Khrabrov
.pdf
23. Назначение и принцип работы аналогового компаратора.
Компаратор – это устройство сравнения. Аналоговый компаратор предназначен для сравнения величин двух аналоговых сигналов.
VIN (VВХ) – входной сигнал
VREF (VОП) – опорный сигнал или уровень сравнения VOUT (VВЫХ) – выходной логический сигнал
V1OUT при VIN – VREF > 0
VOUT =
V0OUT при VIN – VREF < 0
В большинстве случаев выходной сигнал с компаратора подается на вход логических устройств. Т.о. компаратор – это элемент перехода от аналоговых к цифровым сигналам, и по сути является одноразрядным аналого-цифровым преобразователем.
Передаточная характеристика идеального компаратора:
Временная диаграмма переключения компаратора:
Для идеального компаратора существует неопределенное состояние при | VIN - VREF | ≈ 0. Реальный компаратор имеет либо конечный коэффициент усиления, либо петлю гистерезиса.
Для того, чтобы выходной сигнал компаратора изменился на конечную величину (V1 V0OUT) при бесконечно малом изменении входного сигнала, компаратор должен иметь бесконечно большой коэффициент усиления и работать при полном отсутствии шумов, что на самом деле неосуществимо.
Реальный компаратор имеет либо конечный коэффициент усиления, либо петлю гистерезиса.
электронная схема, принимающая на свои входы два аналоговых сигнала и выдающая логический «0» или «1», в зависимости от того, какой из сигналов больше.
Простейший компаратор представляет собой дифференциальный усилитель. Компаратор отличается от линейного операционного усилителя (ОУ) устройством и входного, и выходного каскадов:
Входной каскад компаратора должен выдерживать широкий диапазон входных напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами, вплоть до размаха питающих напряжений, и быстро восстанавливаться при изменении знака этого напряжения. В ОУ,
охваченном обратной связью, это требование некритично, так как дифференциальное входное напряжение измеряется милливольтами и микровольтами.
Выходной каскад компаратора выполняется совместимым по уровням и токам с конкретным типом логических схем (ТТЛ, ЭСЛ и т. п.). Возможны выходные каскады на одиночном транзисторе с открытым коллектором (совместимость с ТТЛ и КМОП логикой).
При подаче эталонного напряжения на инвертирующий вход, входной сигнал подаётся на неинвертирующий вход и компаратор является неинвертирующим (повторителем, буфером). При подаче эталонного напряжения на неинвертирующий вход, входной сигнал подаётся на инвертирующий вход и компаратор является инвертирующим (инвертором).
Несколько реже применяются компараторы на основе логических элементов, охваченных обратной связью (см., например, триггер Шмитта — не компаратор по своей природе, но устройство с очень схожей областью применения).
Компараторы, построенные на двух дифференциальных усилителях, можно условно разделить на двухвходовые и трёхвходовые. Двухвходовые компараторы применяются в тех случаях, когда сигнал изменяется достаточно быстро (не вызывает дребезга), и на выходе генерируют один из потенциалов, которыми запитаны операционные усилители (как правило — +5В или 0). Трёхвходовые компараторы имеют более широкую область применения и обладают двумя опорными потенциалами, за счёт чего их вольт-амперная характеристика может представлять собой прямоугольную петлю гистерезиса.
Пример широко известного компаратора — LM339. Эта микросхема часто встречается, в частности, на системных платах ЭВМ.
24. Компаратор на ОУ, двухпороговый компаратор. Компаратор на ОУ:
В качестве компаратора м. б. использован обычный операционный усилитель, который включен по схеме инвертирующего сумматора.
(VIN – VREF) > 0 Диод VD1 открыт, VOUT = -VПР VD1.
(VIN – VREF) < 0 Диод VD2 в режиме стабилизации, VOUT = VСТ VD2.
Компараторы – это специализированные ОУ, к которым предъявляются следующие требования:
1.высокое быстродействие;
2.большой коэффициент усиления;
3.низкое напряжение сдвига;
4.низкий дрейф напряжения сдвига;
5.устойчивая работа без самовозбуждения;
6. низкое значение тока смещения. |
Бывают: |
VIN1>VIN2 VOUT +5B |
VIN1>VIN2 VOUT -15B |
VIN1<VIN2 VOUT 0B |
VIN1<VIN2 VOUT +15B |
|
Двухпороговый компоратор: |
25.Компаратор с гистерезисом
Триггер Шмитта —компаратор на ОУ с ПОС , который определяет гистерезис передат-й характеристики. ТШэлектронное устройство, предназначенное для преобразования непрерывно меняющегося сигнала в прямоугольные импульсы. Используется для восстановления цифрового сигнала в линиях связи, фильтрах дребезга. Этот триггер стоит особняком в семействе триггеров: он имеет один аналоговый вход и один выход.
26. АЦП.
