Відповіді на контрольні запитання

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ СХІДНОУКРАЇНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ                                   імені ВОЛОДИМИРА ДАЛЯ

Бобровський Г.О.

ПЕРЕТВОРЮВАЧІ В СИСТЕМАХ ЗБОРУ І ЦИФРОВОЇ ОБРОБКИ ІНФОРМАЦІЙНИХ СИГНАЛІВ

Навчальний посібник

Луганськ 2011

УДК 621.3.049                                                                                                                                                ББК 32.844.1                                                                                                                                                                Б72

Рекомендовано Міністерством освіти і науки, молоді та спорту України             

      як навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів                                                         (Лист № 1/1110269 від 04.11.2011)

Рецензенти:

В.Я. Гальченко, д.т.н., проф.,завідувач кафедри медичної і біологічної фізики, медичної інформатики, біостатистики Луганського державного медичного університету(м.Луганськ).                                                                                                                                                    Ю.М.Олександров, к.т.н., проф.,кафедри електронних пристроїв Харківського національного університету радіоелектроніки (м. Харків).

Бобровський Г.О.

Б 72 Перетворювачі в системах збору і цифрової обробки інформаційних сигналів (Питання, відповіді, приклади, рішення): Навчальний посібник / Г.О. Бобровський. – Луганськ: вид-во СНУ ім. В. Даля, 2011. – 148 с.

ISBN 978-617-11-0003-9

У навчальному посібнику у формі запитань з відповідями і прикладів з рішенням розглянуті теоретичні і практичні відомості по побудові і принципам дії аналого-цифрових і цифро-аналогових перетворювачів, а також пристроїв вибірки і зберігання, мікроконвертерів і мікроконтролерів. Представлені матеріали по проектуванню інтерфейсних кілАЦПпри їх функціонуванні у складі систем обробки електричних або оптичних інформаційних сигналів, а також по побудові і проектуванню автоматичних пристроїв різного призначення на основі АЦП, ЦАП і ПВЗ, мікроконвертерів і мікроконтролерів. Значна увага приділена питанням фільтрації інформаційних сигналів за допомогою аналогових активних фільтрів, а також розрахунку характеристик ланок, що фільтрують. Розглянуті оптико-електронні кола АЦП.                                                                                                         У наведеному матеріалі використано термінологію Держстандартів України.Навчальний посібник створено з урахуванням досвіду щодо подібних видань вітчизняних і зарубіжних вищих навчальних закладів і призначено для студентів вищих навчальних закладів усіх форм навчання: очної, дистанційної, вечірньої та заочної.

                                                                                         УДК 621.3.049                                                                                                                                             ББК 32.844.1                                         ISBN                                                                                                                                                                                                                                                                                                 © Бобровський Г.О.                                                                                                                                                                                         ©Східноукраїнський національний                                                                                                                                                                                   університет імені Володимира                                                                                                                                                                                                           Даля,2011                                                                                                                                                         

 

 

                                                                                           

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                           

                                                                                                                                      

Передмова

Ця книга, призначена для студентів, що навчаються за напрямом підготовки «Мікро- і наноелектроніка», «Прилади», «Автоматизовані і комп'ютерно-інтегровані технології», «Електромеханіка», «Метрологія» на денній, вечірній, заочній та дистанційній формах навчання.

Основний зміст книги присвячений розгляду пристроїв, призначених для взаємного перетворення цифрової та аналогової інформації. При цьому розглядаються принципи побудови і роботи аналого-цифрових і цифро-аналогових перетворювачів, пристроїв вибірки і зберігання, а також пристроїв аналогової і цифрової фільтрації сигналів. Проводиться їх аналіз, та надаються рекомендації щодо їх проектування та застосування.

У системах управління, вимірювання, контролю і діагностики, що працюють в масштабі реального часу, форма представлення інформаційних сигналів може неодноразово перетворюватися з аналогової в цифрову (дискретну) форму і навпаки. Узагальнена структурна схема системи, що працює з вказаними сигналами, приведена на малюнку

Де: 1 – фільтр, що обмежує смугу частот вхідного сигналу; 2 –прилад  вибірки та зберігання (ПВЗ); 3 – аналого-цифровий перетворювач (АЦП); 4 – пристрій цифрової обробки інформаційних сигналів; 5 – цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП); 6 – згладжуючий фільтр.

Малюнок показує взаємне розташування схемних елементів у складі системи отримання і обробки інформаційних сигналів і пояснює порядок взаємодії вказаних елементів однного з одним. Зокрема частотний фільтр 1 встановлює граничні частоти, в межах яких повинен знаходитися спектр аналогового вхідного (первинного) сигналу, щоб його обробка виконувалася з мінімальними втратами інформації. З виходу фільтру 1 сигнал поступає на вхід ПВЗ 2, де він перетворюється в послідовність імпульсів, амплітуда яких пропорційна значенням аналогового сигналу у момент узяття відліку. Аналого-цифровий перетворювач 3 виконує перетворення амплітуди вказаних імпульсів в цифрові коди (у послідовність числових значень), які обробляються в пристрої цифрової обробки сигналів 4 відповідно до заданого алгоритму. Цифрові сигнали з виходу пристрою 4 поступають далі на ЦАП 5, де вони перетворюються на аналоговий сигнал, згладжування якого здійснює фільтр 6. Необхідність виконання операції згладжування сигналів, що формуються ЦАП, обумовлена тим, що на виході ЦАП сигнал змінюється ступінчасто між певними дискретними рівнями, що створює складнощі в сполученні виходу ЦАП з іншими аналоговими пристроями.

Аналізована схема дозволяє наочно проілюструвати функціональне призначення пристроїв, розгляд і аналіз яких є одним з основних завдань даного навчального посібника. Разом з цим, її поява дозволяє нагадати про те, що в значній частині сучасних автоматичних систем, в яких не тільки вхідні, але і вихідні сигнали є аналоговими, вигідніше використовувати цифрову обробку інформаційних сигналів, що спричиняє за собою включення в них пристроїв характерних для побудови аналого-цифрових систем, а саме: АЦП, ЦАП, частотних і згладжуючих фільтрів, ПВЗ, та ін.

