|
| |
  |
Главная » Книги и журналы 1 ... 26 27 28 29 30 31 32 ... 38 туде й в виде кодовых слов записываются в ОЗУ на входе устройства. Поступающие на ЦАП опорные сигналы умножаются на последовательности Л'-разрядных кодовых слов. С выходов ЦАП высокочастотные колебания со средней частотой Wo, модулированные ступенчато изменяющимися напряжениями, поступают на аналоговый сумматор. На. выходе сумматора и формируются отрезки колебаний с различными амплитудами и фазами. Оконечный восстанавливающий полосовой фильтр преобразует эти отрезки в колебание с непрерывной амплитудой и фазой. Наименьщие аппаратурные затраты при реализации этого метода обеспечивают БИС ЦАП серии 572, поскольку они могут работать в режиме четырехквадрант-ных перемножителей. Однако для этих ЦАП максимальная частота формируемых сигналов не превыщает нескольких сотен килогерц. Используй ЦАП, управляемый микроЭВМ, можно синтезировать практически любой аналоговый сигнал. Для синтеза необходимо между микроЭВМ и ЦАП включить буферное ОЗУ, в котором формируется цифровая модель аналогового сигнала. ОЗУ должно допускать работу от внешнего тактового генератора. Благодаря этому можно изменять частоту формируемого выходного аналогового сигнала изменением частоты выборки из ОЗУ и подачей на вход ЦАП цифровых слов. Специализированные цифро-аналоговые синтезаторы, построенные по такому принципу, состоят из трех последовательно включенных блоков: накопительного УУ-раз-рядного сумматора, цифрового преобразователя фазы в амплитуду и ЦАП с фильтром нижних частот на выходе. На накопительный сумматор подаются параллельные т-разрядные цифровые слова, а скорость его работы задается внешним тактовым генератором. Такой цифро-аналоговый синтезатор при подаче на него тактовых импульсов с частотой fr и цифрового слова в двоичном коде М= управ- ляющего частотой и амплитудой, непрерывно формирует мгновенные значения для цифрового эквивалента аналогового сигнала. Накопительный сумматор при этом определяет частотный диапазон и разрешающую способность по частоте выходного сигнала, а преобразователь фазы обеспечивает переход из кода, представляющего фазу сигнала, в код, представляющий амплитуду этого сигнала. Код на выходе максимального сумматора соответствует фазе сигнала в период между О и 360°. Входной код цифрового слова М является числом, добавляемым к содержимрму сумматора в каждом такте и определяющим минимальный квант фазы. Частота заполнения сумматора определяется его разрядностью и значением fr и равна Mfr/i . В качестве преобразователя фазы в амплитуду можно использовать ОЗУ, в которое предварительно записана информация о мгновенных значениях амплитуды синтезируемого сигнала. Информация загружается в ОЗУ либо непосредственно, либо в процессе исполнения в микроЭВМ определенной подпрограммы. 10.4. ВЫПОЛНЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ ПОД УПРАВЛЕНИЕМ ЭВМ ЦАП позволяют реализовать устройства, способные выполнять математические операции над информацией, представленной в виде аналоговых и цифровых сигналов. Суммирование или вычитание двух цифровых слов с получением результата в виде аналогового  Слабо Б Рис. 10.13. Быстродействующий матор цифровых данных Рис. 10.14. Бытродействующий перемножитель данных, представленных в Цифровой и аналоговой форме 6х 15\ \16
