Ацп и цап реферат
Обновлено: 05.07.2024
Если бы плотность вероятности амплитуды входного сигнала имела равномерное распределение, то отношение сигнал/шум (применительно к шуму квантования) было бы максимально возможным. По этой причине обычно перед квантованием по амплитуде сигнал пропускают через безинерционный преобразователь, передаточная функция которого повторяет функцию распределения самого сигнала.
Содержание
1. Аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи сигналов……………………………………………………………………………3
Аналогово-цифровой преобразователь сигналов 3
Цифро-аналоговый преобразователь сигналов 10
2. Синтез комбинационных логических схем. Базовые логические элементы………………………………………………………………………….14
Прикрепленные файлы: 1 файл
АЦП и ЦАП.docx
Учреждение образования Республики Беларусь
Витебский государственный технологический университет
Контрольная работа №1
по дисциплине:
Электроника и микропроцессорная техника
студента заочного факультета
группа: ЗТм
шифр зачетки:
Витебск, 2012г.
Содержание
Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи сигналов.
Аналого-цифровой преобразователь сигналов
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП, ADC) — устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Обратное преобразование осуществляется при помощи ЦАП (DAC) (цифро-аналогового преобразователя).
Как правило, АЦП — электронное устройство, преобразующее напряжение в двоичный цифровой код. Тем не менее, некоторые неэлектронные устройства, такие как преобразователь угол-кода, следует также относить к АЦП.
Разрешение
Разрешение (разрядность) АЦП характеризует количество дискретных значений, которые преобразователь может выдать на выходе. Измеряется в битах. Например, АЦП, способный выдать 256 дискретных значений (0..255), имеет разрядность 8 бит, поскольку 28 = 256.
Разрешение может быть также определено в терминах входного сигнала и выражено, например, в вольтах. Разрешение по напряжению равно разности напряжений, соответствующих максимальному и минимальному выходному коду, делённой на количество выходных дискретных значений.
Типы преобразования
• Линейные АЦП
Большинство АЦП считаются линейными, хотя аналого-цифровое преобразование, по сути, является нелинейным процессом (поскольку операция отображения непрерывного пространства в дискретное — операция нелинейная). Термин линейный применительно к АЦП означает, что диапазон входных значений, отображаемый на выходное цифровое значение, связан по линейному закону с этим выходным значением, то есть выходное значение k достигается при диапазоне входных значений от
m(k + b)
m(k + 1 + b),
где m и b — некоторые константы. Константа b, как правило, имеет значение 0 или −0.5. Если b = 0, АЦП называют квантователь с ненулевой ступенью (mid-rise), если же b = −0.5, то АЦП называют квантователь с нулём в центре шага квантования (mid-tread).
• Нелинейные АЦП
Если бы плотность вероятности амплитуды входного сигнала имела равномерное распределение, то отношение сигнал/шум (применительно к шуму квантования) было бы максимально возможным. По этой причине обычно перед квантованием по амплитуде сигнал пропускают через безинерционный преобразователь, передаточная функция которого повторяет функцию распределения самого сигнала. Это улучшает достоверность передачи сигнала, так как наиболее важные области амплитуды сигнала квантуются с лучшим разрешением. Соответственно, при цифро-аналоговом преобразовании потребуется обработать сигнал функцией, обратной функции распределения исходного сигнала.
Это тот же принцип, что и используемый в компандерах, применяемых в магнитофонах и различных коммуникационных системах, он направлен на максимизацию энтропии. (Не путать компандер с компрессором!)
Например, голосовой сигнал имеет лапласово распределение амплитуды. Это означает, что окрестность нуля по амплитуде несёт больше информации, чем области с большей амплитудой. По этой причине логарифмические АЦП часто применяются в системах передачи голоса для увеличения динамического диапазона передаваемых значений без изменения качества передачи сигнала в области малых амплитуд.
Точность
Имеется несколько источников погрешности АЦП. Ошибки квантования и (считая, что АЦП должен быть линейным) нелинейности присущи любому аналого-цифровому преобразованию. Кроме того, существуют так называемые апертурные ошибки которые являются следствием джиттера (англ. jitter) тактового генератора, они проявляются при преобразовании сигнала в целом (а не одного отсчёта).
Эти ошибки измеряются в единицах, называемых МЗР — младший значащий разряд.
Частота дискретизации
Аналоговый сигнал является непрерывной функцией времени, в АЦП он преобразуется в последовательность цифровых значений. Следовательно, необходимо определить частоту выборки цифровых значений из аналогового сигнала. Частота, с которой производятся цифровые значения, получила название частота дискретизации АЦП.