Однією з особливостей даного навчального посібника є введення в кожний з його розділів питань орієнтованих безпосередньо на поліпшення процесу самостійного вивчення матеріалів, а також на посилення його практичної спрямованості. До таких розділів слід віднести:

· Питання з відповідями для швидкої самоперевірки.

· Приклади для швидкого самостійного або дистанційного контролю.

· Відповіді і рішення до прикладів для швидкого самостійного або дистанційного контролю.

· Контрольні питання.

· Відповіді на контрольні питання.

· Приклади з рішеннями.

Використання вказаних розділів дозволяє реалізувати багатоступінчатий самостійний контроль засвоєння матеріалів книги. При цьому багатоступінчатість самоконтролю знань забезпечується тим, що від розділу до розділу рівень складності даних питань поступово (ступенями) підвищується і на кожному етапі самоконтролю можна виконати порівняння власного рішення або відповіді з рішенням (відповіддю), представленим в книзі. Цим же цілям служать також приклади з рішенням, вбудовані в інші розділи книги для ілюстрації даних теоретичних положень.

Інша відмінність даного навчального посібника по відношенню до робіт, опублікованих раніше, полягає в наступному. На даний час більшу популярність здобуваюь прилади оптичного контролю, що здійснюють «оцифрювання» результатів вимірювання. Побудова і використання АЦП у вказаних приладах має істотні специфічні особливості. Разом з тим, в науково-технічній та особливо в учбовій літературі цим питанням приділено незаслугованнно мало уваги. Для заповнення цієї прогалини в даний навчальний посібник включені розділи, що розглядають побудову інтерфейсних кіл АЦП пристроїв оптичного контролю, а також реалізацію власне АЦП на основі оптичних і оптико-електронних елементів. У зв'язку з цим пропонована книга є в якійсь мірі продовженням порівняно невеликої кількості публікацій по вказаних питаннях, та може виявитися корисною при підготовці фахівців в області приладобудування для хімічної, медичної, харчової, біохімічної і ін. галузей науки і виробництва, де вказані прилади інколи не мають альтернативи.

Для систем, що працюють з інформаційними сигналами, приведеними у різних формах, особливої важливості набувають засоби сполучення функціональних блоків (інтерфейсні засоби) як усередині системи, так і на її входах і виходах. Вони забезпечують сумісність вказаних блоків за формою представлення інформації, їх метрологічну і програмну сумісність, узгодження по швидкодії, рівню сигналів і ін. Без вказаних засобів будь-яка автоматична система виявляється даремною. Тому значний об'єм даного навчального посібника присвячений аналізу схемної побудови, математичному опису і розрахунку характеристик і параметрів таких пристроїв, як аналогові та цифрові частотні фільтри, фотометричні кола з взаємним перетворенням оптичних та електричних сигналів, пристрої вибірки і зберігання, схеми автоматичного вибору меж вимірювання, підсилювачі (аттенюаторы) із ступінчасто регульованим коефіцієнтом посилення, точні випрямлювачі, схеми зсуву нульового рівня біполярних сигналів на середину діапазону перетворення і ін.

Обмежений об'єм книги не дозволив авторові розкрити ряд важливих і цікавих питань. Ми визнали важливішим включити в книгу з цієї тематики приклади з рішеннями і докладними поясненнями, а також контрольні питання з грунтовними на них відповідями. При цьому автор керувався власним досвідом роботи із студентами університету і виходив з прагнення дати, перш за все, те що має практичну спрямованість.

При написанні книги використовувався досвід читання курсів «Мікросхемотехніка», «Мікросхемотехніка і електроніка», «Електроніка», «Методи і способи реєстрації і відображення інформації», «Основи лазерної техніки», «Автоматизовані вимірювальні комплекси», «Теорія електричних сигналів і кіл», «Оптичний контроль», «Теорія вимірювальних приладів», «Теорія електронних кіл»,  що читались автором в різний час в Східноукраїнському національному університеті ім. В.Даля.

Г.О. Бобровський

 

 

Контрольні запитання

1. Контрольні запитання

1. Які аналого-цифрові перетворювачі отримали назву АЦП типу флеш (flash АDC)?

2. Які аналого-цифрові перетворювачі типу флеш (flash) вважають за тих, що ідеалізуються?

3. Яким чином трактується похибка коефіцієнта передачі АЦП, що ідеалізується?

4. Назвіть основні чинники, що обумовлюють динамічні похибки аналого-цифрових перетворювачів паралельної дії.

5. Які параметри визначають якнайповніше динамічні характеристики АЦП паралельної дії, що ідеалізується?

6. Назвіть основні критерії оцінки якості швидкодіючих АЦП паралельної дії в динаміці.

7. Які негативні ефекти спостерігаються в реальному (неідеальному) швидкодіючому АЦП флеш-типу при переході від статичного режиму роботи до динамічного?

8. Назвіть основні причини збільшення диференціальної DNL і інтегральної INL нелінійностей в динамічному режимі роботи АЦП паралельної дії.

9. Проаналізуйте причини появи пропуску кодів, викидів і аномальних похибок аналого-цифрових перетворювачів флеш-типу при їх роботі в динамічному режимі.

10. Чим пояснюється зменшення коефіцієнта передачі (крутизна характеристики перетворення) АЦП паралельної дії із зростанням частоти вхідного сигналу f иx?

11. Чи впливає фазова нестабільність («тремтіння») тактових імпульсів АЦП на точність аналого-цифрового перетворення?

12. Що позначає термін «субдискретизація» («смугова дискретизація» або «гармонійна дискретизація») і за яких умов субдискретизація може бути застосована в процесі аналого-цифрового перетворення без втрати інформації?

13. Який тип АЦП є переважаючим серед інтегральних швидкодіючих перетворювачів для систем і пристроїв збору даних і цифрової обробки сигналів?

14. У чому полягає подвійність природи виникнення динамічних похибок АЦП при їх роботі з швидкозмінюючимися вхідними аналоговими сигналами?

15. Виходячи з розуміння того, що процес дискретизації при аналого-цифровому перетворенні еквівалентний результату згортки двох спектрів (спектру вхідного сигналу і спектру тактової імпульсної послідовності з частотою що дорівнює  частоті дискретизації   fd, поясніть з якою метою при застосуванні процесу субдискретизації спочатку встановлюють мінімально допустиме значення частоти субдискретизації fdmin, а потім реалізують субдискретизацію з частотою f_d f_dmin..

