Планы занятий в рамках самостоятельной работы студентов под руководством преподавателя (срсп)

Ақпаратты цифрлық өңдеу әдістерін қолданатын қазіргі есептеу жүйелерінде аналогтық және цифрлық сигналдарды өзара түрлендіру жабдықтары кеңінен қолданылады. Мұндай жабдықтардың қызметін аналогты-цифрлық және цифрлы-аналогтық түрлендіргіштер атқарады.

Көбінесе аналогтық сигналдар деп ток немесе кернеуді айтады, ал цифрлық – тура немесе екілік-ондық кодаларында бейнеленген екілік сигналдарды.

Цифрлы-аналогтық түрлендіргіштер (ЦАТ) цифрлық сигналдарды аналогтыға айналдыру үшін қолданылады. ЦАТ негізгі параметрлеріне разрядтар саны, рұқсат ету қабілеті, түрлендіру қателігі, орнату уақыты, сызықсыздық пен нөлдің ығысу кернеуі жатады. Аналогтық сигналды бейнелейтін және ЦАТ кірісіне беріле алатын екілік кода разрядтарының саны (N) шығыс аналогтық сигналдың кванттау қадамының максималды санына кері мән болып табылады. Рұқсат ету қабілеті цифрлық сигналдың кіріс екілік кодасының разрядтар санына және шығыс аналогтық сигнал сатыларының санына байланысты(нұсқайды). Басқа сөзбен айтқанда, рұқсат ету қабілеті шығыс аналогтық сигналдың кванттау қадамдарының максималды санына кері мәнді анықтайды. Сонда, кванттау қадамы шамамен U_оп тіректі кернеудің осы санға қатынасына тең болады. Сөйтіп, N-разрядты ЦАТ рұқсат ету қабілеті .

Цифрлық сигналды оған сәйкес аналогтық сигналға (ток немесе кернеу) айналдыру үшін, жабдықтың шығысында әр-түрлі сұлбалар қолданылады, солардың арасындағы ең көп тарағаны салмақты токтарды (кернеулерді) қосу сұлбасы мен резистивтік матрицаны қолданатын ЦАТ сұлбасы болып табылады.

Салмақты токтарды қосу ЦАТ сұлбасы түрлендірілетін кіріс екілік коданың разрядтарымен басқарылатын кілттік сұлбалардың көмегімен шығыс шинаға қосыла алатын тоқ көздерінің тізбегімен сипатталынады. Әр ток көзі кіріс екілік коданың бір разрядына сәйкес келеді. Сонда әр-түрлі разрядтарға сәйкес келетін ток көзінің салыстырмалы салмақтарын алудың бірнеше тәсілі болады. Солардың бірі кедергілері кіріс екілік коданың салмақтық коэффициенттеріне пропорционал болатын екілік-өлшенген резисторларды қолдануға негізделген. Мұндай ЦАТ сұлбасы қарапайым болып келеді, дегенмен оның кемшіліктері бар: кілттердегі кернеудің айтарлықтай өзгерістері мен дәлділігін қамтамасыз ету күрделі болатын кедергілері тым өзгешеленетін резисторлардың қолданылуы.

Құрамында Е_эт эталонды кернеу көзі мен R–2 R резистивтік матрицасы бар ЦАТ сұлбасын қарастырайық (15.1-сурет). Бұл ЦАТ сұлбасында тек екі мәнді резисторлар қолданылады: R және 2 R, бұл жайт оны кедергілері әр-түрлі болатын екілік-өлшенілген резисторларды қолданатын салмақты токтарды қосу ЦАТ сұлбасынан едәуір ерекшелендіреді. R–2 R матрицасының басқа ерекшелігіне кез келген түйінге (a, b, c, d) қатысты кедергісі R-ге тең болатындығы жатады. Бұл мәселе матрицаның кез келген түйініне әр-қайсысының кедергісі 2 R болатын екі параллель тізбектерді жалғанатындығымен түсіндіріледі. Осы сұлбаның, R–2 R матрицасымен қатар, nМОП-транзисторларында орындалынған басқарылатын K₃…K₀ электронды кілттері, DD3…DD0 инверторлары мен теріс кері байланыс тізбегі бар ОУ болады. K₃…K₀ кілттерінің қалпы екілік-ондық ЦАТ кірісіне берілетін цифрлық сигналға байланысты.

