Главная » Книги и журналы

1 2 3 4 ... 38

Операционные усилители

Создание нового поколения миниатюрных информационно-измерительных систем стало возможным вследствие ряда взаимосвязанных особенностей развития современной электронной аппаратуры.

К числу наиболее важных особенностей можно отнести: переход от централизованной структуры информационно-измерительной системы к распределенной; расширение требований к функциональным возможностям этой системы; создание микроэлектронных средств обработки аналоговых сигналов на базе микросхем с различной степенью интеграции схемных функций. В соединении с непрерывным совершенствованием системотехнических принципов построения информационно-измерительных систем, опирающихся на применение цифровых ЭВМ, указанные особенности обусловливают возможность перехода на новый уровень в технике обработки аналоговых сигналов.

В начале 80-х годов в основном завершилось совершенствование параметров отечественных аналоговых микросхем средней степени интеграции и создана достаточно широкая номенклатура операционных усилителей, перемножителей, компараторов, таймеров и др. Превалирующей тенденцией в развитии аналоговых микросхем является увеличение степени интеграции схемных компонентов и функций в одной конструктивной единице - микросхеме - в первую очередь за счет размещения на одном кристалле аналоговых и цифровых микросхем. Этого требует широкое использование в информационно-измерительных системах микропроцессорных наборов цифровых микросхем для обработки информации и управления различными процессами. Очевидна все большая потребность в этих системах, которые позволяют организовать программное управление операцией над аналоговым сигналом или выполнить преобразование аналоговых сигналов в цифровые либо цифровых в аналоговые. В результате успешных работ в этом направлении в последние годы были созданы однокристальные цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи, подсистемы сбора и обработки данных и процессоры для обработки аналоговых сигналов - цифровые процессоры.сигналов.



функции, выполняемые аналоговыми электронными узлами на базе аналоговых микросхем, весьма многообразны. Сюда относятся усиление, формирование, сравнение, интегрирование, дифференцирование и др. Соответственно этому разнообразна и номенклатура, аналоговых микросхем: операционные усилители, стабилизаторы, компараторы, фазовые детекторы, перемножители, модуляторы, активные фильтры и др. В зависимости от планируемых областей использования аналоговые микросхемы делятся на специализированные и общего применения. В частности, операционные усилители, компараторы, перемножители и таймеры являются аналоговыми микросхемами общего применения. При этом подразумевается, что на их основе можно построить схемные узлы, выполняющие различные операции над аналоговыми сигналами.

Благодаря тому, что аналоговые микросхемы выполняют операции в реальном масштабе времени, они оказались исключительно полезными при построении быстродействующих информационно-измерительных систем, реализующих какой-либо один алгоритм обработки аналоговых сигналов. При этом системы, построенные на аналоговых микросхемах, не позволяют достичь высокой точности обработки аналоговых сигналов, которая обычно требуется от современных систем управления объектами. Чтобы информационно-измерительная система на базе аналоговых микросхем выполнила другой алгоритм обработки аналоговых сигналов, требуется ее перепроектирование, т. е. изменение структуры связей схемных узлов.

С увеличением степени сложности и многообразия создаваемых технических и технологических электронных систем управления объектами, их нормальное функционирование становится невозможным без применения ЭВМ. Это обусловлено в первую очередь ростом различной и быстроменяющейся информации о поведении управляемых объектов. Причем сами объекты могут существенно различаться по своим параметрам. Решением проблемы стало использование для обработки аналоговых сигналов электронных систем на основе цифровых процессоров.

Принципиальная особенность цифровой системы обработки аналоговых сигналов заключается в том, что содержащаяся в ней ЭВМ входит в состав измерительной цепи и участвует в получении результатов обработки. Создание и применение цифровых процессоров сигналов для цифровой обработки аналоговых сигналов - следствие компьютеризации измерений (как части обработки), проявляющейся не только в применении вычислительной техники для автоматизации ,управления функционированием и обработки результатов измерения, но и, это главное, для реализации части процедуры обработки аналоговых сигналов в цифровой форме на программной основе.

Указанная трансформация структуры системы обработки аналоговых сигналов существенно меняет как функциональные и предель-



ные возможности информационно-измерительных систем, так и методы их анализа и синтеза. При этом можно выделить два аспекта проблемы создания этих систем на базе ЭВМ - системотехнический и метрологический. К первому относятся обеспечение совместимости аналоговых и цифровых узлов, организация управления их работой, выбор и применение стандартных интерфейсов, развитие программного системного обеспечения и разработка прин- ципов системной унификации функциональных узлов. Ко второму аспекту проблем следует отнести обеспечение соответствия аппаратных и программных средств требованиям к информационно-измерим тельным системам, рациональное распределение функций между аналоговой и цифровой частями систем, а также развитие мeтpoлo гии цифровых процессоров сигналов и информационно-измерительных систем в целом.

