Устройства обработки аналоговых сигналов (стр. 3 из 5)

На выходе сумматора U1 будет действовать напряжение:

; (1)

где

- напряжение входного сигнала;

- напряжение на выходе ФНЧ Z1;

- напряжение на выходе ЦАП U4;

- коэффициент передачи ФНЧ Z1;

Напряжение на выходе ФНЧ Z1;

; (2)

Из формулы (2) следует, что напряжение на выходе ФНЧ Z1 тем точнее повторяет входное напряжение, чем больше

. Так как выходное напряжение ЦАП U4, может принимать только дискретные значения, т. е. почти никогда точно не совпадает с напряжением входного сигнала, то процесс преобразования протекает таким образом, что входной сигнал и сигнал на выходе ФНЧ совпадает в среднем, причем функцию усреднения выполняет ФНЧ. В результате на выходе ФНЧ появляется восстановленный из цифрового кода исходный аналоговый сигнал с наложенной высокочастотной составляющей, амплитуда которой зависит от соотношения частоты дискретизации и частоты среза ФНЧ. Количественно уменьшение высокочастотных составляющих при увеличении соотношения определяется способностью ФНЧ подавлять высокочастотные составляющие сигнала. Хорошо их подавляют фильтры высокого порядка, однако они вносят большой фазовый сдвиг на высоких частотах, что при увеличении коэффициента усиления может привести к самовозбуждению устройства преобразования на этих частотах. Поэтому не рекомендуется использовать фильтры выше второго порядка, а лучше всего первого порядка. В этом случае при увеличении соотношения уровень высокочастотных составляющих прямо пропорционально снижается, что позволяет при увеличении коэффициента усиления прямо пропорционально увеличивать точность преобразования малых изменений сигнала, т. е. повысить разрешающую способность преобразования. Кроме того, снижение уровня высокочастотных составляющих приводит к снижению шума квантования.

Для получения качественного преобразования ЦАП и ФНЧ в петле обратной связи и на выходе устройства должны иметь идентичные параметры. Значение

выбирается максимально большим, но обеспечивающим устойчивую работу цифрового преобразователя, причем значение может быть тем больше, чем больше отношение . учитывая сказанное, можно приблизительно оценить выигрыш, получаемый от использования предлагаемого устройства. Например, если , то это эквивалентно повышению разрешающей способности преобразования в 2 раза, т. е. соответствует прибавлению одного разряда ИКМ. Соотношение же эквивалентно добавлению сразу шести разрядов ИКМ и т. д.

Поднять отношение

можно двумя способами либо увеличения, либо уменьшая . Для практического использования этих рекомендаций необходимо хорошо представлять ограничения, накладываемые как на возможность увеличения , так и на возможность уменьшения .

При использовании ИКМ частота

должна в два или более раз превышать верхнюю частоту преобразуемого сигнала, что следует из теоремы Котельникова. Для уменьшения скорости передачи информации всегда стремятся выбирать как можно ниже, т. е. берут ее в два раза выше верхней частоты спектра сигнала. Поэтому повышать частоту в предполагаемом устройстве можно в тех случаях, когда не используется передача информации по каналам связи и запись ее на носители, например в цифровых линиях задержки, цифровых фильтрах и т. д.

Если необходимо иметь частоту

минимально возможной, то улучшить качество преобразования можно снижая частоту . При этом появляется возможность увеличить и за счет обратной связи компенсировать частотные искажения, так как согласно формуле (2) напряжение на выходе ФНЧ тем точнее будет повторять входное напряжение, чем больше величина . Однако максимальный уровень сигнала на выходе ФНЧ, а значит, и устройства преобразования будет в этом случае зависеть от частоты.

Чем выше частота сигнала по сравнению с

, тем меньше максимальный уровень выходного сигнала устройства преобразования, что видно из формулы (2). Действительно если учесть, что

(3)

(4)

Из последней формулы следует, что напряжение на выходе ЦАП будет увеличиваться обратно пропорционально уменьшению

. Но так как напряжение на выходе ЦАП повторяет напряжение на выходе АЦП, то преобразование сигнала с частотой выше ФНЧ будет происходить с усилением обратно пропорциональным , т. е. с подъемом высших частот, и поэтому на этих частотах раньше будет достигнут максимальный уровень преобразования. Это означает, что частоту среза ФНЧ в данном случае необходимо выбирать не в соответствии с верхней частотой сигнала, а в соответствии со спектральной плотностью сигнала. Например, согласно формуле (2), для музыкальных сигналов максимальная мощность снижается до 6 дБ на октаву, начиная с частоты 2…4 кГц. Поэтому, если в устройстве использовать ФНЧ первого порядка с частотой , равной 2…4 кГц, то хотя преобразование и будет идти с подъемом частот выше 2…4 кГц на уровне 6 дБ на октаву, это не будет вызывать перегрузки на высших частотах, но позволит существенно улучшить качество преобразования.

С выхода цифровой линии задержки, сигнал поступает на буферный регистр. Он считывает информацию с линии задержки и удерживает ее на входе ЦАП, в течение периодов тактовых импульсов. Затем сигнал поступает на ЦАП, где преобразуется в аналоговый сигнал. Выходной сигнал ЦАП фильтруется ФНЧ и поступает на выход преобразователя для цифрового магнитофона.

Описание работы принципиальной схемы

В приложении 2 приведена электрическая схема рассмотренного выше устройства преобразования аналоговых сигналов. Работает оно следующим образом. Через ФНЧ с частотой среза 15 кГц на ОУ DA1.1 входной сигнал поступает на один из входов сумматора –ограничителя на ОУ DA1.2 выходной сигнал последнего никогда не превышает значения напряжения, допускаемого для преобразования АЦП, выполненного на микросхеме DA3. На ее вход сигнал поступает через устройство выборки – хранения на микросхеме DA2, также обеспечивающей нормальную работу АЦП.

В АЦП сигнал преобразуется в цифровую форму и поступает на цифровую линию задержки DT1. Он может быть использован также в цифровой форме для записи на магнитофон, передачи по линии связи и т. д. Одновременно выходной сигнал АЦП поступает на вход ЦАП на микросхемах DA5, DA7, а затем уже в аналоговой форме – на выход ФНЧ первого порядка на микросхеме DA6.1. Микросхема DA6.2 обеспечивает вычитание выходного сигнала ФНЧ из входного сигнала и усиление полученной разности до необходимого значения. Сопротивление резисторов R21 и R24 выбраны такими, чтобы в точке вычитания (вывод 6 в микросхеме DA6.2) соблюдалось равенство уровня входного сигнала ФНЧ. С выхода микросхемы DA6.2 через резистор R8 сигнал поступает на вход сумматора на ОУ DA1.2. На DA4 собран источник опорного напряжения для АЦП.