Мультиплексор аналоговых сигналов (МАС) - это схема, обеспечивающая временное разделение каналов на входе обрабатывающего устройства. Она связывает определенный, выбранный в данный момент времени, источник сигналов с устройством его последующего преобразования. Применение МАС позволяет использовать общие преобразователи для всех входных сигналов, сокращая тем самым затраты на измерительную подсистему.

Рисунок 6.1 Основные элементы мультиплексора аналоговых сигналов

Современные MAC состоят из следующих основных элементов (рис. 6.1): аналоговых ключей АК, адресного регистра РгА, дешифратора адреса ДшА, схемы управления аналоговыми ключами СУ. Принцип действия MAC прост: код адреса выбранного канала, поступивший в РгА, преобразуется ДшА в позиционный код; СУ формирует соответствующие сигналы, управляющие АК, которые подключают к выходу МАС заданный входной канал и тем самым осуществляют коммутацию источников сигналов.

Код адреса аналогового канала может вводиться в РгА в параллельной или в последовательной форме. Второй вариант реализован в интегральной схеме (ИС) МАС типа К1104КН1; его недостаток - низкое быстродействие.

По способу адресации каналов МАС можно разделить на МАС с адресным, циклическим и комбинированным опросом. При адресном опросе адрес каждого канала определяется потребителем информации. При циклическом опросе управляющее устройство запускает коммутатор каналов, работающий в автоматическом режиме с возможностью прерывания цикла. При комбинированном опросе управляющее устройство задает зону адресов, в пределах которой осуществляется циклический опрос. Для этого используются два регистра: один - для хранения длины зоны опроса, другой - для циклического режима.

Выпускаемые в настоящее время мультиплексоры имеют ограниченное число аналоговых ключей. Для увеличения числа коммутируемых каналов нужно использовать многоступенчатый принцип коммутации (обычно двухступенчатый). Все ключи первой ступени адресуются одним адресным регистром, вторая ступень коммутируется специальным стробирующим (управляющим) импульсом.

Функциональная полнота схемы МАС определяется числом внешних элементов, необходимых для организации его работы. В качестве примера функционально полной схемы можно привести ИС К1104КН1.

Основными факторами, определяющими динамические свойства мультиплексора, являются время включения, время установления и время выключения, причем наилучший вариант - когда время включения превышает время выключения: это гарантирует отключение ранее выбранного канала, прежде чем произойдет включение следующего. Время установления выходного сигнала мультиплексора зависит не только от его параметров, но и от параметров источников входных сигналов.

Наиболее распространенные ИС МАС имеют следующие характеристики: ключи выполняются по КМОП-технологии, число коммутируемых каналов - от 8 до 16, диапазон коммутируемых напряжений ±15 В, диапазон коммутируемых токов 5...50 мА, сопротивление открытого ключа от 50 до 500 Ом, время включения от 0,3 до 2,5 мкс.

Кроме твердотельных элементов, в технике коммутации аналоговых сигналов могут применяться электромагнитные коммутаторы с магнитоуправляемым контактом (герконы). Их основные достоинства - высокая надежность и устойчивость к воздействию перенапряжений (в частности, из-за воздействия помех, которые в промышленных установках могут достигать 100 В в диапазоне частот до 2000 Гц); отсутствие гальванической связи между управ­ляющими и коммутируемыми цепями; низкое сопротивление замкнутых контактов и очень высокое - разомкнутых; стабильная работа в широком диапазоне температур. Лучшие образцы герконовых ключей требуют для переключения мощность, меньшую 100 мВт, при скорости переключения порядка 1 мс и полосе частот до 1 кГц.

Современные аналоговые ключи и мультиплексоры характеризуются хорошим согласованием сопротивления каналов, возможностью работать с одним источником питания, а также сохранением работоспособности при существенном превышении сигнала над уровнем источника питания. Применение таких ключей и мультиплексоров обеспечивает защиту других микросхем от перенапряжений и такой широко встречающейся причины выхода из строя аналоговых микросхем как наличие сигнала на входе при отсутствии питания.

Схемы выборки и хранения Схемы выборки и хранения аналоговых сигналов служат для фиксации мгновенных значений напряжения в заданные моменты времени. В измерительных трактах эти схемы необходимы для согласования динамических характеристик непрерывных входных сигналов с динамическими характеристиками аналого-цифровых преобразователей. Благодаря им удается снизить динамическую погрешность, выполнить точную временную привязку значения кода к фактическому моменту получения отсчета и, соответственно, упростить дальнейшую обработку сигнала. Схемы выборки и хранения нужны также для многоканальных систем, где они обеспечивают хранение отсчета по одному каналу, в то время как мультиплексор переключается на другой канал.

а)                                                                                             б)

Рисунок 6.2

На рис. 6.2 показаны упрощенная принципиальная схема (а) и форма сигналов для типичной схемы выборки и хранения (б). Аналоговый ключ K замыкается при поступлении команды ВЫБОРКА. Конденсатор С начинает заряжаться (или разряжаться) до уровня входного сигнала. После определенной задержки, называемой временем выборки, напряжение на конденсаторе достигает границ узкой области вблизи уровня входного сигнала, ширина которой определяется точностью работы схемы, и остается внутри этой области. Команда ХРАНЕНИЕ вызывает размыкание ключа K, но фактически ключ размыкается после короткого временного интервала, называемого апертурным временем задержки. Типичное значение этого времени - несколько десятков наносекунд. После размыкания ключа должно пройти некоторое «время установления», прежде чем выходной сигнал стабилизируется, т.е. придет к установившемуся значению и будет готов для преобразования. Однако и после стабилизации уровень этого сигнала не остается постоянным, а медленно спадает со временем из-за утечки заряда. Кроме того, наличие паразитной емкости может привести к появлению на выходе схемы выбросов напряжения, представляющих собой ослабленный отклик схемы на любые большие изменения входного сигнала.

Характеристики схемы выборки и хранения определяется запоминающим конденсатором и режимом его работы. При выборе конденсатора с малой емкостью уменьшается время заряда, но увеличивается спад напряжения в режиме хранения. С другой стороны, конденсатор с большой емкостью более точно хранит напряжение, но при этом долго заряжается. Обычно его номинал выбирается так, чтобы получить минимальное время выборки при условии, что спад напряжения за цикл преобразования не должен превышать единицы младшего разряда аналого-цифрового преобразователя. Типичное значение времени выборки - 5 мкс при точности 0,1 % или от 10 до 20 мкс при точности 0,01 %; скорость спада - от 0,1 до 5 В/с.

Диапазон параметров схем выборки-хранения очень широк. Так, микросхема SHC298 (фирма BURR-BROWN) имеет время установления 19 мкс, апертурную задержку порядка 200 нс, скорость разряда 0,2 мкВ/мкс и скорость нарастания 10 В/мкс. Это самая дешевая схема.

Сверхбыстродействующая схема SHC605 той же фирмы имеет следующие параметры: время установления 60 нс, апертурную задержку 1,7 нс, скорость разряда 8000 мкВ/мкс и скорость нарастания 140 В/мкс.

Реальные схемы выборки и хранения состоят из интегратора с высокоомной нагрузкой и малыми токами утечки и ключевых схем и могут быть построены на операционных усилителях. Так, например, микросхема КР1100СК2 содержит два операционных усилителя с входным сопротивлением более 10 мОм и схему управления, обеспечивающую токовое управление ключами. Для функционального завершения к микросхеме КР1100СК2 необходимо подключить высококачественный (с диэлектриком из полипропилена, полистирола или тефлона) конденсатор С, емкость которого выбирается исходя из приведенных выше соображений и обычно лежит в пределах от 20 до 1000 пФ.

Часто схемы выборки-хранения конструктивно объединяют с преобразователем «напряжение-код».

Контрольные вопросы

1 Назначение мультиплексора аналоговых сигналов

2 Способы адресации каналов мультиплексора аналоговых сигналов

3 Основные факторы, определяющие динамические свойства мультиплексора

4 Назначение схем выборки и хранения аналоговых сигналов

5 Принцип работы типичной схемы выборки и хранения

6 Чем определяются характеристики схемы выборки и хранения

7 Диапазон параметров схем выборки-хранения

Лекция 7 Детекторы. Амплитудная модуляция и синхронное детектирование. Фазовый детектор. Схемы гальванической развязки

Детекторы

Существуют датчики, выходной сигнал которых представляет собой модулированное колебание определенной частоты. Извлечение информации из такого сигнала основано на детектировании - процессе выделения модулирующего сигнала на фоне «несущей».