Непрерывно меняющийся сигнал подвергается оцифровке (то есть значения сигнала измеряются через интервал времени T — период дискретизации) и исходный сигнал может быть точно восстановлен из дискретных во времени значений путём интерполяции. Точность восстановления ограничена ошибкой квантования. Однако в соответствии с теоремой Котельникова-Шеннона точное восстановление возможно только если частота дискретизации выше, чем удвоенная максимальная частота в спектре сигнала.
Поскольку реальные АЦП не могут произвести аналого-цифровое преобразование мгновенно, входное аналоговое значение должно удерживаться постоянным по крайней мере от начала до конца процесса преобразования (этот интервал времени называют время преобразования). Эта задача решается путём использования специальной схемы на входе АЦП — устройства выборки-хранения — УВХ. УВХ, как правило, хранит входное напряжение в конденсаторе, который соединён со входом через аналоговый ключ: при замыкании ключа происходит выборка входного сигнала (конденсатор заряжается до входного напряжения), при размыкании — хранение. Многие АЦП, выполненные в виде интегральных микросхем содержат встроенное УВХ.
Наложение спектров (алиасинг)
Все АЦП работают путём выборки входных значений через фиксированные интервалы времени. Следовательно, выходные значения являются неполной картиной того, что подаётся на вход. Глядя на выходные значения, нет никакой возможности установить, как себя вёл входной сигнал между выборками. Если известно, что входной сигнал меняется достаточно медленно относительно частоты дискретизации, то можно предположить, что промежуточные значения между выборками находятся где-то между значениями этих выборок. Если же входной сигнал меняется быстро, то никаких предположений о промежуточных значениях входного сигнала сделать нельзя, а следовательно, невозможно однозначно восстановить форму исходного сигнала.
Если последовательность цифровых значений, выдаваемая АЦП, где-либо преобразуется обратно в аналоговую форму цифро-аналоговым преобразователем, желательно, чтобы полученный аналоговый сигнал был максимально точной копией исходного сигнала. Если входной сигнал меняется быстрее, чем делаются его отсчёты, то точное восстановление сигнала невозможно, и на выходе ЦАП будет присутствовать ложный сигнал. Ложные частотные компоненты сигнала (отсутствующие в спектре исходного сигнала) получили название alias (ложная частота, побочная низкочастотная составляющая). Частота ложных компонент зависит от разницы между частотой сигнала и частотой дискретизации. Например, синусоидальный сигнал с частотой 2 кГц, дискретизованный с частотой 1.5 кГц был бы воспроизведён как синусоида с частотой 500 Гц. Эта проблема получила название наложение частот (aliasing).
Для предотвращения наложения спектров сигнал, подаваемый на вход АЦП, должен быть пропущен через фильтр низких частот для подавления спектральных компонентов, частота которых превышает половину частоты дискретизации. Этот фильтр получил название anti-aliasing (антиалиасинговый) фильтр, его применение чрезвычайно важно при построении реальных АЦП.
Типы АЦП
Ниже перечислены основные способы построения электронных АЦП:
• АЦП прямого преобразования или параллельный АЦП
Параллельные АЦП очень быстры, но обычно имеют разрешение не более 8 бит (256 компараторов), так как имеют большую и дорогую схему. 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.
• АЦП последовательного приближения или АЦП с поразрядным уравновешиванием
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 (англ. delta-encoded ADC)
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 (некоторые АЦП этого типа называют Интегрирующие 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 преимуществ по сравнению с АЦП последовательного приближения и АЦП дифференциального кодирования.
• Конвейерные АЦП. АЦП этого типа быстры, имеют высокое разрешение и небольшой размер корпуса.
• 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.
На рис.1. показаны возможности основных архитектур АЦП в зависимости от разрешения и частоты дискретизации.
Лекции
Лабораторные
Справочники
Эссе
Вопросы
Стандарты
Программы
Дипломные
Курсовые
Помогалки
Графические
Доступные файлы (1):
1.docx
Московский Государственный Открытый Университет МГОУ
Кафедра вычислительной техники и программирования
Курсовая работа по дисциплине
введение в специальность
Выполнил: Окулич-Казарин В.Е. 608215
Оглавление
Выполнил: Окулич-Казарин В.Е. 608215 1
Аналого-цифровой преобразователь 4
Типы преобразования 5
Частота дискретизации 7
Наложение спектров (алиасинг) 7
Применение АЦП 10
Цифро-аналоговый преобразователь 12
Общие сведения 12
Введение
Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразовате
ли АЦП находят широкое применение в различ
ных областях современной науки и техники. Они являют
ся неотъемлемой составной частью цифровых измери
тельных приборов, систем преобразования и отображе
ния информации, программируемых источников питания, индикаторов на электронно-лучевых трубках, радиоло
кационных систем, установок для контроля элементов и микросхем, а также важными компонентами различных автоматических систем контроля и управления, устройств ввода-вывода информации ЭВМ.
