(14)
Прежде чем перейти к анализу принципа действия схем аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей, коротко рассмотри" важнейший элемент интегральной техники - операционный усилитель на котором, в частности, построены современные компараторы (устройства сравнения).
Операционные усилители. Операционным усилителем (ОУ) называют высококачественный интегральный линейный усилитель напряжения, имеющий большой коэффициент усиления (106...107), высокое входное (сотни МОм) и малое выходное (единицы Ом) сопротивления. На рис. 12, а показано условное графическое обозначение ОУ. По отношению к выходу один из входов ОУ является неинвертирующим Uн, а другой - инвертирующим Uи; последний обозначается знаком инверсии (кружок на входе ОУ). Питание ОУ осуществляется от двух одинаковых разнополярных источников +Uп и -Uп (на графических обозначениях источники питания обычно не показывают). При таком питании входные и выходные сигналы могут быть двуполярными, а нулевой входной сигналам соответствует нулевой выходной сигнал. Выходной сигнал ОУ пропорционален дифференциальному входному сигналу - разности входных Uн- Uи.
Рис.12. Операционный усилитель:
а - условное графическое обозначение; б - передаточные характеристики
Коэффициент усиления по напряжению К0 собственно ОУ равен отношению выходного напряжения к дифференциальному входному напряжению:
(15)
Передаточные характеристики (рис.12, б) имеют важнейшее значение для ОУ. Если усиливаемый сигнал подан на неинвертирующий вход, а инвертирующий вход заземлен, то знак выходного напряжения совпадает со знаком входного напряжения (линия 1). При подаче сигнала на инвертирующий вход и заземлении неинвертирующего, знак выходного напряжения будет противоположен знаку входного (линия 2). Угол наклона линейных участков передаточных характеристик пропорционален коэффициенту усиления по напряжению К0. Горизонтальные участки передаточных характеристик соответствуют режиму насыщения оконечных транзисторов ОУ, поэтому выходное напряжение
(16)
В теории интегральной усилительной техники с целью упрощения анализа и расчета схем на операционных усилителях вводят понятие «идеальный» ОУ, для которого справедливы следующие допущения: бесконечно большие коэффициент усиления К0 = оо, входное сопротивление Rвх0 = оо и нулевое выходное сопротивление Rвых0 = 0.
Из этих допущений вытекают два основных свойства (правила анализа) ОУ:
1. Дифференциальный входной сигнал равен нулю
(17)
2. Входы ОУ не потребляют ток от источника входного сигнала
(18)
Изложенное выше понятие идеального ОУ соответствует так называемому принципу «виртуального» (кажущегося) замыкания его инвертирующего и неинвертирующего входов. При виртуальном замыкании, как и при физическом (обычном), напряжение между соединенными зажимами равно нулю. Вместе с тем в отличие от физического замыкания ток между виртуально замкнутыми зажимами не течет. Говоря другим словами, для тока виртуальное замыкание зажимов эквивалентно разрыву электрической цепи.
В зависимости от условий подачи усиливаемого сигнала на входы ОУ и подключения к нему внешних элементов можно получить две фундаментальные схемы включения: инвертирующую и неинвертирующую. Любое схемотехническое решение с применением ОУ базируется на этих включениях. Одно из них осуществлено в компараторе.
Компаратор - устройство, осуществляющее сравнение двух аналоговых напряжений. В простейшей схеме компаратора входное напряжение сравнивается с некоторым опорным, в качестве которого используется часть выходного напряжения (рис. 14, а).
На инвертирующий вход ОУ поступает входное напряжение, а на неинвертирующий вход подается опорное напряжение Uн= Uon = βUm, снимаемое с делителя R1,R2. Таким образом, ОУ охвачен положительной обратной связью по неинвертирующему входу, и выходное напряжение скачком изменяет свою полярность при сравнении входного и опорного напряжений.
Принцип действия компаратора рассмотрим с помощью передаточной характеристики -
зависимости выходного напряжения от входного (рис.5, б). Пусть входное напряжение UBX = 0, а выходное Uвых= Um+ (точка 1 на рис 5,б). Напряжение на неинвентирующем входе при этом будет:
Uн = βUm+ (19)
где р = Rl/(Rl+R2) - коэффициент передачи резистивной цепи Rt, R2 положительной ОС в компараторе.
Если входное напряжение больше нуля и увеличивается, то при сравнении его амплитуды с опорным, равным напряжению срабатывания U=βUm+, компаратор переключается. При этом произойдет скачкообразное изменение выходного напряжения со значения Um+, на значение U-(переход от точки 2 к точке 3 на рис. 14, б). Дальнейшее увеличение, входного напряжения не изменит состояния компаратора, и напряжение на неинвертирующем входе ОУ будет также постоянным: Uн=βUm-, При уменьшении входного напряжения до значения опорного, равного напряжению отпускания Uвх = Uотп = βUm-, произойдет скачкообразный возврат компаратора в исходное состояние. Выходное напряжение при этом изменится с Um- на βUm+, (переход от точки 4 к точке 5 на рис. 5, б).