В книге сосредоточено внимание на первом аспекте - схемотехническом обеспечении внедрения цифровой обработки аналоговых сигналов. Приведенные схемы являются примерами сопряжения аналоговых узлов с цифровыми цепями управления либо примерами цифровой обработки аналоговых сигналов. Основой универсальности применения современных информационно-измерительных систем является создание и массовое использование многофункциональных больших и сверхбольших микросхем (БИС и СБИС), причем не только преобразователей, но и нового класса средств обработки - однокристальных систем сбора и обработки данных и цифровых процессоров' сигналов. В этих условиях проектирование функциональных узлов информационно-измерительных систем должно быть основано на системном подходе, в частности, они должны удовлетворять требованиям системной совместимости, проблемной ориентации на задачи обработки аналоговых сигналов, решаемые измерительными системами, а их качество должно описываться одинаковыми параметрами. В книге предпринята попытка такой системный подход построить на базе информационно-энергетической теории информационно-измерительных систем.

Основной упор в книге, как и в предыдуш,их публикациях автора, делается на практические аспекты применения аналоговых и аналого-цифровых микросхем различной степени интеграции, выпускаемых отечественной промышленостью. В части аналоговых микросхем средней степени интеграции дается общее представление о типовых структурах (это необходимо для их успешного применения) и обобщается опыт построения на их основе различных функциональных узлов. В части же аналого-цифровых БИС и СБИС делаемся попытка раскрыть основные аспекты аппаратурной реализации цифровой обработки аналоговых сигналов, вплоть до описания выпускаемых серийно однокристальных информационно-измерительных систем.

Насколько все это удалось - судить читателям, критические замечания и пожелания которых будут с благодарностью приняты.



ГЛАВА Г.

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОБРАБОТКИ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ

Практически все реально существующие физические явления можно представить в виде аналоговых сигналов. В любой момент времени в них содержится отличная от нуля информация, поскольку сигнал непрерывен во времени. Кроме того, аналоговый сигнал обладает непрерывно изменяющейся амплитудой, которая во времени может иметь бесконечно большое число значений. Обычно изменения ана логовых сигналов, какова бы ни была их исходная физическая природа, преобразуются первичными датчиками в изменения напряжения или тока. Это необходимо, чтобы воспользоваться развитым аппаратом электронного приборостроения, воспринимающим, как правило, для дальнейшей обработки только информацию, выраженную в изменениях напряжения или тока. Для этих электрических величин, получаемых на выходах первичных датчиков в результате прямых измерений физических явлений, переменными параметрами являются не только изменения амплитуды напряжения и тока, но также частота и скважность этих изменений. Описанию основных понятий и подходов к обработке информации, представленной изменениями амплитудных и временных параметров аналоговых сигналов, и посвящена эта глава. Аналоговые сигналы могут обрабатываться непосредственно или требовать промежуточного преобразования с помощью описываемых в остальных главах узлов электронной аппаратуры.

1.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ и ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Информация может быть представлена не только в непрерывной, но и в дискретной форме. Дискретная форма представления информации положена в основу цифровых систем обработки сигналов. Цифровые сигналы характеризуются наличием (отсутствием) высокого (низкого) уровня напряжения на выходе (входе) логической схемы. В современной аппаратуре цифровой обработки информации практически все используемые цифровые сигналы являются двоичными. Любой двоичный сигнал представляет собой единицу (бит)



информации, поскольку имеет одно из двух состояний. При ответе на двоичный вопрос да или нет формируется дискретный сигнал ответа - лог. 1 или лог. О, соответствующий высокому или низкому уровню напряжения. Ци-фровые сигналы могут объединяться в группы, называемые словами и формируемые одновременно (параллельно) или последовательно сигнал за сигналом.

Переход от непрерывного сигнала к дискретному всегда происходит с потерей некоторого количества информации. Процесс перехода от непрерывного по амплитуде или временным параметрам аналогового сигнала к дискретному называется дискретизацией, или квантованием. Минимальное значение разности между двумя уровнями дискретизации называется квантом. Наряду с квантованием по амплитуде можно выполнить квантование по времени, под которым подразумевается замена непрерывного во времени сигнала его дискретным эквивалентом. В этом случае сведения о значении непрерывного сигнала поступают не постоянно, а в определенные моменты времени. Например, два цифровых слова 10000000 и 01 НИ И при значении кванта дискретизации, равном 10 мВ, соответствуют напряжениям двух ближайших значений аналогового сигнала 1280 и 1270 мВ.