 сигнала можно выполнить, используя два ЦАП (рис. 10.13). В схеме применяется общий для обоих ЦАП источник опорного напряжения. Суммирование или вычитание осуществляется ОУ, на вход которого с выходов ЦАП подаются токовые сигналы эквивалентные значению цифрового слова А или Б на входе ЦАП. На выходе А1 получается однополярное выходное напряжение, которое опреде- ляется выражением (Увых1 =/оп/?оп \ й,л2 +аф2 J. Чтобы получить биполярное выходное напряжение, к инвертирующему входу ОУ необходимо подключить дополнительный резистор Ron- Этот резистор обеспечивает дополнительный ток Ion, смещающий выходное напряжение ОУ на величину (/см =/оп/?оп, и тогда (/вых = /оп/?оп m2~+J g,£2~-l). При использовании сме- щенного двоичного кода на входах ЦАП суммируются два цифровых слова с получением результата суммирования в виде аналогового сигнала с правильным знаком. Подключив к выходам ЦАП в точках с и б дифференциальный усилитель А2, показанный на рис. 10.13, можно осуществить вычитание цифровых слов с получением результата в виде аналогового сигнала (/вых2=/оп/? 02 - о;,б2-). При последовательном включении двух ЦАП (рис. 10.14) можно реализовать умножение двух цифровых слов, а результат получить в виде аналогового сигнала. Выходной сигнал первого ЦАП выполняет роль опорного напряжения второго ЦАП. Это напряжение (Увых1 пропорционально произведению Ubx на цифровое .входное слово DI. Во втором преобразователе выходное напряжение .пропорционально произведению (Увых! на цифровое слово D2. Эту взаимосвязь можно' представить следующими вьфажениями: (Увых1 = - (Увх (вых2= - (Увых1 а/Б2~ = 10 10 = UbxY, o.iA2~Y. o.je2~ = UbxD1D2. Наращиванием числа ЦАП г=1 /=1 можно перемножать любое число цифровых слов. При четном числе ЦАП выходное напряжение будет положительным, а при нечетном отрицательным. Если объединить входы всех ЦАП, то на выходах первого ЦАП напряжение будет равно - (Увх ai2~, 1= 1 { О \2 на выходе второго (Увх \- / > выходе п-го / 10 у Ubx \- Y,o.i2 J . Просуммировав с помощью дополнительного ОУ 1=1 выходные напряжения ЦАП с соответствующим знаком, получим степенной ряд Ubx{D + D + ... + D ), где D=Y а,-2 . Используя интегратор и ЦАП для управления коэффициентом передачи ОУ, можно реализовать простую схему для вычисления среднего значения аналогового сигнала с высокой точностью (рис. 10.15). Это устройство может использоваться для измерения аналоговых сигналов в произвольном временном диапазоне. Если требуется точность, соответствующая 12 разрядам, то в схеме нетрудно перейти от ЦАП К572ПА1 к ЦАП К572ПА2 или К572ПВ1. ЦАП, включенный в цепь ОС ОУ по схеме на рис. 10.1, с, дает изменение усиления, обратно пропорциональное времени, что Рис. 10.15. Схема для прецизионного Cffgoc вычисления среднего значения сигнала  обеспечивается двоичным счетчиком, управляемым от внешнего тактового генератора. Выходное напряжение интегратора Ui = = - TUbx/RC, где Т - период интегрирования. Коэффициент передачи усилителя А2 определяется содержимым счетчика и обратно пропорционален числу тактовых импульсов, следующих с периодом AT, т. е. Ku - k.NmaxAT/NAT = kTmax/T, где й - некоторый коэффициент, число Л'одг определяется п-разрядностью ЦАП и равно 2 . Следовательно, UBux = kTmaxVBx/RC. Из последнего выражения вид,но, что Ubhx не зависит от времени интегрирования, а только от Ubx- Параметры RC-пепн должны выбираться таким образом, чтобы.за время Ттах не достигалось Uimox - максимальное выходное напряжение А1, т. е. \U\ \ <Uimax и, следовательно, RCTmaxUBxmax/U\max- Чтобы ВЫПОЛНИТЬ ЭТО уСЛОВИС, НСОбхОДИМО рассчитать период тактовых импульсов из выражения АГ=/?С/2 . Для уменьшения выбросов выходного напряжения при переключениях коэффициента передачи А2 между его инвертирующим входом и выходом следует включить корректирующий конденсатор емкостью 50... 120 пФ. Полностью устранить выбросы можно включением на выходе А2 УВХ (см. гл. 9), выбирающего новое значение (Увых по срезу тактового импульса. Содержимое счетчика должно увеличиваться по фронту тактового импульса одновременно с переходом в режим хранения нового значения Ивых [63]. 