Конспект_СвСУ. Конспект лекций для студентов специальности 153 01 07 Информационные технологии и управление в технических системах

• Название: Конспект лекций для студентов специальности 153 01 07 Информационные технологии и управление в технических системах
• Анкор: Конспект_СвСУ.docx
• Дата: 09.09.2018
• Размер: 8.24 Mb.
• Имя файла: Конспект_СвСУ.docx
• Тип: Конспект лекций; #24302
• страница: 40 из 42

6.2 Аналого–цифровые преобразователи

6.2.1 Следящие АЦП
Пример следящих АЦП приведен на рисунке 6.10.


Рисунок 6.10 — Следящие АЦП, а); следящее аналогово–цифровое
преобразование, б)
Преобразуемый аналоговый сигнал подается на минус–вход ОУ, который в сущности работает в качестве компаратора. Выход ОУ в плюс или минус области управляет реверсивным счетчиком: счет “+” или счет “–”. Код этого счетчика воздействует на вход ЦАП, последний выдает в сущности тот же аналоговый сигнал, но ступенчатый, который затем поступает на плюс–вход ОУ. Если больше входной сигнал на минус–входе, то счетчик считает в прямом направлении; если больше выход ЦАП , то счетчик считает в обратном направлении. Выход – это код счетчика. На графике рисунка 6.10, б) сначала квантованная прямая до пересечения с аналоговым сигналом, а затем слежение за уровнем аналогового сигнала.

Достоинства: непрерывное слежение и выдача выхода;

Недостаток: невысокая точность (≈0,5 ÷ 1%), присущая следящим системам, поэтому в интегральных микросхемах этот способ не применяется.

6.2.2 Развертывающие АЦП
Функциональная схема развертывающих АЦП подобна рисунку 6.10. Но в данном случае производится квантование до пересечения с преобразуемым сигналом (см. рисунок 6.11), сброс в нуль, затем вновь квантование, сброс и т.д.




Рисунок 6.11
Достоинство: высокая точность (погрешность в 1квант).

Недостатки:

– отсчет производится в точках 1, 2, а что в промежутке – неизвестно;

– большое время преобразования, так как необходимо развертывать квантами;

– циклы преобразования переменные во времени;

– можно сделать постоянные циклы, но это тоже не экономично;

– точки 1, 2 соответствуют коротким интервалам времени, в течение которого нужно произвести отсчет. Для того, чтобы интервал времени между точками 1 и 2 использовался более эффективно вводят УВХ (устройство выборки хранения) наподобие эмиттерных повторителей, хранящих уровни точек 1,2 в течение интервалов времени 1 – 2.

В связи с этими недостатками в интегральных микросхемах не применяются.
6.2.3 АЦП с регистром последовательного приближения
В интегральной схемотехнике широко применяется метод последовательных приближений (поразрядного уравновешивания) с использованием регистра РПП (регистр последовательных приближений).

Сущность данного метода заключается в том, что заполняется регистр не от нуля. Первая единица вносится в старший разряд, затем – в ближайший к старшему и т. д. Следовательно, аналоговый выход соответствует не одному кванту, а старшему разряду и т. д. Т. е. регистр заполняется за время, соответствующее числу разрядов двоичного кода.

Процессы преобразования в определенной мере подобны скачкообразным на рисунке 6.11, но приближение к аналоговому сигналу происходят не “лесенкой”, т.е. начиная с младшего разряда, а скачками, вначале большими ступенями, так как заполнение регистра последовательного приближения начинается со старшего разряда кода, затем ступени уменьшаются в соответствии с “весом” разряда.

Функциональная схема, реализующая этот метод, изображена на рисунке 6.12.


Рисунок 6.12 – Функциональная схема преобразования с регистром последовательного приближения
Достоинство: повышенное быстродействие, так как нет пошаговой развертки.

Недостатки:

– код отсчитывается в точках, число которых должно быть не менее, чем на порядок выше в сравнении с наивысшей частотой в спектре преобразуемого сигнала;

– в промежутках между точками отсчета информация отсутствует;

– необходимо УВХ;

– высший практический предел преобразования – 12 разрядов.

Дерево, иллюстрирующее работу АЦП с регистром последовательных приближений изображено на рисунке 6.13.


Рисунок 6.13 – Дерево аналого–цифрового преобразования
6.2.4 АЦП с двойным интегрированием
Достоинство: высокая точность преобразований (до 20 разрядов).

Недостатки:

– цикличность, но отсчет производится не в точке, а на отрезке аналоговой характеристики преобразования (это лучше в сравнении с разделом 6.2.3); между отрезками – “черный ящик”;

– невысокое быстродействие, связанное с тем, что в преобразователе затрачивается время на заряд конденсатора и разряд, на интервале которого производится преобразование (см. рисунок 6.14).


