассмотрим работу АЦП с поразрядным уравновешиванием, упрощенная структурная схема которого представлена на рис. 2.25. Основными элементами АЦП являются компаратор, ЦАП и логическая схема управления. В начале преобразования все разряды выходного сигнала устанавливаются в О ( очистка ), затем старший бит ЦАП устанавливается в 1. Сигнал старшего бита, соответствующий половине максимального выходного напряжения, преобразуется в ЦАП и сравнивается с аналоговым входным сигналом. Если входной аналоговый сигнал больше сигнала, поступающего от ЦАП, то старший бит (СБ) выходного кода устанавливается в 1; в противном случае СБ = = 0. Затем устанавливается следующий бит ЦАП, и сравнение повторяется. Процесс продолжается до сравнения младшего бита, после чего вырабатывается сигнал об окончании преобразования, и выходной сигнал готов для передачи. Типичные временные диаграммы .для АЦП с поразрядным уравновешиванием показаны на рис. 2.26.

Время преобразования АЦП приводит к появлению запаздьшания, которое, как хорошо известно, ухудшает устойчивость замкнутой системы. Кроме того, конечное время преобразования накладывает ограни-



Выход

таймера 1.ч 1

Пуск

О

\Таамер

Начало пре--.-образования \\

Схема управления и регистры

Опорное нспрямение

Аналоговый вход о-

->

Компаратор

образования Выхов \

таймера Цифровой \

\ i 1

1 1

рр >

выхоВ 1 бит! 11

1 pumBufli -

ШЛвит

Мб 1 п

1

ватп Мб


Рис. 2.25. Схема АЦП с поразрядным. Рис. 2.26. Временные диаграммы АЦП с уравновешиванием поразрядным уравновешиванием

Рис. 2.27. Время преобразования и амплитудная неопределенность при А/Ц преобразовании

чения на частоту входного сигнала. В общем время преобразования зависит от метода преобразования и точности АЦП. Для промышленных АЦП время преобразования лежит в пределах от 100 не до 200 мкс. В простейшем случае, когда входной аналоговый сигнал постоянен, время преобразования не имеет значения, так как входной сигнал не меняется в процессе его сравнения с эталонными напряжениями АЦП. Однако на практике входной аналоговый сигнал обычно изменяется во времени и, как было отмечено выше, вначале этот сигнал подвергается преобразо-ванио в устройстве выборки и хранения.

Для иллюстрации влияния времени преобразования рассмотрим аналоговый сигнал (рис. 2.27). Значение сигнала должно быть преобразовано АЦП в цифровой код. Однако, если для этого требуется время Т*, в течение которого сигнал изменяется, то в измерении амплитуды сигнала будет появляться неопределенность. Предположим, что максимальное значение входного сигнала равно Vps и АЦП является и-рязрядным. Это означает, что сигнал должен быть представлен и-разрядным числом с разрешением 1/2 . Изменение амплитуды сигнала в течение времени преобразования приблизительно может быть определено как

deft)

t=t

(2-24)

* Величина Тс складывается из времени преобразования АЦП, времени выборки, апертурного времени, и времени установления УВХ.



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 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147