Аналого-цифровой преобразователь
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП, ADC) — устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Обратное преобразование осуществляется при помощи ЦАП (DAC) (цифро-аналогового преобразователя).
Как правило, АЦП — электронное устройство, преобразующее напряжение в двоичный цифровой код. Тем не менее, некоторые неэлектронные устройства, такие как преобразователь угол-кода, следует также относить к АЦП.
Разрешение
Разрешение (разрядность) АЦП характеризует количество дискретных значений, которые преобразователь может выдать на выходе. Измеряется в битах. Например, АЦП, способный выдать 256 дискретных значений (0..255), имеет разрядность 8 бит, поскольку 28 = 256.
Разрешение может быть также определено в терминах входного сигнала и выражено, например, в вольтах. Разрешение по напряжению равно разности напряжений, соответствующих максимальному и минимальному выходному коду, делённой на количество выходных дискретных значений.
^
Типы преобразования
Большинство АЦП считаются линейными, хотя аналого-цифровое преобразование, по сути, является нелинейным процессом (поскольку операция отображения непрерывного пространства в дискретное — операция нелинейная). Термин линейный применительно к АЦП означает, что диапазон входных значений, отображаемый на выходное цифровое значение, связан по линейному закону с этим выходным значением, то есть выходное значение k достигается при диапазоне входных значений от
где m и b — некоторые константы. Константа b, как правило, имеет значение 0 или −0.5. Если b = 0, АЦП называют квантователь с ненулевой ступенью (mid-rise), если же b = −0.5, то АЦП называют квантователь с нулём в центре шага квантования (mid-tread).
Если бы плотность вероятности амплитуды входного сигнала имела равномерное распределение, то отношение сигнал/шум (применительно к шуму квантования) было бы максимально возможным. По этой причине обычно перед квантованием по амплитуде сигнал пропускают через безинерционный преобразователь, передаточная функция которого повторяет функцию распределения самого сигнала. Это улучшает достоверность передачи сигнала, так как наиболее важные области амплитуды сигнала
квантуются с лучшим разрешением. Соответственно, при цифро-аналоговом преобразовании потребуется обработать сигнал функцией, обратной функции распределения исходного сигнала.
Это тот же принцип, что и используемый в компандерах, применяемых в магнитофонах и различных коммуникационных системах, он направлен на максимизацию энтропии. (Не путать компандер с компрессором!)
Например, голосовой сигнал имеет лапласово распределение амплитуды. Это означает, что окрестность нуля по амплитуде несёт больше информации, чем области с большей амплитудой. По этой причине логарифмические АЦП часто применяются в системах передачи голоса для увеличения динамического диапазона передаваемых значений без изменения качества передачи сигнала в области малых амплитуд.
Точность
Имеется несколько источников погрешности АЦП. Ошибки квантования и (считая, что АЦП должен быть линейным) нелинейности присущи любому аналого-цифровому преобразованию. Кроме того, существуют так называемые апертурные ошибки которые являются следствием джиттера (англ. jitter) тактового генератора, они проявляются при преобразовании сигнала в целом (а не одного отсчёта).
Эти ошибки измеряются в единицах, называемых МЗР — младший значащий разряд.
^
Частота дискретизации
Аналоговый сигнал является непрерывной функцией времени, в АЦП он преобразуется в последовательность цифровых значений. Следовательно, необходимо определить частоту выборки цифровых значений из аналогового сигнала. Частота, с которой производятся цифровые значения, получила название частота дискретизации АЦП.
Непрерывно меняющийся сигнал подвергается оцифровке (то есть значения сигнала измеряются через интервал времени T — период дискретизации) и
исходный сигнал может быть точно восстановлен из дискретных во времени значений путём интерполяции. Точность восстановления ограничена ошибкой квантования. Однако в соответствии с теоремой Котельникова-Шеннона точное восстановление возможно только если частота дискретизации выше, чем удвоенная максимальная частота в спектре сигнала.
Поскольку реальные АЦП не могут произвести аналого-цифровое преобразование мгновенно, входное аналоговое значение должно удерживаться постоянным по крайней мере от начала до конца процесса преобразования (этот интервал времени называют время преобразования). Эта задача решается путём использования специальной схемы на входе АЦП — устройства выборки-хранения — УВХ. УВХ, как правило, хранит входное напряжение в конденсаторе, который соединён со входом через аналоговый ключ: при замыкании ключа происходит выборка входного сигнала (конденсатор заряжается до входного напряжения), при размыкании — хранение. Многие АЦП, выполненные в виде интегральных микросхем содержат встроенное УВХ.