10.5. ПРОГРАММИРУЕМЫЕ АКТИВНЫЕ ФИЛЬТРЫ В традиционных активных фильтрах регулировка характеристической частоты или добротности выполняется с помощью изменения параметров соответствующих резисторов или конденсаторов (см. гл. 4). Внедрение микропроцессорной техники в обработку аналоговых сигналов потребовало создания фильтров, управляемых цифровым словом [64]. Некоторые из таких фильтров приведены ниже. В этих схемах ЦАП используются как по прямому назначению, так и в качестве программно-перестраиваемого резистора. Кроме такого подхода, основанного на применении ЦАП в пассивных цепях, пока не создан конкурентоспособный подход, например построение активных фильтров, управляемых аналоговыми сигналами. . В простейшем фильтре низкой частоты ЦАП включен в выходную цепь ОУ. Точность настройки на требуемую частоту при использовании прецизионного конденсатора С1 (рис. 10.16) будет определяться разрядностью ЦАП. Ко входу ЦАП может быть подключен микропроцессор или простой набор тумблеров. Полюс АЧХ появляется на частоте, пропорциональной амплитуде выходного напряжения, приложенного к конденсатору С1. Если конденсатор С1 подключен непосредственно к выходу ОУ и если к конденсатору прикладывается напряжение kV, то оно вызывает такой же ток в цепи ОС, как если бы к конденсатору с емкостью kC\ было приложено напряжение U. Поэтому, пренебрегая действием транзистора, угловую частоту можно рассчитать по формуле ©i = = 1/кЯфС. При этом коэффициент передачи по постоянному току не зависит от коэффициента передачи по цепи ОС k. Изменяя тем или иным способом коэффициент к, можно изменять угловую частоту 0)1. Показанная на рис. 10.16 схема обеспечивает изменение k посредством изменения сопротивления /? резисторной матрицы. Это достигается за счет изменения соотношения резисторов R2 и R3\\Ru- Если на входах матрицы напряжения соответствуют лог. О, то сопротивление /? стремится к бесконечности и ЦАП не влияет на работу активного фильтра. Если же на какие-либо входы ЦАП подаются напряжения, соответствующие лог. 1, т. е. примерно 15 В, то параллельно R3 подключается резистор Rm с конечным сопротивлением, максимальное значение которого равно 2 кОм/Л'. Отношение резисторов /?2/(/?з11/?м) определяет потенциал базы транзистора. Транзистор используется в качестве эмиттерного повторителя, передающего на конденсатор изменение напряжения в средней точке делителя R2R3. Для эффективной работы такого активного фильтра необходимо, чтобы выполнялось условие (/?2 /?з)/Й21э<1 lo.c, где ftgia - коэффициент усиления базового тока транзистора. Величина (/?2 /?з)/Л21э определяет выходное сопротивление эмиттерного повторителя при больших сопротивлениях резистора в цепи базы транзистора. При принятых предположениях получим й = 1/[ 1 +/?2/(/?з 11/?м)]. Тогда угловую частоту фильтра можно представить в виде ©i = l ?o.cCi [1+ + /?2/(/?з1 \Rm)]- Описанную структуру активного фильтра целесообразно применять, когда требуются очень широкий диапазон рабочих частот и минимальные задержки при переходе от одного значения характеристической частоты к другому. Если диапазон рабочих частот фильтров ограничивается десятками килогерц, то можно воспользоваться схемами на базе К572ПА1. В простейшем программируемом фильтре этого типа (рис. 10.17) цепь R1C1 образует интегратор на базе ОУ. Поскольку А>/ I-СГЬп:-1 бь.х  К154УДЗ h А1 К572П/Ч Щап J 5--H V От Щ т 