Рис.14. Компаратор
а - схема; б- передаточная характеристика
Таким образом, передаточная характеристика компаратора имеет вид петли гистерезиса. Такой компаратор обладает триггерным (переключающим) эффектом, и в радиоэлектронике его называют триггером Шмитта. Сумма напряжений срабатывания и отпускания является напряжением гистерезиса.
(20)
Рис.15.Формирование меандра из синусоиды компаратором
Оно вводится для повышения помехоустойчивости, что позволяет устранить «дребезг» триггера, т.е. случайное его переключение напряжением помех при отсутствии входного сигнала. В компараторе на ОУ амплитуда выходного напряжения практически равна напряжению питания: Uвых = Um± = ±Uп. Компараторы применяют для формирования сигналов прямоугольной формы из различных видов непрерывных сигналов. В частности, при подаче на вход компаратора синусоидального напряжения (рис. 15), на его выходе формируется симметричное прямоугольное колебание - меандр (греч. -узор - геометрический орнамент).
Пусть в момент времени t = 0 напряжение на выходе компаратора Uвых = Um+. В таком состоянии компаратор будет находиться, пока амплитуда входного напряжения UBX < Uср. В момент времени t = tt входное напряжение станет UBX = Uср, и компаратор переключится. При этом выходное напряжение Uвых скачком изменится со значения Um+ на значение Um-. В момент времени t = t2 входное напряжение станет равным Uотп, и произойдет повое переключение компаратора.
3.1 Цифроаналоговые преобразователи
Принцип действия четырехразрядного цифроаналогового преобразователя иллюстрируется с помощью простейшей схемы на ОУ, представленной на рис. 16. Основу схемы составляет матрица резисторов с источником постоянного напряжения, соединенных с инвертирующим входом ОУ ключами, которые управляются двоичным кодом (например, выходным кодом счетчика).
В зависимости от поступающего кода цифрового сигнала подключаются резисторы с различными номиналами сопротивлений. В схеме ключи замыкаются только при поступлении на них команд, соответствующих логической единице. Коэффициенты усиления инвертирующего усилителя по входам 2°, 21, 22 и 23 соответственно равны
(21) K0 = -R0 Qo / R; K1 = -2R0 Q1 / R; К2 = - 4R0 Q2 / R; K3 = -8R0 Q 3 / R
Здесь Qo, Q1, Q2, Q 3 - кодовые числа, принимающие два значения: либо 1 (ключ замкнут), либо 0 (ключ разомкнут).
Из формулы 21 следует, что четырехразрядный двоичный код преобразуется в выходное напряжение, изменяющееся по амплитуде от 0 до 15∆ (напомним, что ∆ - шаг квантования). Например, двоичному числу 1001 соответствует напряжение uвых1 = ∆ (1.1 + 2.0 + 4. 0 + 8. 1) = 9∆, а числу 1100 - uвых2 = 12 ∆. Поскольку на вход резистивной матрицы подается постоянное напряжение Е, то выходное напряжение ЦАП изменяется скачками при переключении кода цифрового сигнала. Сглаживание выходного сигнала осуществляется фильтром низкой частоты (ФНЧ).
Рис.16. Схема четырехразрядного ЦАП
Аналого-цифровые преобразователи.
По своей структуре аналого-цифровые преобразователи (АЦП) более сложны, чем ЦАП, причем последние часто являются основным узлом АЦП. В настоящее время существуют три различных метода построения схем АЦП: последовательный, параллельный и последовательно-параллельный.
Последовательный (последовательного счета) метод построения АЦП (рис.17) основан на подсчете числа суммирований опорного напряжения младшего разряда, необходимого для получения напряжения, равного входному.
При этом k - разрядный двоичный код одного отсчета определяется в схеме за 2k интервалов дискретизации.
Начало преобразования входного непрерывного сигнала определяется временем поступления импульса запуска, который через.RS-триггер Т подключает счетчик Ст2 к выходу генератора тактовых (счетных) импульсов М. Схема ЦАП D/A, куда поступает цифровой код со счетчика, формирует выходное напряжение uвых, которое сравнивается в компараторе К с входным напряжением uвх. При сравнении этих напряжений, компаратор через логический элемент И (&) выдает сигнал прекращения подачи на счетчик Ст2 тактовых импульсов. В результате осуществляется считывание со счетчика выходного четырехразрядного кода, представляющего в момент окончания преобразования цифровой эквивалент выходного напряжения.
В описанном АЦП значения выходного цифрового кода в процессе преобразования многократно изменяются, поэтому он обладает низким быстродействием.
Рис.17.Упрощенная структурная схема АЦП последовательного счета.
Действие параллельных (по методу считывания) k-разрядных АЦП основано на использовании 2k-1 компараторов (рис.18). Неинвертирующие входы операционных усилителей компараторов объединены, и на них подается непрерывный сигнал, а к каждому инвертирующему входу подключено индивидуальное опорное напряжение, снимаемое с резистивного делителя. Разность между опорным напряжением двух соседних компараторов равна шагу квантования ∆ = U0п / 2k. Компараторы, у которых входное напряжение превысит соответствующее опорное напряжение, вырабатывают логическую 1, а остальные - логический 0. Информация с выходов компараторов поступает на шифратор CD, который преобразует ее в двоичный код.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10