^
Наложение спектров (алиасинг)
Все АЦП работают путём выборки входных значений через фиксированные интервалы времени. Следовательно, выходные значения являются неполной картиной того, что подаётся на вход. Глядя на выходные значения, нет никакой возможности установить, как себя вёл входной сигнал между выборками. Если известно, что входной сигнал меняется достаточно медленно относительно частоты дискретизации, то можно предположить, что промежуточные значения между выборками находятся где-то между значениями этих выборок. Если же входной сигнал меняется быстро, то никаких предположений о промежуточных значениях входного сигнала сделать нельзя, а следовательно, невозможно однозначно восстановить форму исходного сигнала.
Если последовательность цифровых значений, выдаваемая АЦП, где-либо преобразуется обратно в аналоговую форму цифро-аналоговым преобразователем, желательно, чтобы полученный аналоговый сигнал был максимально точной копией исходного сигнала. Если входной сигнал меняется быстрее, чем делаются его отсчёты, то точное восстановление сигнала невозможно, и на выходе ЦАП будет присутствовать ложный сигнал. Ложные частотные компоненты сигнала (отсутствующие в спектре
исходного сигнала) получили название alias (ложная частота, побочная низкочастотная составляющая). Частота ложных компонент зависит от разницы между частотой сигнала и частотой дискретизации. Например, синусоидальный сигнал с частотой 2 кГц, дискретизованный с частотой 1.5 кГц был бы воспроизведён как синусоида с частотой 500 Гц. Эта проблема получила название наложение частот (aliasing).
Для предотвращения наложения спектров сигнал, подаваемый на вход АЦП, должен быть пропущен через фильтр низких частот для подавления спектральных компонентов, частота которых превышает половину частоты дискретизации. Этот фильтр получил название anti-aliasing (антиалиасинговый) фильтр, его применение чрезвычайно важно при построении реальных АЦП.
Типы АЦП
Ниже перечислены основные способы построения электронных АЦП:
• АЦП прямого преобразования или параллельный АЦП
Параллельные АЦП очень быстры, но обычно имеют разрешение не более 8 бит (256 компараторов), так как имеют большую и дорогую схему. 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.
• АЦП последовательного приближения или АЦП с поразрядным уравновешиванием
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 (англ. delta-encoded ADC)
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 (некоторые АЦП этого типа называют Интегрирующие 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 преимуществ по сравнению с АЦП последовательного приближения и АЦП дифференциального кодирования.
• Конвейерные АЦП. АЦП этого типа быстры, имеют высокое разрешение и небольшой размер корпуса.
• 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.
На рис.1. показаны возможности основных архитектур АЦП в зависимости от разрешения и частоты дискретизации.
Применение АЦП
Аналого-цифровое преобразование используется везде, где требуется обрабатывать, хранить или передавать сигнал в цифровой форме. Быстрые видео АЦП используются, например, в TV-тюнерах. Медленные встроенные 8, 10, 12, или 16 битные АЦП часто входят в состав микроконтроллеров. Очень быстрые АЦП необходимы в цифровых осциллографах. Современные весы используют АЦП с разрядностью до 24 бит, преобразующие сигнал непосредственно от тензометрического датчика. АЦП встроены в большую часть современной звукозаписывающей аппаратуры.
^
Цифро-аналоговый преобразователь
Общие сведения
Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) предназначен для преобразования числа, определенного, как правило, в виде двоичного кода, в напряжение или ток, пропорциональные значению цифрового кода. Схемотехника цифро-аналоговых преобразователей весьма разнообразна. На рис. 1 представлена классификационная схема ЦАП по схемотехническим признакам. Кроме этого, ИМС цифро-аналоговых преобразователей классифицируются по следующим признакам:
• По виду выходного сигнала: с токовым выходом и выходом в виде напряжения;
• По типу цифрового интерфейса: с последовательным вводом и с параллельным вводом входного кода;
• По числу ЦАП на кристалле: одноканальные и многоканальные;
• По быстродействию: умеренного и высокого быстродействия.
Применение
ЦАП применяется всегда, когда надо преобразовать сигнал из цифрового представления в аналоговое, например, в проигрывателях компакт-дисков (Audio CD).
