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

Рысин О. В., Рысин А. В. АЦП на интеграторах по выделению сигнала из шума


Рысин О. В., Рысин А. В. Описание алгоритма и программы расчета интегратора, составленного на основе блокинг-генератора, имеющего сердечник с ППГ К содержанию
Page copy protected against web site content infringement by Copyscape

Авторы: Рысин О. В. и Рысин А. В.

В дополнение к рассмотренному интегратору, основанному на блокинг-генераторе, представляется целесообразным привести схему АЦП (аналогового цифрового преобразователя) на таких интеграторах по выделению сигнала из шума (рис. 1).


Рис. 1 - Структурная схема АЦП на интеграторах по выделению сигнала из шума

Диаграмма дискретизации аналогового сигнала и импульсы управления работой АЦП приведены на рисунке ниже


Рис. 2 - Диаграмма дискретизации аналогового сигнала и импульсы управления работой АЦП

Рисунки структурной схемы АЦП и диаграммы импульсов управления наглядно представляют принцип взаимодействия отдельных блоков схемы при дискретизации и последующей цифровой передаче аналогового сигнала на выход для дальнейшего восстановления очищенного от шумов сигнала в цифроаналоговом преобразователе (ЦАП).

Из структурной схемы АЦП и диаграммы импульсов управления следует, что из импульсов тактовой частоты после соответственных цифровых преобразований в распределителях импульсов формируются записывающие и управляющие импульсы, которые последовательно во времени распределяются соответственно в интеграторы и считывающие устройства. Синхронизация работы блоков АЦП осуществляется импульсами начала отсчёта интегрирования, формируемыми в распределителе импульсов записи.

Чтобы исключить пересечения моментов времени завершения подсчёта в считывающих устройствах длительности импульсов, формируемых интеграторами, и моментов, передачи в регистры полученных при подсчёте кодов, между импульсами записи аналогового сигнала и передачи данных должно быть не менее 5-ти периодов тактовой частоты. Значение не менее пяти периодов тактовой частоты обусловлено предварительно рассчитанным десятикратным превышением максимальной длительности импульса, формируемого интегратором, над длительностью импульса записи.

Схемы отдельных блоков и диаграммы их функционирования приводятся ниже соответственно рисункам.


Рис. 3 - Распределитель импульсов записи


Рис. 4 - Диаграмма распределения импульсов записи по интеграторам

Из представленных выше рисунков схемы и диаграммы следует, что импульсы записи аналогового сигнала в интеграторы формируются перед импульсами начала отсчёта тактов интегрирования. Причём схема синхронизации импульса пуска с импульсами тактовой частоты обеспечивает прохождение на выход, для подсчёта, только полностью сформированных импульсов.


Рис. 5 - Распределитель передачи данных в регистры

Здесь следует обратить внимание на то, что счётчик формирователя сигнала разрешения по инвертированному импульсу пуска устанавливает на своих выходах код числа «10», и от этого числа производится подсчёт количества тактов до формирования импульса переноса. Этот импульс переноса инвертируется и, поступая на счётный вход D-триггера, меняет его состояние на противоположное, то есть на выходе триггера формируется разрешающий уровень сигнала.


Рис. 6 - Диаграмма распределения импульсов передачи данных в регистры считывающих устройств


Рис. 7 - Распределитель импульсов локального сброса 1

Аналогично предыдущему, следует обратить внимание на то, что счётчик формирователя сигнала разрешения по инвертированному импульсу пуска устанавливает на своих выходах код числа «9», и от этого числа производится подсчёт количества тактов до формирования импульса переноса. Этот импульс переноса инвертируется и, поступая на счётный вход D-триггера, меняет его состояние на противоположное, то есть на выходе триггера формируется разрешающий уровень сигнала.


Рис. 8 - Диаграмма распределения импульсов локального сброса 1 по счётчикам считывающих устройств


Рис. 9 - Распределитель импульсов локального сброса 2

Учитывая идентичность схемного решения, и в этом устройстве счётчик формирователя сигнала разрешения по инвертированному импульсу пуска устанавливает на своих выходах код числа «7», и от этого числа производится подсчёт количества тактов до формирования импульса переноса. Этот импульс переноса инвертируется и, поступая на счётный вход D-триггера, меняет его состояние на противоположное, то есть на выходе триггера формируется разрешающий уровень сигнала.


