Устройства дискретной обработки аналоговых сигналов

Известно два основных типа таких устройств: аналого-цифровые устройства (рис. 7.1.4, а) и устройства на переключаемых конденсаторах (рис. 7.1.4, б), или 5С-устройства (S — Switch, С — Capacitor). Для описания обоих типов устройств используются разностные уравнения, а для анализа (синтеза) — 2-преобразование. Схемное сходство устройств состоит в использовании (обычно простых аналоговых) ФНЧ, включаемых на входе и выходе устройств. Их отличительные черты обусловлены различной формой сигналов, используемых для непосредственной обработки информации.

В аналого-цифровых устройствах (см. рис. 7.1.4, я) основную обработку осуществляет цифровое устройство, на входе которого включается АЦП, обеспечивающий цифровую форму представления исходной информации, а на выходе.

Рис. 7.1.4. Структура системы обработки аналоговых сигналов:

а — с использованием цифрового устройства; б — с использованием устройства на переключаемых конденсаторах ЦАП — переход к аналоговой форме представления выходного сигнала. Представленная на рис. 7.1 Л, а структура широко используется при цифровой обработке. Степень сложности цифрового устройства обработки определяется назначением цифровой системы и может варьироваться в широких пределах: от нескольких типовых узлов до микропроцессоров.

В устройствах обработки аналоговых сигналов на переключаемых конденсаторах (см. рис. 7.1.4, б) используется два УВХ, включенных на входе и выходе основного функционального преобразователя — SC-устройства обработки. Все узлы (за исключением ФНЧ) выполняются на основе управляемых ключей, конденсаторов и операционных усилителей.

В схемах на рис. 7.1.4 устройства обработки могут выполнять различные нелинейные операции, однако в этой главе основное внимание будет уделено дискретным фильтрам, в которых обработчиками информации являются линейные стационарные системы, называемые также линейными инвариантными во времени системами.

Восстановление сигнала с помощью УВХ. Простейшим средством восстановления аналогового сигнала может служить устройство выборки и хранения, называемое экстраполятором нулевого порядка [15], с импульсной характеристикой, представленной на рис. 7.1.5, а:

Рис. 7.1.5. Восстановление сигнала с помощью УВХ:

а — импульсная характеристика УВХ; б — форма восстановленного сигнала

На рис. 7.1.5, 6 пунктиром показан непрерывный сигнал s (t), точками — его выборочные значения 5″ = л («7'_д), а ступенчатой функцией — восстановленный по выборкам сигнал, у_в(?) на выходе УВХ. Восстановленный сигнал s_B(t) отличается от непрерывного сигнала s (t), однако с уменьшением периода дискретизации Т_д принимает форму, близкую к s (t).

Для определения передаточной функции УВХ представим импульсную характеристику (7.1.2) суммой двух разнополярных одноступенчатых функций амплитудой 1/Г_д, сдвинутых во времени на Т_д и, воспользовавшись преобразованием Лапласа, получим.

После подстановки s =ja> в (7.1.3) перейдем к комплексной форме представления передаточной функции.

где Я (со), Ф (со) — амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики УВХ.

Спектр восстановленного сигнала s_B(f) равен произведению спектра 5_л(/со) исходного дискретизированного сигнала на частотную характеристику (7.1.4) УВХ:

Как следует из выражений (7.1.4) и (7.1.5), причиной искажений восстановленного сигнала s_B(t) по отношению к исходному s (t) является отклонение формы АЧХ Я (ео) устройства выборки и хранения от идеальной характеристики (см. рис. 7.1.1, в). Для уменьшения искажений следует повышать частоту дискретизации.