Военная кафедра при СГТУ им. Гагарина Ю.А. Лекция 1 / 7 : Цифроаналоговые и

преобразователи. Устройства отображения информации

Учебные вопросы:
Цифроаналоговые преобразователи.
Аналого-цифровые

преобразователи.
Устройства отображения информации.

Тема 1. Электронные устройства вооружения войск ПВО

преобразователи (АЦП), а для обратного преобразования – цифроаналоговые преобразователи (ЦАП).

АЦП называется устройство, в котором непрерывная величина автоматически преобразуется в дискретную и подвергается кодированию.
ЦАП называется устройство, в котором представленная в цифровом коде величина автоматически преобразуется в аналоговую (или непрерывную). Для представления непрерывной величины x(t) (рис. 7.1,а) в цифровом виде, ее сначала подвергают дискретизации, а затем и квантованию по уровню амплитуды.
Процесс преобразования непрерывной во времени величины путем сохранения ее мгновенных значений только в детерминированные моменты времени (t1 – t6 на рис. 7.1,б) называют дискретизацией, а полученную непрерывную по значению и прерывную по времени величину называют дискретизированной (рис. 7.1,б).

функция x(t) с ограниченным спектром полностью определяется счетным множеством ее

дискретных значений, отстоящих друг от друга на величину , где fmax – граничная частота спектра исходного сигнала x(t).
В качестве оценки потерь информации часто используется квадратичная функция вида , где x*(t) –функция, восстановленная с помощью сглаживающего фильтра по дискретным значениям.
В конечном счете входной сигнал x(t) (рис. 7.1,а) при поступлении на ЭВМ преобразуется в последовательность цифровых кодов (рис. 7.2).

преобразования :
Методическая (определяется абсолютной погрешностью квантования Θ аналоговой величины по

уровню)
Θ=x-N∆x
где N – числовое выражение величины х;
∆x – шаг квантования.
Очевидно, что |Θ|≤0,5∆x. Следовательно, методическую погрешность преобразования по уровню определяет шаг квантования.
Относительная погрешность квантования

Инструментальная погрешность определяется нестабильностью параметров элементов схемы преобразователя и неточностью его настройки
Быстродействие ЦАП и АЦП определяется временем преобразования: для ЦАП – интервалом между моментами поступления входного кода и установления выходного сигнала (с заданной точностью), для АЦП – интервалом от момента пуска преобразователя до момента получения кода на выходе.
Быстродействие определяет цикл преобразования – временной интервал между двумя одинаковыми фазами работы преобразователя.
Динамический диапазон – допустимый диапазон изменения входного напряжения для АЦП и выходного напряжения для ЦАП.

7.1.

измеряемому напряжению Ux ставится в соответствие двоичный код с каким-то

масштабным коэффициентом
где U0 – величина, с точностью до которой производят преобразование.
Прежде всего надо узнать диапазон изменения Ux и принять эталонное напряжение Uэ≥Uxmax
Максимальное число квантов будет определяться разностью двоичного счетчика Nmax=2n-1≈2n
Тогда - шаг квантования

2.1. ПНК с пилообразным напряжением

Схема ПНК приведена на рис. 7.3.

на рис. 7.4.
В состав схемы входят

две части. 1-я часть схемы включает RS-триггер, генератор пилообразного напряжения, сравнивающее устройство (СУ). Эта часть схемы преобразует напряжение Ux временной интервал Tx (график 2 на рис. 7.4). 2-я часть схемы включает схему совпадения и счетчик. Она преобразует временной интервал Tx в код N.

определяется

Инструментальная погрешность связана нестабильностью пилы δн и нестабильностью
порога сравнения

δсу

Чтобы исключить δн используют ПНК со ступенчатым напряжением.
 
2.2. ПНК со ступенчатым напряжением
Схема и графики ПНК изображены на рис. 7.5 и рис. 7.6


 

Рис. 7.5

двоичным приближением.
В рассмотренных преобразователях формируемый код последовательно

приближается к своему полному выражению: вначале определяется цифра в старшем n-1 разряде, затем в n-2 и т.д. вплоть до младшего разряда.

Рис. 7.7

Вид схемы i-го разряда приведен на рис. 7.8 (разряд 1-го типа).

В, Ux=4 В, n=4. Составим таблицу.