^
Типы ЦАП
Наиболее общие типы электронных ЦАП:
• широтно-импульсный модулятор — простейший тип ЦАП. Стабильный источник тока или напряжения периодически включается на время, пропорциональное преобразуемому цифровому коду, далее полученная импульсная последовательность фильтруется аналоговым фильтром низких частот. Такой способ часто используется для управления скоростью электромоторов, а также становится популярным в Hi-Fi (класс аппаратуры) аудиотехнике;
• ЦАП передискретизации, такие как дельта-cигма ЦАП, основаны на изменяемой плотности импульсов. Передискретизация позволяет использовать ЦАП с меньшей разрядностью для достижения большей разрядности итогового преобразования; часто дельта-сигма ЦАП строится на основе простейшего однобитного ЦАП, который является практически линейным. На ЦАП малой разрядности поступает импульсный сигнал с модулированной плотностью импульсов (c постоянной длительностью импульса, но с изменяемой скважностью), создаваемый с использованием отрицательной обратной связи. Отрицательная обратная связь выступает в роли фильтра высоких частот для шума квантования. Большинство ЦАП большой разрядности (более 16 бит) построены на этом принципе вследствие его высокой линейности и низкой стоимости. Быстродействие дельта-сигма ЦАП достигает сотни тысяч отсчетов в секунду, разрядность — до 24 бит. Для генерации сигнала с модулированной плотностью импульсов может быть использован простой дельта-сигма модулятор первого порядка или более высокого порядка как MASH (англ. Multi stage noise SHaping). С увеличением частоты передискретизации смягчаются требования, предъявляемые к выходному фильтру низких частот и улучшается подавление шума квантования;
• взвешивающий ЦАП, в котором каждому биту преобразуемого двоичного кода соответствует резистор или источник тока, подключенный на общую точку суммирования. Сила тока источника (проводимость резистора) пропорциональна весу бита, которому он соответсвует. Таким образом, все ненулевые биты кода суммируются с весом. Взвешивающий метод один из самых быстрых, но ему свойственна низкая точность из-за необходимости наличия набора множества различных прецизионных источников или
резисторов. По этой причине взвешивающие ЦАП имеют разрядность не более восьми бит;
• цепная R-2R схема является вариацией взвешивающего ЦАП. В R-2R ЦАП взвешенные значения создаются в специальной схеме, состоящей из резисторов с сопротивлениями R и 2R. Это позволяет существенно улучшить точность по сравнению с обычным взвешивающим ЦАП, т.к. сравнительно просто изготовить набор прецизионных элементов с одинаковыми параметрами. Недостатком метода является более низкая скорость вследствие паразитной емкости;
• сегментный ЦАП содержит по одному источнку тока или резистору на каждое возможное значение выходного сигнала. Так, например, восьмибитный ЦАП этого типа содержит 255 сегментов, а 16-битный — 65535. Теоретически, сегментные ЦАП имеют самое высокое быстродействие, т.к. для преобразования достаточно замкнуть один ключ, соответствующий входному коду;
• гибридные ЦАП используют комбинацию перечисленных выше способов. Большинство микросхем ЦАП относится к этому типу; выбор конкретного набора способов является компромиссом между быстродействием, точностью и стоимостью ЦАП.
Характеристики
ЦАП находятся в начале аналогового тракта любой системы, поэтому параметры ЦАП во многом определяют параметры всей системы в целом. Далее перечислены наиболее важные характеристики ЦАП.
• Разрядность — количество различных уровней выходного сигнала, которые ЦАП может воспроизвести. Обычно задается в битах; количество бит есть логарифм по основанию 2 от количества уровней. Например, однобитный ЦАП способен воспроизвести два (21) уровня, а восьмибитный — 256 (28) уровней. Разрядность тесно связана с эффективной разрядностью (англ. ENOB — Effective Number of Bits), которая показывает реальное разрешение, достижимое на данном ЦАП.
• Максимальная частота дискретизации — максимальная частота, на которой ЦАП может работать, выдавая на выходе корректный результат. В соответствии с теоремой Шенона-Найквиста (известной также как теорема
Котельникова), для корректного воспроизведения аналогового сигнала из цифровой формы необходимо, чтобы частота дискретизации была не менее чем удвоенная максимальная частота в спектре сигнала. Например, для воспроизведения всего слышимого звука, спектр которого простирается до 20 кГц, необходимо, чтобы звуковой сигнал был дискретизован с частотой не менее 40 кГц. Стандарт Audio CD устанавливает частоту дискретизации звукового сигнала 44,1 кГц; для воспроизведения данного сигнала понадобится ЦАП, способный работать на этой частоте. В дешевых компьютерных звуковых картах частота дискретизации составляет 48 кГц. Сигналы, дискретизованные на других частотах, подвергаются передискретизации до 48 кГц, что частично ухудшает качество сигнала.
• Монотонность — свойство ЦАП увеличивать аналоговый выходной сигнал при увеличении входного кода.
• THD+N (суммарные гармонические искажения + шум) — мера искажений и шума вносимых в сигнал ЦАПом. Выражается в процентах мощности гармоник и шума в выходном сигнале. Важный параметр при малосигнальных применениях ЦАП.
