Analogno-digitalni pretvarač

Iz Wikipedije, besplatne enciklopedije
Idi na navigaciju Idi na pretraživanje
Četvorokanalni analogno-digitalni pretvarač

Analogno-digitalni pretvarač [1] [2] [3] ( ADC , engleski Analog-to-digital converter, ADC ) je uređaj koji pretvara ulazni analogni signal u diskretni kod ( digitalni signal ).

Obrnuta konverzija se vrši pomoću digitalno-analognog pretvarača (DAC, DAC).

Obično je ADC elektronički uređaj koji pretvara napon u binarni digitalni kod. Međutim, neke ne-elektroničke uređaje s digitalnim izlazom također treba klasificirati kao ADC-ove, poput nekih vrsta pretvarača ugla u kod . Najjednostavniji jednobitni binarni ADC je komparator .

Dozvola

ADC rezolucija - minimalna promjena u vrijednosti analognog signala koju može pretvoriti dani ADC - povezana je s njegovim kapacitetom. U slučaju jednog mjerenja bez uzimanja u obzir šuma, rezolucija je direktno određena kapacitetom ADC -a.

ADC kapacitet karakterizira broj diskretnih vrijednosti koje pretvarač može emitirati na izlazu. U binarnim ADC -ima mjeri se u bitovima , u trostrukim ADC -ima se mjeri u tritovima . Na primjer, binarni 8-bitni ADC sposoban je proizvesti 256 diskretnih vrijednosti (0 ... 255) , trostruki 8-bitni ADC sposoban je za 6561 diskretne vrijednosti jer ...

Rezolucija napona jednaka je naponskoj razlici koja odgovara maksimalnom i minimalnom izlaznom kodu podijeljena s brojem diskretnih izlaznih vrijednosti. Na primjer:

  • Primjer 1
    • Raspon ulaza = 0 do 10 volti
    • Bit ADC 12 bita: 2 12 = 4096 nivoa kvantizacije
    • Rezolucija binarnog ADC napona: (10-0) / 4096 = 0,00244 volti = 2,44 mV
    • Dubina bita ternarnog ADC 12 trit: 3 12 = 531 441 nivo kvantizacije
    • Rezolucija napona trostrukog ADC-a: (10-0) / 531441 = 0,0188 mV = 18,8 μV
  • Primjer 2
    • Ulazni raspon = -10 do +10 volti
    • Binarna ADC širina bita 14 bita: 2 14 = 16384 nivoa kvantizacije
    • Rezolucija binarnog ADC napona: (10 - ( - 10)) / 16384 = 20/16384 = 0,00122 volti = 1,22 mV
    • Dubina bita ternarnog ADC 14 trit: 3 14 = 4 782 969 nivoa kvantizacije
    • Rezolucija napona ternarnog ADC -a: (10 - ( - 10)) / 4782969 = 0,00418 mV = 4,18 μV

U praksi, rezolucija ADC-a ograničena je omjerom signala i šuma ulaznog signala. S visokim intenzitetom šuma na ADC ulazu, postaje nemoguće razlikovati susjedne nivoe ulaznog signala, odnosno rezolucija se pogoršava. Tako realno dostižna rezolucija opisuje efektivnu dužinu riječi ( engl. Efektivni broj bitova, ENOB), koja je manja od stvarnog bita ADC. Prilikom pretvaranja vrlo bučnog signala, najmanje značajni bitovi izlaznog koda su praktički beskorisni jer sadrže šum. Da bi se postigla deklarirana širina bita, omjer signala i šuma ulaznog signala trebao bi biti približno 6 dB za svaki bit dubine bita (6 dB odgovara dvostrukoj promjeni nivoa signala).

Vrste konverzije

Prema metodi primijenjenih algoritama, ADC je podijeljen na:

  • Sekvencijalna direktna konverzija
  • Uzastopna aproksimacija
  • Serijska sigma-delta modulacija
  • Paralelna jednostepena
  • Paralelna dvostepena ili više stepenica (transporter)

ADC -ovi prva dva tipa podrazumijevaju obaveznu upotrebu uređaja za uzorkovanje i skladištenje (UWH). Ovaj uređaj služi za pohranu analogne vrijednosti signala za vrijeme potrebno za obavljanje konverzije. Bez toga, rezultat konverzije serijskog ADC -a bit će nepouzdan. Dostupni su integrirani ADC -i sa sukcesivnom aproksimacijom, koji sadrže IAC i zahtijevaju vanjski IAC. [ izvor neodređen 2099 dana ] .

Linearni ADC -ovi

Većina ADC-a se smatra linearnim , iako je analogno-digitalna konverzija u osnovi nelinearni proces (budući da je operacija preslikavanja kontinuiranog prostora u diskretni prostor nelinearna).

Izraz linearno u odnosu na ADC znači da je raspon ulaznih vrijednosti prikazanih na izlaznoj digitalnoj vrijednosti linearno povezan s ovom izlaznom vrijednošću, odnosno, izlazna vrijednost k postiže se s rasponom ulaznih vrijednosti od

m ( k + b )

prije

m ( k + 1 + b ),

gdje su m i b neke konstante. Konstanta b je obično 0 ili −0,5. Ako je b = 0, ADC se naziva kvantizator srednjeg uspona , ali ako je b = −0,5, tada se ADC naziva kvantizator srednjeg gazišta .

