close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

лабораторная работа4a

код для вставкиСкачать
БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ
"ОСНОВЫ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ТЕХНИКИ"
Лабораторная работа № 4.
Исследование устройств дискретизации аналогового сигнала.
Минск 2004
Лабораторная работа № 4.
Исследование устройств дискретизации аналогового сигнала.
Задание: С помощью программы Micro-Cap 7.1.0. исследовать следующие устройства дискретизации аналогового сигнала:
- УВХ с ключами на полевых транзисторах;
- УВХ на дифференциальных усилителях;
- УВХ интегрирующего типа;
- Устройства запоминания максимального значения;
Все результаты исследований с выводами по каждому эксперименту занести в отчет, указав экспериментальную схему и пояснив назначение и выбор ее элементов.
Устройства выборки и хранения.
Для уменьшения динамических погрешностей, связанных с изменением преобразуемого сигнала во время преобразования, применяют устройство выборки и хранения (УВХ). Эти устройства позволяют с высокой точностью запоминать значение аналогового сигнала, как правило, на конденсаторе на время преобразования, путем отключения от конденсатора с помощью аналогового ключа источника преобразуемого сигнала. Сигнал запоминается во время, соответствующее моментам отсчета (t1, t3, t5, t7) (рис. 4.1). За время хранения последующее за УВХ устройство- квантователь преобразует сигнал в цифровой код. Рис. 4.1. Переходные процессы в устройстве выборки и хранения.
После преобразования ключ вновь замыкается, напряжение на конденсаторе через некоторое время (равное времени переходного процесса) начинает следить за изменениями входного сигнала. Простейшая схема УВХ приведена на рис. 4.2, а. В этой схеме ключ выполнен на полевом транзисторе. В режиме выборки ключ замкнут и напряжение на конденсаторе близко к величине входного сигнала. При размыкании ключа напряжение на конденсаторе фиксируется на уровне, соответствующем входному сигналу в момент размыкания ключа. Схема, приведенная на рис. 4.2, а, называется разомкнутой схемой УВХ. (а) (б)
Рис. 4.2. Простейшая схема разомкнутого (а) и замкнутого (б) УВХ.
Ее недостаток состоит в том, что время выборки Твыбор, определяемое постоянной времени заряда емкости C1, достаточно велико:
(4.1.)
где R - последовательно включенные сопротивления ключа и внутреннее сопротивление источника сигнала; a - коэффициент, зависящий от относительной погрешности запоминания δ и равный ln(1/δ).
Для уменьшения внутреннего сопротивления источника сигнала на входе схемы включают повторитель напряжения, а для уменьшения сопротивления ключа его охватывают отрицательной обратной связью и тем самым получают замкнутую схему УВХ (рис. 4.2, б). Замкнутая схема УВХ может одновременно выполнять и сглаживание высокочастотной составляющей входного сигнала (рис. 4.3),путем ее интегрирования на конденсаторе С1. Для уменьшения погрешности УВХ в режиме хранения, связанной с разрядом конденсатора С через сопротивление нагрузки добавляют повторитель напряжения на операционном усилителе X4, включаемый на выходе схемы (рис. 4.4). Рис. 4.3. УВХ интегрирующего типа.
Рис. 4.4. УВХ с повторителем на выходе.
Рассмотренным схемам УВХ присущи следующие недостатки, связанные:
1) с наличием напряжения смещения операционных усилителей;
2) с наличием токов смещения усилителей;
3) со сдвигом фазы и временной задержкой выходного сигнала по отношению к входному;
4) с конечным коэффициентом усиления усилителя;
5) с конечным временем нарастания выходного напряжения ОУ в режиме большого сигнала;
6) с наличием времени восстановления выходного напряжения после насыщения выходного каскада ОУ;
7)с конечным коэффициентом подавления синфазной помехи;
8) с ограниченным выходным током ОУ;
9) с конечной полосой пропускания ОУ;
10) с наличием сопротивления ключа в замкнутом состоянии rкл≠0;
11) с наличием сопротивления утечки ключа в разомкнутом состоянии;
12) с наличием проходной емкости ключа;
13) с наличием емкости связи, а иногда и гальванической связи цепи управления и конденсатора памяти;
14) с конечным временем включения и выключения ключа.