16. Приведіть приклад пристрою, в якому аналого-цифрове перетворення сигналів здійснюється в режимі субдискретизації з метою оптимізації роботи пристрою в цілому за наявності суперечливих вимог окремих його блоків до динаміки процесу АЦ -перетворення.

17. Які мікроелектронні пристрої називають микро-конвертерами? Яке їх призначення і які функціональні блоки входять до складу HBІС мікроконвертера? Приведіть приклад структурної схеми HBІС мікроконвертера.

18. По відношенню до назви яких пристроїв застосовують абревіатуру DSP і які їх основні особливості?

19. Приведіть приклад структурної схеми HBІС DSP, вкажіть призначення її окремих функціональних блоків і принципи їх взаємодії в процесі роботи DSP.

20. Проілюструйте конкретним прикладом особливості вибору архітектури DSP залежно від функціонального призначення пристрою, у складі якого працює DSP, і від характеристик елементної бази.

21. На мал. 16 приведена схема односмугового цифрового радіоприймача. Яким чином може вплинути поліпшення якісних характеристик АЦП і DSP що входять в його склад на реалізацію приймача?

22. Які додаткові розробки мають бути виконані для створення програмно-керованих цифрових радіоприймачів (soft-приймачів), що забезпечують обслуговування всіх каналів в широкій смузі частот?

23. Назвіть основні групи параметрів, що характеризують динамічні властивості аналого-цифрових перетворювачів.

24. Що мають на увазі під терміном «число ефективних розрядів аналого-цифрового перетворювача»?

25. Приведіть розрахункові співвідношення для визначення числа ефективних розрядів АЦП.

· На основі складових швидкого перетворення Фурье (ШПФ)

· На основі розрахунку коефіцієнта гармонійних спотворень і відношення сигнал/шум

· На основі середньоквадратичних значень шумів квантування реального і ідеального АЦП

· На основі визначення динамічного діапазону реального АЦП і ін.

26. Яким чином може бути отримане сімейство залежностей числа ефективних розрядів АЦП від частоти вхідних сигналів при фіксованих значеннях частоти дискретизації?

27. У чому полягає метод зменшення втрати числа ефективних розрядів АЦП за допомогою розмивання енергії паразитних гармонік вхідного сигналу?

28. Як визначається відношення сигнал/шум в спектральній області для реального і для ідеального АЦП?

29. Які параметри цифрових пристроїв вимірюються в одиницях, що позначаються англомовними абревіатурами EMP і MIPS?

30. Яким чином може бути використаний метод «розмивання паразитних гармонік» для зниження втрати розрядності багаторозрядного АЦП при його роботі на високих частотах?

31. Приведіть приклад пристрою, в якому реалізується частотно-імпульсний метод «оцифривания» результатів вимірювання аналогових величин і поясните в чому полягає цей метод.

32. У чому полягає часово-імпульсний метод перетворення сигналу в числовий еквівалент? Відповідь проілюструйте часовими діаграмами сигналів і структурною схемою одного з пристроїв, в якому реалізується даний метод.

33. У зв'язку з чим провідні виробники мікроконвертерів в своїх нових розробках переходять від використання популярного процесорного ядра з набором команд 8051/8052 (Intel) до застосування процесорного ядра на базі архітектури RISK (Reduced Instruction Set Computer)?

34. Назвіть основні функціональні елементи, які входять до складу мікроконвертерів з RISK -архитектурою.

35. Яка природа шуму квантування і яким чином може бути зменшено вплив цього шуму на точність аналого-цифрового перетворення?

36. Виконайте порівняльний аналіз методів аналогової і цифрової фільтрації сигналів. Результати порівняння подайте у вигляді перерахування переваг і недоліків цифрових фільтрів по відношенню до аналогових фільтрів ідентичного призначення.

37. З якою метою на кристалі HBІС інтегральних схем мікроконвертерів формують модулі програмованої логіки (Programmable Logic ARRAY-PLA)?

38. Чи можливе збільшення об'єму пам'яті, що відводиться в мікроконвертерах для програмного забезпечення і роботи з даними?

39. Як часто необхідно робити відліки (вибірки) при АЦ -перетворенні, щоб смуговий аналоговий сигнал був представлений в цифровому вигляді без втрати інформації?

40. Що таке передискретизация (надмірна дискретизація), в якому випадку і для чого вона застосовується в АЦП?

41. На основі якого з даних інтегральних пристроїв може бути побудована схема сполучення цифрової системи управління з об'єктом керуючим сигналом якого є синусоїдальна напруга з амплітудою, що модулюється цифровим кодом?

42. За рахунок чого в сигма-дельта АЦП досягається висока дозволяюча здатність (n розрядів)?

43. Поясніть принцип побудови і принцип дії сигма-дельта аналого-цифрових перетворювачів.

44. По відношенню до яких методів поліпшення дозволяючої здатності аналого-цифрових і цифро-аналогових перетворювачів застосовують англомовні абревіатури PDM і MASH?

45. Які вимоги пред'являються до параметрів цифро-аналогових перетворювачів у разі їх використання в безпровідних каналах передачі даних і в телекомунікаційних системах зв'язку?

46. Для чого в цифрових радіоприймачах на основі DSP -мікропроцесорів (у DSP -приймачах) реалізують розподіл сигналу на I і Q складові?

47. За рахунок чого в прецизійних цифро-аналогових перетворювачах досягається монотонність характеристики перетворення і мала похибка для всіх значень кодів?

48. Назвіть складові похибки перетворення прецизійних АЦП.

49. Які аналого-цифрові перетворювачі можуть бути застосовані в колах управління двигунами змінного струму без застосування оптичного ізолятора?

50. Яким чином здійснюється тестування і порівняльна оцінка сигнальних DSP -процессорів?

51. На якій елементній базі будуються тактові генератори з наднизькими фазовими похибками для високоякісних систем перетворення даних і цифрових засобів обробки сигналів, що працюють в безпровідних системах зв'язку, в автоматичному тестовому устаткуванні, у вимірювальних приладах та ін.?

