Дискретно-аналоговые системы СДЦ

Основным элементам схем череспериодного вычитания, являющихся составной частью систем селекции движущихся целей, является линия задержки, выполненная по дискретно –аналоговой технологии (дискретно –аналоговые линии задержки - ДАЛЗ). Такие линии в простейшем случае состоят из последовательно соединенных элементов памяти и аналоговых переключателей, причем задержка сигналов осуществляется путем запоминания значений входного сигнала и очередного сдвига отсчетных импульсов с соответствующими амплитудами. Каждый из аналоговых переключателей выполняет функцию считывания значения сигнала с устройства памяти и перезаписи его в следующую ячейку памяти. Таким образом, ДАЛЗ подобно регистру сдвига с тем отличием, что в ней сохраняются все градации значений исходного сигнала (амплитуды импульсов с выхода фазового детектора).

В одноканальной двухтактной N-отводной ДАЛЗ (рис. 4.124, а) аналоговый переключатель КЛ₀ представляет. собой стробируемый элемент, осуществляю­щий дискретизацию непрерывного входного сигнала во времени. Генератор импульсов ГИ формирует четыре управляющие, последовательности: две импульсов считывания (стробирующих импульсов) и две импульсов стирания. При этом переключатели с четными индексами j управляются одной последовательностью импульсов считывания, а с нечетными j — другой последовательностью, сдвинутой относительно первой на время порядка половины периода следования считывающих импульсов. Импульсы стирания на каждой ячейке па­мяти предшествуют импульсу считывания на переключателе предыдущей ячейки и следуют с тем же периодом, что и считывающие импульса. Задержка выборочных значений сигнала на время, равное одному интервалу дискретиза­ции, осуществляется двумя ячейками памяти. Такая ДАЛЗ, его существу, ана­логична двухтактному цифровому регистру сдвига с указанным отличием. Про­должая аналогию, легко представить структуру однотактной ДАЛЗ, когда чис­ло требуемых ячеек памяти оказывается вдвое меньшим, чем в рассмотренной схеме. В последнем случае необходимо, как и в однотактном цифровом регист­ре, включить на вход каждой ячейки памяти линию задержки на время поряд­ка длительности импульса стирающей последовательности.

Работа звена - иллюстрируется временной диаграммой на рис. 4.124, б, где показаны последовательности стирающих ( ) и стробирующих ( ) импульсов, а также напряжение на ячейке памяти . Последова­тельность выборочных значений на выходе звена задержана относительно входной последовательности на вре­мя .

В качестве основного эле­мента ДАЛЗ, способного за­поминать выборочные значения обрабатываемого сигнала на заданный интервал времени и легко поддающегося микроми­ниатюризации, обычно исполь­зуется конденсатор. В зависи­мости от способа записи полез­ной информации, напряжение на нем может быть пропорцио­нально площади запоминаемого импульса, его амплитуде, разности зарядов двух сосед­них ячеек памяти, самому заряду, хранящемуся в ячейке.

Рис.4.124 Дискретно-аналоговая система СДЦ

Первый тип ячеек памяти представляет собой интеграторы.

Характеристики такой ячейки критичны к изменению параметров стробирую-щих и стирающих импульсов.

Второй тип ячеек с запоминанием амплитуды импульса основан на принципе детектора пиковых значений (рис. 4.125). Можно также использовать динамические ячейки (рис. 4.126), состоящие из усилителя записи УЗ, переключателя КЛ, запоминающего конденсатора и усилителя считывания УС. При последовательном соединении ячеек УС предыдущих ячеек являются одновременно и УЗ последующих ячеек.

Наиболее эффективным типом дискретно –аналоговых устройств задержки являются приборы с переносом зарядов (ППЗ). В настоящее время наибольшее распространение получили приборы с зарядовой связью (ПЗС) и «пожарные цепочки» (ПЦ).

В РЛС компенсаторы и накопители могут быть реализованы на базе приборов с переносом заряда (ППЗ). Особенности этих приборов привели к использованию специфических схемных решений при реализации указанных устройств. Поэтому прежде чем рассматривать конкретные схемные реализации компенсатора и накопителя импульсных сигналов, целесообразно рассмотреть принцип действия ППЗ, их параметры и характеристики, а также связанные с ними ограничения.

ППЗ относятся к классу дискретно-аналоговых приборов, которые занимают промежуточное положение между цифровыми и аналоговыми устройствами и позволяют создавать функционально законченные устройства, сочетающие высокую стабильность и простоту управления с малыми габаритами, массой и энергопотреблением.

Как и в цифровых фильтрах, в ППЗ используется тактовое управление, поэтому стабильность характеристик фильтра на основе ППЗ определяется стабильностью тактовой частоты. Существенным является то, что отпадает необходимость в аналого-цифровом преобразовании, так как все операции выполняются в аналоговой области.

Основное преимущество применения ППЗ для обработки радиолокационных сигналов по сравнению с цифровыми устройствами заключается в снижении стоимости аппаратуры, её габаритов, массы и потребляемой мощности. Вместе с тем устройства на ППЗ, как правило, уступают по параметрам цифровым устройствам, однако для задач обработки, которые не требуют особого качества и связаны с аппаратурой массового применения, использование ППЗ является весьма перспективным.

Рис.4.127. Структура ППЗ

Приборы с переносом заряда являются дискретно-аналоговыми линиями задержки, состоящими из последовательно соединённых запоминающих конденсаторов и аналоговых ключей, выполненных по интегральной технологии. Структура ППЗ и соответствующая ей эквивалентная схема представлена на рис. 4.127.