Основные усилия разработчиков УВХ направлены на устранение перечисленных недостатков усилителей и ключей.Уменьшение влияния сопротивления ключа в замкнутом состоянии осуществляется, как указано выше, в схеме с охватыванием ключа цепью отрицательной обратной связи (рис. 4.2,б). Уменьшение влияния сопротивления утечки ключа на разряд конденсатора во время хранения и тем самым увеличение времени хранения показано на схеме рис. 4.5. В этой схеме во время выборки ключи Кл1 и Кл2 замкнуты и охвачены цепью отрицательной обратной связи, а во время хранения в точку их соединения через ключ Кл3 подводится напряжение, примерно равное напряжению на конденсаторе, поэтому ток утечки конденсатора через ключ Кл2 существенно уменьшается.
Наличие проходной емкости ключа приводит к проникновению высокочастотных составляющих на конденсатор памяти во время хранения и искажению плоской части выходного сигнала. Уменьшения влияния проходной емкости ключа осуществляют применением Т-образных схем ключа (рис. 4.5) или компенсацией его проходной емкости путем подачи через дополнительный конденсатор инвертированного входного сигнала.
Рис. 4.5. УВХ с уменьшением тока утечки конденсатора С1 через ключ Кл2.
При переходе из режима выборки в режим хранения за счет заряда переключения ключа на конденсаторе памяти возникает скачок напряжения:
. (4.2)
Если конденсатор памяти Сп выбран небольшой величины, то скачок напряжения на нем будет вызывать большие погрешности в работе УВХ. Уменьшить этот недостаток можно путем подачи через подстроечный конденсатор инверсного сигнала управления. Таким способом можно уменьшить на порядок погрешность, вызванную зарядом переключения. Полностью скомпенсировать заряд переключения невозможно вследствие его температурной зависимости.
Конечное время включения ключа приводит к удлинению переходных процессов и увеличению времени выборки, конечное время выключения ключа - к апертурной погрешности, зависящей также от скорости изменения входного сигнала:
, (4.2)
где ta - время неопределенного состояния ключа (апертурное время); δа - приведенная погрешность.
На рис.4.6 показан график зависимости приведенной апертурной погрешности УВХ от частоты синусоидального входного сигнала. Для уменьшения апертурного времени в УВХ применяют быстродействующие ключи на основе диодного моста и переключаемых усилителей. Наибольшим быстродействием обладает переключатель с использованием в мосте диодов Шотке. Апертурное время такого переключателя при управлении от эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ) может составлять доли наносекунды. Недостатки схемы - нелинейность коэффициента передачи (К<1) и наличие температурно-зависимого пьедестала.
Рис. 4.6. Диаграмма определения динамической погрешности дискретизации по апертурному времени ta для синусоидального сигнала, где 1 - ta =4 мкс; 2 - ta =1 мкс; 3 - ta =0,1 мкс; 4 - ta =0,05 мкс; 5 - ta =30 нс; 6 - ta =5нс.
Лучшими параметрами в этом отношении обладает схема с переключаемыми усилительными секциями (рис. 4.7, рис. 4.8). Рис. 4.7. Принципиальная схема быстродействующего УВХ с переключателем тока.
На рис. 4.7 в режиме выборки ток от генератора Q9 проходит переключатель тока Q7,Q8 и питает дифференциальный каскад Q1,Q2. При этом за счет 100%-ной отрицательной обратной связи через транзисторы Q5,Q6, стабилитрон D2 коэффициент передачи каскада близок к единице. Так как в дифференциальном каскаде применена динамическая нагрузка Q3,Q4, то коэффициент усиления без обратной связи может составлять несколько тысяч. В режиме выборки транзистор Q8 закрыт. При поступлении импульса хранения переключатель тока Q7,Q8 обесточивает дифференциальный каскад. В этот момент открывается транзистор Q8, тем самым обеспечивается протекание тока через резистор R2 и быстрое отключение отражателя тока от конденсатора хранения. Конденсатор хранения разряжается обратным током p-n перехода коллектор-база обесточенного транзистора Q2, поэтому этот транзистор должен подбираться с малым током утечки для обеспечения малой погрешности во время хранения.
Рис. 4.8. Принципиальная схема быстродействующего УВХ на переключателях тока с увеличенным временем хранения.
