§ 2.3. Устройства для дискретизации, квантования и восстановления непрерывных сигналов

Схема выборки и запоминания.

Схема выборки и запоминания — это, по существу, дискретизирующее устройство, подготавливающее сигнал к дальнейшей обработке в АЦП.

Типичная структурная схема устройства выборки и запоминания приведена на рис. 2.15, а. Входной непрерывный сигнал подается на электронный ключ который управляется стробирующими импульсами малой длительности (рис. 2.15, б). В момент подачи стробирующего импульса электронный ключ открывается, сигнал через него поступает на накопительный элемент (обычно это конденсатор) и заряжает его до значения входного напряжения (рис. 2.15, в). После этого ключ закрывается и

напряжение на накопительном элементе остается неизменным до прихода следующего стробирующего импульса.

Основная погрешность схемы выборки и запоминания связана с конечностью времени заряда накопительного элемента. Эта погрешность во многом аналогична апертурной погрешности в аналого-цифровых преобразователях. Для снижения этой погрешности необходимо разумно выбирать параметры схемы электронного ключа и накопительной цепи.

Аналого-цифровые преобразователи.

АЦП, преобразующие аналоговый сигнал (напряжение) в цифровой код, являются одним из наиболее важных и ответственных узлов в системе цифровой обработки сигналов. В настоящее время существует много различных типов АЦП. Их подробная классификация и принципы работы приведены в 191 и [10].

Рис. 2.15. Схема выборки и запоминания: а — структурная схема; б - управляющие импульсы; в — сигнал на выходе схемы

Наиболее простыми являются последовательные АЦП, где операции, относящиеся к различным разрядам цифрового кода, выполняются последовательно. Основным недостатком АЦП такого типа является невысокое быстродействие, так как для обработки сигнала требуется выполнить около логических операций, где число двоичных разрядов.

В качестве примера рассмотрим структурную схему АЦП, основанного на преобразовании напряжения во временной интервал (рис. 2.16, а). Основу схемы составляет генератор ступенчатого напряжения, который управляется генератором тактовых импульсов. Напряжение на выходе генератора ступенчатого напряжения увеличивается с приходом каждого очередного тактового импульса на величину равную ширине шага квантования (рис. 2.16, б). Схема сравнения фиксирует момент, когда ступенчатое напряжение превысит кодируемое входное напряжение, и в этот момент вырабатывается импульс

Рис. 2.16. Аналого-цифровой преобразователь, основанный на преобразовании напряжения во временной интервал: а — структурная схема; б - ступенчатое напряжение; в - тактовые импульсы

«Стоп». Счетчик подсчитывает число тактовых импульсов от момента запуска генератора ступенчатых импульсов до появления импульсов «Стоп» и преобразует это число в двоичный цифровой код.

АЦП рассмотренного типа обладают хорошей точностью, но невысоким быстродействием; наибольшая скорость обработки сигналов составляет около 1000 преобразований в секунду. Поэтому АЦП последовательного типа можно применять только для обработки низкочастотных сигналов и в цифровых измерительных приборах, например в цифровых вольтметрах.

Значительно лучшим быстродействием обладают АЦП параллельного и последовательно-параллельного типов, где логические операции обработки сигнала, относящиеся к различным разрядам цифрового кода, производятся одновременно. Такие АЦП имеют сложную структуру, и поэтому в данной книге не рассматриваются. Время преобразования сигналов в современных АЦП параллельного типа составляет 30—50 нс. Такое высокое быстродействие достигается за счет потери точности. Лучшие быстродействующие преобразователи имеют 8 двоичных разрядов при максимальной частоте преобразования сигнала около 30 МГц.

Наряду с подобными весьма быстродействующими АЦП разрабатываются преобразователи, обеспечивающие высокую точность обработки сигналов, порядка 0,001%. Время обработки сигналов в таких преобразователях составляет несколько десятков микросекунд.

Благодаря применению микроэлектронной технологии современные АЦП выполняются в виде компактных блоков. В последнее время разработаны АЦП, выполненные в виде монолитной интегральной схемы.

Цифро-аналоговые преобразователи.

По структуре и принципу действия ЦАП проще, чем АЦП. Достаточно сказать, что некоторые АЦП содержат внутри себя ЦАП как составной элемент схемы.

Рис. 2.17. Простейший четырехразрядный цифро-аналоговый преобразователь

Наиболее просто цифро-аналоговое преобразование производится посредством двоично-взвешенного суммирования напряжений или токов. Рассмотрим принцип их действия на примере четырехразрядного ЦАП, структурная схема которого изображена на рис. 2.17. Каждому двоичному разряду в схеме соответствует сопротивление и электронное реле сопротивление которого близко к нулю, если в данном разряде стоит число 1, и очень велико, если в разряде стоит число 0. Значения сопротивлений в соседних разрядах различаются в 2 раза. Вследствие этого суммарный ток проходящий в общей цепи, пропорционален значению двоичного числа, поступающего на вход преобразователя. Например, если на вход преобразователя поступила двоичная кодовая группа 1001, которая соответствует числу 9, то суммарный ток

т. e. пропорционален числу 9.

Кроме рассмотренного типа преобразователя существует еще много других, с различными параметрами, основанных на различных принципах. Производство их хорошо

налажено, значительную часть ЦАП выпускают в виде интегральных схем.