14. Аналого — цифровые функциональные узлы icon

14. Аналого — цифровые функциональные узлы




Скачати 82.93 Kb.
Назва14. Аналого — цифровые функциональные узлы
Дата конвертації26.02.2013
Розмір82.93 Kb.
ТипДокументи

14.Аналого — цифровые функциональные узлы


АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (АЦП) — устройство (микросхема), осуществляющее преобразование непрерывно изменяющейся величины (например, напряжения) в цифровой код с целью последующего ввода данных в компьютер.

Современные цифровые вычислительные машины позволяют с высокой точностью выполнять широкий круг математических операций с числами. Однако, в измерительных и управляющих системах величины, подлежащие обработке, как правило, представляют собой непрерывные сигналы, например, изменяющиеся значения электрического напряжения. В этих случаях приходится применять аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Такой подход оправдывает себя только тогда, когда требования к точности вычислений настолько высоки, что не могут быть обеспечены с помощью аналоговых вычислителей. Существующие аналоговые вычислители позволяют получить точность не свыше 0,1%. Ниже рассмотрены наиболее важные аналоговые вычислительные схемы на ОУ. Обычно мы будем полагать операционные усилители идеальными. При высоких требованиях к точности выполнения математических операций необходимо учитывать также свойства реальных усилителей.
^

14.1.Аналоговые сумматоры (АС)


Последние десятилетия обусловлены широким внедрением в отрасли народного хозяйства средств микроэлектроники и вычислительной техники, обмен информацией с которыми обеспечивается линейными аналоговыми и цифровыми преобразователями (АЦП и ЦАП).

Современный этап характеризуется больших и сверхбольших интегральных схем ЦАП и АЦП обладающими высокими эксплуатационными параметрами: быстродействием, малыми погрешностями, многоразрядностью. Включение БИС ЦАП и АЦП единым, функционально законченным блоком сильно упростило внедрение их в приборы и установки, используемые как в научных исследованиях, так и в промышленности и дало возможность быстрого обмена информацией между аналоговыми и цифровыми устройствами.

  1. инвертирующие АС



Рис.14.1

Для суммирования нескольких напряжений можно применить операционный усилитель в инвертирующем включении. Входные напряжения через добавочные резисторы подаются на инвертирующий вход усилителя. Поскольку эта точка является виртуальным нулем, то на основании 1-го закона Кирхгофа при нулевых входных токах идеального ОУ получим следующее соотношение для выходного напряжения схемы:

Uвых / RS = -(U1/R1 + U2/R2 + ... + Un/Rn).





ki выбираются из условия неискаженного произведения входных сигналов.

Должно выполнятся следующее условие:

  1. неинвертирующие АС



Рис.14.2



,



Рис.14.3

  1. алгебраические АС



Рис.14.4





Для исполнения искажений выходного напряжения, а также для эффективности использования динамического диапазона операционный усилитель необходимо предусматривать масштабирование частных коэффициентов передачи (kj и ki).



Оптимизирование:  — увеличить меньшую проводимость той или иной стороны.
^

14.2.Аналоговые интеграторы (АИ)


Наиболее важное значение для аналоговой вычислительной техники имеет применение операционных усилителей для реализации операций интегрирования. Как правило, для этого используют инвертирующее включение ОУ. По первому закону Кирхгофа с учетом свойств идеального ОУ следует для мгновенных значений: i1 = — ic. Поскольку i1 = u1/R1, а выходное напряжение схемы равно напряжению на конденсаторе:



то выходное напряжение определяется выражением:



Постоянный член uвых(0) определяет начальное условие интегрирования. С помощью схемы включения, можно реализовать необходимые начальные условия. Когда ключ S1 замкнут, а S2 разомкнут, эта схема работает так же, как цепь. Если же ключ S1 разомкнуть, то зарядный ток при идеальном ОУ будет равен нулю, а выходное напряжение сохранит значение, соответствующее моменту выключения. Для задания начальных условий следует при разомкнутом ключе S1 замкнуть ключ S2. В этом режиме схема моделирует инерционное звено и после окончания переходного процесса, длительность которого определяется постоянной времени R3C, на выходе интегратора установится напряжение

Uвых = -(R3 / R2)U2.