В последнее десятилетие центральным узлом систем обработки информации стали цифровые электронные вычислительные машины (ЭВМ), у которых входные, промежуточные и выходные, сигналы представлены в цифровой форме. Поэтому для перехода от аналоговых сигналов к цифровым стали широко использоваться различные аналого-цифровые преобразователи (АЦП), которые обеспечивают сопряжение датчика аналогового сигнала с цифровой ЭВМ. Прежде чем аналоговый сигнал попадет на АЦП, может потребоваться его предварительная обработка. Разнообразные операции над аналоговыми сигналами осуществляются с помощью аналоговых микросхем- усилителей (ОУ), перемножителей напряжений, компараторов, таймеров и др. Эти микросхемы позволяют выполнить любые математические операции над аналоговым сигналом. Однако при обработке аналоговых сигналов с помощью аналоговых микросхем вносится погрешность. Другими словами, на выходе любого аналогового узла уменьшается количество информации о входном сигнале. Вместе с тем с помощью аналоговых микросхем можно обрабатывать сигналы в реальном масштабе времени,т. е. с минимальной задержкой между моментом подачи входного сигнала и получением результата обработки на выходе. Современные аналоговые микросхемы позволяют выполнить любую математическую операцию над аналоговым сигналом за время, примерно равное 1 мкс, с погрешностью 1 мВ. АЦП обеспечивают, квантование непрерывного сигнала как по уровню, так и по времени. Необходимость квантования по уровню обусловлена самой природой представления сигналов в цифровой форме. Объясняется это тем, что при любом большом, но конечном числе градаций, принятом



для представления непрерывного сигнала, неизбежна приблизительность. Одной из причин необходимости квантования по времени в АЦП является то, что для осуществления заданного цикла вычислений требуется определенное время, так как только после получения результата вычислений можно делать новую выборку входного сигнала [1].

Введенная в ЭВМ.с помощью АЦП информация обрабатывается обычно в нереальном масштабе времени из-за сравнительно низкого' быстродействия при выполнении математических операций над сигналами. Задержки между моментами ввода информации в ЭВМ и получения результата обработки могут лежагь в диапазоне от сотен микросекунд до сотен часов. Это зависит от типа ЭВМ и математической операции. При цифровой обработке информации аппаратурные и энергетические затраты существенно больше, чем при аналоговой. Вместе с тем цифровой метод обработки информации обладает принципиальным преимуществом перед аналоговым, которое состоит в том, что от операции к операции происходит значительно меньшее увеличение погрешности обработки информации. Потери информации минимальны при одинаковой разрядности всех узлов ЭВМ и обусловлены в основном воздействием помех и переполнением регистров [2, 3].

После выполнения в ЭВМ требуемого объема операций по обработке информации получается результирующее цифровое слово. Это слово определяет величину воздействия на исполнительные устройства. Поскольку органы управления объектом обычно воспринимают не цифровые, а аналоговые сигналы, то необходимо преобразовать выходной код ЭВМ в непрерывный сигнал. Эту задачу выполняют цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). Прежде чем попасть на исполнительные устройства, аналоговые сигналы после ЦАП, как правило, обрабатываются с помощью аналоговых устройств (например, активных фильтров, усилителей мощности и др.) [4]. Таким образом, для решения большинства задач, возникающих при создании современной микроэлектронной аппаратуры, необходимо совместное использование аналоговых и цифровых методов обработки сигналов. К таким задачам относятся не только управление объектами, но и математическое моделирование сложных динамических систем, обработка результатов экспериментов в реальном масштабе времени, обработка сигналов в замкнутой петле систем автоматического контроля и управления процессами, вывод данных из ЭВМ на графопостроители и т. д. В перечисленных случаях такие математические операции, как усиление, логарифмирование, суммирование, вычитание, дифференцирование, интегрирование, можно выполнить и с помощью аналоговых микросхем, и с помощью цифровой ЭВМ. Достоинством аналоговых методов обработки сигналов является высокое быстродействие вычислений, осуществляемых в реальном масштабе време-



ни, а цифровых методов - точность. Следовательно, в каждом конкретном случае есть компромиссное соотношение между объемами цифровой и аналоговой обработки сигналов.