• Динамический диапазон — соотношение наибольшего и наименьшего сигналов, которые может воспроизвести ЦАП, выражается в децибелах. Данный параметр связан с разрядностью и шумовым порогом.
• DNL (дифференциальная нелинейность) характеризует, насколько приращение аналогового сигнала, полученное при увеличении кода на 1 младший значащий разряд (МЗР), отличается от правильного значения;
• INL (интегральная нелинейность) характеризует, насколько передаточная характеристика ЦАП отличается от идеальной. Идеальная характеристика строго линейна; INL показывает, насколько напряжение на выходе ЦАП при заданном коде отстоит от линейной характеристики; выражается в МЗР;
• SNDR (отношение сигнал/шум+искажения) характеризует в децибелах отношение мощности выходного сигнала к суммарной мощности шума и гармонических искажений;
• HDi (коэффициент i-й гармоники) характеризует отношение i-й гармоники к основной гармонике;
• THD (коэффициент гармонических искажений) — отношение суммарной мощности всех гармоник (кроме первой) к мощности первой гармоники.
^
* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.
Линейные аналоговые и цифровые преобразователи.
Последние десятилетия обусловлены широким внедрением в отрасли народного хозяйства средств микроэлектроники и вычислительной техники, обмен информацией с которыми обеспечивается линейными аналоговыми и цифровыми преобразователями (АЦП и ЦАП).
Современный этап характеризуется больших и сверхбольших интегральных схем ЦАП и АЦП обладающими высокими эксплуатационными параметрами: быстродействием, малыми погрешностями, многоразрядностью. Включение БИС ЦАП и АЦП единым, функционально законченным блоком сильно упростило внедрение их в приборы и установки, используемые как в научных исследованиях, так и в промышленности и дало возможность быстрого обмена информацией между аналоговыми и цифровыми устройствами.
СТРУКТУРНАЯ СХЕМА АЦП
Она содержит буферный усилитель (БУ), посредством которого осуществляется развязка высокой входной ёмкости АЦП микросхемы КР1107ПВ2 от источника сигнала. Источник опорного напряжения (ИОН) служит для питания делителя напряжения в АЦП, для подачи опорных квантованных напряжений на компараторы. Оцифровка входного аналогового сигнала осуществляется в АЦП (микросхема КР1107ПВ2), которая преобразует аналоговый сигнал амплитудой 02 В с частотой преобразования не более 20 МГц в восьмибитный выходной код, вид которого определяется программно, подачей двухбитного кода на входы 36, 41 микросхемы. Выходной код, через магистральный усилители (МУ1, МУ2) поступает на порт РВ контроллера ввода-вывода КР580ВВ55 запрограммированного на ввод, а затем в зависимости от программы либо в ОЗУ используемого в данной схеме программируемого универсального контроллера (КПУ) "Электроника МС2702", либо через порт РА, запрограммированного на выход, выводится на сопрягаемый контроллер для обработки данных.
Седьмой бит порта РС используется как стробирующий АЦП канал. В этот бит выставляется логическая еденица с частотой, определяемой программой контроллера.
Запуск АЦП на преобразование реализован программно. При помощи схемы запуска, содержащей компараторы, срабатывающей от отрицательного сигнала амплитудой –1мВ до –4В и RS-триггера, выходным сигналом которого поданным на бит С7 порта РС , запускается программа преобразования АЦП. Бит С5 порта РС используется как канал сигнала готовности к началу преобразования.
2. БУФЕРНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
Характерной особенностью микросхемы КР1107ПВ2 является большая входная ёмкость (более 100 пф). В связи с этим, при использовании этих микросхем в измерительных устройсвах возникает необходимость в буферном каскаде для развязки источника сигнала от емкостной нагрузки. При чем на этот каскад накладываются весьма жесткие требования по стабильности коэффициента усиления, термостабильности, полосе пропускания, так же требуется высокое входное сопротивление, чтобы не вносить погрешности в измеряемый сигнал или входное сопротивление, равное волновому сопротивлению кабеля, соединяющего источник сигнала и АЦП.
Схема может работать с ёмкостью нагрузки до 300 пФ с полосой пропускания до 20 МГц, нелинейность АЧХ - 0,2 и коэффициент передачи равный 1.
Основа буферного неинвертирующего усилителя - дифференциальный каскад, собранный на транзисторах VT1 и VT2. Нагрузкой его является схема – "токовое зеркало" на микросборке из двух подобранных по характеристикам транзисторах (DA1).