52. Який вигляд має узагальнена електрична схема активних фільтруючих ланок 2-го порядку із структурою Рауха, її еквівалентна схема заміщення і окремі випадки реалізації?

53. Яким чином зображаються аналогічні схеми ланок 2-го порядку із структурою Саллена і Кея?

Відповіді на контрольні запитання

1. Таку назву отримали АЦП паралельної дії, побудовані на основі стробованих компараторів із запам'ятовуванням результатів і швидкодіючою кодуючою логікою. Ці аналого-цифрові перетворювачі працюють в режимі «стробування на льоту» в широкому діапазоні частот вхідних сигналів з частотою дискретизації fд в сотні мегагерц. У поняття «Стробування на льоту» вкладається можливість їх роботи у відсутність пристроїв вибірки і зберігання. Структурна схема АЦП даного типу приведена на мал. 1.

Мал. 1

 

2. До них відносять АЦП, вхідна частина яких містить компаратори, що володіють нескінченною чутливістю і постійною величиною часу затримки перемикання tk (tk=const). Іншими словами до них відносять АЦП із стробованими компараторами, що ідеалізуються. У першому наближенні такі аналого-цифрові перетворювачі можна розглядати як лінійні пристрої. Тоді їх характеристика перетворення вигляду:

може розглядатися, як амплітудно-частотна характеристика (АЧХ) АЦП, що ідеалізується.

 

3. Ця похибка трактується як частотні спотворення лінійної системи. Під вказаною лінійною системою в першому наближенні розуміють схему заміщення аналізованого АЦП. Це дає можливість ввести поняття смуги пропускання АЦП по певному рівню його амплітудно-частотної характеристики (АЧХ) і розрахувати коефіцієнт частотних спотворень АЦП

,

як відношення його коефіцієнтів передачі на середніх частотах – К0 і на заданій робочій частоті – К.

 

4. Основними чинниками, що обумовлюють появу динамічної похибки вказаних перетворювачів, є:

· Апертурний зсув ∆Uап рівня інформаційного сигналу, який виникає внаслідок зменшення коефіцієнта передачі АЦП К із зростанням частоти вхідного сигналу fвх.

· Розкид часу перемикання компараторів ∆tk, що обумовлює формування апертурної похибки ∆ап (апертурної невизначеності t_ап).

· Фазова нестабільність («тремтіння») тактових імпульсів.

5. Динамічні характеристики вказаних АЦП повністю визначають апертурний зсув ∆U_ап рівня інформаційного сигналу і апертурна невизначеність t_ап. Значення величин ∆U_ап і t_ап дозволяє характеризувати роботу АЦП, що ідеалізується, при будь-яких змінах вхідних сигналів.

6. Вибір критерію оцінки якості залежить від різновиду пристрою, у складі якого працює даний АЦП, а саме:

· При роботі АЦП у складі цифрових вимірювальних приладів використовують критерій максимальної похибки і виділяють набір окремих складових похибки, який дає нормальний закон їх розподілу.

· У разі роботи АЦП в засобах радіолокації, навігації і зв'язку використовують критерій средньоквадратичної похибки виходячи з того, що у вказаних системах інформаційні сигнали є випадковими. При цьому як характеризуючий параметр може бути використаний динамічний діапазон АЦП.

 

7. У реальному АЦП даного типу мають місце наступні ефекти:

· Зростає диференціальна нелінійність DNL, підвищується вірогідність появи пропуску кодів і викидів з величиною, що перевищує одиницю молодшого значущого розряду ≥ 1EMP (крок квантування АЦП).

· Із зростанням частоти вхідного сигналу f_вх зменшується коефіцієнт передачі АЦП, тобто знижується крутизна характеристики перетворення даного перетворювача.

· Збільшується інтегральна нелінійність INL аналого-цифрового перетворювача.

8. Основними причинами є: сильна залежність часу перемикання компараторів t_k аналого-цифрового перетворювача від швидкості зміни вхідного сигналу (dU_вх/dt) і перезбудження компараторів.

9. Вказані явища є наслідком збоїв в роботі кодуючої логіки АЦП, що відбуваються через неспрацьовування окремих компараторів АЦП і пов'язаного з цим розриву унітарних кодів лінійки компараторів.

10. Його зменшення пояснюється двома причинами:

· Кінцевим значенням величини часу перемикання компараторів t_k.

· Частотними обмеженнями вхідних каскадів (обмеженою величиною смуги пропускання ∆f, реальним значенням вхідної ємності С_вх і ін.)

11. Результат аналого-цифрового перетворення сигналів еквівалентний результату згортки спектрів вхідного аналогового сигналу і тактів дискретизації, тому будь-який фазовий шум («тремтіння») тактового сигналу накладається на сигнал, що дискретизується, і спотворює його, вносячи, таким чином, неточність до результату перетворення.

Дійсно, в часовій області дискретизація може розглядатися як множення вхідного сигналу на тактову імпульсну послідовність з періодом, рівним періоду Т_д дискретизації, що еквівалентно згортці спектру аналогового вхідного сигналу із спектром вказаної імпульсної послідовності. Результатом такої згортки є відображення початкового спектру вхідного сигналу, повторене в усіх точках, кратних частоті дискретизації f_д. Іншими словами, при згортці спектр вхідного сигналу S_вх повторюється через інтервали, кратні частоті дискретизації f_д. Тому, наприклад, в таких пристроях, як цифрові радіоприймачі, попадання паразитного шуму в тактовий сигнал може викликати катастрофічні наслідки.

12. Під цим терміном мають на увазі процес дискретизації аналогових сигналів з частотою f_д, яка менш, ніж в два рази  перевищує найвищу частоту f_т в спектрі перетворюваного сигналу, тобто, коли f_д<2f_m. Відповідно до критерію Найквіста при такій частоті дискретизації аналогових сигналів з необмеженою шириною спектру відбувається часткова втрата інформації, що міститься в сигналі.