Структуру ППЗ можно рассматривать, как ряд полевых транзисторов с изолированными затворами, в которых истоки и стоки соединены друг с другом и, кроме того, затворы перекрывают диффузионные n-области так, что между ними существует сильная емкостная связь. Диффузионные области, являющиеся стоком для одного и истоком для следующего прибора, не подключаются к источникам напряжений. Контакты первой и последней диффузионных областей служат входными и выходными выводами.

Входное напряжение преобразуется в заряд и передаётся от ячейки к ячейке с помощью двух противофазных последовательностей тактовых импульсов U_Т1 и U_Т2. Так, при подаче на соответствующие (например, чётные) затворы импульса положительной полярности (относительно подложки) полярности находящиеся под ним диффузионные области играют роль стоков, куда перемещается заряд электронов, пропорциональный сигналу, из областей, являющимися истоками предыдущих (нечётных) элементов, затворы которых находятся под нулевым потенциалом. В следующий такт работы функции чётных и нечётных элементов меняются. Такие схемы были названы пожарными цепочками по аналогии со старинным способом передачи вёдер с водой при тушении пожара.

Таким образом, линия задержки на ППЗ из к - последовательно включенных ячеек (разрядов), обеспечивает задержку сигнала на время:

Т_зад = к Т_тп

где Т_тп – период следования управляющих тактовых импульсов.

Если спектр сигнала, который вводится в линию задержки, ограничен частотой F_mах, то в соответствии с теоремой Котельникова частота следования тактовых импульсов (частота дискретизации) должна выбираться из условия f_тп = (1 / Т_тп) F_mах.

Максимальная задержка (т.е. нижний предел тактовой частоты), реализуемая в линии задержки на ППЗ, ограничена процессами термогенерации пар электрон-дырка в объеме полупроводника и на границе полупроводника с диэлектриком, что приводит к искажению информационного зарядового пакета. Для серийных микросхем f _{Тп. min} составляет 1 ÷ 20 кГц и существенно зависит от температуры.

Одним из факторов, ограничивающих предельные возможности устройств на ППЗ, является эффективность переноса заряда α, определяемая отношением заряда Q_i+1, перешедшего в i + 1 ячейку ППЗ, к величине заряда Q_i, находившегося в i-й ячейке:

На практике часто используются коэффициентом неэффективности переноса Е = 1^{- α} , который характеризует величину заряда, оставшегося в i-й ячейке к концу процесса передачи. У реальных приборов Е лежит в пределах 10^-3 ÷ 10^-5. Неэффективность переноса зависит от тактовой частоты, что в основном определяет максимально допустимую тактовую частоту f_{тп. mах} и ограничивает допустимое число разрядов в ЛЗ на ППЗ.

Наличие неэффективности переноса заряда приводит к тому, что на выходе ЛЗ имеют место паразитные сигналы, т.е. ЛЗ на ПП, в отличии от идеальной, имеет импульсную характеристику бесконечной длительности, амплитуда откликов которой уменьшается со скоростью, определяемой величиной неэффективности переноса заряда Е и числом разрядов линии к.

Следует отметить, что в выходных цепях ЛЗ на ППЗ неизбежно возникают наводки от тактовых импульсов. Которые необходимо отфильтровать. Для этого на выходе ЛЗ всегда включается фильтр нижних частот (ФНЧ) с частотой среза, равной половине тактовой частоты.

Помимо технологических, существуют схематические пути некоторого улучшения характеристик ЛЗ на ППЗ. Влияние неэффективности переноса уменьшается при использовании двух и более параллельных каналов, которые работают на частоте соответственно более низкой (в два или более раз). ЛЗ содержит два параллельных канала, управляемых противофазными последовательностями тактовых импульсов, так что выборка входного сигнала осуществляется каждые полпериода и поступает в параллельные каналы поочередно. В этом случае, если каждый канал ЛЗ работает на частоте f_тп, то эквивалентная частота дискретизации удваивается (2f_тп). Это расширяет возможности ЛЗ на ППЗ, что особенно важно при обработке широкополосных сигналов.

Улучшение параметров ЛЗ может быть достигнуто за счет объединения двух идентичных параллельных каналов на дифференциальном усилителе. Параллельные каналы в данном случае управляются синфазными последовательностями тактовых импульсов, а на их входы подаются исходные и инвертированные сигналы. При этом на выходе ЛЗ ослабляются помехи от тактовых импульсов, которые, следовательно, могут быть отфильтрованы при менее крутом срезе частотной характеристики ФНЧ, что уменьшает нежелательный фазовый сдвиг (паразитную задержку) в ФНЧ.

В платах компенсатора и накопителя для выполнения операции задержки аналоговых видеосигналов применяются микросхемы 528БР2, которые состоят из двух независимых линий задержки по 512разрядов каждая, выполненных в виде пожарных цепочек.

Основные электрические параметры микросхемы 528БР2:

- напряжение питания + 15В ± 5%;

- амплитуда управляющих тактовых импульсов + 15В ± 5%;

- ток потребления не более 2мА;

- коэффициент усиления по напряжению 0,7…1,8;

- максимальная частота тактовых импульсов 1,5МГц;

- минимальная частота тактовых импульсов 20кГц;

- сопротивление нагрузки, не менее 10 кОм;

- диапазон рабочих температур - 60° - +70°С;

- неэффективность переноса заряда на частоте 1МГц 5 · 10^-4.