Таблица 7.2

В. Число 11012=1310, 13·0,66..=8,67. Таким образом, ошибка представления входного напряжения

Ux=8,4 В в числовом виде при числе разрядов 4 соответствует 8,67-8,4=0,27 В. Чтобы ее уменьшить, необходимо увеличить число разрядов счетчика. Чем большую разрядность имеет код, тем более точным эквивалентом Ux он является – тем более точным является преобразование.
В схеме ПНК рис. 7.8 требуется иметь n источников эталонного напряжения Uэ с различными их значениями ( с увеличением номера разряда кода величина Uэ увеличивается вдвое). Однако можно обойтись и одним источником эталонного напряжения величиной Uэ/2. Вид схемы i-го разряда такого ПНК приведен на рис. 7.9 (разряды 2-го типа).
Здесь, в отличие от схемы i-го разряда рис. 7.8, сравнение Ui в каждом разряде с величиной Uэ/2 и после сравнения разность
Произведем кодирование того же напряжения Ux=8,4 В при Uэ=10 В для ПНК с разрядами 2-го кода, n=4.

Рис 7.9

кодирования один и тот же.
Таким образом, и

поразрядное уменьшение (в 2 раза) Uэ в ПНК с разрядами 1-го типа, и поразрядное удвоение результата сравнения Ui c в ПНК разрядами 2-го типа, приводят к одному м тому же результату кодирования. Однако к числу недостатков ПНК с разрядами 2-го типа относится то, что должен быть очень стабильным коэффициент усиления усилителя. Это требует введения отрицательной обратной связи в них, что сказывается на переходных процессах.

числу квантов) рис. 7.10. Преобразуемое Ux подается на все СУ

одновременно. На другие входы СУ подаются эталонные напряжения, отличающиеся на один квант.
Если Ux в данном СУ превышает сравниваемое эталонное значение, то на его выходе формируется 1, в противном случае – 0. Сигналы с СУ подаются на шифратор СД, схема которого представлена на рис. 7.11. В шифраторе позиционный код преобразуется в двоичный.

Рис. 7.10

Недостатки – большое количество оборудования (при n=12 надо 4096 СУ),

сложность схемы.

а на выходе преобразователя снимается напряжение (рис. 7.12) соответствующего уровня.

Эта зависимость называется статической характеристикой преобразования Uвых=f(N). Она определяет основные статические параметры ЦАП.

Выходное напряжение

Рис. 9.12

Мгновенное напряжение на выходе ЦАП пропорционально весу присутствующего на входе кода. В общем виде оно может быть представлено следующим выражением:

(7.3)
где U0 – масштабный коэффициент, это величина напряжения, соответствующая цене младшего разряда



где аi – цифры (1или 0) в разрядах кода, n – количество разрядов в коде.

резисторами со стабилизацией напряжения.
В состав схемы (рис. 7.13) входят:
регистр на

RS-триггерах (он служит для приема и хранения кода), источник эталонного напряжения Uэ, переключатели по числу разрядов, матрица с весовыми резисторами, которые с одной стороны подключены к соответствующим переключателям, а с другой – нагружены на сопротивление нагрузки Rн.
Регистром называется ЦУ, предназначенное для регистрации (хранения) двоично-кодированной информации и выполнения над ней некоторых операций.

Рис. 7.13

к нему – нагрузку, это исключает влияние нагрузки на весовые

сопротивления

Рис. 7.14

,поскольку К-большой

В общем виде напряжение на выходе ЦАП определяется выражением:

(7.4)

Общий вид выходного напряжения определится как :

(7.5)

7.15 приведена схема ЦАП со стабилизацией тока.
В состав схемы входят

регистр для приема и хранения кода (обычно это RS - триггеры, на рисунке не показаны), генераторы тока, переключатели, матрица со взвешенными резисторами.
 

Рис. 7.15.

Принцип действия ЦАП аналогичен принципу действия схемы.

и предъявление к ним жестких требований по стабильности, так как

отклонение проводимости резистора младшего разряда.
Вторым недостатком рассмотренных схем является то, что нагрузка источника Uэ и I0 изменяется в зависимости от положения ключей, что требует применения источника Uэ с малым внутренним сопротивлением для ослабления влияния этого сопротивления на Uэ при разных токах нагрузки, и источника I0 с большим внутренним сопротивлением.
Указанных недостатков во многом лишена схема ЦАП с резисторной матрицей R-2R.
 