Рисунок 6.14 – Интервалы двойного интегрирования
Фрагмент принципиальной схемы АЦП с двойным интегрированием изображен на рисунке 6.15.
Рисунок 6.15 – АЦП с двойным интегрированием
Весь цикл преобразования делится на четыре подинтервала:

а) — балансировка (как у ОУ, так как в состав преобразователя входит обычный интегратор на ОУ). На этом подинтервале S2, S4 замкнуты, S1,S3 – разомкнуты;

б) — вход интегратора подключается ключом S1 к преобразуемому сигналу, S2, S3, S4 – разомкнуты;

в) — вход интегратора подключается к опорному источнику (высокостабильному, высокофильтрованному) S3 – замкнут, S1, S2,S4 – разомкнуты. На третьем интервале (второе интегрирование по рисунку 6.14) из ГТИ в счетчик, не приведенный на рисунке 6.15, записывается число импульсов, пропорциональное входному аналоговому сигналу;

г) — производится подготовка к следующему циклу преобразования.

Особенность работы схемы в том, что по горизонтальной оси времени отсчет производится в импульсах ГТИ. Так как ГТИ может быть нестабильным, то если переводить импульсы во время, оно меняется по горизонтальной оси.

Число импульсов, соответствующее интервалу б) называется базовым. Обычно его принимают равным 1000. Если, например, вследствие нестабильности, частота ГТИ возросла, то момент 1 (см. рисунок 6.14) переместится влево. Следовательно, временные интервалы первого и второго интегрирования становится меньше. В это более короткое время первого и второго интегрирования пройдет большее число импульсов, результат останется прежним – это физический смысл того, что частота ГТИ не влияет на погрешность преобразования.

На преобразуемый аналоговый сигнал влияют помехи. Для выяснения последствий такого влияния приведем рисунок 6.16.

Рисунок 6.16 — Интегрирование постоянного сигнала без помехи, а);

наложение одного полупериода помехи на постоянный входной сигнал, б);

наложение двух полупериодов помехи на постоянный входной сигнал, в);

наложение многочастотной помехи на постоянный входной сигнал, г).
1 Входной сигнал без помехи при интегрировании достигает уровня точки А (см. рисунок 6.16, а).

2 Накладываем на предыдущий график один полупериод помехи, например сетевого напряжения 50 Гц (см. рисунок 6.16,б). Видно, что результат интегрирования приходит в точку А', т. е. есть вносится погрешность.

3 На рисунке 6.16, в) накладываем два полупериода этого же сетевого напряжения. Результат интегрирования – кривая, но приходит в точку А, (так как площадь интегрирования остается той же, что и на рисунке 6.16, а) погрешности нет , несмотря на наличие помехи, поэтому рассчитывают

,

причем среди всех других помех выбирают наибольшую.

На интервале преобразования укладывается два полупериода колебаний помехи.

4 Накладываем высокочастотную помеху, интегрируется тоже не прямая, но более менее приходит в точку А, т. е. помехи фильтруются преобразователем (см. рисунок 6.16, г).

АЦП с двойным интегрированием выпускаются промышленностью в интегральном исполнении, применяются для преобразования относительно низкочастотных сигналов.
6.2.5 АЦП параллельного преобразования
На рисунке 6.17 изображена функциональная схема АЦП параллельного преобразования. Она прежде всего представлена цепью резисторов R1–R4 одинаковой величины. На эту цепь поступает опорное напряжение U_оп, которое распределяется резисторами таким образом, что каждая ступень эквивалентна одному кванту, причем, кванты одинаковы по величине. Преобразуемое напряжение U_преобр и уровни напряжений с резисторов, образуемые опорным напряжением U_оп, поступают на компараторы К1–К3, с выходов которых снимается параллельный N–разрядный единичный код. Число единиц в нем равно числу уровней квантования, по величине меньших значений в сравнении с U_преобр.

Полученный единичный код подается на вход дешифратора, в котором он преобразуется в двоичный с числом разрядов . В качестве дополнения к схеме рисунка 6.17 может быть регистр, в который записывается результат преобразования.

Этот вид преобразователя работает практически мгновенно, непрерывно, без пропусков, связанных с циклами. Применяют в видеотехнике, быстропротекающих процессах. Количество резисторов соответствует числу квантов преобразования. При увеличении входного напряжения U_преобр срабатывает соответствующий компаратор начиная с нижнего К3, выдается квантованное прямое преобразование аналогового сигнала в код. Достоинство схемы – высокая скорость преобразования, недостаток – повышенная стоимость. Выпускается промышленностью в интегральном виде.


Рисунок 6.17 – АЦП параллельного преобразования
6.2.6 АЦП с сигма–дельта () модуляцией
АЦП с модуляцией некритичны к точности выполнения элементов схемотехники Кроме того, применение таких преобразователей резко снижает требование к сопутствующим им аналоговым фильтрам, а необходимость в таких прецизионных элементах, как УВХ (устройство выборки–хранения), отпадает совсем.

Структурная схема модулятора 1–го порядка изображена на рисунке 6.18.


Рисунок 6.18 – Структурная схема модулятора
Функциональная схема модулятора 1–го порядка приведена на рисунке 6.19, на котором операционные усилители показаны в виде треугольников, т.е. в американском стандарте.



Рисунок 6.19 – Функциональная схема модулятора
Пусть на вход модулятора поступает аналоговый сигнал Xn, амплитуда которого изменяется в пределах от –B до +B, а полоса частот ограничена сверху величиной fв. В результате преобразования на выходе модулятора должен сформироваться одноразрядный поток данных, отражающий форму аналогового сигнала.

Если бы преобразование осуществлялось с помощью общего многоразрядного АЦП, быстродействие которого весьма ограничено, дискретизацию пришлось бы производить со скоростью, чуть большей, чем скорость Найквиста Fн=2fв, а для предотвращения модуляционных искажений на выходе устройства пришлось бы разместить сложный аналоговый ФНЧ.

В силу особенностей – модулятора преобразование с его помощью может осуществляться с частотой в десятки и сотни раз превосходящей F_H, а для предварительной фильтрации вполне достаточно фильтра 2–3 порядка.

Интегратор – это активный аналоговый ФНЧ с высоким усилением в полосе частот входного сигнала и подавлением частотных составляющих, лежащих вне этой полосы. Квантователь – это в первом приближении, компаратор с порогом срабатывания, равным “0”, выход которого может переключаться из состояния “–B” в состояние “+B”, и который подключен ко входу синхронизируемого тактовой частотой (частотой дискретизации) элемента памяти, сохраняющего это состояние в течение тактового интервала. Если предположить, что на выходе этого элемента памяти, который одновременно является и выходом модулятора, должен формироваться цифровой сигнал с уровнями, соответствующими уровням логического “нуля” и “единицы”(АЦП), то таким элементом памяти может служить обычный D–триггер. Правда, в петле обратной связи при этом понадобится отдельное переключающее устройство, выполняющее функции ЦАП (на рисунке 6.19 показано штриховой линией), который управляется цифровым сигналом, а на выходе формирует либо “–B” либо“+B”.

На выходе модулятора схемы 6.19 устанавливают дешифратор, преобразующий поток импульсов в двоичный или иной код.

На рисунке 6.20 изображена схема модулятора, преобразующая входной аналоговый сигнал в последовательность импульсов.


Рисунок 6.20 – Схема интеграторного модулятора
Эта схема практически полностью совпадает с модулятором, применяемым в АЦП преобразователях, поэтому физические процессы подобны.
6.2.7 Микросхема КР1108 ПП–1
Это некоторая условная разновидность АЦП. Производится преобразование аналогового сигнала в частоту импульсов. На вход микросхемы подают положительные и отрицательные уровни напряжения до 10 В, на выходе получают импульсы прямоугольной формы с калиброванной длительностью. Также служит преобразователем частоты в напряжение, т.е. выполняет обратную операцию преобразования: частота 0…10 кГц, напряжение 0 … 10В. Нелинейность менее 10^–8.

Принципиальные схемы преобразователя вместе с навесными элементами изображены на рисунке 6.21.
Рисунок 6.21 – Микросхема в режиме преобразования аналог–частота – а);
в режиме частота–аналог – б)
При снижении точности возможна частота до 500 кГц.

7 ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
7.1 Общие определения
Выделяют источники электропитания, подключаемые к сетевому напряжению 50-60 Гц (также другие частоты) и к постоянному напряжению, например, аккумуляторным батареям, генераторам постоянного тока и т.д. Если источник электропитания преобразует переменный ток в постоянный (или наоборот), то его называют инвертором. В случае, когда род тока остается без изменения, например, постоянный ток преобразуется в постоянный, то называют конвертором. В литературе часто встречаются названия AC/DC (alternating current/ direct current) (переменный ток/ постоянный ток) или DC/DC. В первом случае AC/DC преобразует переменный ток в постоянный (инвертор), во втором случае постоянный в постоянный (конвертор). Как правило, преобразователи дополняются стабилизаторами (напряжения, тока, мощности).

По выходной мощности источники питания принято делить на микромощные (1 Вт), маломощные (от 1 до 100 Вт), средней мощности (от 100 до 1кВт) и мощные (> 1кВт).

Для полупроводниковых источников электропитания наработка на отказ должна быть не менее 10 тысяч часов.

Напряжения в цепях источников должны иметь стандартные величины. Для постоянного тока это 0,25; 0,4; 0,6; 1,2; 2,4; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; (6,3); 9,0; (10,0); 12,0; (12,6); 15,0; 20,0; 24,0; 27,0; 30,0; 40,0; 48,0; 60,0; 80,0; 100,0; (125); 150,0; 200,0; 250,0; 300,0; 400,0; (450,0); 600,0; 800,0; 1000,0; 1250,0; 1500,0; 2000,0; 3000,0; 4000,0; 5000,0; 6000,0; 10000,0; 12000,0; 15000,0; 20000,0; 25000,0 и др. Для переменного тока номинальные значения напряжения в вольтах действующих значений выбираются из ряда: 1,2; 2,4; 3,45; 5,0; 7,0; (6,3); 12,0; (12,6); 15,0; 24,0; 27,0; 36,0; 40,0; 60,0; 80,0; 110,0; (115,0); 127,0; 200,0; 220,0; 380,0 и т.д.

С 2007 г. в Европе принят «Кодекс о поведении в отношении внешних источников питания». Он стимулирует производителей придерживаться уровней энергопотребления и КПД под нагрузкой в соответствии с таблицами 7.1 и 7.2
Таблица 7.1 – Потребление без нагрузки

Номинальная выходная мощность, Вт	Потребление без нагрузки, Вт (с 1 января 2007г.)
Более 0,3 и менее 15	0,3
Более 15 и менее 50	0,3
Более 50 и менее 60	0,3
Более 60 и менее 150	0,5

Таблица 7.2 – Ограничения на КПД после 1 января 2007г.

Номинальная выходная мощность , Вт	КПД при 100%-ной нагрузке, или усредненный по 4 точкам
Более 0 и менее 1	Более 0,49
Более 1 и менее 49	Более 0,09 +0,49
Более 49 и менее 150	Более 0,85

Анализ таблиц показывает, что перспективны только высокочастотные импульсные AC/DC и DC/DC преобразователи и стабилизаторы, т.к. непрерывные (аналоговые) не удовлетворяют ни по холостому ходу, ни по нагрузке.
7.2 Выпрямители
Выпрямитель — это устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное. Наиболее часто для выпрямления используются диоды (диодные ключи). Для частот 50…60 Гц пригодны низкочастотные диоды, но для более высоких частот необходимы диоды типа HEXFRED, ультрабыстрые, выпускаемые фирмой International Rectifier, время восстановления которых 40-60 нс. Объяснение состоит в том, что низкочастотные диоды имеют большое время восстановления и на высоких частотах теряют выпрямительные свойства.

Кроме того, диодные ключи должны иметь минимальное сопротивление в прямом направлении и наименьший ток утечки в обратном направлении, паразитные индуктивности и емкости должны стремиться к нулю.

На рисунках 7.1 а), б), в) изображены типовые схемы включения диодов в выпрямительные схемы.

Рисунок 7.1 – Схемы включения диодов в выпрямительные схемы
Все схемы изображены с трансформаторами, однако это устаревшие решения, т.к. трансформаторы снижают КПД. Поэтому в настоящее время предпочтительны такие же схемы выпрямителей, подключаемые к сети, но без трансформаторов. Схема рисунка 7.1,б) не имеет смысла в связи с наличием средней точки вторичной обмотки трансформатора. Недостатком варианта рисунка 7.1, а) является однополупериодное выпрямление, т.е. от сети потребляется только один полупериод, нарушается симметрия сетевого напряжения, ухудшаются энергетические показатели. Недостаток схемы рисунка 7.1, в) в 4-х диодах, но с этим приходится соглашаться, большинство выпрямителей от однофазной сети построены по этой схеме. В случае трехфазной сети применяют варианты, изображенные на рисунке 7.2, причем для включения без трансформатора, снижающего КПД, пригодна только схема рисунка 7.2, б).

Рисунок 7.2 – Трехфазные схемы диодного выпрямления:

а) – однополупериодная трехфазная; б) – двухполупериодная трехфазная
Известны диодные схемы выпрямителей с умножением напряжения, одна из которых изображена на рисунке 7.3

Рисунок 7.3 – Схема выпрямления и умножения напряжения на четыре
Желательно, чтобы отсутствовал трансформатор Тр, снижающий КПД и увеличивающий массогабаритные показатели при сетевом напряжении.

Заряд конденсаторов С1 и С2 происходит за один период напряжения на вторичной обмотке трансформатора. За второй период аналогично заряжаются конденсаторы С3 и С4 до напряжения . Таким образом, полный заряд конденсаторов происходит за два периода, при этом конденсатор С1 заряжается до напряжения , а остальные – до . Обратное напряжение на всех диодах равно . Достоинство схемы – несложность, однако выходная мощность невелика. Количество треугольных звеньев, а также коэффициент умножения могут быть увеличены.