- •Схемотехника аналого – цифровых устройств
- •Лекция 1. Введение. Структура устройств ввода-вывода информации в эвм
- •Введение
- •Принципы построения систем обработки данных с использованием эвм
- •Состав устройств ввода информации в эвм
- •Состав устройств вывода
- •Лекция 2. Основные сведения об интегральном операционном усилителе. Структурная схема операционного усилителя
- •Понятие идеального усилителя и его свойства
- •Классификация операционных усилителей
- •Структурная схема операционного усилителя. Определения дифференциального и синфазного сигналов
- •Лекция 3. Основные параметры оу
- •Входные параметры
- •Выходные параметры и параметры передачи
- •Параметры передачи
- •Лекция 4. Схемотехника входных каскадов оу
- •Принципы построения входного дифференциального каскада
- •Малосигнальные параметры входного дифференциального каскада
- •Лекция 5. Генераторы стабильного тока в схемотехнике оу
- •Особенности построения источников тока в схемотехнике оу
- •Базовые схемы источников тока
- •Основные модификации источников тока
- •Лекция № 6. Назначение и принцип работы каскадов сдвига уровня и основы схемотехники выходных каскадов оу
- •Назначение и принцип работы каскадов сдвига уровня
- •Основы схемотехники выходных каскадов оу
- •Защита выходных каскадов от короткого замыкания
- •Лекция №7. Базовые схемы включения оу в аппаратуре
- •Повторитель напряжения
- •Неинвертирующий усилитель
- •Инвертирующий усилитель
- •Лекция 8. Частотная характеристика оу
- •Формирование частотной характеристики оу
- •Логарифмические частотные характеристики оу
- •Частотная характеристика оу при наличии отрицательной обратной связи
- •Лекция 9. Устойчивость работы схем с оу. Частотная коррекция
- •Причины неустойчивой работы схем с оу
- •Частотная коррекция схем с оу
- •Лекция 10. Схемы на основе оу для выполнения математических операций
- •Суммирующий усилитель
- •Интегрирующий усилитель
- •Пояснения к работе интегрирующего усилителя:
- •Дифференцирующий усилитель
- •Логарифмирующий усилитель
- •Лекция 11. Активные фильтры
- •Основные сведения, классификация и типы частотных характеристик активных фильтров
- •Анализ схемы двухполюсного активного фильтра
- •Фильтры с переключаемыми конденсаторами
- •Мдп-транзисторы (полевые транзисторы с изолированным затвором)
- •Для реализации резистора
- •Лекция №12. Компаратор напряжения
- •Основные сведения и особенности схемотехники компараторов напряжения
- •Принцип работы компаратора при сравнении сигналов разной полярности
- •Анализ систематических и случайных ошибок в работе компаратора при сравнении сигналов разной полярности
- •Лекция №13. Компаратор с гистерезисом
- •Принцип работы компаратора при сравнении сигналов одной полярности
- •Компаратор с гистерезисной характеристикой
- •Лекция №14. Классификация и состав функциональных блоков цифроаналоговых преобразователей
- •Классификация цифроаналоговых преобразователей
- •Ключевые элементы цифроаналоговых преобразователей
- •Резистивные матрицы цифроаналоговых преобразователей
- •Цап с матрицей двоично-взвешенных сопротивлений
- •Цап с матрицей r-2r с выходом по току
- •Цап с матрицей r-2r с выходом по напряжению
- •Далее, аналогично не сложно показать, что при коде 0010 потенциал точки а будет равен , а при коде 0001 –. Поэтому аналогично по двоичному закону будет меняться и выходное напряжение всей схемы.