На выходе собран эмиттерный повторитель на транзисторе VT6, согласованный с дифференциальным каскадом и с токовым повторителем VT4. Резисторы R1-R3 образуют делитель напряжения для подстройки "0" на выходе усилителя без сигнала на входе. На транзисторах VT3-VT4 и диодах VD1-VD3 собраны два источника тока для питания дифференциального каскада и токового повторителя./2/
3. ИСТОЧНИК ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ
Параллельные АЦП, такие как используемая микросхема КР1107ПВ2 построены на принципе одновременного сравнивания (преобразования) сигнала путём квантования с помощью набора компараторов, на один вход которых подаётся исследуемый сигнал, а на другой квантованные по уровню опорного напряжения. Они создаются прецизионным делителем напряжения , который питается от внешнего источника опорного напряжения, к нему предъявляются высокие требования по стабильности выходного напряжения, так как оно в большей степени определяет погрешность АЦП.
Он выдаёт стабилизированное напряжение равное 2В, с точностью 0,01 в диапазоне теиператур от –20 до +40 С.
Выходное напряжениеформируется как разница между падением напряжения на светодиоде VD1 и эмиттерном переходе транзистора VT2. Оба эти напряжения имеют отрицательный температурный коэффициент 2мВ/град. , в следствии чего напряжение на резисторах R2 и R3 термостабильно. Транзисторы сборки VT1, резистор R1 и диод VD2 образуют стабилизатор тока светодиода VD1. В связи с тем, что температурный коэффициент напряжения светодиода несколько меньше такого же коэффициента эмиттерного перехода транзистора VT2, для компенсации разницы стабилизатор выполнен с отрицательным коэффициентом (за сче диода VD2). Для обеспечения равенства температур светодиод и транзистор VT2 должны иметь тепловой контакт.
4. СХЕМА ЗАПУСКА
Для согласования времени прихода сигнала на вход установки и началом цикла преобразования АЦП служит схема запуска.
Схема запуска содержит в себе компаратор, срабатывающий от отрицательного импульса, амплитудой от –1мВ до –4В и выдающий на выходе логический сигнал, либо логическую еденицу, амплитудой от 3 до 5В, либо логический ноль, амплитудой до 0.5В
Для регулировки уровня срабатывания компаратора – исключения срабатывания от шумов и наводок, служит делитель напряжения на резисторах R1 и R2, регулировка возможна в пределах от 0 до 4 В.
Сигнал с выхода компаратора подаётся на R-вход RS-триггера устанавливая уровень логической еденицы на выходе триггера и бите C7 порта РС. Этот бит опрашивается программой контроллера и при обнаружении на нём логической еденицы начинаетсятактирование АЦП и запись результата в память контроллера.
При установке в бите С5 порта РС логической еденицы сбрасывается запускающий сигнал с выхода триггера, схема запуска приводиться в готовность к новому циклу преобразования.
5. АЦП КР1107ПВ2
Интегральная полупроводниковая микросхема КР1107ПВ2 представляет собой быстродействующий восьмиразрядный аналогоцифровой преобразователь с частотой преобразования до 20 МГц. Микросхема предназначена для преобразования входных аналоговых сигналов в диапазоне отрицательных напряжений от –2В до 0В в один из кодов параллельного считывания: прямой двоичный, обратный двоичный, прямой дополнительный, обратный дополнительный.
Построение АЦП по полностью параллельной схеме позволяет получить максимальное быстродействие при минимальной динамической погрешности без использования внешней схемы выборки хранения во всем диапазоне частоты преобразования.
Выходные уровни и уровни управляющих сигналов АЦП соответствуют уровням ТТЛ.
Микросхема состоит из резистивного делителя опорных напряжений, 256 стробируемых компараторов, дешифратора кодов компараторов, логических схем управления выходным кодом и выходного регистра хранения.
6. КПУ "ЭЛЕКТРОНИКА 2702"
Универсальный программируемый контроллер "ЭЛЕКТРОНИКА 2702" построен на основе микропроцессора К580ВМ80, содержит в своем составе два контроллера ввода-вывода, два программируемых таймера, контроллер прямого доступа к памяти, контроллер прерываний, микросхемы постоянной и оперативной памяти, схемы логики управления. Управление контроллера осуществляется с клавиатуры, результаты отображаются на дисплее.
Контроллер оперирует восьмибитным параллельным кодом, имеет сорок восемь двунаправленных программируемых канало ввода-вывода. Контроллер может осуществлять следующие операции:
1. Опрос портов ввода-вывода и запись информации из них в ОЗУ.
2. Запись в порты ввода-вывода информации из ОЗУ.
3. Все операции с памятью характерные для процессора К580ВМ80 и определяемые набором его команд.
