10.10. 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 серий ной 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.