naf-st.ru naf-st.ru naf-st.ru naf-st.ru
 
Поиск по сайту
 

Рысин О. В., Рысин А. В. Устройство и каскадный метод аналого-цифрового преобразования


Рысин О. В., Рысин А. В. Структурная схема 1-го варианта передачи и восстановления цифрового кода К содержанию Рысин О. В., Рысин А. В. Схема цифровой фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) кода Манчестера II
Page copy protected against web site content infringement by Copyscape

Авторы: Рысин О. В. и Рысин А. В.

В современных технических разработках всё большее значение приобретают быстродействующие прецизионные АЦП. Однако точность этих АЦП ограничивается возможностями элементной базы различать малые уровни квантования сигнала. Чтобы нивелировать это ограничение предлагается каскадный метод аналого-цифрового преобразования, заключающийся в выделении фрагментов амплитуды аналогового сигнала в соответствии со значением минимального уровня квантования опорного напряжения. Функциональная схема и диаграммы формируемых сигналов, создаваемых в процессе реализации указанного метода, приведены на рисунках 1-3.


Рис. 1 - Функциональная схема каскадного метода аналого-цифрового преобразования

Из анализа, приведённого на рис. 1 метода следует, что он отличается от существующего метода прямого (параллельного) преобразования наличием узла фрагментации сигнала. Фрагментация осуществляется путём последовательного сложения инверсного исходного сигнала и уровней порогового напряжения. Вследствие того, что амплитуда фрагментированного сигнала не превышает значения минимального уровня квантования опорного напряжения, то фрагментированный сигнал усиливается до амплитуды исходного и соответственно заново подвергается фрагментации и так далее, пока не будет достигнута требуемая точность. Здесь следует отметить, что данный метод в отличие от существующих методов, позволяет перенести ограничение по возможности элементной базы различать малые уровни квантования сигнала в область ограничения этой же элементной базы по быстродействию.


Рис. 2 - Диаграмма фрагментации аналогового сигнала по уровням квантования



Рис. 3 - Диаграмма каскадной фрагментации аналогового сигнала по уровням квантования

Из приведённых диаграмм следует вывод о необходимости локализации моментов выборки данных в те промежутки времени, когда отсутствует резкий перепад при фрагментации сигнала. Причём, уровни напряжения для локализации моментов выборки данных выбираются исходя из пилообразной формы сигнала после фрагментации, то есть, чтобы тактовая частота выборки данных была не очень высокой, следует длительность выборки и запрета на выборку данных приблизительно уравнять по времени.

Структурная схема каскадного аналого-цифрового преобразователя (АЦП) приведена ниже.


Структурная схема каскадного аналого-цифрового преобразователя (АЦП)

Рис. 4 - Структурная схема каскадного аналого-цифрового преобразователя (АЦП)

На структурной схеме приведены два каскада АЦП, однако количество каскадов может быть увеличено и ограничивается лишь быстродействием, входящих в АЦП элементов. Кроме того, количество уровней квантования может быть кратным 10-ти, тогда каждый следующий каскад увеличивает точность АЦП как минимум на порядок.

Из структурной схемы видно, что входной сигнал Uc(t) поступает на вход устройства квантования и фрагментации первого каскада. Здесь сигнал квантуется, подвергается фрагментации и усиливается, как показано на диаграммах рис. 2 и 3. Далее уровни квантования Uвых±комп.N(t) поступают на кодирующее устройство, а усиленный фрагментированный сигнал Uфр1у(t) подается на вход устройства квантования и фрагментации второго каскада, в котором производится аналогичная обработка сигнала. После этого, уровни квантования Uвых±комп.N(t) второго каскада поступают на кодирующее устройство, а усиленный фрагментированный сигнал Uфр2у(t) подается на вход формирователя импульсов выборки данных, где осуществляется дискретизация моментов выборки данных по времени.

Структурная схема устройства квантования и фрагментации приведена на рисунке ниже.


Рис. 5 - Структурная схема устройства квантования и фрагментации

Структурная схема устройства квантования и фрагментации состоит из связанных между собой отдельных частей, а именно: компараторов с делителем опорного напряжения для квантования сигнала по уровням напряжения; ключей подачи опорного напряжения на схему фрагментации; из самой схемы фрагментации и примыкающих к ней цепей инвертирования, согласования и усиления. Все узлы схемы, являются тривиальными с точки зрения функционального и схемотехнического решения, и расчёт их не представляет сложности, однако некоторые основные соотношения расчёта по постоянному току и значение коэффициента усиления приведены непосредственно на схеме.