- •Классификация ацп
- •Аналого-цифровые преобразователи последовательного счета
- •Ацп с промежуточным преобразованием во временной интервал
- •Ацп последовательного счета с цифровым интегратором
- •Ацп с двухтактным интегрированием
- •Лекция 17. Ацп слежения, параллельного действия и поразрядного кодирования
- •Аналого-цифровые преобразователи слежения
- •Аналого-цифровые преобразователи параллельного действия
- •Аналого- цифровые преобразователи поразрядного кодирования
- •Лекция №18. Теоретические основы аналоговой и гибридной вычислительной техники
- •Основные понятия моделирования. Система аналогий, критерий подобия
- •Масштабы и масштабные уравнения Пусть дифференциальное уравнение механической системы, являющееся упрощенной моделью системы подвески автомобиля имеете вид:
- •Пояснения к рисунку:
- •Примеры использования масштабных уравнений Расчет коэффициента передачи суммирующего усилителя
- •Пример моделирования дифференциального уравнения второго порядка
- •Лекция №19. Аналого-цифровые вычислительные комплексы
- •Структура аналого-цифрового вычислительного комплекса
- •Структура авм
- •Заключение
- •Список литературы
Для реализации резистора
Для привязки резистора к земле может быть использована следующая ячейка (рис. 81, а) или эквивалентная схема (рис. 81, б):
а)
б)
Рис.81. а) привязка резистора к земле, б) эквивалентная схема
Рассмотрим пример использования ячейки фильтра с переключающимися конденсаторами.
Рис. 82. Ячейка фильтра с переключающимися конденсаторами |
Определим, что за фильтр и как рассчитать его параметры. Для этого перерисуем его в виде эквивалентной схемы:
Рис. 83. Эквивалентная схема фильтра |
Определим .Считаем, что , , поэтому :
При ,, поэтому:
. |
(134) |
Раскроем эту формулу и получим, что: |
|
(135) | |
Найдем : |
|
. |
(136) |
Откуда найдем передаточную функцию:
|
|
.
|
(137) |
Получился ФНЧ (фильтр низких частот) с усилением сигнала в полосе пропускания, у которого равно:
. |
(138) |
Введем понятие частоты среза, учитывая, что:
, |
(139) |
Откуда: |
|
, |
(140) |
а |
|
. |
(141) |
С учетом этого передаточную функцию можно переписать:
. |
(142) |
Контрольные вопросы
1. Классификация и типы частотных характеристик фильтров.
2. Анализ схемы двухполюсного активного фильтра.
3. Каскадное соединение фильтров.
4. Фильтры с переключаемыми конденсаторами.
Лекция №12. Компаратор напряжения
План лекции
1. Основные сведения и особенности схемотехники компараторов напряжения
2. Принцип работы компаратора при сравнении сигналов разной полярности
3. Анализ систематических и случайных ошибок в работе компаратора при сравнении сигналов разной полярности
4. Анализ ошибок компаратора для сравнения сигналов разной полярности от наличия входных токов и напряжения смешения нуля
Основные сведения и особенности схемотехники компараторов напряжения
Компаратор является неотъемлемой частью всех АЦП и это логическое устройство, предназначенное для сравнения двух аналоговых сигналов.
Один из сигналов называют опорным сигналом (), а другой называют входным или измеряемым сигналом ().
В момент равенства входного и опорного сигналов компаратор резко меняет состояние своего выхода, причем у стандартных микросхем интегральных компараторов уровни выходных сигналов привязаны к уровням входных сигналов цифровых интегральных схем. Компаратор является неотъемлемой частью всех АЦП и это логическое устройство, предназначенное для сравнения двух аналоговых сигналов.
Один из сигналов называют опорным сигналом (), а другой называют входным или измеряемым сигналом ().
В момент равенства входного и опорного сигналов компаратор резко меняет состояние своего выхода, причем у стандартных микросхем интегральных компараторов уровни выходных сигналов привязаны к уровням входных сигналов цифровых интегральных схем.
Получается, что в момент равенства входного и опорного сигналов компаратор производит один бит информации. Поэтому в этом плане его можно рассматривать как элементарный одноразрядный квантователь (одноразрядный АЦП).
С учетом сказанного логическую функцию преобразования компаратора можно записать следующим образом:
,
|
(143) |
где и– уровни напряжений логической единицы или нуля соответственно.
Графически эту функцию можно показать следующим образом:
|
Рис. 84. Характеристика преобразования компаратора |
Поменяв точки подключения входного и опорного сигналов можно получить инверсную характеристику преобразования.
Однако в большинстве применений характеристика преобразования компаратора воспроизводится с ошибками. Ошибки могут быть как систематического, так и случайного характера.
Причиной возникновения систематических ошибок в основном являются неидеальность самого компаратора и внешних цепей, подключенных к компаратору.
Одна из типичных систематических ошибок, это конечность коэффициента усиления. В этом случае характеристика преобразования имеет конечную крутизну фронта.
| |
Рис. 85. К пояснению ошибки от конечности
| |
.
|
(144) |
Аналогичное влияние может оказать конечная величина входного сопротивления.
Причиной возникновения случайных ошибок являются температурные дрейфы и шумы самого компаратора, шумы и помехи во входном и опорном сигналах.
Характер влияния составляющих этих ошибок в принципе одинаковый, но отличается спектральным составом. Например, температурные дрейфы приводят к медленному смещению характеристики преобразования, а шумы и помехи делают эту характеристику неопределенной в каком-то диапазоне амплитуд входных сигналов.
Рис. 86. Характеристика преобразования реального компаратора
|
В качестве компаратора может быть использован ОУ. Он имеет два равнозначных по электрическим свойствам входа, на которые можно подавать опорный и измеряемый сигналы, и достаточно большой Ku, чтобы обеспечить высокую точность сравнения. Однако при проектировании частотная характеристика ОУ выбирается таким образом, чтобы обеспечить его устойчивость при работе в схемах с отрицательной обратной связью, а это снижает быстродействие, что очень важно для компараторов. Потому что будет затягиваться фронт выходного сигнала компараторов, что может привести к ложным срабатываниям цифровых схем, подключаемых к выходу компаратора. Кроме того, выходные уровни напряжений насыщения ОУ не совпадают с напряжениями логических уровней ни одной из серии цифровых интегральных схем. Поэтому прежде чем подать выходной сигнал с ОУ на цифровую схему необходимо установить сначала схему согласования уровней.
Учитывая эти два фактора, разработаны и выпускаются специальные интегральные схемы компараторов напряжения.
По существу интегральный компаратор напряжения представляет собой специализированный ОУ, входные каскады которого также как у ОУ работают в линейном режиме, обеспечивая большой коэффициент усиления и большое входное сопротивление. Отличие заключается в схемотехнике выходных каскадов. Они, как правило, представляют собой выходной каскад одной из серии цифровых интегральных схем. На рис. 87 для примера показана схема компаратора К521СА2.
Рис. 87. Схема компаратора К521СА2 |
Схема компараторов практически полностью похожа на схемы ОУ 140УД1 и 153УД1. Она содержит два усилительных каскада, построенных по дифференциальной схеме. Это каскады VТ1, VТ2 и VТ4, VТ5. Причем каскад VТ1, VТ2 полностью повторяет каскады названных усилителей. Также для обеспечения режима микротоков он запитан от пониженного питания через эмиттерный повторитель на транзисторе VТ3 и содержит источник тока на транзисторах VТ6, VТ7. Небольшое отличие наблюдается во втором каскаде, потому что если бы его сохранить точно также, как в названных ОУ, то при работе в режиме компаратора (при сравнении сигналов) этот каскад входил бы в насыщение. Так происходит в усилителях 140УД1 и 153УД1, если они работают в режиме компаратора. Это снижает быстродействие, так как необходимо время на рассасывание избыточных носителей из базы транзисторов. Чтобы насыщения не происходило, в схему введен транзистор VТ8, включенный по схеме диода.
В результате, когда на выходе схемы устанавливается высокий уровень напряжения, соответствующий элементам ТТЛ, диод VT8 открывается, а порог его срабатывания установлен делителем R1 и R2, потенциал коллекторов транзисторов VT4 и VT5 фиксируется примерно на уровне 4,7 В. Поэтому эти транзисторы не входят в режим насыщения. Стабилитроны VD1 и VD2 работают как схемы сдвига уровня.
Для того, чтобы изменения тока нагрузки не сказывались на режим работы каскадов потенциал базы транзистора V10 зафиксирован (равен нулю), а сам транзистор VT10 питается полным током генератора стабильного тока на VT6 и VT7. Транзистор VT9 включен также как в элементах ТТЛ – эмиттерный повторитель, а резистор R3 служит для его защиты от короткого замыкания.
Существуют различные модификации, например, компараторы К521СА3 и К554СА3 имеют выходы с открытым коллектором. Рассмотрим принципы работы и основные источники ошибок базовых схем компараторов.