Рис. 10 - Диаграмма распределения импульсов локального сброса 2 по счётчикам считывающих устройств

Далее приведём схемы, функционирование которых уже рассматривалось ранее на страницах: http://naf-st.ru/articles/adev/dev06/ и http://naf-st.ru/articles/adev/dev07/


Рис. 11 - Формирователь одиночных импульсов считывания

Отличие представленной схемы от указанной здесь, состоит в том, что вместо управляющей частоты на соответствующий вход подаются импульсы записи. Эти импульсы записи, поступая на счётный вход JK-триггера, меняют его состояние на противоположное. Таким образом, на выходе этого JK-триггера формируется управляющий сигнал в виде меандра.


Рис. 12 - Схема интегратора на основе блокинг-генератора

Представленная выше схема ничем не отличается от указанной аналогичной схемы на странице: http://naf-st.ru/articles/adev/dev07, вследствие чего, пояснения к ней не требуются.

Учитывая, что запись и считывание магнитного потока пропорционального амплитуде аналогового сигнала имеет нелинейный характер, то для оценки нелинейных искажений аналогового сигнала следует проанализировать графические зависимости при записи и считывании соответственно:


Un(t) = f(Bn) и Tm = f(Bn),

где Un - дискретные значения амплитуд аналогового сигнала в моменты записи (1, 2, 3, 4, ...);
Bn - дискретные значения магнитной индукции петли гистерезиса в моменты записи и считывания (1, 2, 3, 4, ...);; Tm - значения временных интервалов формируемых в моменты считывания (1, 2, 3, 4, ...);

Указанным выше графическим зависимостям соответствуют их аналитические представления в дискретные моменты времени по преобразованным формулам, приведённым на этой странице.




Не указанные здесь обозначения в приведённых выше формулах соответствуют обозначениям формул с этой страницы

Графические зависимости легко строятся по этим формулам путём перебора возможных значений магнитной индукции

Принцип магнитной записи среднего значения сигнала и преобразования его в интервал времени изображён на рисунке ниже


Рис. 13 - Представление магнитной записи импульсов сигнала

Продолжая описание отдельных блоков АЦП, приведём схемы двух оставшихся устройств.


Рис. 14 - Схема считывающего устройства длительности импульса интегратора

Функционирование приведённого на рисунке считывающего устройства обусловлено управляющими сигналами, последовательность которых обеспечивает передачу данных счётчиков через регистры на схему мультиплексирования.


Рис. 15 - Схема мультиплексирования

Функция мультиплексора заключается в передаче данных в зависимости от кода, поступающего на его управляющие входы. Вследствие того, что управляющий код мультиплексора формируется счётчиком, последовательно и циклически, осуществляющим подсчёт импульсов от начала интегрирования сигнала, то данные передаются непрерывно с задержкой на один цикл (8 импульсов). На этом описание структуры АЦП можно завершить.

В случае, если требуется интегрировать биполярный сигнал, то схема интегратора несколько усложняется: возникает необходимость в раздельной обработке положительной и отрицательной полуволны сигнала. Следовательно, в схеме записи дискретизация положительной и отрицательной полуволны сигнала производится раздельно в соответствии со схемой, приведённой на рис. 16.


Рис. 16 - Схема разделения и дискретизации сигнала записи

В схеме на рис. 16 назначение отдельных узлов следует из их названий, единственное, что надо отметить это то, что диодная сборка осуществляет разделение аналогового биполярного сигнала на положительную и отрицательную части, которые затем, модулируют импульсы записи по амплитуде.

Также, необходимо указать, что резисторы , и их расчёт, обозначенные в схеме рис. 16 соответствуют резисторам схем записи интеграторов, подробно описанных тут

Соответственно выше изложенному принципу раздельной записи положительной и отрицательной полуволны аналогового биполярного сигнала потребуются два блокинг-генератора, схемы которых приведены на рис. 17 и 18.


Рис. 17 - Схема блокинг-генератора 1

В приведённом на рисунке блокинг-генераторе производится запись и считывание отрицательных значений аналогового биполярного сигнала.

Здесь, следует отметить, что обозначения отдельных элементов и их расчёт в вышеприведённой схеме указан на этой странице


Рис. 18 - Схема блокинг-генератора 2

В отличие от предыдущей схемы здесь производится запись и считывание положительных значений аналогового биполярного сигнала.