Nelinearni ADC-ovi

Ako bi gustoća vjerojatnosti amplitude ulaznog signala imala ujednačenu distribuciju , tada bi odnos signal / šum (primijenjen na šum kvantizacije) bio maksimalni mogući. Iz tog razloga, prije kvantiziranja po amplitudi, signal se obično propušta kroz inercijski pretvarač, čija prijenosna funkcija ponavlja funkciju distribucije samog signala. Ovo poboljšava vjernost prijenosa signala jer se najvažnija područja amplitude signala uzorkuju boljom rezolucijom. U skladu s tim, tijekom digitalno-analogne konverzije bit će potrebno obraditi signal funkcijom koja je inverzna funkciji distribucije izvornog signala.

Ovo je isti princip koji se koristi u komparatorima koji se koriste u magnetofonima i raznim komunikacijskim sistemima, a cilj mu je maksimiziranje entropije . (Ne miješajte komparator s kompresorom !)

Na primjer, glasovni signal ima Laplacijevu amplitudnu distribuciju . To znači da blizina nulte amplitude nosi više informacija od područja s većom amplitudom. Iz tog razloga, logaritamski ADC -i često se koriste u sistemima za prijenos glasa za povećanje dinamičkog raspona prenesenih vrijednosti bez promjene kvalitete prijenosa signala u području niske amplitude.

8-bitni ADC-ovi sa lo -law ili μ-law zapisom pružaju širok dinamički raspon i visoku rezoluciju u najkritičnijim rasponima niske amplitude; linearni ADC sa sličnom kvalitetom prijenosa morao bi biti širok oko 12 bita.

Specifikacije

Prijenosna karakteristika ADC -a je ovisnost numeričkog ekvivalenta izlaznog binarnog koda o vrijednosti ulaznog analognog signala. Govore o linearnim i nelinearnim ADC-ovima. Ova podjela je uslovna. Obje karakteristike prijenosa su stepenaste. Ali za "linearne" ADC -ove uvijek je moguće povući takvu ravnu liniju da sve točke prijenosne karakteristike odgovaraju ulaznim vrijednostima (gde - korak uzorkovanja, k leži u rasponu 0..N , gdje je N kapacitet ADC -a ), bili su jednako udaljeni od njega.

Tačnost

Postoji nekoliko izvora greške ADC -a. Greške u kvantizaciji i (pod pretpostavkom da ADC treba biti linearan) nelinearnosti svojstvene su svakoj A / D konverziji. Štaviše, postoje takozvane greške otvora blende koje nastaju zbog takta džitera ( engl. Jitter) , nastaju prilikom pretvaranja signala u cjelinu (za razliku od jedne referentne tačke).

Ove greške se mjere u jedinicama koje se zovu LSB - najmanji bit ( engleski ) . U gornjem primjeru 8-bitnog binarnog ADC-a, greška u 1 LSB-u je 1/256 punog raspona signala, odnosno 0,4%, u 5-bitnom trostrukom ADC-u, greška u 1 LSB-u je 1/243 punog raspona signala, što je 0,412%, u 8-bitnom trostrukom ADC-u greška u 1 LSM je 1/6561, odnosno 0,015%.

Greške u kvantizaciji

Greške u kvantizaciji su posljedica ograničene rezolucije ADC -a. Ovaj nedostatak se ne može ukloniti bilo kojom vrstom analogno-digitalne konverzije. Apsolutna vrijednost greške kvantizacije u svakom uzorku je u rasponu od nule do polovice LSB -a.

U pravilu je amplituda ulaznog signala mnogo veća od LSM -a. U ovom slučaju greška kvantizacije nije u korelaciji sa signalom i ima ujednačenu distribuciju . Njena srednja kvadratna vrijednost poklapa se sa standardnom devijacijom distribucije koja je jednaka ... U slučaju 8-bitnog ADC-a, to bi bilo 0,113% punog raspona signala.

Nelinearnost

Svi ADC -i pate od grešaka nelinearnosti, koje su rezultat fizičkih nedostataka u ADC -u. To dovodi do činjenice da se prijenosna karakteristika (u gornjem smislu) razlikuje od linearne (točnije od željene funkcije, budući da nije nužno linearna). Greške se mogu smanjiti kalibracijom [4] .

Integralna nelinearnost (INL) i diferencijalna nelinearnost (DNL) važni su parametri koji opisuju nelinearnost.

Greška otvora blende (podrhtavanje)

Digitaliziramo sinusoidni signal ... U idealnom slučaju, uzorci se uzimaju u redovnim intervalima. Međutim, u stvarnosti, vrijeme u kojem se uzima uzorak podložno je fluktuacijama zbog titranja sata . Pretpostavimo da je nesigurnost vremena uzorkovanja reda veličine , smatramo da se greška uzrokovana ovom pojavom može procijeniti kao

...