Схема фрагментации состоит из диодных развязок, в которых суммирующими элементами являются резисторы. Именно на них выделяется фрагментированный сигнал, который через токи диодных развязок передаётся дальше на схему усиления. Здесь следует отметить, что форма сигнала только фрагментируется, но не изменяется сам процесс возрастания или убывания. Такая неизменность формы возрастания или убывания сигнала обусловлена симметричностью вольт-амперных характеристик диодных развязок.


Вольт–амперные характеристики диодных развязок

Рис. 6 - Вольт – амперные характеристики диодных развязок

Следует отметить, что постоянный ток диода выбирается как можно меньше, и поэтому энергопотребление схемы незначительно.

После последнего каскада фрагментации и усиления производится дискретизация моментов выборки данных в те промежутки времени, когда отсутствует резкий перепад при фрагментации сигнала.

Структурная схема формирователя импульсов выборки данных и диаграммы сигналов его частей приведены на рисунках 7, 8 и 9 соответственно.


Рис. 7 - Структурная схема формирователя импульсов выборки данных



Рис. 8 - Диаграмма формирования сигналов запрета и разрешения выборки данных



Рис. 9 - Диаграмма формирования импульсов выборки данных

Назначение и работа отдельных частей формирователя импульсов выборки данных поясняется диаграммами сигналов, единственно, что следует отметить так это выбор уровней формирования импульсов компараторами. Эти уровни выбираются так, чтобы длительность выборки и запрета на выборку данных приблизительно уравнять по времени, что диктуется необходимостью снижать тактовую частоту. Кроме того, выбор уровней определяет начало формирования сигнала разрешения выборки данных, то есть где-то в середине пилообразно плавно возрастающей или убывающей частях фрагментированного сигнала. Здесь надо уточнить, что сам формирователь импульсов выборки данных представляет собой формирователь одиночного импульса по сигналу разрешения, который в паре с другим, точно таким же формирователем одиночных импульсов сброса по сигналу запрета реализует очень важную функцию автоподстройки формирования импульсов выборки данных в соответствии с частотой фрагментации сигнала. То есть, два формирователя одиночных импульсов тактовой частоты работают в ждущем режиме и по приходу фронтов разрешения или запрета выборки данных, кроме основной функции формировать импульс выборки данных, осуществляют функцию сброса в исходное состояние триггеров работающего в паре с ними формирователя.

Последним устройством каскадного аналого-цифрового преобразователя (АЦП) является кодирующее устройство, приведённое на рис. 10. Основными управляющими сигналами, для кодирующего устройства, являются импульсы выборки данных, а информационными – сигналы с компараторов по каждому каскаду. В зависимости от количества уровней квантования, а именно: при кратной десятичной системе квантования, каждый следующий каскад квантования и фрагментации увеличивает точность определения сигнала на десятичный порядок квантования. Соответственно этому цифровой двоичный код может быть преобразован в десятично-двоичный код. Вследствие того, что квантование и фрагментация сигнала производятся по каскадам, то разделение кода на порядки по точности осуществляется аппаратно в зависимости от информационных линий, с которых подаётся сигнал, и кроме того, аналогично в кодирующем устройстве также аппаратно по информационным линиям обеспечивается определение полярности сигнала.

Синхронизация работы кодирующего устройства с каскадами квантования и фрагментации производится тем, что информация с дешифраторов на регистры памяти поступает через логические элементы «И» по формированию импульсов выборки данных.

Очевидно, что точность определения амплитуды сигнала как и в существующем методе прямого (параллельного) преобразования зависит от количества уровней квантования, однако после каждого следующего каскада она повышается в N+1 раз на величину коэффициента усиления фрагментированного сигнала. То есть, погрешность измерения, вызванная квантованием - Δx, будет снижена до величины:

Δx' =Δx / (N+1),

где N – количество уровней квантования


Рис. 10 - Структурная схема кодирующего устройства

В заключение в характеристике предлагаемого каскадного метода по сравнению с другими, несмотря на кажущуюся сложность, нужно отметить повышение точности без снижения быстродействия, поэтому при микроэлектронном воплощении такой каскадный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), несомненно, найдёт применение у разработчиков.

Page copy protected against web site content infringement by Copyscape
Рысин О. В., Рысин А. В. Структурная схема 1-го варианта передачи и восстановления цифрового кода К содержанию Рысин О. В., Рысин А. В. Схема цифровой фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) кода Манчестера II
репетитор,гдз,преподователь,учитель
Новости:




 

copyright © 2003-2017 naf-st.ru, info@naf-st.ru
При полном, либо частичном цитировании материалов сайта naf-st.ru ссылка (для интернет изданий гиперссылка) обязательна!!! Будьте взаимовежливы!

Хостинг «Джино»
Карта сайта
Поиск по сайту
Помощь
Новости
Обратная связь
Карта сайта
Поиск по сайту
Помощь
Новости
Обратная связь