Исходя из особенностей записи и считывания аналогового биполярного сигнала, нетрудно заметить, что в случае построения АЦП соответствующего принципу раздельной записи положительной и отрицательной полуволны аналогового биполярного сигнала, количество считывающих устройств и схем мультиплексирования удваивается.

В заключение, следует отметить, что быстродействие рассмотренного выше АЦП зависит от длительности импульса записи аналогового сигнала в интегратор. Чтобы записать аналоговый сигнал коротким импульсом необходимо обеспечить динамический, то есть непрерывный режим функционирования интеграторов, используя перемагничивание сердечника по неполной (частичной) петле гистерезиса, а цепи питания схем записи и считывания надо разделить. Причём, для цепей записи следует выбирать относительно большое значение напряжения, например – 27 В, а для цепей считывания малое, например – 5 В.

В качестве примера приведём программу расчёта с длительностями импульсов записи соответственно: 1 мкс. и 0,5 мкс:

Исходные данные

REM "Bloking"
DEFDBL A-Z

Tu = .00001: Tz = .000001: Br = .1:
Bs = .15: Hs = 20: Hc = 8: Rm = 1200:
Ikd = 1.5: Bet = 60: Ukn = .2: Ubn = .1:
Uvd = .7: Ivd = .05: Cp = .0000015:
Nv = 1: Nb = 1.5:
Dpr = .0001: Ac = .5: Epw = 27: Epc = 5:
Epbw = ABS(-27): Epbc = 5
Hsm = 1.25 * Hc
q = (Hs + Hsm) / Hs
pi = 3.14

Программа расчёта:

DIM N(10)
FOR j = 1 TO 10
READ N(j)
NEXT j
DATA 0.002, 0.003, 0.0055, 0.007, 0.009, 0.011, 0.013, 0.015, 0.018, 0.02
DIM V(10)
FOR j = 1 TO 10
READ V(j)
NEXT j
DATA 0.001, 0.002, 0.003, 0.004, 0.006, 0.0075, 0.009, 0.011, 0.014, 0.015
DIM H(10)
FOR j = 1 TO 10
READ H(j)
NEXT j
DATA 0.0005, 0.001, 0.0027, 0.003, 0.0035, 0.004, 0.0045, 0.005, 0.0055, 0.006
1    j = 0
2    j = j + 1

IF j <= 10 THEN GOTO 4

3 Dpr = Dpr - .00001
IF Dpr < .00001 THEN GOTO 16
PRINT "Dpr=", Dpr
GOTO 1
4 PRINT "N(j)=", N(j)
PRINT "V(j)=", V(j)
PRINT "H(j)=", H(j)
S = H(j) * (N(j) - V(j)) / 2
l = 3.14 * (N(j) + V(j)) / 2
Ep = Epc
Epb = Epbc
Ek = Ep - Ukn
Wkpr = Ek * Tu / (2 * Br * S)
Ez = Ep - Uvd - Ukn + Epb
Wspr = Ez * Tz / (2 * Br * S)
Nsm = Wspr / Wkpr
K = Nv + Nsm + Nb + 1
PRINT "K="; K
Z1 = 4 * K * (Ep - Ukn) * Tu * Dpr ^ 2 / (pi * Br * Ac)
PRINT "Z1=", Z1
Z2 = H(j) * V(j) ^ 2 * (N(j) - V(j))
PRINT "Z2=", Z2

IF Z2 >= Z1 THEN GOTO 5

GOTO 2
Ep = Epw
Epb = Epbw
Ez = Ep - Uvd - Ukn + Epb
5 Rc = (Ep + Epb) / Ikd
Ao = -2 * Br * S / (l * Rc)
Bo = Ez * Tz / (l * Rc)
Co = -Hs * (1 + q) * Tz - (2 * Bs / Rm) * (ATN(Br / Bs))
dis0 = Bo ^ 2 - 4 * Ao * Co

IF dis0 < 0 THEN GOTO 15

PRINT "dis0=", dis0
Wsm = (-Bo + (dis0) ^ (1 / 2)) / (2 * Ao)
Imax = Hs * (1 + q) * l / Wsm + 2 * Br * S * Wsm / (Tz * Rc) + 2 * Bs * l * (ATN(Br / Bs) / (Wsm * Rm * Tz))
Imin = Hs * (1 + q) * l / Wsm
Ia = (Imax - Imin) / 2 + Imin
Ua = Ep + Epb - Uvd - Ia * Rc
Upp = 2 * Ua - Ukn