Меньший разряд емкости хранения может обеспечить схема с более сложным электронным ключом, с дополнительным диодом D4, отражателем тока Q13,Q14, через который в режиме хранения протекает половина тока от генератора тока, который питает дифференциальный каскад(Q9).
Устройства для запоминания максимальных значений сигнала.
Устройства для запоминания максимальных значений сигнала в литературе по ядерной электронике носят название расширителей импульсов. Как правило, аналоговые устройства запоминания максимальных значений (УЗМЗ) в качестве запоминающего элемента используют конденсатор, который заряжается через элемент с релейной характеристикой, например диод, транзистор, ключ. УЗМЗ можно разделить на пассивные и активные. В пассивных устройствах запоминание конденсатора осуществляется через нелинейный элемент - диод (рис. 4.9,а). Заряд накопительного конденсатора происходит во время нарастания входного сигнала. Во время спада входного сигнала напряжение на конденсаторе практически не изменяется. После окончания работы УЗМЗ замыкают ключ и конденсатор быстро разряжается.
Для эффективной работы схемы необходимо обеспечить малую постоянную времени заряда и большую постоянную времени разряда. С этой целью съем напряжения на конденсаторе выполняют через каскад с высоким входным сопротивлением, например каскад с полевым транзистором на входе. Схема, приведенная на рис. 4.9, а, способна работать до частот в несколько сотен мегагерц, но основной ее недостаток - большие нелинейные искажения, вызванные тем, что по мере заряда емкости сопротивление диода возрастает, при этом нелинейные искажения достигают десяти и более процентов, причем с уменьшением длительности импульсов погрешность возрастает.
Если не учитывать проходную емкость диода, а утечку ключа заменить эквивалентным сопротивлением R, дифференциальное уравнение, описывающее схему рис. 4.9, а имеет вид , (4.3)
где .
Если сопротивление утечки ключа достаточно велико и можно пренебречь вторым членом уравнения, то
. (4.4)
(а) (б)
Рис. 4.9. Простейшая разомкнутая (а) и замкнутая (б) схемы аналогового запоминающего устройства максимального значения.
Из этого выражения видно, что напряжение на конденсаторе зависит от амплитуды входного сигнала, его длительности и нелинейности характеристики диода.
Относительная погрешность за счет недозаряда конденсатора, учитывающая нелинейность характеристики полупроводникового диода, равна:
, (4.5)
где , λ = 20 для кремниевых диодов и 40 для германиевых диодов; Iд0 - начальный ток диода; Сн - величина накопительной емкости.
Для реальных диодов с малым обратным током Iд0 < 10-7, накопительной емкости Cн > 100 пФ и длительности входных импульсов, не превышающих 100 мкс, выражение для может быть упрощено:
. (4.6)
Так, для = 1В, tи = 100мкс, Сн = 1000пФ, λ = 20, Iд0 = 10-7, = 8%, а при tи = 1мкс, = 31%.
Уменьшение ошибки возможно при уменьшении величины накопительной емкости, однако при этом начинает сказываться заряд, накопленный диодом во время заряда конденсатора от входного сигнала.
Для уменьшения недозаряда конденсатора применяют устройства с ускорением заряда и отрицательной обратной связью (активные схемы) (рис. 4.9, б). Эта схема была предложена К.А.Нетребенко и состоит из дифференциального усилителя (схемы сравнения), нелинейного элемента - диода и накопительного конденсатора, а также ключа для разряда конденсатора.
В исходном состоянии конденсатор разряжен. Когда на вход поступает импульс, амплитуду которого следует запомнить, дифференциальный усилитель, сильно перекашиваясь, быстро заряжает накопительную емкость. При превышении напряжения на конденсаторе величины входного сигнала дифференциальный усилитель будет перекашиваться в другую сторону, однако еще некоторое время конденсатор будет заряжаться от выходного каскада усилителя, что приведет к перезаряду на конденсаторе. При дальнейшем увеличении входного сигнала дифференциальный усилитель вновь начинает заряжать накопительный конденсатор. Так будет продолжаться до тех пор, пока входной сигнал не начнет уменьшаться. С этого момента напряжение на конденсаторе станет близким к максимальному входному напряжению. Причем в зависимости от параметров импульса, параметров усилителя и величины накопительного конденсатора напряжение на конденсаторе может превысить величину максимального входного сигнала и может иметь место недозаряд конденсатора. Серийный операционный усилитель затруднительно применить в этой схеме. Причин здесь несколько. Во-первых, при нагрузке ОУ на емкость система становиться неустойчивой, во-вторых, коэффициент усиления ОУ линейно падает с увеличение частоты в рабочей полосе частот, а необходимо иметь постоянный коэффициент усиления в рабочей полосе частот, поэтому лучшее решение- это разработка специализированной схемы усилителя для работы в УЗМЗ. Такая схема показана на рис. 4.10.