Greška je relativno mala na niskim frekvencijama, ali se na visokim frekvencijama može značajno povećati.

Učinak greške otvora blende može se zanemariti ako je njena veličina relativno mala u odnosu na grešku kvantizacije. Dakle, možete postaviti sljedeće zahtjeve za podrhtavanje na rubu signala za sinkronizaciju:

,

gdje - Dubina bitova ADC -a.

Dubina bitova ADC -a Maksimalna ulazna frekvencija
44,1 kHz 192 kHz 1 MHz 10 MHz 100 MHz
osam 28.2 ns 6.48 ns 1.24 ns 124 ps 12,4 ps
deset 7.05 ns 1.62 ns 311 ps 31.1 ps 3.11 ps
12 1.76 ns 405 ps 77,7 ps 7.77 ps 777 fs
četrnaest 441 ps 101 ps 19,4 ps 1.94 ps 194 fs
16 110 ps 25.3 ps 4.86 ps 486 fs 48.6 fs
osamnaest 27,5 ps 6.32 ps 1,21 ps 121 fs 12.1 fs
24 430 fs 98.8 fs 19.0 fs 1.9 fs 190 as

Iz ove tablice možemo zaključiti da je preporučljivo koristiti ADC određenog bitnog kapaciteta, uzimajući u obzir ograničenja koja nameće džiter takta . Na primjer, nema smisla koristiti precizni 24-bitni ADC za snimanje zvuka ako sistem distribucije takta nije u stanju pružiti ultra nisku nesigurnost.

Općenito, kvaliteta takta je izuzetno važna iz više razloga. Na primjer, iz opisa čipa AD9218 (Analog Devices):

Svaki ADC velike brzine izuzetno je osjetljiv na kvalitetu takta uzorkovanja koji daje korisnik. Kolo za praćenje i zadržavanje u osnovi je mikser. Bilo koji šum, izobličenje ili vremenski titraj na satu kombinira se sa željenim signalom na analogno-digitalnom izlazu.

Odnosno, svaki ADC velike brzine izuzetno je osjetljiv na kvalitetu digitalizirane frekvencije sata koju daje korisnik. Krug uzorkovanja i skladištenja u osnovi je mješalica (multiplikator). Svaki šum, izobličenje ili podrhtavanje taktne frekvencije miješa se s korisnim signalom i šalje na digitalni izlaz.

Učestalost uzorkovanja

Analogni signal je kontinuirana funkcija vremena , u ADC -u se pretvara u niz digitalnih vrijednosti. Stoga je potrebno odrediti brzinu uzorkovanja digitalnih vrijednosti iz analognog signala. Učestalost generiranja digitalnih vrijednosti naziva se brzina uzorkovanja ADC -a .

Signal koji se neprestano mijenja s ograničenim spektralnim pojasom se digitalizira (to jest, vrijednosti signala se mjere u vremenskom intervalu T - razdoblje uzorkovanja), a izvorni signal se može interpolacijom precizno rekonstruirati iz vremenski diskretnih vrijednosti. Tačnost rekonstrukcije ograničena je greškom kvantizacije. Međutim, prema Kotelnikov - Shannonovoj teoremi, tačna rekonstrukcija amplitude moguća je samo ako je frekvencija uzorkovanja veća od dvostruke maksimalne frekvencije u spektru signala.

Budući da pravi ADC -ovi ne mogu trenutno izvesti A / D konverziju, vrijednost analognog ulaza mora biti konstantna barem od početka do kraja procesa konverzije (ovaj vremenski interval se naziva vrijeme konverzije ). Ovaj problem se rješava upotrebom posebnog kola na ulazu ADC -a-uređaja za uzorkovanje i zadržavanje (UVC). UVC u pravilu pohranjuje ulazni napon na kondenzatoru , koji je na ulaz povezan analognim prekidačem: kada je sklopka zatvorena, ulazni signal se uzorkuje (kondenzator se puni na ulazni napon), kada je otvoren, pohranjen je. Mnogi ADC-ovi, izrađeni u obliku integriranih kola , sadrže ugrađeni UVC.

Sklapanje spektra

Svi ADC -ovi rade uzorkovanjem ulaznih vrijednosti u fiksnim intervalima. Stoga su izlazne vrijednosti nepotpuna slika onoga što se unosi na ulaz. Gledajući izlazne vrijednosti, ne postoji način da se utvrdi kako se ulazni signal ponašao između uzoraka. Ako se zna da se ulazni signal prilično sporo mijenja u odnosu na brzinu uzorkovanja, tada se može pretpostaviti da su među vrijednosti između uzoraka negdje između vrijednosti ovih uzoraka. Ako se ulazni signal brzo mijenja, tada se ne mogu pretpostaviti srednje vrijednosti ulaznog signala, pa je stoga nemoguće nedvosmisleno vratiti oblik izvornog signala.