3.3. ЦАП с резисторной матрицей R-2R

Рис. 7.17

код;
переключатели напряжений. Они осуществляют подключение резисторов либо к эталонному напряжению,

если в разряде 1, либо к корпусу, если в разряде 0;
матрица резисторов с номиналами R и 2R.
 

Определим, чему равно U в i – той точке преобразователя. Не зависимо от положения переключателей справа и слева от i – й точки будут включены резисторы с общим сопротивлением 2R. Эквивалентная схема преобразователя для i – й точки имеет вид (рис. 7.18).

Рис. 7.18.

2 в такой степени, сколько разрядов между i – й

точкой и выходом

Таким образом, выходное напряжение ЦАП является функцией входного кода.

преобразование кода во временной интервал, выполняют функцию цифроаналоговых преобразователей. .

Наибольшее распространение получили преобразователи кода во временной интервал (ПКВ) на основе двоичного счетчика.
В ПКВ может использоваться как суммирующий, так и вычитающий счетчик. Структура и принцип действия преобразователей при этом практически не отличаются.
Рассмотрим ПКВ на основе суммирующего двоичного счетчика. Функциональная схема преобразователя приведена на рис. 7.19.
В состав ПКВ входит двоичный счетчик, имеющий входы предварительной записи кода, RS –триггер, логический элемент И и формирователь выходного импульса.

Рис. 7.19.

, т.е. N1=2n-N , где n – число разрядов входного

кода; N – число, соответствующее входному коду.
Преобразование начинается с поступлением импульса начала интервала Uн (рис. 7. 20), который устанавливает RS –триггер в единичное состояние. При этом, через логический элемент И на вход счетчика поступают импульсы U2 эталонной частоты с периодом следования Тэ.

Рис. 7.20.

Реальный временной интервал Tx' отличается от идеального из-за наличия инструментальной погрешности.

Где

приведена на рис. 7.21.
Преобразователь содержит: RS –триггер, логический элемент И,

двоичный счетчик, цифровой компаратор, регистр, формирователь.

Рис. 7.21.

времени, задаваемые двумя импульсами: импульсом начала Uн и импульсом конца

Uк (они могут поступать по одной цепи или по разным). Временные интервалы могут быть заданы также длительностью импульсов, периодом гармонических колебаний и другими способами.
Устройства, преобразующие временной интервал в код, называют преобразователями время-код (ПВК).
Все способы построения ПВК можно разделить на две группы:
- преобразование в реальном масштабе времени. К нему относятся одноканальный и многоканальный способы последовательного счета;
- преобразование с изменением масштаба времени. Оно применяется при преобразовании интервалов малой длительности. К таким способам относятся нониусные, накопительные и другие.
 

3.6.1. Одноканальный ПКВ последовательного счета

 Сущность метода последовательного счета состоит в представлении измеряемого интервала Tx в виде последовательности некоторого количества импульсов, следующих друг за другом через одинаковые эталонные промежутки времени. По количеству импульсов последовательности судят о длительности измеряемого интервала.
Схема ПКВ приведена на рис. 7.22, а временные диаграммы, поясняющие принцип преобразования, приведены на рис. 7.23.

интервалу Tn, который связан с Tэ равенством:

Преобразуемый интервал Tх отличается

от интервала Tn и определяется соотношением:

Где и - погрешности, обусловленные отсутствием синхронизации импульсов Uн и Uк с эталонными импульсами.
Величины и характеризуют методическую погрешность (погрешность квантования ) одноканального ПВК.

Среднеквадратическая погрешность определяется выражением:

рис. 7.24.
Преобразователь состоит из n одноканальных ПВК последовательного счета, устройства

задержки (например, многоотводной линии задержки), сумматора и RS –триггера, являющегося общим для всех каналов.

Рис. 7.24.

Рис. 7.25.

канал). Точный канал имеет в своем составе два генератора ударного

возбуждения (ГУВ), две схемы совпадения И, RS –триггер, счетчик.
ГУВ I запускается импульсами Uн. Этим самым ликвидируется интервал (рис. 7.23).
ГУВ 2 запускается импульсами Uк. Генераторы ГУВ I и ГУВ 2 вырабатывают колебания близких частот. Разница периодов колебаний будет определять точность измерений.
Период следования импульсов обычно выбирают из условия:

Где n - целое число.
Графики напряжений в указанных на рис. 7.25. точках схемы приведены на рис. 7.26.