Проте, якщо спектр сигналу обмежений, має ширину смуги (ширину інформаційної смуги) BW, що не перевищує половину частоти дискретизації f_д (тобто, коли  ) і не перетинає крапок, кратних частоті дискретизації, то АЦ – перетворення сигналів може виконуватися в режимі субдискретизації без втрати інформації, пов'язаної з ефектом накладення частот. Іншими словами, для виконання критерію Найквіста у разі перетворення смугових сигналів частота дискретизації f_д має бути в два рази вище відносно не найвищої частоти f_m в спектрі сигналу, а відносно ширини інформаційної смуги BW (ширини смуги інформаційного каналу). Разом з тим, вхідні кола АЦП (попередній підсилювач і ін.) мають бути розраховані на найвищу частоту f_m в спектрі аналогового сигналу і забезпечувати однакову поведінку системи як на низьких, так і на високих частотах. Відмітимо, що в найбільш відповідальній апаратурі вибір мінімально припустимої частоти субдискретизації f_д.min посилюється і реалізується відповідно до співвідношення:

 

13. Основним типом швидкодіючих АЦП вказаних систем і пристроїв є аналого-цифрові перетворювачі паралельної дії, здатні працювати з високоякісними вхідними сигналами без пристроїв вибірки і зберігання. Ці АЦП отримали назву «АЦП типу флеш» (flash ADC).

14. Подвійність їх природи витікає з того, що вказані похибки визначаються двома взаємно незалежними чинниками:

• Динамікою зміни вхідного сигналу у момент t_j отримання його вибіркових значень, тобто у момент відліку.

• Механізмом утворення відліків, або безпосередньо в АЦП, або в пристрої вибірки і зберігання, що працює спільно з даним перетворювачем.

15. Субдискретизація реалізується при АЦ – перетворенні вхідних смугових сигналів, тобто сигналів з обмеженою смугою частот. В результаті згортки смугових сигналів з тактовими сигналами дискретизації відображення спектру вхідних сигналів повторюється через інтервали, кратні частоті дискретизації f_д. Тому, якщо при постійній ширині спектру частот смугового сигналу частота дискретизації зменшується нижче за деяке порогове значення f_дтін сусідні відображення зближуються один з одним настільки, що починають перетинатися. При цьому за рахунок ефекту накладення частот спектр вхідного сигналу АЦП спотворюється, що приводить до руйнування інформації, яку несе сигнал. Це є основною причиною, через яку встановлюється нижня межа f_дтін частоти дискретизації сигналів.

16. Цифровий радіоприймач є пристроєм, в якому робота АЦП в режимі субдискретизації дозволяє вирішити суперечливі вимоги, витікаючі з умови забезпечення ефективної роботи як аналогової, так і цифрової його частин. Зокрема цифровий сигнальний процесор (DSP) радіоприймача незалежно від алгоритму обробки сигналів, що поступають на його вхід з виходу АЦП, працює ефективніше при зменшенні частоти дискретизації f_д аналого-цифрового перетворювача. Аналогічно цьому, динамічний діапазон радіоприймача збільшується при зменшенні частоти сигналу другої проміжної частоти f_2пч, що поступає на вхід ПВЗ і далі, – на вхід АЦП з виходу аналогової частини приймача.

Разом з тим, щоб уникнути застосування коштовних фільтрів в аналоговій частині приймача частоту дискретизації f_д і другу проміжну частоту f_2пч необхідно збільшувати. Крім того, для подальшого нормального відновлення аналогового сигналу з цифрового, формованого сигнальним процесором DSP, шляхом його цифро-аналогового перетворення і фільтрації, необхідно, щоб частота дискретизації АЦП f_д вибиралася з урахуванням критерію Найквіста, тобто, щоб вона була по можливості вищою.

Іншими словами, аналогова частина цифрового радіоприймача і умови відновлення без спотворення сигналу на його виході вимагають підвищення частоти дискретизації АЦП f_д, а його цифрова частина – її пониження. У цих умовах компромісним рішенням є застосування режиму субдискретизації для перетворення смугових радіосигналів приймача, що цілком переконливо підтверджують результати розрахунку в прикладі №4 з розділу «Приклади з вирішеннями» даної книги.

 

Мал. 16

 

17. Мікроконвертери – це перші мікросхеми класу SоC (System–on–a Chip – система на кристалі), що містять функціонально повні системи збору даних і відрізняються високою продуктивністю обчислювального ядра. Мікроконвертери виготовляють у вигляді однієї HBІС, в якій на одному кристалі об'єднують різнотипні компоненти: підсилювачі з програмованим коефіцієнтом посилення (PGA), точні аналого-цифрові і цифро-аналогові перетворювачі даних з дозволом від 12 до 24 розрядів, флеш-память або EEPROM, мікроконтролера, мультиплексорів, емулятора для завантаження програмного забезпечення, інтерфейсів UART, SPI, I²C і ін. Завдяки вказаному поєднанню функціональних елементів інтегральна мікросхема мікроконвертера може працювати системою збору даних, програмованого користувачем прецизійного перетворювача, або інтелектуального датчика. На мал. 17. як приклад приведена структурна схема мікроконвертера сімейства ADu C84x фірми Analog Devices.

Мал. 17

18. Англомовна абревіатура DSP утворена від «Digital Signal Processors» – «Цифрові сигнальні процесори» і відповідає україномовній абревіатурі ЦСП. Цифрові сигнальні процесори з'явилися в середині 80-х років минулого сторіччя. Вони є спеціалізованими мікропроцесорами, виконаними на одному кристалі НВІС, і призначені для швидкого виконання арифметичних дій. Однією з особливостей DSP є виконання всіх команд (інструкцій) за один машинний цикл, наприклад таких, як:

· Генерувати наступну адресу програми.

· Декодувати наступну команду.

· Виконати одну або дві пересилки даних.

· Відновити один або два покажчики даних.

· Виконати обчислювальну операцію.

· Прийняти дані або відправити їх через порти.

При цьому прискорення процесу обробки даних досягається за рахунок паралельного виконання декількох операцій.

19. В даний час різними виробниками випускається велика кількість універсальних і спеціалізованих цифрових сигнальних процесорів. На мал. 19 як приклад приведена структурна схема 26 – розрядного спеціалізованого DSP (SIGMA DSPTM) типу AD1954 (AD1953) фірми Analog Devices, призначеного для цифрової обробки звукових сигналів.