PRINT "Wsm="; Wsm
PRINT "Imax="; Imax
PRINT "Imin="; Imin
PRINT "Ia="; Ia
PRINT "Ua="; Ua
PRINT "Upp="; Upp
PRINT "Rc=", Rc

Wk = Wkpr
Wv = Nv * Wk
Wb = Nb * Wk
Ep = Epc
Epb = Epbc

Xc = Tu / 2 * pi * Cp
Ib = Ivd / 2
Uc1 = Ib * Xc
Eb = Uvd + Uc1 + Ubn
Is1 = Ib / 10
Rs1 = (Epb - Uvd) / Is1
Iv = Ivd / 4
Uc2 = Iv * Xc
Ebv = Uvd + Uc2 + Ubn
Is2 = Iv / 10
Rs2 = (Epb - Uvd) / Is2
Rb = (2 * Br * S * Wb / Tu - Eb) / Ib
Rv = (2 * Br * S * Wv / Tu - Ebv) / Iv

w = 0
6 w = w + 1
IF w = 1 THEN GOTO 7

Rb = (2 * Br * S * Wb / Tu - Eb) / Ib
PRINT "Rb=", Rb

GOTO 9

7 V = 0
8 V = V + 1

IF V = 1 THEN GOTO 9
Wv = Nv * Wk
Rv = (2 * Br * S * Wv / Tu - Ebv) / Iv
PRINT "Rv=", Rv

9 Rk = Ep / Ikd


Rb1 = Rb / Nb ^ 2
Rv1 = Rv / Nv ^ 2

C = (Rb1 * Rv1 + Rk * Rv1 + Rk * Rb1) / (Rk * Rb1 * Rv1)
M = Bet * (Eb / Rb + (Epb + Ubn) / Rs1)
X = Hs * (1 + q) * l
F = (2 * Bs * l / Rm) * (ATN(Br / Bs))
p = (4 * Br ^ 2 * S ^ 2 * Bet ^ 2 * Rv + 4.84 * Br ^ 2 * S ^ 2 * C ^ 2 * Rb * Rv * Rk)
d = -(2 * Br * S * Bet ^ 2 * Ek * Tu * Rv - 4.4 * Br * S * C * M * Tu * Rb * Rv * Rk) / p
PRINT "d="; d
e = (M ^ 2 * Tu ^ 2 * Rb * Rv * Rk + 4.84 * Br * S * C * F * Rb * Rv * Rk + 4.84 * Br * S * C * X * Tu * Rb * Rv * Rk + 4 * Wv ^ 2 * Br ^ 2 * S ^ 2 * Bet ^ 2 * Rk + 2 * F * Br * S * Bet ^ 2 * Rv * Rk + 2 * X * Tu * Br * S * Bet ^ 2 * Rv * Rk) / p
PRINT "e="; e
t = (2.2 * M * Tu * F * Rb * Rv * Rk + 2.2 * M * Tu ^ 2 * X * Rb * Rv * Rk) / p
PRINT "t="; t
z = (1.21 * F ^ 2 * Rb * Rv * Rk + 2.42 * F * X * Tu * Rb * Rv * Rk + 1.21 * X ^ 2 * Tu ^ 2 * Rb * Rv * Rk) / p
PRINT "z="; z
R = (3 * (2 * d * t - 8 * z) - 2 * e ^ 2) / 24
N = (2 * d * t - 8 * z) * e / 48 + (z * (4 * e - d ^ 2) - t ^ 2) / 8 - e ^ 3 / 108
Nk2 = (N / 2) ^ 2
Rk3 = ABS(R / 3) ^ 3

IF Nk2 > Rk3 THEN GOTO 10

GOTO 3
10 G = (-N / 2 + ((N / 2) ^ 2 + (R / 3) ^ 3) ^ (1 / 2)) ^ (1 / 3) + (-N / 2 - ((N / 2) ^ 2 + (R / 3) ^ 3) ^ (1 / 2)) ^ (1 / 3)
y = G + e / 6
A = (8 * y + d ^ 2 - 4 * e) ^ (1 / 2)
Bk1 = (d + A) / 2
Bk2 = (d - A) / 2
Ck1 = y + (d * y - t) / A
Ck2 = y - (d * y - t) / A
DIS1 = Bk1 ^ 2 - 4 * Ck1
DIS2 = Bk2 ^ 2 - 4 * Ck2
Wk3 = -Bk2 / 2 + ((DIS2) ^ (1 / 2)) / 2
Wk4 = -Bk2 / 2 - ((DIS2) ^ (1 / 2)) / 2
PRINT "Wk3=", Wk3
PRINT "Wk4=", Wk4
Wk = Wk3
PRINT "Wkpr=", Wkpr
Wb = (1.1 * (2 * Br * S * Wk / (Rk * Tu) + 2 * Br * S * Wk * (Rv1 + Rb1) / (Tu * Rb1 * Rv1) + 2 * Bs * l * (ATN(Br / Bs)) / (Wk * Rm * Tu) + Hs * (1 + q) * l / Wk) + Bet * (Eb / Rb + (Epb + Ubn) / Rs1)) / (2 * Br * S * Bet / (Rb * Tu))
PRINT "Wb=", Wb