Ako se niz digitalnih vrijednosti koje proizvede ADC pretvori u analogni oblik digitalno-analognim pretvaračem na drugom mjestu, poželjno je da rezultirajući analogni signal bude što je moguće precizniji od izvornog signala. Ako se ulazni signal promijeni brže nego što se uzmu uzorci, tada je nemoguće oporaviti signal, a lažni signal će biti prisutan na izlazu DAC -a. Komponente lažne frekvencije signala (koje nema u spektru izvornog signala) nazivaju se pseudonimi (lažna frekvencija, lažna niskofrekventna komponenta). Lažna brzina ovisi o razlici između brzine signala i brzine uzorkovanja. Na primjer, sinusni val od 2 kHz uzorkovan na 1,5 kHz bi se reproducirao kao sinusni val od 500 Hz. Ovaj problem se naziva preklapanje frekvencije (aliasing).

Da bi se spriječilo preklapanje signala primijenjenog na ADC ulaz, mora se proći kroz filter nižih frekvencija kako bi se potisnule spektralne komponente čija frekvencija prelazi polovinu frekvencije uzorkovanja. Ovaj filter se naziva anti-aliasing filter i izuzetno je važan pri izgradnji pravih ADC-ova.

Općenito, upotreba analognog ulaznog filtera nije zanimljiva samo iz tog razloga. Čini se da digitalni filter, koji se obično primjenjuje nakon digitalizacije, ima neuporedivo bolje parametre. Но, если в сигнале присутствуют компоненты, значительно более мощные, чем полезный сигнал, и достаточно далеко отстоящие от него по частоте, чтобы быть эффективно подавленными аналоговым фильтром, такое решение позволяет сохранить динамический диапазон АЦП: если помеха на 10 дБ сильнее сигнала, на неё впустую будет тратиться, в среднем, три бита разрядности.

Хотя наложение спектров в большинстве случаев является нежелательным эффектом, его можно использовать во благо. Например, благодаря этому эффекту можно обойтись без преобразования частоты вниз при оцифровке узкополосного высокочастотного сигнала (смотрите смеситель ). Для этого, однако, входные аналоговые каскады АЦП должны иметь значительно более высокие параметры, чем это требуется для стандартного использования АЦП на основной (видео или низшей) гармонике. Также для этого необходимо обеспечить эффективную фильтрацию внеполосных частот до АЦП, так как после оцифровки нет никакой возможности идентифицировать и/или отфильтровать большинство из них.

Подмешивание псевдослучайного сигнала ( dither )

Некоторые характеристики АЦП могут быть улучшены путём использования методики подмешивания псевдослучайного сигнала ( англ. dither ). Она заключается в добавлении к входному аналоговому сигналу случайного шума ( белый шум ) небольшой амплитуды. Амплитуда шума, как правило, выбирается на уровне половины МЗР . Эффект от такого добавления заключается в том, что состояние МЗР случайным образом переходит между состояниями 0 и 1 при очень малом входном сигнале (без добавления шума МЗР был бы в состоянии 0 или 1 долговременно). Для сигнала с подмешанным шумом вместо простого округления сигнала до ближайшего разряда происходит случайное округление вверх или вниз, причём среднее время, в течение которого сигнал округлён к тому или иному уровню, зависит от того, насколько сигнал близок к этому уровню. Таким образом, оцифрованный сигнал содержит информацию об амплитуде сигнала с разрешающей способностью лучше, чем МЗР, то есть происходит увеличение эффективной разрядности АЦП. Негативной стороной методики является увеличение шума в выходном сигнале. Фактически ошибка квантования размазывается по нескольким соседним отсчётам. Такой подход является более желательным, чем простое округление до ближайшего дискретного уровня. В результате использования методики подмешивания псевдослучайного сигнала мы имеем более точное воспроизведение сигнала во времени. Малые изменения сигнала могут быть восстановлены из псевдослучайных скачков МЗР путём фильтрации. Кроме того, если шум детерминирован (амплитуда добавляемого шума точно известна в любой момент времени), то его можно вычесть из оцифрованного сигнала, предварительно увеличив его разрядность, тем самым почти полностью избавиться от добавленного шума.

Звуковые сигналы очень малых амплитуд, оцифрованные без псевдослучайного сигнала, воспринимаются на слух очень искажёнными и неприятными. При подмешивании псевдослучайного сигнала истинный уровень сигнала представлен средним значением нескольких последовательных отсчётов.

Однако с 2009 года , в связи с удешевлением 24-битных АЦП, имеющих даже без dither'а динамический диапазон более 120 дБ, что на несколько порядков превышает полный воспринимаемый человеком диапазон слуха, данная технология потеряла актуальность в звукотехнике. При этом она используется в ВЧ- и СВЧ-технике, где битность АЦП обычно мала из-за высокой частоты дискретизации.

Похожий процесс, также называемый dither или диффузия ошибок , применяется для представления полутонов изображений в компьютерной графике при малом количестве бит на пиксел. При этом изображение становится зашумлённым, но визуально воспринимается реалистичнее, чем то же изображение, полученное простым квантованием.