Рис. 7.26

меньше разница

, тем точнее измерение.

4. Устройства отображения информации
 

В последние годы стали широко распространяться индикаторные приборы нового поколения – знакосинтезирующие индикаторы (ЗСИ), основанные на различных физических принципах действия. Особенностью ЗСИ является наличие одного или нескольких дискретных элементов отображения информации, расположенных в одной плоскости и имеющих отдельные цепи управления.
Знакосинтезирующие индикаторы обладают следующими достоинствами: высокие светотехнические и эргономические параметры, в том числе и многоцветность; наличие “жесткого” адреса элементов, что позволяет эффективно использовать ЗСИ совместно с ЭВМ; малое энергопотребление; совместимость с микросхемами управления; возможность создания на основе ЗСИ средств отображения информации как с малыми размерами информационного поля.

информацию.
Индикаторные устройства делят по следующим принципам:
- По назначению:
а) обнаружения
б) сопровождения
-

По точности определения координат:
а) малой точности (индикатор кругового обзора)
б) большой точности (в т.ч. индикаторы сопровождения)
- По способу модуляции электронного луча:
а) с амплитудной отметкой (Рис. 7.27)
б) с яркостной отметкой (Рис. 7.28)

- По количеству одновременно отображаемых координат:
а) однокоординатные
б) двух координатные
в) трёх координатные (отображают координаты рядом от цели в виде таблицы или символов)
В зависимости от назначения и типов применяют различные типы развёрток:
линейная
кольцевая
спиральная (разновидность кольцевой)
радиально кольцевая (секторная)
растровая

счёт линейного трапециидального напряжения, подаваемого на горизонтальные развёртывающие пластины.
Сигнал, отраженный

от цели и преобразованный в видео импульс подаётся на вертикальные отклоняющие пластины и отображается в виде отклонения от горизонтальной линии (Рис. 7.27).

4.1.2. Кольцевая развёртка

Кольцевую развёртку можно получить, подавая на горизонтальные и вертикальные пластины гармонические сигналы, сдвинутые по фазе на 90° (Рис. 7.29).

более эффективно используется экран трубки т.к. весь диапазон измеряемых величин

укладывается вдоль окружности, а не линейно, т.е. имеет в π раз увеличенный масштаб;
б) высокая стабильность развёртки, т.к. могут использоваться кварцевые генераторы гармонических сигналов

и горизонтальные отклоняющие пластины гармонические сигналы, сдвинутые по фазе на

90°, но их амплитуда должна быть промодулирована (т.е. изменяется по линейному закону) (Рис. 7.30).
В случае уменьшения амплитуды спираль развёртывается от края к центру. В случае увеличения амплитуды – развёртывается к краю.
Период изменения амплитуды должен быть в целое число раз больше периода кольцевой развёртки, при этом спиральная развёртка будет постоянно наблюдаться на экране ЭЛТ.

Спиральная развёртка используется в запоминающих устройствах – потенциалоскопах.

центра к краю движется пятно, образующее светящуюся радиальную линию (Рис.

7.31).
Начало движения пятна (центр трубки) совпадает с началом зондирующего ВЧ сигнала, излучаемого передатчиком.
На управляющий электрод трубки с выхода поступают импульсы, отраженные от цели, что приводит к образованию яркостной отметки. Расстояние от центра до яркостной отметки равно дальности до цели.
Направление развёртки соответствует направлению диаграммы направленности антенны в пространстве.
При вращении антенны изменяется и направление радиальной развёртки. Отметка о цели при этом будет наблюдаться в виде яркой душки.
Для удобства отсчёта дальности формируют масштабные метки, которые на экране ЭЛТ образуют концентрические окружности.

3.1.5. Растровая развёртка

Растровая развёртка используется для одновременного определения двух координат, например: скорость – дальность; высота – дальность.
Для получения такой развёртки на горизонтальные отклоняющие пластины надо подавать линейно изменяющиеся напряжения большой частоты, а на вертикальные отклоняющие пластины – медленно изменяющееся линейное напряжение (Рис. 7.32).
UГ – горизонтальное развёртывающее напряжение
UК - кадровое развёртывающее напряжение

ЭЛТ с магнитным управлением
б) ЭЛТ с электростатическим управлением
ЭЛТ с электростатическим

управлением (Рис. 7.33) используются в амплитудных индикаторах.

ЭЛТ с магнитным управлением используются в индикаторах кругового обзора (Рис. 7.34 (а),(б)).

Трубки с магнитным управлением имеет следующие достоинства:
а) позволяют получать лучшую

фокусировку луча при большой плотности в пучке
б) отклоняет электронный луч на больший угол, что обеспечивает применение увеличенного экрана, при относительно небольшой глубине трубки
в) при помощи более простых устройств, можно получить радиальную круговую развёртку

работу всех блоков, а также формирования отметки дальности с помощью

канала отметок дальности
Канал развёрток – формирует сигналы для получения требуемой развёртки.
Смеситель сигналов – обеспечивает формирование сигналов, подаваемых на управляющий электрод.
Силовой привод – позволяет изменять положение антенны, которое отслеживается с помощью сельсинов.

– электронное лучевые трубки (ЭЛТ), позволяющие записывать информацию, содержащуюся в

электрическом сигнале, хранить её определённое время и затем воспроизводить в виде потенциального рельефа или оптического изображения.

Потенциалоскопы бывают:
Вычитающие
Интегрирующие
Графеконы и др.

входит обогрев катода, катод (К), управляющий электрод, два анода (А1

и А2),отклоняющих пластин, коллектора, люминофора, сигнальной пластины, плотно прилегающей к диэлектрику, экранной сетки.

Управляющий электрод позволяет регулировать плотность потока электронов, чем больше управляющее напряжение, тем больше электронов достигает люминофора, больше яркость свечения.
Аноды А1 и А2 обеспечивают придание дополнительной скорости электронам и их фокусировку с тем, чтобы на экране наблюдался тонкий луч.
Рис. 7.38
На отклоняющие пластины подаются гармонические сигналы, сдвинутые по фазе на 90 градусов с уменьшающейся амплитудой. Т.е. они обеспечивают спиральную развёртку луча по поверхности диэлектрика и люминофора (Рис. 7.38).

отсутствия входного импульса ток протекает:

2. Принцип работы потенциалоскопа

При перемещении электронного

луча по поверхности мишени (диэлектрик, люминофор, сигнальная пластина) в диэлектрике создаётся потенциальный барьер (Рис. 7.39, а).

В момент прохождения лучом точки А – положительный импульс (Рис.

7.39 а) и в момент прохождения лучом точки В – отрицательный импульс (Рис. 7.39 а).
При движении луча вдоль развёртки по участку ОА потенциал остаётся равновесным.
Когда луч в точке А, ко входу прикладывается положительный импульс с амплитудой UM1 (Рис. 7.40 а).
Под действием импульса скачком повышается потенциал всех точек сигнальной пластины (Рис. 7.40,б). Этот положительный перепад передаётся через диэлектрик к его внутренней поверхности.

3.4.2.2. Режим считывания информации

Диэлектрик сохраняет потенциальный рельеф длительное время, поскольку имеет большое поверхностное сопротивление и его заряд не растекается.
Чтобы считать информацию необходимо провести развёртку мишени электронным лучом. При движении луча на участке ОА – все точки мишени имеют равновесный потенциал, и ток коллектора будет постоянным, а выходное напряжение будет равно нулю т.к. C1 пропускает только переменную составляющую, а в цепи R8 ток постоянный.
При попадании в точку А, которая имеет более низкий потенциал, уменьшается тормозящее поле барьерной сетки и растёт число вторичных электронов, которые уходят от мишени к коллектору.
Это приводит с одной стороны у повышению точки А до уровня U0, с другой стороны к кратковременному возрастанию тока коллектора, что обуславливает рост отрицательного значения напряжения на верхнем выводе R8 (резистивная нагрузка) и через C1 снимается отрицательный импульс.
Когда луч в точке В, которая имеет высокий потенциал, происходит увеличение тормозящего поля барьерной сетки, т.е. меньшее число вторичных электронов достигает коллектора, а большее попадает на диэлектрик. В результате потенциал точки В уменьшается до U0, ток коллектора уменьшается, а уменьшение тока создаёт на выходе положительный видеоимпульс, но с переменой полярности. Одновременно происходит восстановление равновесного потенциала во всех точках развёртки.
Потенциалоскоп готов к записи новой информации.