  1. Инвертирующие АИ



Рис.14.5

Rk — сопративление замкнутого ключа k2;

Rут — сопративление разомкнутого ключа k2.

K1

K2

Режим

0

0

УВХ — аналог памяти

1

0

Интегрирование

0

1

Сброс „0”

1

1

Усиливается начальное условие





Погрешность интегрирования обусловлена:

Неидеальность ключей К1 и К2.

Смещением нуля ОУ.

k2 = 1, если Uупр > Uпор

k2 = 0, если Uупр < Uпор



Рис.14.6

  1. Неинвертирующие АИ



Рис.14.7

Примером практического применения преобразователя отрицательного сопротивления является схема неинвертирующего интегратора. Эквивалентная схема интегратора в виде интегрирующей RС-цепочки, содержащей резистор с отрицательным сопротивлением. Операторная передаточная функция этой цепи, определяемая как отношение изображений по Лапласу выходного и входного напряжений представляет собой соотношение:



т.е. с точностью до знака совпадает с передаточной функцией интегратора. Роль резистора с отрицательным сопротивлением выполняет ПОС. С учетом коэффициента передачи неинвертирующего усилителя для этой схемы имеем:

0 — интегрирование

Uупр > Uпор — установка „0”



^

14.3.Аналоговые дифференциаторы (АД)


Поменяв местами резистор и конденсатор в схеме интегратора, получим дифференциатор. Применение первого закона Кирхгофа для инвертирующего входа ОУ в этом случае дает следующее соотношение:

C(dUвх/dt) + Uвых/R = 0,

или Uвых = — RC(dUвх/dt).

Практическая реализация дифференцирующей схемы, показанной на рис. 5, сопряжена со значительными трудностями по следующим причинам:

во-первых, схема имеет чисто ёмкостное входное сопротивление, которое в случае, если источником входного сигнала является другой операционный усилитель, может вызвать его неустойчивость;

во-вторых, дифференцирование в области высоких частот, в соответствии с выражением (4), приводит к значительному усилению составляющих высоких частот, что ухудшает соотношение сигнал/шум;

в-третьих, в этой схеме в петле обратной связи ОУ оказывается включенным инерционное звено первого порядка, создающее в области высоких частот запаздывание по фазе до 90°:



  1. Инвертирующие АД



Рис.14.8



Благодаря обратной отрицательной связи по постоянному напряжению:

1. Достоинства:

а) схема обладает устойчивостью в широком диапазоне частот;

б) отсутствует дрейф нуля;

в) исключается напряжение ошибки.

2. Недостатки:

а) все высокочастотные шумы усиливаются.



  1. Неинвертирующие АД



Рис.14.9

,

так как R1=R2=R и ==1

Достоинства:

а) все достоинства инвертирующего АД;

б) входное сопротивление не меньше, чем R.

Недостатки: 2RC цепи.

14.4.Логарифматоры


В логарифмирующих и экспоненциальных преобразователях для получения требуемой функциональной характеристики используются свойства смещенного в прямом направлении p-n-перехода диода или биполярного транзистора. Такие преобразователи входят в качестве отдельных узлов в различные устройства, выполняющие математические операции. Логарифмирующие преобразователи применяются также для компрессии сигналов, имеющих большой динамический диапазон, например звуковых сигналов, причем некоторые из них перекрывают динамический диапазон в 140 дБ или 7 декад.

  1. Простейший ЛУ



Рис.14.10

Эта схема очень проста, но имеет много недостатков, в частности большие отклонения от логарифмической зависимости и дрейф выходного напряжения при изменениях температуры.