Передискретизация

Как правило, сигналы оцифровываются с минимально необходимой частотой дискретизации из соображений экономии, при этом шум квантования является белым, то есть его спектральная плотность мощности равномерно распределена во всей полосе. Если же оцифровать сигнал с частотой дискретизации, гораздо большей, чем по теореме Котельникова — Шеннона , а затем подвергнуть цифровой фильтрации для подавления спектра вне частотной полосы исходного сигнала, то отношение сигнал/шум будет лучше, чем при использовании всей полосы. Таким образом можно достичь эффективного разрешения большего, чем разрядность АЦП.

Передискретизация также может быть использована для смягчения требований к крутизне перехода от полосы пропускания к полосе подавления антиалиасингового фильтра. Для этого сигнал оцифровывают, например, на вдвое большей частоте, затем производят цифровую фильтрацию, подавляя частотные компоненты вне полосы исходного сигнала, и, наконец, понижают частоту дискретизации путём децимации .

Типы АЦП

Ниже перечислены основные способы построения электронных АЦП:

АЦП прямого преобразования

  • Параллельные АЦП прямого преобразования ( Direct-conversion (Flash) ADC ) , полностью параллельные АЦП, содержат по одному компаратору на каждый дискретный уровень входного сигнала. В любой момент времени только компараторы, соответствующие уровням ниже уровня входного сигнала, выдают на своём выходе сигнал превышения. Сигналы со всех компараторов поступают либо прямо в параллельный регистр, тогда обработка кода осуществляется программно, либо на аппаратный логический шифратор , аппаратно генерирующий нужный цифровой код в зависимости от кода на входе шифратора. Данные с шифратора фиксируются в параллельном регистре. Частота дискретизации параллельных АЦП, в общем случае, зависит от аппаратных характеристик аналоговых и логических элементов, а также от требуемой частоты выборки значений. Параллельные АЦП прямого преобразования — самые быстрые, но обычно имеют разрешение от 8 бит, как цифровые осциллографы, так как влекут за собой большие аппаратные затраты ( компараторов). АЦП этого типа имеют очень большой размер кристалла микросхемы , высокую входную ёмкость , и могут выдавать кратковременные ошибки на выходе. Часто используются для видео или других высокочастотных сигналов, а также широко применяются в промышленности для отслеживания быстро изменяющихся процессов в реальном времени. Профессиональные модели могут иметь разрешение до 14 бит и выше [5] .
  • Параллельно-последовательные АЦП прямого преобразования (Subranging Direct-conversion (Flash) ADC) [6] частично последовательные АЦП. Были предложены R. Staffin и R. Lohman R. в 1956 году (Staffin and R. Lohman, «Signal Amplitude Quantizer», US Patent 2,869,079, Filed December 19, 1956, Issued January 13, 1959) [7] . Немного уменьшая быстродействие позволяют значительно уменьшить количество ОУ до , где n — число битов выходного кода, а k — число параллельных АЦП прямого преобразования. При 8 битах и 2 АЦП потребуется 31 ОУ. Используют два (k=2) или более шагов-поддиапазонов. При k=2 преобразователь называется Half-Flash (Subranging) ADC . Второй, третий и т. д. АЦП служат для уменьшения ошибки квантования первого АЦП путём оцифровки этой ошибки. На первом шаге производится грубое преобразование (с низким разрешением). Далее определяется разница между входным сигналом и аналоговым сигналом, соответствующим результату грубого преобразования (со вспомогательного ЦАП, на который подаётся грубый код). На втором шаге найденная разница умножается на и подвергается следующему преобразованию. Полученный код объединяется с грубым кодом для получения полного выходного цифрового значения. АЦП этого типа медленнее параллельных АЦП прямого преобразования, имеют высокое разрешение и небольшой размер корпуса. Для увеличения скорости выходного оцифрованного потока данных в параллельно-последовательных АЦП прямого преобразования применяется конвейерная работа параллельных АЦП.
  • Конвейерная работа АЦП (Pipelined Subranging Direct-conversion (Flash) ADC) [8] , применяется в параллельно-последовательных АЦП прямого преобразования, в отличие от обычного режима работы параллельно-последовательных АЦП прямого преобразования, в котором данные передаются после полного преобразования, при конвейерной работе данные частичных преобразований передаются по мере готовности до окончания полного преобразования. В 1966 году Kinniment и др. предложили архитектуру параллельно-последовательного АЦП прямого преобразования с рециркуляцией (Recirculating ADC Architecture) [9] . В этой архитектуре используется один поддиапазонный параллельный АЦП прямого преобразования.
  • Последовательные АЦП прямого преобразования (Subranging Direct-conversion (Flash) ADC) , полностью последовательные АЦП (k=n), медленнее параллельных АЦП прямого преобразования и немного медленнее параллельно-последовательных АЦП прямого преобразования, но ещё больше (до , где n — число битов выходного кода, а k — число параллельных АЦП прямого преобразования) уменьшают количество ОУ (при 8 битах потребуется 15 ОУ: 8 компараторов на ОУ и 7 вычитателей-умножителей на 2 на ОУ) [10] . Троичные АЦП этого вида приблизительно в 1,5 раза быстрее соизмеримых по числу уровней и аппаратных затрат двоичных АЦП этого же вида [11] .