Рис. 10.17. Схема программируемого активного фильтра.с ЦАП в канале усиления Рис. 10.16. Схема простейшего программируемого фильтра п; .II ;( сигнал по второй цепи ОС R1R2 контролируется ЦАП, тем самым изменяется действующее значение постоянной времени цепи R2C]. Выход ОУ соединяется с выводом подключения опорного напряжения ЦАП. Поэтому выходное напряжение активного фильтра зависит от коэффициента передачи t/вх. Максимальное значение коэффициента передачи Ко зависит от кода входного цифрового слова ЦАП G,-2~. Следовательно, (/вых = Lbx/Со а,2~. Частот- 1=1 . i=!=l пая характеристика схемы определяется выражением Но = - -(/?2 ?i) (1+p/?2Ci (o Gi2~). Следовательно, характеристи- ческая частота фильтра ©о = (/(о^ ai2~)/R2Ci. Для нормальной работы такого фильтра необходимо, чтобы коэффициент передачи ЦАП был положительным. ЦАП должен допускать подачу разно-полярногО опорного напряжения, если необходимо обрабатывать двухполярный входной сигнал. Следует иметь в виду, что в-выходном сигнале будут присутствовать коммутационные помехи, обусловленные переключениями кодов на входе ЦАП. Из-за инерционности ОУ. а также из-за включения ЦАП в выходную цепь активного фильтра они не будут подавляться. Для построения управляемого цифровыми сигналами фильтра высоких частот можно воспользоваться схемой (рис, 10.18), в которой ЦАП включен во входную цепь. В дополнение к обычной резисторной цепи отрицательной ОС ОУ в схему введена дифференцирующая цепь C1R1 с подключенным к ней последовательно ЦАП. Сигнал, подаваемый на конденсатор С1, изменяется в зависимости от подаваемых на ЦАП цифровых сигналов, а точнее варьируется коэффициент передачи дифференцирующей цепи. Следовательно, частотную характеристику такого фильтра можно записать в виде Яо (р)== -(1+/(0/11 G,-2 ). Из этого выражения следует, что  Рис.. 10.1&. Схема программируемого активного фильтра с ЦАП во входной цепи Рис. 10.19. Схема программируемого активного фильтра с ЦАП в цепи обратной связи  
характеристическая частота о)о= l (o/?iCi а,2~. Как и для пре- дыдущей схемы, коэффициент передачи должен быть положительным. Преимущество этой схемы перед предыдущей в том, что в выходном напряжении будут содержаться меньшие коммутационные помехи, вызванные работой переключателей в ЦАП. Программно-управляемый от ЭВМ полосовой активный фильтр можно построить и на основе метода переменных состояний, включив ЦАП в цепь общей ОС (рис. 10.19). В схеме фильтра можно воспользоваться двумя выходами: (/вых - выход фильтра нижней частоты, (Увых1 - выход полосового фильтра. Для полосового фильтра его добротность и характеристическая частота определяются следующими выражениями: (П2-Ь I) RC V i 2 в отличие от схемы на рис. 4.6 значения добротности и характеристической частоты в схеме на рис. 10.19 пропорциональны корню квадратному от весового значения цифрового слова. Коэффициент усиления в полосе пропускания не зависит от цифрового управляющего слова и равен -п,. В рассматриваемой схеме обеспечивается значительно лучшее подавление коммутационных помех, чем в двух предыдущих, благодаря тому, что выходной сигнал ЦАП не поступает непосредственно на выход фильтра, а подается на его вход. Однако и в этом случае максимального подавления коммутационных помех можно добиться, если применить широкополосные ОУ, например К154УД4, К574УД2, или включить на выход схемы УВХ. 10.6. ПРИМЕНЕНИЕ ЦАП В КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ АППАРАТУРЕ В настоящее время ЦАП нанйи широкое применение при сопряжении ЭВМ с системами отображения информации, К таким системам относятся, например, дисплеи, где ЦАП используется для управления разверткой электронно-лучевой трубки. В качестве центральных устройств обработки информации в дисплеях применяются микропроцессоры. В ПЗУ микропрЬцессора содержатся информация об алгоритмах регенерации данных, программы преобразования информации. ЦАП в дисплеях упрощают формирование вертикальной развертки. Объясняется это, например, в растровых дисплеях тем, что синхронизация, осуществляемая с помощью генератора тактовых. импульсов, и ,логических устройств, получается доста-точ.