Устройства выборки и хранения (УВХ)

УВХ включает в себя квантователь, экстраполятор нулевого порядка (фиксатор).

УВХ применяются для фиксации (запоминания) быстро изменяющихся сигналов при различных преобразованиях.

 Простейший УВХ имеет вид:

Рисунок 2.3.1 – простейшее УВХ

 

Время замыкания ключа (выборка) и время размыкания ключа (хранение или фиксация) определяется таймером. Когда ключ замкнут, то выходной сигнал УВХ U₀(t) изменяется в соответствии со входным сигналом U_г(t). Когда ключ разомкнут, значение выходного напряжения определяется напряжением на конденсаторе С. На рисунке 2.3.1б показаны типовые сигналы на входе и выходе простого УВХ в предположении, что сопротивление источника сигнала R_r =0. временной интервал, в течение которого ключ замкнут называется временем Т_р выборки. Поскольку внутреннее сопротивление реального источника сигнала R_r ≠ 0, то конденсатор заряжается с постоянной времени Т₃= R_r С. Кроме того на выходной сигнал УВХ влияют временные задержки ключа. Процесс хранения напряжения конденсатора не остается постоянным

из–за токов утечки самих конденсаторов, из–за конечности сопротивлений разомкнутого ключа.

Поэтому для увеличения точности УВХ его дополняют буферными усилителями (согласующими), которые позволяют создать больше R _Н и малые входные сопротивления источника сигнала (рисунок 2.3.2).

 

Рисунок 2.3.2

 

Структурно такой УВХ состоит из квантователя, фиксатора, звена запаздывания и фильтра (рисунок 2.3.3).

 

Рисунок 2.3.3

 

Звено чистого запаздывания учитывает инерцию ключа, а фильтр учитывает динамику операционных усилителей.

Обычно инерцией УВХ пренебрегают и представляют УВХ в виде квантователя и фиксатора.

 

2.4 Цифро-аналоговое преобразование (ЦАП)

Цифроаналоговое преобразование или декодирование заключается в преобразовании числа, представленного в виде машинного слова, в эквивалентный аналоговый сигнал. Структурно ЦАП можно представить в виде:

Рисунок 2.4.1 – Структура ЦАП

 

Логическая схема управляет подключением ИОН к входам резистивной матрицы в соответствии со значением каждого разряда входого машинного кода.

Рассмотрим схему работающего в двоичном коде трёхразрядного ЦАП с весовой резистивной матрицей

 

Рисунок 2.4.2 – Схема ЦАП с весовой резистивной матрицей

 

Значения резисторов на входе ОУ выбраны в соответствии с весом каждого разряда двоичного кода. Единице на входе логической схемы соответствует присоединение требуемого резистора к ИОН, 0 – замыкание ключа на землю (корпус).

ЦАП с весовой резистивной матрицей позволяет получать аналоговый сигнал U ₀ в соответствии с величиной сопротивлений подключаемых к ИОН. Например, если замкнут ключ старшего бита (СБ), что соответствует числу 100, то

В общем случае:  коэффициенты, которые могут принимать значения 0 и 1.

Главным недостатком ЦАП с весовой резистивной матрицей является зависимость точности и стабильности преобразования от точности и температурной стабильности резисторов. Поскольку разница между наибольшим и наименьшим сопротивлением резисторов может быть значительна, то в этих условиях трудно обеспечить требуемое соотношение между сопротивлениями резисторов.

Более практичной является ЦАП с матрицей R-2R или цепной матрицей (рисунок 2.4.3).

 

Рисунок 2.4.3 – Схема ЦАП с матрицей R-2R или цепной матрицей

 

Положение ключей на рисунке 2.4.3 соответствует цифровому слову 100. Эквивалентная схема ЦАП для этого случая показана на рисунке 2.4.4. На эквивалентной схеме учтено, что точка суммирования ОУ потенциально заземлена.

 

Рисунок 2.4.4 Эквивалентная схема входной цепи ОУ.

Найдя напряжение в точке а, вычислим выходное напряжение ЦАП:

Трёхразрядному машинному слову соответствует выходное напряжение:

,

где коэффициенты а₁,а₂,а₃ принимают значения 0 или 1.

 

Структурно ЦАП представляют в виде декодера и УВХ (рисунок 2.4.4):

 

Рисунок 2.4.4 – Структура ЦАП

 

В декодере машинное слово преобразуется в амплитудно-модулируемый импульс. Декодер представляют в виде усилительного звена с коэффициентом равным единице, а динамику ЦАП имитирует УВХ.

 

2.5 Аналого-цифровое преобразование (АЦП)

Процесс преобразования непрерывного сигнала в машинный код. Процесс более сложный, чем цифро-аналоговое преобразование и занимает больше времени. АЦП имеет большую стоимость, чем ЦАП и меньшую точность.

Структурно аналого-цифровой преобразователь можно представить состоящим из УВХ, квантователя по уровню, шифратора (рисунок 2.5.1).

 

Рисунок 2.5.1 – Схема АЦП

 

Рассмотрим АЦП с поразрядным уравновешиванием (рисунок 2.5.2).

 

Рисунок 2.5.2 – Схема АЦП с поразрядным уравновешиванием

 

Вначале преобразование все разряды ЦАП устанавливаются в ноль (операция очистки). Затем в старший разряд ЦАП записывается 1, что соответствует примерно половине максимального числа.

В компараторе происходит сравнение сигнала ЦАП и аналогового сигнала.

Если уровень аналогового сигнала превышает уровень напряжения ЦАП, то «1» сохраняется, если нет – то в этом старшем разряде записывается «0». Аналогичным образом сравнение ведется до самого младшего бита, после чего вырабатывается сигнал «конец прерывания» и цифровой код готов к передаче.

От числа двоичных разрядов АЦП зависит его точность, а от методов преобразования – время преобразования.