АЦП последовательного приближения

  • АЦП последовательного приближения или АЦП с поразрядным уравновешиванием содержит компаратор, вспомогательный ЦАП и регистр последовательного приближения. АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровой за N шагов, где N — разрядность АЦП. На каждом шаге определяется по одному биту искомого цифрового значения, начиная от СЗР (Старшего Значащего Разряда) и заканчивая МЗР (Младшим Значащим Разрядом). Последовательность действий по определению очередного бита заключается в следующем. На вспомогательном ЦАП выставляется аналоговое значение, образованное из битов, уже определённых на предыдущих шагах; бит, который должен быть определён на этом шаге, выставляется в 1, более младшие биты установлены в 0. Полученное на вспомогательном ЦАП значение сравнивается с входным аналоговым значением. Если значение входного сигнала больше значения на вспомогательном ЦАП, то определяемый бит получает значение 1, в противном случае 0. Таким образом, определение итогового цифрового значения напоминает двоичный поиск . АЦП этого типа обладают одновременно высокой скоростью и хорошим разрешением. Однако при отсутствии устройства выборки хранения погрешность будет значительно больше (представьте, что после оцифровки самого большого разряда сигнал начал меняться).

АЦП дифференциального кодирования

  • АЦП дифференциального кодирования ( англ. delta-encoded ADC ) содержат реверсивный счётчик , код с которого поступает на вспомогательный ЦАП. Входной сигнал и сигнал со вспомогательного ЦАП сравниваются на компараторе. Благодаря отрицательной обратной связи с компаратора на счётчик код на счётчике постоянно меняется так, чтобы сигнал со вспомогательного ЦАП как можно меньше отличался от входного сигнала. По прошествии некоторого времени разница сигналов становится меньше, чем МЗР, при этом код счётчика считывается как выходной цифровой сигнал АЦП. АЦП этого типа имеют очень большой диапазон входного сигнала и высокое разрешение, но время преобразования зависит от входного сигнала, хотя и ограничено сверху. В худшем случае время преобразования равно T max =(2 q )/f с , где q — разрядность АЦП, f с — частота тактового генератора счётчика. АЦП дифференциального кодирования обычно являются хорошим выбором для оцифровки сигналов реального мира, так как большинство сигналов в физических системах не склонны к скачкообразным изменениям. В некоторых АЦП применяется комбинированный подход: дифференциальное кодирование и последовательное приближение; это особенно хорошо работает в случаях, когда известно, что высокочастотные компоненты в сигнале относительно невелики.

АЦП сравнения с пилообразным сигналом

  • АЦП сравнения с пилообразным сигналом (некоторые АЦП этого типа называют Интегрирующие АЦП , также к ним относятся АЦП последовательного счета) содержат генератор пилообразного напряжения (в АЦП последовательного счета генератор ступенчатого напряжения, состоящий из счетчика и ЦАП), компаратор и счётчик времени. Пилообразный сигнал линейно нарастает от нижнего до верхнего уровня, затем быстро спадает до нижнего уровня. В момент начала нарастания запускается счётчик времени. Когда пилообразный сигнал достигает уровня входного сигнала, компаратор срабатывает и останавливает счётчик; значение считывается со счётчика и подаётся на выход АЦП. Данный тип АЦП является наиболее простым по структуре и содержит минимальное число элементов. Вместе с тем простейшие АЦП этого типа обладают довольно низкой точностью и чувствительны к температуре и другим внешним параметрам. Для увеличения точности генератор пилообразного сигнала может быть построен на основе счётчика и вспомогательного ЦАП, однако такая структура не имеет никаких других преимуществ по сравнению с АЦП последовательного приближения и АЦП дифференциального кодирования .

АЦП с уравновешиванием заряда

  • АЦП с уравновешиванием заряда (к ним относятся АЦП с двухстадийным интегрированием, АЦП с многостадийным интегрированием и некоторые другие) содержат генератор стабильного тока , компаратор , интегратор тока , тактовый генератор и счётчик импульсов. Преобразование происходит в два этапа ( двухстадийное интегрирование ). На первом этапе значение входного напряжения преобразуется в ток (пропорциональный входному напряжению), который подаётся на интегратор тока, заряд которого изначально равен нулю. Этот процесс длится в течение времени TN , где T — период тактового генератора, N — константа (большое целое число, определяет время накопления заряда). По прошествии этого времени вход интегратора отключается от входа АЦП и подключается к генератору стабильного тока. Полярность генератора такова, что он уменьшает заряд, накопленный в интеграторе. Процесс разряда длится до тех пор, пока заряд в интеграторе не уменьшится до нуля. Время разряда измеряется путём счёта тактовых импульсов от момента начала разряда до достижения нулевого заряда на интеграторе. Посчитанное количество тактовых импульсов и будет выходным кодом АЦП. Можно показать, что количество импульсов n , посчитанное за время разряда, равно: n = U вх N ( RI 0 ) −1 , где U вх — входное напряжение АЦП, N — число импульсов этапа накопления (определено выше), R — сопротивление резистора, преобразующего входное напряжение в ток, I 0 — значение тока от генератора стабильного тока, разряжающего интегратор на втором этапе. Таким образом, потенциально нестабильные параметры системы (прежде всего, ёмкость конденсатора интегратора) не входят в итоговое выражение. Это является следствием двухстадийности процесса: погрешности, введённые на первом и втором этапах, взаимно вычитаются. Не предъявляются жёсткие требования даже к долговременной стабильности тактового генератора и напряжению смещения компаратора: эти параметры должны быть стабильны лишь кратковременно, то есть в течение каждого преобразования (не более 2TN ). Фактически принцип двухстадийного интегрирования позволяет напрямую преобразовывать отношение двух аналоговых величин (входного и образцового тока) в отношение числовых кодов ( n и N в терминах, определённых выше) практически без внесения дополнительных ошибок. Типичная разрядность АЦП этого типа составляет от 10 до 18 [ источник не указан 2878 дней ] двоичных разрядов. Дополнительным достоинством является возможность построения преобразователей, нечувствительных к периодическим помехам (например, помеха от сетевого питания) благодаря точному интегрированию входного сигнала за фиксированный временной интервал. Недостатком данного типа АЦП является низкая скорость преобразования. АЦП с уравновешиванием заряда используются в измерительных приборах высокой точности.

АЦП с промежуточным преобразованием в частоту следования импульсов

  • АЦП с промежуточным преобразованием в частоту следования импульсов . Сигнал с датчика проходит через преобразователь уровня, а затем через преобразователь напряжение-частота . Таким образом на вход непосредственно логической схемы поступает сигнал, характеристикой которого является лишь частота импульсов. Логический счётчик принимает эти импульсы на вход в течение времени выборки, таким образом, выдавая к её окончанию кодовую комбинацию, численно равную количеству импульсов, пришедших на преобразователь за время выборки. Такие АЦП довольно медленны и не очень точны, но тем не менее очень просты в исполнении и поэтому имеют низкую стоимость.

Сигма-дельта АЦП

  • Сигма-дельта АЦП (называемые также «дельта-сигма АЦП») производит аналого-цифровое преобразование с частотой дискретизации, во много раз превышающей требуемую, и, путём фильтрации, оставляет в сигнале только нужную спектральную полосу.

Неэлектронные АЦП обычно строятся на тех же принципах.

Оптические АЦП

Существуют оптические методы [ источник не указан 1950 дней ] преобразования электрического сигнала в код. Они основаны на способности некоторых веществ изменять показатель преломления под действием электрического поля. При этом проходящий через вещество луч света изменяет свою скорость или угол отклонения на границе этого вещества в соответствии с изменением показателя преломления. Существует несколько способов регистрации этих изменений. Например, линейка фотоприемников регистрирует отклонение луча, переводя его в дискретный код. Различные интерференционные схемы с участием задержанного луча позволяют оценивать изменения сигнала или строить компараторы электрических величин.

Оптические АЦП могут иметь очень высокое быстродействие.

Микросхемы АЦП

Для большинства АЦП разрядность составляет от 6 до 24 бит , частота дискретизации до 1 МГц. Мега- и гигагерцовые АЦП также доступны (12-битный 2-канальный 1 GSPS АЦП AD9234 по состоянию на декабрь 2015 г. стоил $238). Мегагерцовые АЦП требуются в цифровых видеокамерах , устройствах видеозахвата и цифровых ТВ-тюнерах для оцифровки полного видеосигнала. Коммерческие АЦП обычно имеют выходную ошибку от ±0,5 до ±1,5 МЗР.

Один из факторов, увеличивающих стоимость микросхем , — это количество выводов , поскольку они вынуждают делать корпус микросхемы больше, и каждый вывод должен быть присоединён к кристаллу. Для уменьшения количества выводов часто АЦП, работающие на низких частотах дискретизации, имеют последовательный интерфейс . Применение АЦП с последовательным интерфейсом зачастую позволяет увеличить плотность монтажа и создать плату с меньшей площадью.

Часто микросхемы АЦП имеют несколько аналоговых входов, подключённых внутри микросхемы к единственному АЦП через аналоговый мультиплексор . Различные модели АЦП могут включать в себя устройства выборки-хранения, измерительные усилители или высоковольтный дифференциальный вход и другие подобные цепи.

Применение АЦП в звукозаписи

АЦП встроены в большую часть современной звукозаписывающей аппаратуры, поскольку обработка звука делается, как правило, на компьютерах; даже при использовании аналоговой записи АЦП необходим для перевода сигнала в PCM -поток, который будет записан на информационный носитель.