Вибір джерела вхідних сигналів DSP здійснюється за допомогою мультиплексора аудіо-даних MUX1, вихідний сигнал якого поступає на процесор і на послідовний вихід даних. Цифровий сигнал може бути поданий також і минувши мультиплексор через зовнішній вхід даних. Процесор може обробляти сигнали з частотою дискретизації f_д =32 кГц; f_д =44,1 кГц; f_д =48 кГц, після чого оброблені сигнали через блок виведення даних поступають на цифровий вихід DSP і одночасно з цим через цифро-аналогові перетворювачі лівого (L), правого (R) каналів і сабвуфера (SW) – на аналогові виходи DSP.

Пристрій постіїної пам’яті ROM використовується для зберігання 256 значень параметрів налаштування, а оперативна пам'ять RAM – для завантаження додаткових параметрів налаштування DSP (більше 200 значень параметрів). Введення додаткових параметрів здійснюється через послідовний інтерфейс SPI.

Процесор DSP може обробляти одночасно два сигнали, а в режимі з тимчасовим розділенням – шість сигналів. Його можна використовувати, наприклад, для побудови звукового тракту домашнього кінотеатру, де 5 каналів створюють ефект просторового звучання, а один – для «сабвуфера» за системою 5.1.

Мал. 19

Мал. 20

 

20. Вибір архітектури спеціалізованого цифрового сигнального процесора визначається елементною базою і функціональним призначенням пристрою, у складі якого він працює. Так, наприклад, цифровий сигнальний процесор типу ADSP 2101 (ADSP-21xx) при його роботі у складі цифрового односмугового радіоприймача програмно реалізує цифровий односмуговий фільтр, автоматичне регулювання посилення (АРУ) вхідних сигналів і демодуляцію сигналів. Архітектурна схема такого DSP може бути представлена у вигляді, показаному на мал. 20.

Відповідно до даної схеми оцифрований сигнал проміжної частоти (ПЧ) спочатку обробляється конвертером ПЧ, який зрушує центральну частоту односмугового каналу в нуль і одночасно перетворює вказаний сигнал в комплексний, формуючи його дійсну (I) і уявну (Q) складові. Потім комплексний сигнал пропускається через проріджуючий фільтр, де ослабляються позасмугові складові, щоб усунути їх накладення на основний сигнал і запобігти його спотворенню. Проріджуючий фільтр реалізується програмно у вигляді двухзвенного пристрою з кінцевою імпульсною характеристикою. Далі сигнал поступає в односмуговий фільтр з кінцевою або нескінченною імпульсною характеристикою і в масштабуючий пристрій АРУ.

Масштабовані складові I і Q поступають потім на детектор огинаючої і односмуговий ідеальний детектор, який виконує функції «напівкомплексного» транслятора частоти.

Можливість виконання такої широкої гами спеціалізованих функцій в ADSP -2101 забезпечується наступними особливостями процесора:

· Одночасна вибірка двох операндів, перемножування і підсумовування їх з результатами попередніх множень в одному циклі процесора дозволяє легко реалізувати цифрову фільтрацію сигналів (см.§§14.10. і 14.11. книги [3]).

· Шум округлення при обчисленні добутку по алгоритму фільтрації запобігається за рахунок використання 40 – розрядного накопичувача.

· Обмін цифровими сигналами ефективно реалізується через один з послідовних портів процесора.

 

21. У міру поліпшення якісних характеристик аналого-цифрового перетворювача, він переміщатиметься все ближче до приймальної антени цифрового радіоприймача, прибираючи по дорозі все більше число елементів його вхідної аналогової частини. Зрештою перетворення радіочастотних сигналів антени в цифрову форму здійснюватиметься при їх безпосередньому надходженні з антени на вхід АЦП, а подальша обробка цифрових сигналів буде реалізуватися в повному об'ємі спеціалізованим цифровим сигнальним процесором DSP. При цьому всі елементи схеми цифрового радіоприймача можуть бути виконані на одному кристалі НВІС.

 

22. Для цього необхідна розробка швидкодіючих аналого-цифрових і цифро-аналогових перетворювачів з високим дозволом, хорошою лінійністю і вільним від паразитних перешкод широким динамічним діапазоном (SFDR-spurious-free dinamic range). Одночасно з цим потрібне створення процесорів цифрової обробки сигналів (DSP-digital signal processors) з покращуваними якісними характеристиками, за допомогою яких можна програмно відфільтрувати шуми і виділяти корисний сигнал без керованих напругою генераторів, синтезаторів, змішувачів і інших перетворювачів частоти, виконувати автоматичне регулювання посилення сигналів і їх демодуляцію.

 

23. Вказані параметри можуть бути умовно розбиті на три групи:

1. Параметри, що характеризують нелінійність процесу АЦ-перетворення:

• Інтегральна нелінійність INL;

• Диференціальна нелінійність DNL;

• Коефіцієнт інтермодуляційних спотворень К_ін.

2. Параметри, що характеризують шуми аналого-цифрового перетворення:

• Динамічний діапазон D_ацп;

• Апертурна невизначеність ∆t_ап;

• Відношення сигнал/шум U_c/U_ш;

3. Узагальнені параметри:

• Число ефективних розрядів n_ef.

24. Цей параметр є найбільш загальною характеристикою динаміки процесу АЦ -перетворення унаслідок того, що він підсумовує вплив на цей процес нелінійностей і шумів перетворення і визначається відношенням енергії сигналу до суми енергій шуму його гармонік. Число ефективних розрядів n_ef дає числову характеристику якості роботи АЦП в заданому динамічному діапазоні або режимі.

 

25. Число ефективних розрядів АЦП n_ef може бути визначене одним з наступних методів:

· На основі складових БПФ визначення значення n_ef виконується з використанням наступного співвідношення:

де А1-амплітуда першої гармоніки сигналу;

∑А – сума по всіх складових швидкого перетворення Фурье (як по шумових, так і по гармонійних складовим сигналу; МЗР – одиниця молодшого значущого розряду (крок квантування)).

· За наслідками обчислення коефіцієнта гармонійних спотворень К і співвідношення сигнал/шум (U_c/U_ш) ефективне число розрядів АЦП nef розраховують по формулі:

, (МЗР)

де (дБ)

де А1 – амплітуда першої гармоніки; ∑А_і² - підсумовування, виконане по всіх складових швидкого перетворення Фурье, окрім частоти сигналу і його гармонік.

