Й.Янсен Курс цифровой электроники. Том 3. Сложные ИС для устройств передачи данных (1987) (1092083), страница 38
Текст из файла (страница 38)
Эта ошибка проявляется при цифровом представлении аналоговой величины, так как точность определения аналоговой величины ограничивается младшим разрядом АЦП. Чем больше разрядность АЦП, тем меньше будет ошибка квантования в его показаниях. енсе И/1 3 ~'д ф ун 4 йд т уут' Уубд Р „, б У Ниаааеабьта' бтау Рис. 3.20.
Потрешиость преобразовавия, возникающая в схеме при очень большом или очеиь малом усилеиив, Другой ошибкой, которая может встретиться при аналогоцифровом преобразовании в интегральной схеме„является ошибка усиления, которая возникает при неправильно выбранном коэффициенте усиления, в результате чего, например, изменение интегрального входного напряжения происходит слишком резко или слишком плавно. При слишком резком изменении напряжения цифровой счетчик работает слишком быстро, а при сллшком плавном изменении напряжения — слишком медленно.
Это иллюстрируется ка рис. 3.20. При применении операционных усилителей (ОУ) в схемах преобразования также возникают специфические ошибки, саяе ванные с их использованием. Среди них следует назвать ошиб. ку, возникающую нз-за начального напряжения смещения ОУ; Глаза 8 которое вызывает сдвиг всей цифровой шкалы (рис. 3.21). В аналоговых измерительных приборах также возникает смещение такого типа, если измерительный прибор смонтирован в неправильном положении. Тогда говорят, что стрелка измерительного прибора не установлена на нуль. Кроме того„ошибка может возникнуть, если схема сравнения в АЦП имеет гистере- ка КР а 4 РР та ь РГР нт РРг Р ймпппнпгпгп ппппаа Р Р 1Р Ьипаппп спгппп, 8 Рис. 3.21.
Погрешность аналого-цифрового преобразования, возникающая из-за начального смещения. вис и точка переключения при повышении напряжения не соответствует точке переключения при понижении напряжения. Ошибка в схеме сравнения рассматривается как внутренняя и ие зависит от внешних воздействий. Кроме того, могут возникать нелинейности шкалы, что ведет к появлению погрешности на выходе.
Например, малые по абсолютной величине относительные погрешности в ЦАП могут явиться причиной большой ошибки. При определении постоянного тока ошибка в !'$ в самом младшем двоичном разряде (1.ЬВ) не оказывает влияния, в то время как эта погрешность в десятом бите (1024) вызывает погрешность, соответствующую !О младшим битам. В результате етого появляется опасность того, что, например, при переходе от числа 1023 на входе к числу !024 может произойти уменьшение тока на выходе, что совершенно недопустимо. По этой причине изготовители следят за тем, чтобы при переходах такого рода ток оставался постоянным, т.
е. была бы обеспечена монотонность его изменения. Под монотонностью в данном слу- Связь устройств обработки с внешней средой чае мы понимаем отсутствие на передаточной характеристике преобразователя участков с отрицательным наклоном. На рис. 3.22 представлена передаточная функция ЦАП, а также показана нелинейность аналого-цифрового преобразования (штриховая линия). Отклонения передаточной характеристики от линейности определяются относительно идеальной прямой.
При этом важно, чтобы было известно отношение возможного отклонения к величине шага преобразования в соответствующей точке хаПалная иаара и ппп жч пгп и гпп ап ип бт цаграспай ьоа(яааанстау Рнс. 3.22. Нелинейность аналого-цифрового ореобразоааннн. рактеристики. Такой параметр называют дифференциальной не- линейностью преобразователя. Дифференциальная нелинейность не должна иметь отрицательных значений, так как следствием этого является немонотонность передаточной характеристики. Отрицательная дифференциальная нелинейность при цифро-аналоговом преобразовании приводит к тому, что увеличение цифрового значения на входе вызывает снижение аналоговой величины напряжения на выходе.
Это недопустимо в системе управления, так как включение в цепь управления устройства с отрицательным наклоном передаточной характеристики превратило бы отрицательную обратную связь в положительную, что привело бы к нестабильности системы. 3.8. Измерительные усилители Основой измерительного усилителя служит, как показано на рис. 3.23, операционный усилитель (ОУ), при проектировании которого уделено повышенное внимание проблемам нелинейности, смещения и ослабления синфазного сигнала (СМР.). Глава л Этот усилитель применяется для того, чтобы преобразовать относительно низкие значения измеряемых напряжений (1 мВ), поступающих от приемных устройств в более высокие значения для управления усилителем считывания с хранением.
Операционные усилители реагируют на разность напряжения, имеющуюся между дифференциальными входами. Усилитель не реагирует, если на оба входа поступают сигналы с одинаковой полярностью и фазой (синфазные сигналы). Это особенно важно, поскольку между приемным уетройством и усили- Вмлоо(усололлое) — нищ еооьчиол ллое лоолллонооу Мми ролмлллый ооолитлолл роенол 1 ) потело Рис. 3.23.