Ток диода приближенно описывается выражением:



где U — напряжение на диоде,q — заряд электрона, k — постоянная Больцмана,I0 — обратный ток диода, Т — температура в градусах Кельвина.

Тогда для вышеприведенной схемы получим:

, следовательно

Для получения логарифмической зависимости необходимо, чтобы U1/R1 = I0, т.е.



Для кремниевого диода I0 = 1 нА, а значение kT/q = 25 мВ при комнатной температуре.

Простейший логарифмирующий преобразователь применяется редко из-за двух серьезных ограничений.

Во-первых, он очень чувствителен к температуре.

Во-вторых, диоды не обеспечивают хорошей точности преобразования, т.е. зависимость между их прямым напряжением и током не совсем логарифмическая. Поэтому удовлетворительная точность в этой схеме может быть получена при изменении входного напряжения в пределах двух декад.

  1. ЛУ с транзисторно ООС



Рис.14.11

Лучшие характеристики имеют логарифмирующие преобразователи на биполярных транзисторах. При этом возможно два вида включения транзистора — с заземленной базой и диодное.

Зависимость тока коллектора транзистора от напряжения база-эмиттер при нулевом напряжении коллектор-база определяется выражением:



где IK0 — обратный ток насыщения транзистора. Его значение для маломощных транзисторов составляет около 0,1 пА при комнатной температуре. Выходное напряжение этих схем определяется выражением:



Поскольку IK0 транзистора существенно меньше, чем I0 диода, приближенное первое равенство значительно точнее, чем второе. Это обеспечивает динамический диапазон схемы на рис. 25а до 7 декад.
^

14.5.Антилогарифматоры ( АЛУ)




Рис.14.12

В экспоненциальных преобразователях обычно применяется показанное на рис. 27 включение транзистора с заземленной базой.

Выходное напряжение этой схемы определяется выражением:



Промышленность выпускает несколько видов ИМС логарифмирующих и экспоненциальных преобразователей, например, ICL8048 и ICL8049. Некоторые из них предназначены для выполнения только одной функции, другие, такие как SSM-2100, могут осуществлять обе функции. Хорошие характеристики имеют такие ИМС, как LOG100 с динамическим диапазоном 5 декад и суммарной погрешностью не более 0,37% и AD8309 с динамическим диапазоном 95 дБ в полосе частот до 350 МГц.



Рис.14.13



Схожі:

14. Аналого — цифровые функциональные узлы icon16. Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи (цап и ацп)
Аналогово-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи. Первый преобразует аналоговый сигнал в цифровое значение амплитуды, второй...
14. Аналого — цифровые функциональные узлы iconДокументи
1. /CCTV. Библия видеонаблюдения. Цифровые и сетевые технологии/01Титул.pdf
2.
14. Аналого — цифровые функциональные узлы iconДокументи
1. /CCTV. Библия видеонаблюдения. Цифровые и сетевые технологии/14 Средства передачи видеосигнала.pdf
14. Аналого — цифровые функциональные узлы iconЦифровые зеркальные фотокамеры

14. Аналого — цифровые функциональные узлы iconДокументи
1. /Узлы и сети.pdf
14. Аналого — цифровые функциональные узлы iconДокументи
1. /Морские узлы.doc
14. Аналого — цифровые функциональные узлы iconФункциональные обязанности администратора сайта гуо «Средняя общеобразовательная школа №2 г. Ошмяны»

14. Аналого — цифровые функциональные узлы icon9. Цифровые компараторы (ЦК)
Компаратор — это комбинационное устройство, реализующее функции отношения двух и более операндов (кодовые операции, которые участвуют...
14. Аналого — цифровые функциональные узлы iconГ. Замковой Теоретические основы безопасности
...
14. Аналого — цифровые функциональные узлы iconДокументи
1. /Автомобиль ВАЗ 2115. 0ригинальные узлы. Технология технического обслуживания и ремонта....
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©te.zavantag.com 2000-2017
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи