6.10. Устройства, выборки и хранения
Одной из важнейших характеристик
аналого-цифрового преобразования сигналов является апертурное время — временной
интервал, характеризующий неопределенность момента преобразования входного аналогового
сигнала и вызывающий появление дополнительной (динамической) погрешности преобразования.
Неопределенность выражается в том, что выходной код аналого-цифрового преобразователя
(АЦП) пропорционален не мгновенному, а усредненному за время преобразования
значению входного сигнала. Поскольку время преобразования для большинства АЦП
зависит от значения входного сигнала, то в качестве апертурного времени принимается
интервал, в течение которого входной сигнал изменяется на единицу младшего разряда
АЦП. Это накладывает определенные ограничения на скорость изменения преобразуемого
входного сигнала. Так, например, при времени преобразования 8-разрядного АЦП
(п=8) Т=100 мкс (время от начала преобразования до момента получения выходного
кода) максимальная частота входного аналогового сигнала не должна превышать
значения
(10.10)
Для уменьшения апертурной
погрешности используются устройства выборки и хранения (УВХ), работающие синхронно
с АЦП. Основное назначение УВХ — запомнить мгновенное значение входного аналогового
сигнала на время преобразования. В этом случае апертурное время определяется
только быстродействием УВХ и может составлять несколько наносекунд, а это означает,
что частоту входного аналогового сигнала можно повысить на несколько порядков.
Один из вариантов УВХ показан
на рис. 10.39 aоно состоит из ОУ OU1 с запоминающим конденсатором Cm в цепи
отрицательной обратной связи и управляемого от источника Uy ключа К. При разомкнутом
ключе УВХ находится в режиме хранения выборки аналогового сигнала, подаваемой
на вход АЦП (горизонтальные площадки на осциллограммах рис. 10.39, б). Когда
преобразование заканчивается, ключ К переводится в замкнутое состояние и на
конденсаторе запоминается очередная выборка аналогового сигнала. Напряжение
на конденсаторе Cm до момента перехода в режим хранения полностью повторяет
по форме входное напряжение, поскольку OU1 функционирует в режиме инвертирующего
усилителя с коэффициентом передачи К=К2/К1=1. Инвертирующий усилитель на OU2
выполняет роль буферного.
Недостатком схемы на рис.
10.39, а является увеличение апертурного времени из-за конечного времени заряда
конденсатора Cm через резистор R1 (для серийной
ИС УВХ типа К1100СК2 это время составляет 100 нс). Однако этот недостаток имеет
и положительные свойства. Достоинством этой схемы является возможность повышения
помехозащищенности АЦП, если соответствующим образом выбрать частоту квантования
(частоту источника Uy) и использовать алгоритмы цифровой фильтрации сигналов
при дальнейшей обработке выборок в управляющей микроЭВМ. Простейший алгоритм
такой фильтрации рассмотрим на примере уменьшения влияния напряжения помехи
сетевой частоты (50 Гц) и ее гармоник. Предположим, что полезный сигнал — постоянное
напряжение Е., на которое наложена такая помеха. Непрерывный сигнал в этом случае
можно представить как
Если отсчет напряжения
берется в момент времени Тц то мгновенное значение напряжения, воспринимаемое
ЭВМ, будет равно
Если второй отсчет берется
в момент времени
(слагаемое я/О) равно
половине периода сетевой
помехи и является известной величиной), то напряжение второй выборки равно
Как видно из сравнения
Ео, и Ео2 выборки нечетных гармоник помехи находятся в противофазе. Если полученные
отсчеты сложить и разделить на два, то результирующий сигнал
Таким образом, результирующий
сигнал состоит из собственно полезного сигнала Es и четных гармоник помехи.
Основная и все нечетные гармоники помехи оказываются полностью подавленными.
Если далее использовать дополнительную фильтрацию полезного сигнала, то в этом
случае необходимо отфильтровывать лишь составляющие помехи с частотами 2w и
выше.
Рассмотренный алгоритм
подавления помех можно промоделировать, изменяя фазу источника опорного напряжения
Uy и сравнивая осциллограммы выходных сигналов на выходе схемы на рис. 10.39,
а. Более детальное моделирование можно провести, используя два УВХ (для получения
двух выборок) и рассмотренный ранее суммирующий усилитель.
Контрольные вопросы и задания
1. Что такое устройство
выборки и хранения и где оно находит применение?
2. Проведите моделирование
УВХ на рис. 10.37, а при входном напряжении 10 и 100 мВ.
3. Определите составляющую
апертурного времени, вызванную конечным временем заряда конденсатора Cm через
резистор R1, и определите в связи с этим ограничения на частотный диапазон входного
сигнала по формуле (10.10).
4. Проведите моделирование
УВХ на рис. 10.39, а в режиме подавления помех в соответствии с вышеизложенной
методикой цифровой фильтрации сигналов.
5. Подготовьте схему устройства
цифровой фильтрации, состоящего из двух УВХ и двухвходового сумматора, и проверьте
ее работоспособность.
|