1.2. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ ОБРАБОТКИ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ

Непрерывное повышение и разнообразие требований, предъявляемых к точности, быстродействию и энергопотреблению операций обработки аналоговых сигналов, уже не может обеспечиваться только за счет применения микросхем и расширения их номенклатуры. Чтобы с максимальной эффективностью проектировать и применять микроэлектронные системы обработки аналоговых сигналов, необходимо уметь выбирать из всего многообразия типов и структур таких систем лучшие и достигать в них предельного сочетания точности, быстродействия и потребляемой мощности для данного уровня развития электроники. Решение подобных задач не представляет большого труда для разработчиков систем цифровой обработки сигналов, обеспеченных развитым аппаратом логи-ческ<рго проектирования и обобщенными морфологическими показателями качества [5]. В то же время разработчики аналоговых систем обработки непрерывных сигналов хотя и обладают элементной базой, но не имеют обобщенных критериев ее качества и способов оптимизации параметров аналого-цифровых систем, позволяющих выявить и реализовать резервы их совершенствования.

Объясняется это тем, что в классической технике обработки аналоговых сигналов, в том виде, в каком она существовала до конца 60-х годов, преобладали точностные показатели качества. Прогресс определялся в основном достижениями в части повышения точности выполнения операций над аналоговыми сигналами. С массовым выпуском аналоговых и аналого-цифровых микросхем общего применения (ОУ, компараторов напряжения аналоговых перемножителей, устройств выборки-хранения (УВХ), ЦАП и АЦП) точностные показатели систем обработки сигналов на их основе резко улучшились до значений, близких к предельным для современного уровня развития электроники. Эти пределы определяются уровнем развития технологии микросхем. Благодаря высоким показателям точности, быстродействия, надежности и энергопотребления аналоговые и аналого-цифровые микросхемы получили настолько широкое распространение, что сейчас нет области электронной техники, где бы они не применялись. Аналоговые и аналого-цифровые микросхемы развиваются в двух направлениях: совершенствование их параметров и повышение степени интеграции функций на кристалле кремния. Сейчас в микроэлектронике превалирует второе направление, в ходе развития которого созданы большие и сверхбольшие микросхемы, объединяющие аналоговые и цифровые структуры в многофункциональные однокристальные



системы (системы сбора и обработки аналоговых сигналов, согласованные с микропроцессорами; аналоговые микропроцессоры, .ыполняющие программно управляемую цифровую обработку ана-льгрвых сигналов, модемы, кодеки и т. д.).

Псеу-оянное повышение требований к параметрам аналоговых и аналого-цифровых микросхем привело к резкой дифференциации теоретических и практических аспектов их проектирования. Эта дифференциация, с одной стороны, позволила создать более полную теорию по проектированию элементов каждого типа, а с другой - углубила разобщенность принципов их проектирования и характеристик качества. Например, при идентичных характеристиках точности в ОУ, компараторах, УВХ у этих элементов абсолютно различные динамические характеристики. Более того, эти характеристики, измеряются обычно при некотором одном значении входного сигнала. .Существенно упростить задачу проектирования систем из различных функциональных элементов позволило бы введение обобщенных, точностных и динамических характеристик качества. Введение таких характеристик дает возможность не только выбирать из числа известных лучшие архитектуры систем обработки аналог говых сигналов, но также использовать обобщенные характеристики в качестве целевых функций при оптимизации электрических схем; усовершенствовать методику расчета систем обработки аналоговых сигналов; унифицировать современную аналоговую и аналого-цифровую элементную базу; производить количественную оценку предельно достижимых соотношений между параметрами аналого-цифровых систем и элементов на каждом этапе развития технологии и схемотехники.

Решение поставленной цели должно основываться на области науки, позволяющей представить в едином виде функционирование любой аналоговой и аналого-цифровой микросхемы. В настоящее время такой обобщающей наукой стала кибернетика и ее теоретические основы в виде теории информации. Поэтому очевидна целосообразность попытки использования и развития законов преобразования информации применительно к специфике аналоговых и аналого-цифровых систем. Для этого необходимо представить эти системы и их части в виде преобразователей информации, сведя параметры каждой части к единым показателям, принятым в теории информации. Одновременно с этим следует в неразрывной связи с информационным рассматривать энергетический аспект работы систем обработки аналоговых сигналов. Введенный для цифровых элементных средств энергетический показатель качества - энергия переключения - стал обобщенным показателем их технического уровня. Из сказанного следует, что решение проблемы проектирования предельных по сочетанию параметров схем обработки аналоговых сигналов целесообразно искать на пути представления их в виде преобразователей информации, затрачивающих на ее прием и обработку энергию. Сведение, таким образом, частных



параметров элементов и узлов в системах обработки аналоговых сигналов к единым информационно-энергетическим позволит применять развитый математический аппарат оптимизации параметров электронной аппаратуры.

