PIC-микроконтроллеры. Все, что вам необходимо знать

Для восстановления исходного узкополосного сигнала из импульсной последовательности можно воспользоваться фильтром нижних частот, как показано на Рис. 14.3, г. Реальные фильтры будут пропускать определенные гармоники, хотя и ослабляя их. При более внимательном рассмотрении спектра сигнала на Рис. 14.3, г можно заметить остаток нижней боковой полосы первой гармоники, попавшей в полосу пропускания фильтра. Однако наибольшие искажения в восстановленном аналоговом сигнале возникли из-за ошибок квантования, вызванных грубой 3-битной дискретизацией. Подобная система будет иметь отношение S/N на уровне 20 дБ.

Чтобы снизить требования, предъявляемые к восстанавливающему фильтру, частота отсчетов выбирается, как правило, несколько выше частоты Найквиста. За счет этого появляется защитный промежуток между спектрами. Например, системы телефонной связи с ИКМ ограничивают входной аналоговый сигнал на уровне 3.4 кГц, однако частота выборки при этом составляет 8 кГц. Аналогично, в музыкальных компакт-дисках используется частота дискретизации 44.1 кГц, при этом максимальная частота сигнала составляет всего 20 кГц.

Еще один пример дискретизации с частотой ниже частоты Найквиста показан на Рис. 14.4. В данном случае частота дискретизации составляет всего 0.75 от частоты узкополосного сигнала. Результат восстановления сигнала посредством фильтрации полученной импульсной последовательности, показанный на Рис. 14.4, б, мягко говоря, не очень похож на исходный сигнал. Этот ложный сигнал называется помехой дискретизации или ложной частотой (alias). В случае, когда во входном аналоговом сигнале присутствуют составляющие с частотой, которая больше половины частоты дискретизации, скажем, из-за шумов, они приводят к появлению искажений в восстановленном сигнале. По этой причине аналоговые сигналы перед подачей на АЦП обычно пропускают через ФНЧ. Данный процесс известен как защита от наложения спектров.

* * *

При работе с аналоговыми сигналами во многих случаях достаточно просто знать, как соотносится контролируемое напряжение с опорным значением V_ref. Например, сигнал, изображенный на Рис. 14.5 (см. также Рис. 14.20), представляет собой ток разряда двухфазного дефибриллятора ЭКГ, формируемый датчиком тока (преобразователем ток — напряжение) на основе эффекта Холла. В режиме покоя (когда дефибриллятор не используется) напряжение на выходе датчика держится на уровне 2.6 В. Когда дефибриллятор начинает разряжаться, это напряжение в течение нескольких десятков микросекунд резко увеличивается до 3.6 В.

Рис. 14.3.Процесс аналого-цифрового преобразования

Рис. 14.4.Эффект наложения спектров

Если микроконтроллеру необходимо отслеживать напряжение в течение последующих нескольких десятков миллисекунд, скажем, для вычисления суммарной энергии разряда, то для запуска этого процесса ему необходимо знать, когда напряжение превысит пороговое значение. На Рис. 14.5 в качестве порогового выбрано напряжение 3.4 В. Разумеется, можно просто с большой частотой считывать аналоговый сигнал с помощью встроенного модуля АЦП (если он есть), как описано далее на стр. 511, однако на реализацию этой процедуры непрерывного считывания и проверки уйдет большая часть вычислительных ресурсов процессора. Программа получилась бы более эффективной, если бы имелась возможность автоматической генерации прерывания при превышении входным напряжением порогового значения, а уже обработчик прерывания запускал бы процедуру считывания и анализа сигнала в режиме реального времени.

На Рис. 14.5 аналоговый сигнал V_defb подается на неинвертирующий (+) вход аналогового компаратора. К инвертирующему входу компаратора подключен источник опорного напряжения 3.4 В. Когда напряжение V_defb становится больше напряжения V_ref, сигнал на выходе компаратора меняется с лог. 0 на лог. 1, и, наоборот, при V_defb < V_ref выходе компаратора снова появляется лог. 0.

По своей сути аналоговый компаратор является дифференциальным усилителем с высоким коэффициентом усиления без отрицательной обратной связи (ООС). Имея очень большое значение коэффициента усиления при разомкнутой цепи ООС, усилитель будет переходить в состояние насыщения с уровнем выходного сигнала, близким к отрицательному или положительному напряжению источника питания, если напряжения на его входах отличаются даже на чрезвычайно малую величину. Таким образом, в качестве компаратора может применяться обычный ОУ, однако лучше использовать специализированные микросхемы, формирующие на выходе стандартные логические уровни, а также мгновенно срабатывающие при переходе медленно меняющегося сигнала через пороговое значение.

Рис. 14.5.Использование аналогового компаратора для определения начального момента разряда дефибриллятора ЭКГ