АЦП – устройства, которые принимают входные аналоговые сигналы и генерируют соответствующие им цифровые коды, пригодные для дальнейшей обработки микропроцессорами или другими цифровыми устройствами. В современных информационно – измерительных системах наиболее рациональным признается способ преобразования различных по физической природе величин сначала в аналоговые электрические сигналы в виде напряжения с амплитудой, пропорциональной измеряемой величине, а затем с помощью АЦП их переводят в цифровую форму.
Как правило, АЦП — электронное устройство, преобразующее напряжение в двоичный цифровой код. Тем не менее, некоторые неэлектронные устройства с цифровым выходом, следует также относить к АЦП, например, некоторые типы преобразователей угол-код. Простейшим одноразрядным двоичным АЦП является компаратор.
Принцип работы:
Для преобразования напряжения в цифровой код необходимо провести три независимых операции: дискретизация, квантование, кодирование. Операция дискретизации заключается в преобразовании непрерывной функции v(t) в последовательность её отсчетов V(tn) в некоторые фиксированные моменты времени tn. Операция квантования состоит в том, что мгновенные значения V(tn) ограничиваются только определенными уровнями – уровнями квантования Vk(tn). С помощью операции кодирования дискретные квантованные уровни представляются в виде цифрового кода. (2ичный,2ично-10чный,десятичный,код Грея).
В основе дискретизации сигналов лежит принципиальная возможность представления их в
виде взвешенных сумм: |
n |
|
v(t) ai fi (t) |
i 1
ai – некоторые коэффициенты или отсчеты, характеризующие входной непрерывный сигнал в дискретные моменты времени;
fi(t) – набор элементарных функций, используемых при восстановлении сигнала по его отсчетам.
В качестве коэффициентов ai используются мгновенные значения сигнала V(ti) в дискретные моменты времени ti=i· t, а период дискретизации выбирается из условия:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
1 |
f m |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
fm – максимальная частота спектра преобразуемого сигнала. |
|||||||||||||
Условное обозначение: |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
v(t) |
{xi} |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Выходной величиной АЦП является цифровой код {xi}: двоичный; двоично – десятичный; десятичный; код Грея.
n
N Х xi 2n i x1 2n 1 x2 2n 2 ... xn 20
i 1
n - разрядность АЦП; 2n – полный диапазон преобразуемого сигнала; Nmax = 2n-1.
27. параллельный АЦП
АЦП прямого преобразования или параллельный АЦП[4] содержит по одному компаратору на каждый дискретный уровень входного сигнала. В любой момент времени только компараторы, соответствующие уровням ниже уровня входного сигнала, выдадут на своём выходе сигнал превышения. Сигналы со всех компараторов поступают на логический шифратор, генерирующий бинарный цифровой код в зависимости от количества логических единиц, присутствующих на его входе. Данные с шифратора фиксируются в параллельном регистре, и, в общем случае, частота дискретизации АЦП может зависеть лишь от аппаратных характеристик логических и аналоговых элементов, а также от частоты требуемой выборки значений. Параллельные АЦП очень быстры, но обычно имеют разрешение не более 8 бит (256 компараторов), так как влекут за собой большие аппаратные затраты. АЦП этого типа имеют очень большой размер кристалла микросхемы, высокую входную ёмкость, и могут выдавать кратковременные ошибки на выходе. Часто используются для видео или других высокочастотных сигналов, а также широко применяются в промышленности для отслеживания быстро изменяющихся процессов в реальном времени.
8-разрядное параллельное АЦП:
Параллельные АЦП (флэш - АЦП) осуществляют квантование входного сигнала единовременно с помощью набора параллельно включенных компараторов.
N – разрядный параллельный АЦП содержит 2N-1 компараторов и 2N резисторов, которые используются в качестве делителя опорного напряжения VREF. Опорное напряжение с делителя поступает на входы компараторов. Для каждого следующего компаратора опорное напряжение увеличивается на шаг квантования или единицу младшего разряда квантования. Параллельные АЦП реализуют метод непосредственного считывания.
Ошибка квантования
Ошибки квантования являются следствием ограниченного разрешения АЦП. Этот недостаток не может быть устранён ни при каком типе аналого-цифрового преобразования. Абсолютная величина ошибки квантования при каждом отсчёте находится в пределах от нуля до половины МЗР.
Как правило, амплитуда входного сигнала много больше, чем МЗР. В этом случае ошибка квантования не коррелирована с сигналом и имеет равномерное распределение. Её среднеквадратическое значение совпадает с среднеквадратичным отклонением распределения, которое равно 1/корень из 12 LSB=0,28LSB. В случае 8- битного АЦП это составит 0,113 % от полного диапазона сигнала
|
Преимущества: |
|
самое быстродействующее. |
|
Недостатки: |
|
большое число резисторов и компараторов. Это |
|
ограничивает разрешающую способность АЦП, увеличивает потребляемую |
|
мощность и габаритные размеры микросхем; |
|
различное время задержки преобразования в |
|
компараторах; |
|
достаточно дороги. |
|
Источники погрешностей: |
|
дрейф источника опорного напряжения; |
|
температурный дрейф сопротивлений резисторов; |