15.1-суретте көрсетілген ЦАТ сұлбасының жұмысын қарастырайық. Бастапқы қалпында, яғни ЦАТ кірісіне нөлдік кода (0000) берілгенде, К₅ кілті тұйықталған (кіріс екілік коданың басқа мәндерінде К₅ кілті ашық тұрады) және 2 R резисторларының оң жақ шығарымдары K₃…K₀ кілттерінің ашық транзисторлары арқылы ортақ құрсымға қосылады.

15.1-сурет. R–2 R матрицасы бар ЦАТ сұлбасы (а) мен i-ші разрядты басқарылатын электронды кілт (б)

15.1-суреттегі сұлбадан көріп тұрғанымыздай, 2 R резисторлы бұтақтарындағы токтар K₃…K₀ кілттері «2» түйінге қосылған кезде өзгермейді, себебі ОУ-дың терістейтін және терістемейтін кірістерінің арасындағы кернеу шамамен нөлге тең. Сондықтан, «2» түйінге келіп құйылатын және Кирхгофтың бірінші заңына сәйкес , , , токтарының қосындысына тең болатын тогы келесідей анықталынады:

Осыдан ЦАТ шығыс кернеуі:

немесе

мұндағы , , , - кіріс екілік коданың разрядтарының сигналдары, олар тек 0 немесе 1 мәндерін қабылдай алады. (15.2) өрнегінен шығыс кернеуі цифрлық сигналдың кіріс екілік кодасының салмақтық коэффициенттеріне тура пропорционал екендігі көрініп тұр. Кіріс екілік коданың i-ші разрядының сигналы 1-ге тең болса, кілті тұйықталады ( ашылады да, жабылады) және сәйкес бұтақтың 2 R резисторы ОУ терістейтін кірісіне қосылады. Кері жағдайда, екілік кода болса, ашылады ( жабылады). Нәтижесінде (1) өрнегіндегі токтың i-ші құрамасы жоқ болады, сондықтан да сәйкесінше шығыс кернеудің мәні де өзгереді. ЦАТ сұлбасының (6.1-сурет) параметрлерінің дәлдігі мен тұрақтылығы негізінен резисторлар кедергілерінің жасалу дәлдігі мен тұрақтылығына байланысты. Көбінесе кері байланыс тізбегі резисторының кедергісі шартынан анықталады. Екілік-ондық сандарды түрлендіретін ЦАТ сұлбасында ондық санның әрбір разрядына өзінің R–2 R матрицасы сәйкес келеді.

Аналогты-цифрлық түрлендіргіштер (АЦТ) аналогтық сигналдарды цифрлыққа айналдыру үшін қолданылады. Аналогты-цифрлық түрлендіру үрдісі келесі кезеңдердің орындалуын көздейді:

• 
  аналогтық сигналды уақыт бойынша дискретизациялау, яғни оның алдын-ала белгіленген кейбір дискреттік уақыт аралықтарындағы лездік мәндерін таңдау;
  
• 
  аналогтық сигналдың дискреттік мәндерінің деңгейі бойынша кванттау;
  
• 
  дискреттік сигналдың кванттық мәндерін кейбір сандық кодалармен кодалау.
  

АЦТ негізгі параметрлері ЦАТ-тегідей, дегенмен, кейбір айырмашылықтары бар. Разрядтар саны – АЦП шығысында пайда болатын аналогтық сигналды белгілейтін екілік коданың разрядтар саны. Рұқсат ету қабілеті бұл жағдайда да АЦТ цифрлық шығысының разрядтар санын сипаттайды және, осыған орай, кіріс сигналдың сатыларының санын анықтайды. Көбінесе АЦТ рұқсат ету қабілетін АЦТ шығысындағы кодалық комбинацияларының максималды санына кері мән етіп анықтайды. Мысалы, 10-разрядтық АЦТ рұқсат ету қабілеті (2¹⁰ = 1024)^-1, яғни 10В сәйкес келетін «кіріс сигналдың толық шкаласында» кванттау қадамының абсолюттік мәні 10мВ аспайды. Түрлендіру уақыты - АЦТ кірісінде сигналдың берілген өзгерісі мезетінен оның шығысында сәйкес екілік кода пайда болғанға шейін есептелінетін уақыт аралығы. ЦАТ үшін мұндай параметр орнығу уақыты деп аталады.