· При відомих середньоквадратичних значеннях шумів квантування ідеального U_шки і реального U_шкр АЦП вираз для визначення значення n_ef має вигляд:

, (МЗР)

де n_ид – число розрядів ідеального АЦП; U_шки, зміряне в кроках квантування дорівнює  .

· У разі, коли відомий динамічний діапазон реального АЦП D_p, значення n_ef знаходять із співвідношення:

(МЗР)

де D_p – динамічний діапазон реального АЦП, виражений в децибелах.

Відмітимо, що тут і в попередніх формулах враховано, що кожен розряд АЦП дає динамічний діапазон 6,02 дБ.

 

26. Кожна з кривих сімейства залежностей числа ефективних розрядів n_ef від частоти вхідних сигналів f_вх формується при фіксованому значенні частоти дискретизації АЦП f_д=const. При цьому графік залежності отримують з графіка залежності динамічного діапазону АЦП D від частоти вхідного сигналу шляхом перерахунку втрат в динамічному діапазоні D для різних частот f_вх з децибел в двійкові розряди. Цей перерахунок виконують з розрахунку один розряд на 6,02 дБ. На закінчення виконують віднімання отриманого результату з числа розрядів n_ид, відповідних ідеальному АЦП. Число розрядів, що залишилося в результаті віднімання, є шуканим числом ефективних розрядів n_ef. Таким чином, величина n_ef завжди менше її значення для ідеального аналого-цифрового перетворювача n_ид.

Мал. 26.

На мал. 26 (а) в порядку ілюстрації приведені зняті при двох значеннях частоти дискретизації f_д залежності динамічного діапазону D від частоти вхідного сигналу f_вх АЦП з n_ид = 8 розрядів, а на мал. 26 (б) – криві , отримані розрахунковим шляхом відповідно до викладеної вище методики при тих же значеннях частоти f_д1 і f_д2 з використанням залежностей мал. 26(а). Аналіз мал. 26(б) показує, що із зростанням частоти вхідного сигналу f_вх число ефективних розрядів АЦП n_ef знижується. Це відбувається унаслідок зменшення коефіцієнта передачі перетворювача з підвищенням частоти вхідного сигналу.

 

27. Метод полягає в тому, що на вхід АЦП подають вхідний сигнал U_вх спільно із збуджуючим шумовим сигналом U_ш, амплітуда якого U_{ш.m .} не перевищує крок квантування АЦП по рівню h. Збуджуючий шум розмиває енергію паразитних гармонік і завдяки цьому підвищує відношення сигнал/шум (U_c/U_ш). При реалізації віднімання з вхідного сигналу його «зашумленной» складової втрата ефективної розрядності ∆ n_ef визначається співвідношенням:

, (МЗР)

де Р_{ш.к .} – потужність шуму квантування АЦП;

Р_ш.в. – потужність штучно внесеного збуджуючого шуму.

Аналіз цього виразу показує, що втрата ефективної розрядності ∆ n_ef стає мінімальною, коли Р_{ш.к .}.>> Р_ш.в, що має місце у малорозрядних АЦП. З урахуванням втрати розрядності АЦП ∆ n_ef за рахунок власних шумів ефективне число його розрядів ∆ n_ef дорівнює:

, (МЗР)

де n_ид – розрядність ідеального АЦП. Тут приймається, що значення n_ид дорівнює розрядності АЦП в статичному режимі при f_вх=0.

Таким чином, метод розмивання паразитних гармонік може бути застосований при виконанні наступних умов:

U_ш.m.≤ h и Р_ш.к.>>P_ш.в

де U_ш.m – амплітуда штучно введеного, збуджуючого шуму; h – крок квантування АЦП.

 

28. У спектральній області відношення сигнал/шум (U_c/U_ш) реального АЦП визначається як різниця між амплітудою частотної складової вхідного синусоїдального сигналу і максимальною амплітудою паразитної гармоніки. При цьому у разі, коли вхідним сигналом реального АЦП є синусоїдальний сигнал, що охоплює всю шкалу перетворювача, відношення сигнал/шум може бути розраховане по формулі:

, (дБ)

де f_д,  f_вх – частота дискретизації АЦП і частота вхідного сигналу відповідно; n – число розрядів АЦП.

Відношення сигнал/шум ідеального аналого-цифрового перетворювача визначають із співвідношення:

(дБ)

29. Абревіатура EMP використовується для позначення одиниці молодшого значущого розряду (МЗР) цифрового коду аналого-цифрового перетворювача. Таким чином 1EMP=1МЗР.

Абревіатура MIPS означає «мільйон інструкцій (команд) в секунду» (million instruction per second). Використовується для оцінки продуктивності обчислювального ядра різних НВІС в системах збору і обробки даних, мікроконвертерах, мікроконтролерах, інтелектуальних датчиках і ін.

 

30. Це виявляється можливим при побудові стійких до втрати розрядності аналого-цифрових перетворювачів на основі синфазно працюючих ВІС АЦП з покращуваними динамічними характеристиками за умови, що для кожної з них можуть бути виконані вимоги методу «розмивання паразитних гармонік»:

U_ш.m.≤ h   и   Р_ш.к.>>P_ш.в

де U_ш.m. – амплітуда штучно введеного «розмиваючого» шуму АЦП; h – крок квантування АЦП; Р_{ш.к .} – потужність шуму квантування; P_ш.в. – потужність веденного «розмиваючого» шуму.

При побудові АЦП з динамічною стійкістю до втрати розрядності, вихідні шини вказаних ВІС АЦП об'єднують і їх вихідні коди підсумовують. Структурна схема даного АЦП приведена на мал. 30.

Мал.30

Ефективна розрядність n_ef такого АЦП визначається по формулі:

,

де n_ид.1. – розрядність одній ВІС АЦП в статичному режимі; N – число ВІС АЦП, об'єднаних в одній схемі; Р_ш.с. – потужність власних шумів однієї ВІС АЦП (теплові шуми, шуми апертурного тремтіння).

З приведеної формули видно, що втрата ефективної розрядності АЦП ∆ n_ef

,

що обумовлена власними шумами ВІС АЦП, істотно зменшується при виконанні   нерівності , що легко досягається із збільшенням числа ВІС АЦП N, включених в аналізовану схему.