Обобщенная информационно-энергетическая модель узла обработки аналогового сигнала (УОАС). Представим УОАС общего применения в виде преобразователя информации, а его частные параметры сведем к единым, принятым для информационно-измерительных систем [6].

Часть информации АХ, поступающей на вход УОАС, теряется из-за его погрешности Д;. В качестве меры количества информации, содержаихейся в сообщении X, в теории информации используют понятие энтропии Н (Х).

Количество информации Q об X, содержащееся в выходном сообщении, равно разности энтропии входного сообщения и погрешности Q = H{X) -Й{Ах). Для сигнала, ограниченного по амплитуде значениями Xi и Х2, энтропия максимальна при. равномерном ее распределении, а количество информации, получаемой на выходе УОАС, Q = log2p2-X,)/2A;,].

Количество информации о входном сообщении, переданное на выход УОАС, является его точностной характеристикой. По аналогии с информационно-измерительными системами: для оценки совокупности динамико-точностных характеристик УОАС воспользуемся понятием пропускной способности Ct. Это максимальное количество информации Qmax, передаваемой на вход УОАС в единицу времени,

C. = Qma./tn, (1.1)

где - время, необходимое для преобразования X с погрешностью Д .

Энергетический аспект преобразования информации в дополнение к информационному был впервые исследован Бриллюэном [7]. Введено понятие энергетическая цена измерения , определяемая как наименьшее количество энергии, которую необходимо затратить на входе измерительного устройства для получения ответа на один двоичный вопрос (да - нет) с вероятностью правильного ответа 0,5. Для идеального прибора, у которого устранены все погрешности, за исключением термодинамических флуктуации, энергетический порог чувствительности достигает своего предельного значения, равного Лво = 3,5-10~° Дж

Применительно* к специфике УОАС введена входная пороговая энергия Ав, определяющая минимальную удельную (на 1 бит) полезную энергию, которую необходимо затратить на входе УОАС для получения на его выходе максимального количества информации QmaxX Величина Ав имеет размерность джоуль на бит (Дж/бит) и рассчитывается из выражения -

ABlB.Vs..JjQma., (1-2)



где /вх - входной ток УОАС; Ubx ,м - входное напряжение, при котором Q достигает максимума.

Очевидно, что реальные затраты энергии Ав.р на .входе УОАС будут всегда больше Лв из-за действия паразитных входных емкостей УОАС. Поэтому для оценки эффективности использования затрачиваемой на входе УОАС энергии можно применить коэффициент полезного действия входной цепи -ц^Ав/Ав.р. Очевидно, что г\ будет зависеть от структуры входной цепи УОАС и технологии его изготовления.

Для трансляции входного сигнала на выход УОАС потребляет мощность Р от источников питания. По аналогии с Ав для характеристики этого процесса воспользуемся энергией

где Р'= и^1 \ + и^1 2 определяется токами / 1 и / 2, отбираемыми УОАС от источников питания с напряжениями и . Величина

называется удельным энергопотреблением УОАС и имеет размерность джоуль на бит (Дж/бит). Она определяет минимальное значение энергии, которую необходимо затратить, чтобы УОАС передало на выход 1 бит входной информации.

Значения А^ и А„ определяются всей совокупностью показателей точности, быстродействия и потребляемой мощности (обычно 15...20), характеризующих УОАС любого типа, и, следовательно, могут быть обобщенными показателями их технического уровня. Параметры Ав и А„ имеют понятный физический смысл, что выгодно отличает их от используемых показателей УОАС некоторых типов, определяемых отношением или произведением только частных параметров.

Информационно-энергетические показатели ОУ. Результат преобразования входной информации передается на выход ОУ с погрешностью

АХ = КиЕош, (1-4)

где Ки - коэффициент передачи ОУ с обратной связью, ош - суммарная погрешность передачи ОУ, характеризуемая всеми показателями его неидеальности (см. гл. 2).

Время преобразования информации в ОУ до требуемой относительной погрешности б = АХ 7вх, определяемой суммой времени нарастания t/вых и времени установлений, находится из следующего выражения [6].;

п.у=(t/вх - t/л) K,j/v + {Ku/2nf.)\n{ [ и.ЦЬ - b,Ku)UB.\ +1}, (1,5) где Ьс - Еош/Ubx - относительная статическая погрешность, t/л - диапазон входных сигналов, в котором обеспечивается квазилинейный режим работы входного каскада ОУ, ft - частота единичного усиления, V - скорость нарастания выходного напряжения ОУ (см. гл. 2).

С учетом действия бс количество информации, получаемой на выходе ОУ в результате измерения входного сообщения Ubx при



1 2 3 4 ... 38
Яндекс.Метрика