Егер аналогтық сигналды түрлендіру үшін тізбекті есеп АЦТ қолданылса, аппараттық шығындарды едәуір төмендетуге болады, оның құрылымдық сұлбасы 15.3-суретте келтірілген. Бақылайтын байланысы бар АЦТ деп те атайтын мұндай АЦТ-те такттық импульстер генераторы (ГТИ), ЦАТ, салыстыру сұлбасы (компаратор), «ЖӘНЕ» логикалық элементі (ЛЭ) және разряд бойынша шығыстарының сигналдары ЦАТ шығысындағы кернеудің өзгерісін қамтамасыз ететін қарапайым (немесе реверсивті) санағыш қолданылады (санағыштың құрамына ЦАТ шығысындағы аналогтық сигналдың белгілі бір мәні сәйкес келеді).

АЦТ жұмыс істеу принципін қарастырайық. Бастапқы қалпында санағыш асинхронды кірісі бойынша «Пуск» сигналы арқылы нөлге орнатылады. Санағыштың нөлдік қалпына ЦАТ шығысындағы кернеудің нөлдік мәні сәйкес келеді. Егер АЦТ кірісінде ЦАТ шығыс кернеуінен үлкен болатын (яғни U_кір >0) кіріс аналогтық сигналдың кейбір дискреттік мәні U_кір орнатылса, онда компаратордың шығысындағы бірлік сигнал ГТИ импульстарының ЛЭ «ЖӘНЕ» арқылы санағыштың санау кірісіне өтуіне рұқсат береді.

Содан соң, кірісінен «Пуск» сигналының белсенді деңгейін алғаннан кейін, санағыш инкременттің операциясын орындай бастайды. Оның көрсетуі (шығыс кода) үлкейеді және, сол себептен, ЦАТ шығысында кернеу мәні ұлғаяды. Аналогтық сигналды цифрлыққа айналдырудың бұл үрдісі ЦАТ шығысындағы кернеу берілген U_кір мәнімен сәйкес келмегенше жалғаса береді. Нәтижесінде, ЛЭ «ЖӘНЕ» шығысында «0» логикалық сигналы қалыптасады да, ГТИ импульстарының санағыштың кірісіне берілуі мен қалпының өзгертілуі тоқтатылады. Сонда, санағыштың шығыс кодасының мәні АЦТ кірісінде орнатылған кернеудің U_кір дискреттік мәніне тура пропорционал болады. U_кір кіріс кернеудің келесі дискреттік мәндері үшін түрлендірудің жаңа айналымын қайталаған кезде, әр кезде де санағышты нөлге түсірген жөн. Сондықтан АЦТ жұмысының қарастырылған режімі айналмалы деп аталады.

Егер 15.3-суреттегі сұлбада қосындылайтын екілік санағыштың орнына реверсивтікті қойсақ, АЦТ жұмысының айналмалы емес режімін жүзеге асыруға болады, ол одан да жоғары шапшаңдылығымен сипатталады. Бұл жағдайда, реверсивтік санағыштың шығысында әрдайым кіріс кернеудің ағымдағы мәніне пропорционалды кода қатысып тұрады. Айналмалы емес АЦТ сұлбасына сонымен қатар инвертор, тағы бір ЛЭ «ЖӘНЕ» мен қосындылайтын санағыштың орнына реверсивтікті енгізеді. Айналмалы АЦТ-пен салыстырғанда, айналмалы емес АЦТ кіріс кернеудің өзгерісін ұдайы бақылап тұрады.

15.2-сурет. Параллель түрлендіру АЦТ құрылымдық сұлбасы

Тізбекті түрлендіруді де жүзеге асыра алатын қос интегрирлеу АЦТ жоғарыда айтылған айналмалы және айналмалы емес тізбекті санау АЦТ-терден одан да жоғары помехаға төзімділігі мен дәлдігімен ерекшеленеді.

Қосымша әдебиеттер 4[383:395].

1. 
   Цифрлы-аналогтық түрлендіргіштер не үшін қолданылады?
   
2. 
   R–2 R матрицасы бар цифрлы-аналогтық түрлендіргіштің (ЦАТ) негізгі құрамдас бөліктерін тізіп айтыңыз.
   
3. 
   R–2 R матрицасының ерекшелігі неде?
   
4. 
   Аналогты-цифрлық түрлендіргіш не үшін қолданылады?
   
5. 
   Аналогты-цифрлық түрлендіргіштердің қандай түрлері болады?
   
6. 
   Параллель түрлендіру АЦТ құрамдас бөліктерін тізіп айтыңыз.