Современные АЦП, используемые в звукозаписи, могут работать на частотах дискретизации до 192 кГц . Многие люди, занятые в этой области, считают, что данный показатель избыточен и используется из чисто маркетинговых соображений (об этом свидетельствует теорема Котельникова — Шеннона ). Можно сказать, что звуковой аналоговый сигнал не содержит столько информации, сколько может быть сохранено в цифровом сигнале при такой высокой частоте дискретизации, и зачастую для Hi-Fi -аудиотехники используется частота дискретизации 44,1 кГц (стандартная для компакт-дисков) или 48 кГц (типична для представления звука в компьютерах). Однако широкая полоса полезна следующим, причём, чем шире (больше по сравнению с минимально необходимой) полоса, тем сильнее соответствующий эффект:

  • упрощает и удешевляет реализацию антиалиасинговых фильтров, позволяя делать их с меньшим числом звеньев или с меньшей крутизной в полосе заграждения, что положительно сказывается на фазовой характеристике фильтра в полосе пропускания;
  • упрощает требования к точности и особенно к паразитным параметрам пассивных электронных компонентов, составляющих антиалиасинговый фильтр , например, меньше влияние добротности катушек индуктивности;

Аналого-цифровые преобразователи для звукозаписи имеют широкий диапазон цен — от 5 долл. до 10 тыс. долл. и выше за двухканальный АЦП.

АЦП для звукозаписи, используемые в компьютерах, бывают внутренние и внешние. Также существует свободный программный комплекс PulseAudio для Linux, позволяющий использовать вспомогательные компьютеры как внешние ЦАП/АЦП для основного компьютера с гарантированным временем запаздывания.

Другие применения

Аналого-цифровое преобразование используется везде, где требуется принимать аналоговый сигнал и обрабатывать его в цифровой форме.

  • АЦП является составной частью цифрового вольтметра и мультиметра .
  • Специальные видео-АЦП используются в компьютерных ТВ-тюнерах , платах видеовхода, видеокамерах для оцифровки видеосигнала. Микрофонные и линейные аудиовходы компьютеров подключены к аудио-АЦП.
  • АЦП являются составной частью систем сбора данных .
  • АЦП последовательного приближения разрядностью 8-12 бит и сигма-дельта-АЦП разрядностью 16-24 бита встраиваются в однокристальные микроконтроллеры .
  • Очень быстрые АЦП необходимы в цифровых осциллографах (используются параллельные и конвейерные АЦП)
  • Современные весы используют АЦП с разрядностью до 24 бит, преобразующие сигнал непосредственно от тензометрического датчика (сигма-дельта-АЦП).
  • АЦП входят в состав радиомодемов и других устройств радиопередачи данных, где используются совместно с процессором ЦОС в качестве демодулятора .
  • Сверхбыстрые АЦП используются в цифровых антенных решётках (SMART-антеннах) в базовых станциях сотовой связи и РЛС.

См. также

Примечания

  1. Вычислительная техника. Терминология: Справочное пособие. Выпуск 1 / Рецензент канд. техн. наук Ю. П. Селиванов. — М. : Издательство стандартов, 1989. — 168 с. — 55 000 экз.ISBN 5-7050-0155-X .
  2. Толковый словарь по вычислительным системам = Dictionary of Computing / Под ред. В. Иллингуорта и др.: Пер. с англ. А. К. Белоцкого и др.; Под ред. Е. К. Масловского. — М. : Машиностроение, 1990. — 560 с. — 70 000 (доп.) экз.ISBN 5-217-00617-X (СССР), ISBN 0-19-853913-4 (Великобритания).
  3. Борковский А. Б. Англо-русский словарь по программированию и информатике (с толкованиями). — М. : Русский язык, 1990. — 335 с. — 50 050 (доп.) экз.ISBN 5-200-01169-3 .
  4. Выполняется, например, с помощью лазерной корректировки величин плёночных резисторов (лазерное воздействие локально испаряет материал резистора, уменьшая его сечение), входящих в состав гибридной интегральной микросхемы .
  5. CAEN страница производителя АЦП
  6. Последовательно-параллельные АЦП
  7. Analog Devices. ADC Architectures V: Pipelined Subranging ADCs by Walt Kester. Figure 1
  8. Analog Devices. ADC Architectures V: Pipelined Subranging ADCs by Walt Kester. Figure 9
  9. Analog Devices. ADC Architectures V: Pipelined Subranging ADCs by Walt Kester. Figure 12
  10. АЦП прямого преобразования, последовательный, 3-битный .
  11. Троичный 4-тритный асинхронный биполярный последовательный АЦП прямого преобразования. Версия 6. (недоступная ссылка) . Дата обращения: 23 мая 2018. Архивировано 21 июля 2011 года.

Литература

  • Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники . В 3 т: Т. 2. Пер. с англ. — 4-е изд., перераб. и доп.— М.: Мир, 1993. — 371 с. ISBN 5-03-002338-0 .
  • S. Norsworthy, R. Schreier, G. Temes. Delta-Sigma Data Converters. ISBN 0-7803-1045-4 .
  • Mingliang Liu. Demystifying Switched-Capacitor Circuits'. ISBN 0-7506-7907-7 .
  • Behzad Razavi. Principles of Data Conversion System Design. ISBN 0-7803-1093-4 .
  • David Johns, Ken Martin. Analog Integrated Circuit Design. ISBN 0-471-14448-7 .
  • Phillip E. Allen, Douglas R. Holberg. CMOS Analog Circuit Design. ISBN 0-19-511644-5 .
  • Ханзел Г. Е. Справочник по расчету фильтров. США, 1969. / Пер. с англ., под ред. А. Е. Знаменского. М.: Сов. радио, 1974. — 288 с. УДК 621.372.541.061

Ссылки