Рис. 4.10. Схема устройства запоминания амплитуды импульсов. В этой схеме n-p-n транзисторы-КТ316Д, а p-n-p транзисторы-КТ363А, диод D2-КС182, D3- HSM-2862, D4, D5-КД521.
В этой схеме V1-источник входных импульсов (рис. 4.11), V2-источник импульсов разряда конденсатора хранения, Q1-Q5-дифференциальный усилитель с динамической нагрузкой, Q6,Q8-повторитель напряжения для быстрого заряда емкости хранения С5 через диод D3. Резисторы R10, R11 и конденсатор С4 необходимы для улучшения устойчивости всей схемы. Транзисторы Q11, Q12- обеспечивают малый разряд емкости хранения, а транзистор Q10-обеспечивает ток в эмиттерном повторителе Q11, Q12. Транзистор Q9- обеспечивает устранение насыщения транзистора Q3 после прохождения максимума входным сигналом. Действительно, в это время база транзистора Q3 будет находиться при высоком потенциале, а транзистор Q1 будет находиться при пониженном потенциале, поэтому транзистор Q3 входит в насыщение, но благодаря транзистору Q9 потенциал коллектора транзистора Q3 не может снизиться до потенциала базы и тем самым насыщение транзистора Q3 устраняется. Транзистор Q7 обеспечивает разряд конденсатора хранения через заданное время, например 5мкс, что задается в параметрах генератора импульсов V2.
Рис. 4.12. Схема генератора импульсов.
Источник V1 вырабатывает импульсы длительностью 5нс с периодом повторения 100мкс и изменяемой амплитудой от 0.6В до 31В, что обеспечивает изменение амплитуды выходных импульсов от 50мВ до 10В.
Задание.
1. Исследовать устройства выборки и хранения, изображенные на рис. 4.2-4.8 в различных режимах:
 в режиме выборки определить время установления сигнала с погрешностью 1 %, 0,2 %, 0,1 %, 0,02 %;
 в режиме хранения определить скорость изменения выходного напряжения, прямое прохождение синусоидального сигнала с частотой 500кГц;
 в переходном режиме от выборки к хранению определить величину перезаряда емкости хранения, длительность переходного процесса. - Примечания.
- Все исследования проводить с одинаковой емкостью хранения С=200пФ.
- Частоту входного сигнала выбрать равной 10кГц и 100кГц, а амплитуду изменять в пределах от 5В до 50мВ.
- В схемах с операционными усилителями применять ОУ типа AD845 или AD843. - В схемах на дискретных элементах применить транзисторы n-p-n типа КТ316Д и p-n-p КТ363А, диоды типа КД512, полевой транзистор типа BSS83_PH.
- 2.Для схем рис. 4.7, 4.8 в режиме выборки определить частоту среза усилителей.
3. Исследовать устройство максимального значения.
3.1.Объяснить осциллограммы входного напряжения, выходного напряжения, напряжения на нагрузке дифференциального каскада, напряжения на емкости хранения.
3.2. Построить зависимость выходного максимального значения от входного максимального значения и коэффициента передачи в диапазоне от 30 мВ до 10 В. Задать, по возможности, равномерно 20-30 точек амплитуды входного сигнала, путем изменения амплитуды генератора импульсов, задающего входной сигнал. 3.3. Используя программу MathCad получить график зависимости выходного напряжения, измеренного через 3мкс от начала процесса, от амплитуды входного сигнала. Определить диапазон работы устройства, когда абсолютная погрешность не превышает ±1 %; ±0,5 %; ±0,2 %; ±0,1 %, когда относительная погрешность не превышает ±1 %.
2
Документ
Категория
Рефераты
Просмотров
179
Размер файла
136 Кб
Теги
работа4a, лабораторная
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа