X. ANALÓG JELEK ILLESZTÉSE DIGITÁLIS ESZKÖZÖKHÖZ

Átírás

1 X. ANALÓG JELEK ILLESZTÉSE DIGITÁLIS ESZKÖZÖKHÖZ Ma az analóg jelek feldolgozása (is) mindinkább digitális eszközökkel és módszerekkel történik. A feldolgozás előtt az analóg jeleket digitalizálni kell. 1

2 X.1. AZ ANALÓG JELFELDOLGOZÁS ELEMEI Rendszerint szükség van az analóg jelek erősítésére, gyöngítésére, eltolására és/vagy szűrésére, mielőtt elvégeznénk a digitalizálást. 2

3 ERŐSÍTŐK Régebben az erősítőket elektroncsövekkel-, majd diszkrét tranzisztorokkal és a működésükhöz szükséges passzív alkatrészekkel oldották meg. A mai alkalmazástechnika szinte csak műveleti erősítős kapcsolásokat ismer, különösen a digitális eszközökhöz való illesztés területén. A műveleti erősítők többfokozatú, integrált, tranzisztoros erősítők. 3

4 A műveleti erősítő elvi rajzát az a ábrán láthatjuk. Az erősítőnek két bemeneti pontja van: + jelöli az úgynevezett neminvertáló bemenetet, - az invertáló bemenetet. Az erősítő a két bemenet közötti potenciálkülönbséget erősíti: A képletnek a b ábrán megadott átviteli jelleggörbe felel meg, azzal, hogy a lineáris tartományon túl a jelleggörbe ellaposodik, lecsökken az erősítés. 4

5 5

6 SZŰRŐK Vannak olyan alkalmazások, amelyekben nem egyszerűen növelni vagy csökkenteni kell a feldolgozandó analóg jelet, hanem a frekvenciatartományi összetevőket kell módosítani. Egyes esetekben a magas frekvenciás összetevőket kell elnyomni, más esetekben az alacsony frekvenciásakat, de vannak ennél összetettebb igények is. 6

7 Az analóg szűrők egy része tisztán passzív alkatrészeket tartalmaz, de aktív elemek (elsősorban műveleti erősítők) beépítésével további lehetőségek (erősítés, impedancia illesztés...) nyílnak meg. Az a ábrán megadott RC kapcsolás egy passzív aluláteresztő szűrő, ezt egy illesztő kapcsolás követi. 7

8 8

9 Az aluláteresztő szűrő frekvenciamenete a Ez a komplex függvény tartalmazza a szűrőnek a bemeneti szinusz jel amplitúdójára és fázisára gyakorolt hatását, bármely frekvenciára. 9

10 Diagram formájában a b ábra mutatja, hogy a határfrekvenciáig ω h a jel akadálytalanul halad át a szűrőn, felette viszont jelentősen csökken az amplitúdója (-20 db/dec a meredekség), azaz a frekvencia tízszeres növelése tized részére csökkenti a kimeneti jel amplitúdóját. Az áteresztő tartományban a kimeneti jel fázisa megegyezik a bemenetével, a határfrekvencia közelében a kimeneti jel késni kezd, magas frekvencián a késés 90 fokhoz közelít. 10

11 11

12 Az ábrán megadott RC kapcsolás egy passzív felüláteresztő szűrő, ezt egy illesztő kapcsolás követi. 12

13 Az felüláteresztő szűrő frekvenciamenete a következő módon számítható Diagram formájában a következő ábra mutatja, hogy a határfrekvencia felett 13

14 A 14

15 a jel akadálytalanul halad át a szűrőn, alatta viszont jelentősen csökken az amplitúdója (+20 db/dec a meredekség, azaz a frekvencia tízszeres csökkentése tized részére csökkenti a kimeneti jel amplitúdóját). Az áteresztő tartományban a kimeneti jel fázisa megegyezik a bemenetével, a határfrekvencia alatt viszont a kimeneti jel siet a bemeneti jelhez képest, ez a sietés 90 fokhoz tart. 15

16 X.2. DIGITÁLIS-ANALÓG ÁTALAKÍTÓK Egyes esetekben az analóg vezérlő-, kijelző- stb. eszközök digitális berendezésektől kapják az információt. Közvetlenül nem tudják hasznosítani a digitális információt, ezért szükség van egy digitális-analóg átalakítóra. 16

17 SÚLYOZOTT ELLENÁLLÁSHÁLÓZATTAL MŰKÖDŐ ÁTALAKÍTÓK Az erősítő áramköröknél alkalmazott összegző erősítő felhasználható digitális jelek analóg jellé való átalakítására, ha megfelelően választjuk meg a kapcsolás ellenállásait. A következő ábra egy három bites számot analóg jellé(feszültség) alakító megoldást mutat. 17

18 Az analóg kimeneti feszültség az alábbi képlettel számítható: 18

19 Ha a V1, V2, V3 feszültségek egy hárombites szám bitjeinek megfelelő logikai szintek és a logikai szinteket 0 V- ra és 4 V-ra igazítjuk, a digitális analóg átalakítóra az alábbi átviteli karakterisztikát nyerjük (a negatív előjeltől eltekintettünk). 19

20 AZ R-2R ELLENÁLLÁSHÁLÓZATTAL MŰKÖDŐ ÁTALAKÍTÓK Integrált kivitelezésre az R-2R létrahálózattal megvalósított digitális-analóg átalakító ad lehetőséget, tekintettel arra, hogy csak két ellenállásértéket (R és 2 R) kell pontosan megvalósítani. Egy lehetséges megoldást az alábbi ábra mutat, ismételten három bites számok esetére. 20

21 A 21

22 ANALÓG-DIGITÁLIS ÁTALAKÍTÓK Az analóg jel (pl. feszültség) digitális jellé (szám) alakítása nagyobb elméleti felkészültséget és bonyolultabb hardvert igényel, mint az eddig tárgyalt, fordított irányú, átalakítás. A továbbiakban megtárgyaljuk az analóg-digitális átalakítás folyamatát. 22

23 AZ ÁTALAKÍTÁS LÉPÉSEI Az analóg-digitális átalakítás megvalósításához három feladatot kell megoldani: mintavételezés amplitúdó szerinti diszkretizálás, kódolás. 23

24 A 24

25 A mintavételezést nevezik idő szerinti diszkretizálásnak is. Az átalakítás nem vonatkozik a teljes analóg jelre, hanem annak csak egyes pillanatértékeire, amelyeket, rendszerint periódikusan, kiválasztunk az analóg jelből és kondenzátorban rögzítünk. A mintavételezésre egyrészt azért van szükség, mert az átalakítás további műveleteit zavarná a bemenő jel folyamatos változása, másrészt az átalakítás eredménye egy számsor, amellyel nem lehet lefedni a teljes analóg jelet, hanem csak annak konkrét értékeit. 25

26 A mintavételezést kellő gyakorisággal (frekvenciával) kell végezni, hogy ne veszítsünk túl sok információt a bemeneti jelből. Elvileg elegendő (Shannon tétel), ha a jel legmagasabb felharmonikusának a kétszeres frekvenciáján végezzük a mintavételezést, de a gyakorlatban ennél magasabb frekvenciát szoktak alkalmazni. 26

27 A következő lépés az amplitúdó szerinti diszkretizálás. Ennek során a mintavételezett értéket összehasonlítjuk egy diszkrét skálával és a skála legközelebbi értékével egyenlítjük ki. Ez azért szükséges, mert az átalakítás eredményeként születő szám adott számú bitből áll, így csak korlátos számú digitális érték lehetséges, annak ellenére, hogy az analóg bemenet folytonos. Az átalakítási folyamat utolsó lépése a kódolás. Az adott pillanatban kapott diszkrét bemeneti értékhez számot kell rendelni. 27