Лекция 11 Цифровая электроника

Дискретизация по времени и квантование по уровню лежат в основе преобразования сигнала из аналоговой формы в цифровую. Для того, чтобы понять, как дискретизация по времени и квантование могут преобразовать аналоговый сигнал в последовательность чисел, давайте вначале рассмотрим характеристики этого сигнала.

Аналоговый сигнал — это напряжение, непрерывно изменяющееся во времени. Таким образом, аналоговый сигнал имеет два параметра — время и уровень (величину сигнала) — и для его правильной передачи эти параметры необходимо закодировать.

В цифровом сигнале также должна сохраняться временная и уровневая информация. Но вместо кодирования и записи этих параметров в аналоговой форме (как на грампластинке), в цифровой записи временные и уровневые параметры сохранены в дискретной форме.

Временная информация кодируется в цифровой форме путем периодического измерения мгновенных значений сигнала. Дискретное значение аналогового сигнала называют отсчетом. Уровень кодируется в результате представления значения каждого отсчета при помощи числа. Этот процесс называется квантованием. Таким образом, дискретизация по времени и квантование по уровню являются основой цифрового преобразования

Дискретизацию можно проводить не только по времени, но и по количеству необходимых отсчетов.

Рисунок 62 Сигнал до квантования (а), сигнал после квантования (б), ошибка квантования

На рисунке 62а сигнал, содержащий 256 отсчетов (отдельные отсчеты в этом масштабе не различимы), значения уровня сигнала измеряются в вольтах и изменяются непрерывно, т.е. квантования нет. На рисунке 62б показан тот же сигнал после квантования с числом двоичных разрядов b = 4, т.е. имеющий 16 уровней квантования. Размер шага квантования h = 0,1. Масштаб шкалы по вертикальной оси координат такой же, как на предыдущем рисунке.

На рисунке 62в показаны значения величины ошибки , вносимой в сигнал операцией квантования (переход от непрерывной записи к дискретной). Несмотря на то, что переход к цифровой записи вносит свою ошибку, тем не менее, преимущества цифровой записи очевидны – почти полная помехозащищенность и стабильность.

Электронные ключи

Электронный ключ - элемент, который под воздействием управляющего сигнала производит различные коммутации (источников питания, активных элементов и т.д.). Электронный ключ является основой для построения более сложных цифровых устройств. Ключ имеет два состояния: замкнутое и разомкнутое

Рисунок 63 Функциональная схема ключа и диаграммы выходного напряжения при замыкании и размыкании; при равенстве входного напряжения пороговому (напряжение срабатывания) U_вх = U_пор.

Для реализации ключей используют диоды, биполярные и полевые транзисторы.

Рассмотрим режимы работы транзисторного ключа на биполярном транзисторе.

Выбираем транзистор n-p-n типа, схема включения с общим эмиттером показана на рисунке. 64.

Для ключа на транзисторе p-n-p типа меняются полярности напряжений.

Рисунок 64 Принципиальная схема транзисторного ключа на транзисторе n-p-n типа и входные характеристики с нагрузочной прямой (U_ИП=Е_К)

Выходное напряжение (по закону Ома для активного участка цепи , транзистор).

Транзистор в нашей схеме может находиться в одном из трёх состояний:

1) Закрыт (выключен), находится в режиме отсечки (область 1);

2) Открыт, находится в линейной области в активном режиме (область 2);

3) Открыт (включён), находится в режиме насыщения (область 3).

1) Режим отсечки:

Режим отсечки создаётся путём подачи на базу транзистора запирающего отрицательного напряжения , транзистор закрыт, оба p-n перехода смещены в обратном направлении. Этот режим для электронного ключа не подходит, так как дальнейшее увеличение коллекторного тока переводит транзистор в активный режим.

2) Активный режим:

Активный режим создаётся путём подачи на базу транзистора положительного напряжения . При этом эмиттерный p-n переход будет смещён в прямом направлении, а коллекторный – в обратном направлении, т.к. .

В активной области между входными и выходными токами существует жесткая связь, поэтому для реализации электронного ключа на транзисторе, этот режим также не подходит.

3) Режим насыщения. Такой режим наступает при , при этом транзистор открыт. Оба p-n перехода смещены в прямом направлении.

В режиме насыщения транзистор перестаёт управляться по цепи базы, поэтому ток коллектора насыщения остаётся неизменным и определяется сопротивлением нагрузочного резистора : (ключ выключен, выходное напряжение около нуля))

Дальнейшее увеличение входного сигнала при приводит к увеличению потока электронов из эмиттера в базу и электроны (неосновные носители) в виде объёмного заряда скапливаются в области базы. Наступает так называемое насыщение транзистора.

С физической точки зрения степень насыщения характеризует собой величину избыточного заряда неосновных носителей (электронов) в базе транзистора.

С ростом тока базы растёт по экспоненциальному закону объёмный заряд неосновных носителей в базе.

Чем больше избыточный заряд , тем сильнее насыщен транзистор, а рассеивание заряда обуславливает инерционность транзистора при его выключении, что в итоге существенно влияет на быстродействие ключевой схемы.

Передаточная характеристика:

Рисунок 65 Передаточная характеристика транзистора

Ключ открыт при значении входного напряжения меньше U_пор (примерно 0,78В). Транзистор в это время закрыт (I_К≈0), и выходное напряжение равно напряжению питания. Если U_пор>0,78В Ключ закрыт, и выходное напряжение около нуля.

Чем уже переходная область, тем быстрее происходит переключение и, следовательно, лучше передаточная характеристика транзисторного ключа. Обратите внимание на то, что быстрота переключения связана с переходными процессами в электронном ключе и, прежде всего, с ёмкостью p-n перехода.