Nv1 = Wv / Wk
IF ABS(Nv - Nv1) <= .0001 THEN GOTO 11
IF Nv - Nv1 > 0 THEN GOTO 12
Nv = Nv + .00001
12 Nv = Nv - .00001
GOTO 8

11 Nb1 = Wb / Wk
IF ABS(Nb - Nb1) <= (Nb / 2) THEN GOTO 13
IF Nb - Nb1 > 0 THEN GOTO 14
Nb = Nb + .0001
14 Nb = Nb - .0001
GOTO 6

13 Tup = (2 * Br * S * Wb * Bet / Rb - 1.1 * (2 * Br * S * Wk / Rk + 2 * Br * S * Wk * (Rv1 + Rb1) / (Rb1 * Rv1) + 2 * Bs * l * (ATN(Br / Bs)) / (Wk * Rm))) / (Bet * (Eb / Rb + (Epb + Ubn) / Rs1) + 1.1 * Hs * (1 + q) * l / Wk)
Nsm1 = Wsm / Wk
PRINT "Tup=", Tup
PRINT "N(j)=", N(j)
PRINT "V(j)=", V(j)
PRINT "H(j)=", H(j)
PRINT "Wk=", Wk
PRINT "Wb=", Wb
PRINT "Wv=", Wv
PRINT "Wsm=", Wsm
PRINT "Imax="; Imax
PRINT "Imin="; Imin
PRINT "Ia="; Ia
PRINT "Ua="; Ua
PRINT "Upp="; Upp
PRINT "Dpr=", Dpr
PRINT "Rc=", Rc
PRINT "Rk=", Rk
PRINT "Rb=", Rb
PRINT "Rv=", Rv
PRINT "Rs1=", Rs1
PRINT "Rs2=", Rs2
PRINT "Nb1=", Nb1
PRINT "Nsm1=", Nsm1
PRINT "Nv1=", Nv1
PRINT "Ac=", Ac

GOTO 17
15 PRINT "следует уменьшить Hs и Hc"
16 PRINT "увеличьте по выбору либо коэффициент заполнения сердечника Ac, либо Ep"
17 STOP

Результат:

Рис. 19 - Результат работы программы

Исходные данные

REM "Bloking"
DEFDBL A-Z
Tu = .000005: Tz = .0000005: Br = .06:
Bs = .08: Hs = 20: Hc = 8: Rm = 1200:
Ikd = 1.5: Bet = 60: Ukn = .2: Ubn = .1:
Uvd = .7: Ivd = .05: Cp = .0000015:
Nv = 1: Nb = 1.5:
Dpr = .0001: Ac = .5: Epw = 27: Epc = 5:
Epbw = ABS(-27): Epbc = 5
Hsm = 1.25 * Hc
q = (Hs + Hsm) / Hs
pi = 3.14

Рис. 20 - Результат работы программы

Из вышеизложенного материала следует, что создание АЦП на быстродействующих интеграторах возможно с применением интегральных технологий, тогда на высоких частотах (до десятков МГц) в АЦП можно обеспечить динамический, то есть непрерывный режим функционирования интеграторов, где используется перемагничивание сердечника по неполной (частичной) петле гистерезиса.

Анализ приведённого АЦП (аналогового цифрового преобразователя) будет, несомненно, полезен студентам и разработчикам.

Page copy protected against web site content infringement by Copyscape
Рысин О. В., Рысин А. В. Описание алгоритма и программы расчета интегратора, составленного на основе блокинг-генератора, имеющего сердечник с ППГ К содержанию
репетитор,гдз,преподователь,учитель
Новости:




 

Error. Page cannot be displayed. Please contact your service provider for more details. (8)


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