но точной и с хорошей повторяемостью. Кроме того, в.отличие от аналоговых устройств развертки с небольшим остаточным наклоном линий применение ЦАП. позволяет получить горизонтальные линии. Недостатком использования ЦАП является необходимость гашения луча во время смены кодов. Однако этот недостаток легко устранить, если входные коды ЦАП менять во время обратного хода луча. При построении на базе- ЦАП растровых дисплеев равномерность, интервалов мбжду линиями зависит от нелинейности передаточной характеристики ЦАП (28]. Для горизонтальной развертки ЦАП применить труднее, так как требуются однб-временно высокие точность и быстродействие и отсутствие выбросов выходного аналогового напряжения при смене кодовых комбинаций. Из имеющихся БИС ЦАП в наибольшей степени всем этим требованиям отвечает К1118ПА2. Этот ЦАП обеспечивает формирование 1024 точек на линию и 1024 линий при частоте кадров 30 Гц. Однако даже если гасить луч в промежутках между шагами горизонтальной развертки, выбросы выходных напряжений ЦАП. могут привести к существенным искажениям изображения, если lie принять спе'Циальных мер. Особенность растрового дисплея состоит в том, что для его нормальной работы в условиях внутренней синхронизации необходимо каждый раз обновлять все изображение независимо от того, все изображение изменяется или его часть. Скорректировать какой-либо местный фрагмент изображения непросто. Эта задача легко решается только в дисплеях с точечной матрицей, также использующих ЦАП для управления разверткой электронно-лучевой трубки. Преимущество применения ЦАП в точечных дисплеях состоит в том, что гашение луча при переходе от точки к точке устраняет влияние выбросов выходного напряжения на изображение. К140УА7 КР100ВВИ1 К572ПА1  Рис. 10.20. Схема для программного управления задержкой импульсов Для управления системами развертки обычно требуется одновременное програм мное управление задержкой импульсов синхронизации. Эту задачу можно решить Г~г с помощью ЦАП, управляющего таймером У-У lZXgyf КР1006ВИ1 (рис. 10.20). ЦАП К572ПА1 выполняет функцию программируемого генератора тока, протекающего по цепи вывода /. Ток в ЦАП задается генератором постоянного тока на транзисторах VTI, VT2. Этот, ток равен h = U3s/Ru где (/э Б - падение напряжения на эмит- терно-базовом переходе транзистора VTI. Выходной ток ЦАП в зависимости от поданных на него цифровых сигналов /2 = /i й.-2~ и изменяется в диапазоне от I мА до примерно 0,1 мкА. При подаче на вывод 2 таймера среза импульса иа выходе схемы устанавливается высокий уровень напряжения, а транзистор VT3 закрывается. После этого происходит заряд конденсатора CI в цепи ОС ОУ К153УД6 со скоростью /i a,-2-/C. При этом напряжение на выходе ОУ возрас- / = 1 , тает от своего исходного значения, равного О, до 2,7 /3. При достижении выходным напряжением ОУ значения 27,/3, выходное напряжение таймера (см. гл. 7) переключается в свое исходное состояние, транзистор VT3 насыщается и соединяет обкладки конденсатора CI. Тем самым достигается сдвиг по времени среза импульсу са на ti = 2U Cj i с,2~. На выходе таймера сохраняется низкий уровень 1 = 1 напряжения до момента поступления иа его вход следующего среза импульса. Таким образом, схема позволяет программно изменять коэффициент задержки импульса в диапазоне 1.-.