Підсумовування вихідних n – розрядних кодів N ВІС АЦП здійснює суматор Σπ, на виході якого формується m – розрядний код, що поступає на адресні входи постійного запам’ятовуючого  пристрою ROM. При цьому значення числа розрядів m адресного коду ПЗП визначається співвідношенням:

,

де ent(x) – найближче до x більше ціле число. У свою чергу, під дією адресного m – розрядноого коду постійний запам’ятовуючий пристрій здійснює нормування і формування вихідного коду аналізованої схеми АЦП.

31. Реалізація даного методу передбачає перетворення миттєвого значення сигналу Х в пропорційну частоту проходження імпульсів f_x і подальший підрахунок числа імпульсів N_x цієї частоти за фіксований інтервал часу ∆t=const.

На мал. 31.(а) приведена структурна схема цифрового частотоміра, в основу роботи якого покладений частотно-імпульсний метод перетворення аналогових величин в цифровий код. Роботу цифрового частотоміра ілюструють тимчасові діаграми сигналів мал. 31.(б).

 

Мал. 31.(а)

Мал. 31.(б)

Аналіз вказаних часових діаграм показує, що за часовий інтервал ∆t лічильник DD₃ фіксує N_x імпульсів, що формуються формувачем F і находять з вимірюваною частотою f_x. При цьому маємо:

,

де К – коефіцієнт ділення частоти f_G еталонного генератора G, що реалізовується дільником частоти DD₁. Звідси знаходимо:

,

де q – значення одиниці дискретності цифрового частотоміра (значення кванта).

Отримане співвідношення показує, що в аналізованому цифровому частотомірі має місце пряма пропорційна залежність між вимірюваною частотою f_x, відповідною значенню контрольованого параметра сигналу Х, і числом імпульсів N_x, зареєстрованих лічильником DD₃ за інтервал ∆ t. Подальше перетворення коду числа N_x дешифратором DD₄ в код його відображення на дисплеї HG1...,HGn дозволяє візуалізувати отриманий результат вимірювання в зручній для його сприйняття формі.

Управління комутацією знакомісць HG1...,HGn дисплея при динамічному режимі відображення і вибором вимірювального діапазону (положенням десяткової коми і коефіцієнтом ділення частоти) здійснює схема управління СУ.

32. При реалізації даного методу миттєве значення вимірюваної величини (напруги, струму, фази і ін.) перетвориться в пропорційний часовий інтервал ∆ t, який заповнюється імпульсами зразкової частоти f_G. Число N_x імпульсів зразкової частоти, що укладаються у виділеному інтервалі ∆ t, представляє код вимірюваної величини.

На мал. 32.(а) приведена структурна схема цифрового фазометра прямого перетворення вигляду . Де φ_x – вимірювана різниця фаз

 

сигналів і  . Вимірювання величини φ_x здійснюється за один період. Процес вимірювання φ_x ілюструють тимчасові діаграми мал. 32.(б).

Аналіз часових діаграм мал. 32.(б) показує, що інтервал ∆ t і фаза φ_x зв'язані співвідношенням:

Тоді число імпульсів N_x, зафіксованих лічильником DD₂, дорівнює:

,

де φ_x (град), φ_x (рад.) – значення вимірюваної величини, представлене в градусах і радіанах відповідно.

 

Мал. 32. (а)

Мал. 32. (б)

 

Звідки вимірювану величину φ_x у радіанах і в градусах знаходимо із співвідношень:

Ці співвідношення показують, що лічильник імпульсів DD₂ цифрового фазометра в процесі вимірювання фіксує N_x імпульсів за інтервал ∆ t, пропорційний вимірюваній величині φ_x. При цьому значення N_x  прямо пропорційне значенню контрольованої різниці фаз  . Відображення результатів вимірювання величини φ_x здійснюється на дисплеї HG під дією сигналів з виходу перетворювача кодів DD₃ і схеми управління СУ.

33. Основними причинами вказаного переходу є: відносно низька продуктивність процесорного ядра 8051/8052, труднощі в створенні оптимального компілятора і необхідність застосування пристрою мікропрограмного управління, що відрізняється великою складністю.

Архітектура RISC (комп'ютер із зменшеним числом команд) є найбільш оптимальною для числової обробки даних. Ця архітектура має порівняно просту регістрову структуру, а скорочений набір команд дозволяє прискорити процес обробки даних. Одночасно з цим відпадає необхідність в створенні складного мікропрограмного пристрою управління. Застосування RISC – подібних інструкцій дозволяє за допомогою однієї інструкції виконувати операції з множиною даних, які можуть бути розміщені як в елементах пам'яті, так і в регістровому файлі ядра. На додаток до цього структура на основі RISC – архітектури має швидку реакцію на сигнали переривання.

Як приклад відзначимо, що мікроконвертери сімейства AduC7020/1/2/4/5/6/7/, створені фірмою Analog Devices на основі RISC, – процесорного ядра ARM7TDM1 фірми ARM (Advanced RISC Machine) мають продуктивність ядра 45 MIPS (мільйонів інструкцій в секунду), тоді як мікроконвертери цієї ж фірми сімейства AduC800, що використовують ядро 8051/8052 з класичною архітектурою CISC (комп'ютер з складним набором команд) мають в різних модифікаціях продуктивність ядра 1,33MIPS; 16MIPS і 20MIPS відповідно.

 

34. На мал. 34 приведена структурна схема мікроконвертера ADuC7026X, виконаного на основі RISC -архітектури. Дана структурна схема є типовою для достатньо обширного сімейства мікроконвертерів з RISC -архітектурою. Вона містить наступні функціональні вузли, розташовані на одному кристалі HBІС:

· RISC -процесорне обчислювальне ядро ARM7 з розширенням TDM1, що підтримує Thumb-інструкції за допомогою яких виконується множення з накопиченням двох 32-розрядних операндів.

· Флеш-пам’ять даних і програм об'ємом 64кбайт, з яких 62кбайта для користувача і 2кбайта для системних ресурсів.

· Оперативна пам'ять SRAM об'ємом 8кбайт.

· Багатоканальний АЦП з максимальним