Принципы аналого-цифрового и цифроаналогового преобразования сигналов.

Электронные системы, использующие цифровые методы обработки информации, содержат устройства взаимного преобразования аналоговых и цифровых сигналов.

Цифровой сигнал можно получить из непрерывного сигнала, если осуществить операции дискретизации по времени и квантования их по уровню. Сигналы представляют в цифровой форме, закодировав их десятичными цифрами (0,1,2 …) или кодами в двоичной, восьмеричной или в других системах счисления.

Следует отметить, что дискретизация сигнала во времени и квантование его по уровню в конечном итоге определяют разрешающую способность устройств аналого-цифрового и цифроаналогового преобразования, а значит, и точность всего устройства цифровой обработки сигналов в целом. Согласно теореме Котельникова требуется, чтобы частота дискретизации f _д аналогового сигнала была вдвое больше верхней частоты f _в спектра сигнала, иначе информация об исходном виде аналогового сигнала будет искажена. Таким образом, частота дискретизации f _д должна удовлетворять условию: f _д > 2 f _в.

Так как аналоговый сигнал на входе АЦП может принимать любое значение, а выходной цифровой сигнал является дискретным сигналом, то возникает ошибка между реальным входным аналоговым сигналом и соответствующим ему значением выходного цифрового сигнала.Это приводит к ошибкам квантования.

В устройствах звуковых, видео- и радиосигналов, где их характеристики по переменному току являются определяющими, ошибки квантования приводят к так называемому шуму квантования. Основными параметрами АЦП и ЦАП являются:

Разрядность – необходимое число разрядов кода n, отображающего исходную аналоговую величину, которая формируется на выходе АЦП или на входе ЦАП. Разрядность измеряется в битах.

Разрешающая способность определяется разрядностью схемы и характеризуется минимальным изменением величины аналогового сигнала на входе АЦП или минимальным изменением сигнала на выходе ЦАП. Эти изменения обусловлены увеличением или уменьшением используемого кода на единицу.

Точность (погрешность) определяется ошибками квантования сигнала во времени и дискретизация его по уровню, а также зависит от аппаратурной погрешности, связанной с неточностью работы отдельных узлов преобразователя.

Быстродействие – время от момента начала преобразования до момента получения выходного цифрового кода. Оценивается временем преобразования, которое определяется выбранным методом преобразования и быстродействием элементной базы.

Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП). Основные характеристики, варианты схемной реализации ЦАП.

Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) – устройства, предназначенные для преобразования цифровых кодов в эквивалентные им значения выходной аналоговой физической величины (например, напряжения).

Разрешающая способность – минимальное значение входной величины, которое определяет соответствующее изменение выходной величины , где n – разрядность кода.

Чем больше разрядность цифрового кода на входе ЦАП, тем выше его разрешающая способность.

ЦАП в своем составе содержит элементы аналоговой и цифровой схемотехники. В качестве аналоговых элементов используются операционные усилители, аналоговые ключи (коммутаторы), прецизионные резисторные матрицы. Аналоговые элементы, входящие в состав ЦАП, практически полностью определяют его качественные и эксплуатационные параметры. Входной цифровой код формируется счетчиком или регистром хранения информации. Чаще всего на практике применяются n -разрядные двоичные коды с весовыми коэффициентами 8421.

В схемах ЦАП в интегральном исполнении осуществляется формирование выходного сигнала с суммированием, как токов, так и напряжений. При этом применяются в основном два схемотехнических способа:

ЦАП с взвешенными резисторами; ЦАП с цепочкой резисторов типа R-2R.

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Основные характеристики, варианты схемной реализации АЦП.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) – устройство, преобразующее аналоговый сигнал в эквивалентные значения цифрового кода. Существует большое число способов и соответствующих им схем для преобразования непрерывно изменяющейся во времени аналоговой физической величины в эквивалентные ей значения числовых кодов. Как правило, АЦП – электронное устройство, преобразующее электрическое напряжение в двоичный цифровой код.

В последнее время получила распространение классификация АЦП, показывающая, как во времени развертывается процесс преобразования. По данному признаку различают следующие типы аналого-цифровых преобразователей:

АЦП параллельного преобразования имеют высокое быстродействие, но обычно имеют разрешение не более 8 бит, так как влекут за собой большие аппаратные затраты.

К АЦП последовательного типа относят преобразователи интегрирующего типа, АЦП последовательных приближений и следящего типа. В указанных устройствах преобразование аналоговой величины осуществляется ступеньками (шагами), последовательно приближаясь к измеряемому значению. Такие АЦП позволяют получить высокую точность, но имеют невысокое быстродействие.

АЦП последовательно-параллельного типа являются комбинированными устройствами. В них с помощью малоразрядного параллельного АЦП сначала определяются старшие разряды кода, затем формируется разностный сигнал, по которому определяются младшие разряды с помощью второго параллельного АЦП.

Трехразрядный параллельный АЦП

Последовательный АЦП следящего типа

Рис. 22.4. АЦП последовательного счета

Рис. 22.5. АЦП поразрядного приближения

Дата добавления: 2015-09-03