Ш24. Рекомендуется выбирать емкость С1 с таким расчетом, чтобы время задержки было не меньше 0,2 мкс и не больше 1 с. ГЛАВА И АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ Аналого-цифровые преобразователи, а точнее преобразователи напряжения в код, предназначены для сопряжения современных аналоговых измерительных систем с цифровыми системами обработки информации. Любое преобразование напряжения в код основано либо на сравнении входного напряжения с эталонным (опорным), либо на промежуточном преобразовании напряжения во временной интервал (частоту или скважность), длительность которого затем преобразуют в цифровой эквивалент информации. На основе метода сравнения аналогового сигнала с эталонным построены АЦП последовательного приближения, параллельного преобразования и их модификации. На промежуточном преобразовании во временной интервал основаны преобразователи напряжения в частоту, АЦП с пилообразным напряжением, интегрирующие и их модификации. Такое разделение АЦП лежит в основе одного из способов их классификации в зависимости от того, применяется заряд конденсатора или сравнение дискретных уровней напряжения [28]. Аналого-цифровое преобразование с зарядом конденсатора основано на преобразовании в цифровой код периода времени, которое необходимо для заряда конденсатора до уровня входного аналогового сигнала. Сущностью же аналого-цифрового преобразования со сравнением входного сигнала с эталонным является формирование напряжении с уровнями, представляющими собой эквиваленты цифрового кода, и сравнение этих уровней напряжения с входным напряжением для определения эквивалентного цифрового слова. Требуемые уровни напряжений могут быть сформированы одновременно, последовательно или комбинированным способом. 11.1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЕ-ЧАСТОТА Преобразователи напряжение-частота являются простейшими АЦП. Современные схемы преобразователей на дискретных компонентах обеспечивают линейность преобразования от 0,1 до 0,001 %. В полупроводниковых БИС преобразователей достигнута линейность 0,01%. Точность преобразования существенно зависит.от динамического диапазона входных сигналов. При широком диапазоне линейность преобразования максимальна. Очень просто построить АЦП на базе преобразователя напряжение-частота, подключив к его выходу цифровой счетчик. Счетчик работает от внешнего тактового генератора и считает импульсы, поступающие на его вход в период между выходными импульсами преобразователя напряжение-частота. Чем больше этот период, тем выше содержимое счетчика. Содержимое счетчика преобразуется на его выходе в двоичный код. И точность, и быстродействие такого АЦП можно увеличить, повысив частоту выходного сигнала тактового, генератора. Обладая сравнительно низким быстродействием, прецизионные АЦП этого типа очень удобны для построения цифровых вольтметров. Один из способов построения преобразователя напряжение-частота представлен на рис. 11.1. Входное напряжение Lbx преобразуется в пропорциональную ему частоту выходных импульсов одинаковой длительности. Чтобы этого достичь, напряжение Lbx сначала преобразуется в ток /вх. В исходном состоянии переключатель S1 замкнут, конденсатор С разряжен и напряжение на нем Uc = 0 При размыкании S1 с помощью одновибратора конденсатор заряжается со скоростью /вх/С По истечении времени x - lJonC/Ux, когда 11 с -Поп, переключается выходное напряжение компаратора А1 и запускается одновибратор. Последний формирует импульс, по фронту которого S1 замыкается, а напряжение Ис уменьшается до нуля. По срезу выходного импульса вновь размыкается S1 и описанный цикл работы повторяется. Чем больше (Увх и, следовательно, /вх, тем меньше т и частота выходных импульсов одновибратора. Описанный способ построения был положен в основу многих схем Рис. 11.1. Упрощенная схема преобразователя напряжение-частота  Одно- , ouffpa--f- тор 1 ... 26 27 28 29 30 31 32 ... 38 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||