Измерительный усилитель и входные напряжения. гелем обязательно имеются соединительные провода, на которых возникают помехи. Индуцнрованная помеха имеет на обоих входных проводах одинаковую величину и фазу, поэтому в усилителе с хорошим подавлением синфазного сигнала она не приводит к появлению ложного сигнала на выходе. Коэффициент ослабления сннфазного сигнала является важным параметром измерительных усилителей, который определяется по формуле СМ(1 = 20 1а (Кл/К,), где Кл — коэффициент усиления дифференциального напряжения, К, — коэффициент передачи синфазного напряжения. Величина СМК для измерительных усилителей лежит в пределах 70 — 120 дБ. 3.9.
Усилители считывания с хранением Преобразование аналоговой величины напряжения в двоичное число занимает достаточно много времени, в течение которого поступивший аналоговый сигнал должен оставаться постоянным. Поэтому между измерительным усилителем н АЦП включается усилитель считывания с хранением информации, который сохраняет поступившее аналоговое значение напряжения и течение того периода, когда идет его аналого-цифровое преобразование. В процессе считывания и хранения различаются два временных интервала: период считывания н период хранения. В период считывания принимается поданный на вход уровень напря- Свине етройств оо отяя с внеиисей средоа жения„который в период хранения остается постоянным. Схема переходит в режим хранения напряжения при поступлении заднего фронта импульса считывания. Время установления схемы определяется зарядом паразитных емкостей и емкости хранения.
Уснлптель считывании с хранением (рис. 3.24) состоит из двух операционных усилителей, которые включены как повторители напряжения. Кроме того, схема содержит аналоговый переключатель и емкость, используемую в качестве элемента ПЯ енПнвеле Анод лхо длрядлойое еятвлет. йнп с уроненная Рнс. 3.24. Прнниняиальяая схеиа усилителя считывания с хранением. хранения. Повторители напряжения имеют высокий входной н низкий выходной импедаис.
Применение повторителей обеспечивает: а) быстрый заряд емкости хранения в период считывания благодаря низкому выходному импедансу; б) постоянное значение напряжения, считываемого с емкости в период хранения, вследствие высокого входного импеданса повторителя. Высокий входной импеданс считывающего усилителя-повторителя необходим, чтобы исключить разряд емкости в период хранения, который приведет к непостоянству напряжения на выходе усилителя. На рис.
3.24 приведена принципиальная схема усилителя считывания с хранением. На входе схемы находится операционный усилитель — повторитель напряжения, которыйускоряетзаряд емкости хранения благодаря низкому выходному импедансу, Между выходом первого операционного усилителя и емкостью хранения включен аналоговый переключатель состояний из двух комплементарных полевых транзисторов, режим работы которых меняется в период считывания и хранения.
Полевые транзисторы открыты в период считывания, и емкость хранения при этом заряжается напряжением с выхода первого операционного усилителя. Глава 8 и ф 0 $ лели» еееее геач Рис 3.25, Временнйе диаграммы. иллюстрнруюшие работу усилителя считы- вания с хранением. После емкости хранения включен второй повторитель, который, как уже указывалось, обеспечивает передачу напряжения с емкости хранения на выход с незначительными изменениями. На временной диаграмме (рис. 3.25) показано, что происходит с входным сигналом в период считывания н хранения.
Мы видим, что в период считывания выходное напряжение усилителя повторяет входное напряжение, но имеются небольшие отклонения, вызванные неточностью передачи повторителей. При подаче заднего фронта импульса выборки емкость хранения отключается от входного повторителя с некоторым запаздыванием. Позтому изменения входного напряжения повторяются на емкости в течение некоторого периода времени.
Б результате емкость имеет несколько более высокое значение напряжения. В период хранения уровень напряжения на емкости несколько уменьшается. На графике зто показано в преувеличенном Сенэа устройств обработки с внешней средой виде для большей ясности изложения. Уменьшение напряжения объясняется тем, что происходит некоторый разряд емкостихранения. В период хранения появляются также некоторые перекрестные помехи, так как закрытые переключатели на полевых транзисторах имеют собственную проходную емкость, через которую передаются быстрые изменения входного напряжения в этот период. После этого начинается новый период считыва.
ния. Таким образом, в действительности выходное напряжение не точно повторяет входное напряжение, что связано с влиянием емкости хранения и паразитных емкостей. 3.10. Преобразователь аналогового напряжения в частоту В настоящее время используется метод аналого-частотного преобразования, поскольку он характеризуется сравнительно невысокой чувствительностью к возникающим помехам. Измеряемая аналоговая величина, поступающая от датчиков, мгновенно Иэиееишелсные' рсел иеелс й рапорте беапд лро 2: Ешреиелимелелюй дселкаем рснилемке ееемп ирыаюлелсере йю ел еееале лреедрмтобелел Рис. 3.26. Преобраэование аналогового напряжения в частоту (ПНЧ), преобразуется в сигнал, частота которого связана с этой величиной определенным соотношением. Через оптический элемент связи сигнал передается в слабо- точную схему, где он с помощью двоичного счетчика преобразуется в цифровое значение.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