7. ПРОГРАММ РАБОТЫ КОНТРОЛЛЕРА
Программа, обеспечивающая работу контроллера и АЦП должна:
1. Предусматривать программное изменение выходного кода АЦП.
2. Стробировать АЦП и записывать результаты в ОЗУ с заданной программно частотой.
3. Предусматривать программное изменение памяти, отводимой для записи сигнала.
4. Опрашивать один из портов в ожидании сигнала начала преобразования.
5. Сбрасывать схему запуска в исходное состояние выставлением в одном из каналов порта сигнала готовности.
Современный этап в развитии телефонии, радиовещания, телевидения, записи и воспроизведения звука характеризуется тенденцией к переходу на цифровую форму представления информации. Большинство первичных сигналов (ток, напряжение, скорость, давление и т. д.) представляются в аналоговой форме, и для обработки их с помощью ЭВМ они преобразуются в цифровой n-разрядный код.
Для управления изменением аналоговых величин по результатам их обработки в ЭВМ необходимо осуществлять обратное преобразование цифровой информации, в аналоговую.
Преобразование осуществляется с помощью преобразователей цифро-аналоговых (ЦАП) и аналого-цифровых (АЦП). Существуют различные методы цифроаналогового и аналого-цифрового преобразования, реализующие различные алгоритмы функционирования и соответствующие структуры технической реализации.
Практическая реализация схем ЦАП и АЦП может быть выполнена на основе одной или нескольких микросхем в зависимости от используемой серии микросхемы и характеристик преобразователя (разрядности, быстродействия и т. д.).
1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Основными характеристиками преобразователей являются:
1. Динамический диапазон это диапазон изменения входных и выходных величин, который определяется отношением максимального значения входной- X или выходной -Y величин, к минимальным
2. Временные характеристики: период квантования - t; частота квантования fк =1/ t -выбирается в зависимости от спектра сигнала.
- Время преобразования - Тпр - интервал времени от начала преобразования до появления выходного сигнала с заданной точностью. Чем выше точность, тем больше время преобразования. Время преобразования характеризует быстродействие.
3. Точность преобразования, которая зависит от погрешностей: квантования, инструментальной и погрешности аппаратуры (чувствительности датчика, шага квантования, разрядности преобразователя, точности обработки ЭВМ и т. д.).
4. Надежность, достоверность, помехозащищенность, сбои и отказы.
2. ЦИФРОАНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Цифро-аналоговый преобразователь (код-аналог) предназначен для преобразования входного сигнала, заданного в цифровом коде в аналоговый выходной сигнал.
Существует ряд методов цифро-аналогового преобразования. Наиболее распространенным является метод суммирования на одну нагрузку токов или напряжений с весами 2 n с помощью ключей, управляемых входным цифровым кодом (рис. 1).
Рис. 1. Схема ЦАП
Широко используются ЦАП, выполненные на основе резистивной матрицы, схема которого приведена на рис. 2.
Рис.2. Схема ЦАП на основе резистивной матрицы
Наиболее общие типы электронных ЦАП:
1. широтно-импульсный модулятор -- простейший тип ЦАП. Стабильный источник тока или напряжения периодически включается на время, пропорциональное преобразуемому цифровому коду, далее полученная импульсная последовательность фильтруется аналоговым фильтром низких частот. Такой способ часто используется для управления скоростью электромоторов, а также становится популярным в Hi-Fi (класс аппаратуры) аудиотехнике;
2. ЦАП передискретизации, такие как дельта-сигма ЦАП, основаны на изменяемой плотности импульсов. Передискретизация позволяет использовать ЦАП с меньшей разрядностью для достижения большей разрядности итогового преобразования; часто дельта-сигма ЦАП строится на основе простейшего однобитного ЦАП, который является практически линейным. На ЦАП малой разрядности поступает импульсный сигнал с модулированной плотностью импульсов (c постоянной длительностью импульса, но с изменяемой скважностью), создаваемый с использованием отрицательной обратной связи. Отрицательная обратная связь выступает в роли фильтра высоких частот для шума квантования. Большинство ЦАП большой разрядности (более 16 бит) построены на этом принципе вследствие его высокой линейности и низкой стоимости. Быстродействие дельта-сигма ЦАП достигает сотни тысяч отсчетов в секунду, разрядность -- до 24 бит. Для генерации сигнала с модулированной плотностью импульсов может быть использован простой дельта-сигма модулятор первого порядка или более высокого порядка как MASH (англ. Multi stage noise SHaping). С увеличением частоты передискретизации смягчаются требования, предъявляемые к выходному фильтру низких частот и улучшается подавление шума квантования;
3. взвешивающий ЦАП, в котором каждому биту преобразуемого двоичного кода соответствует резистор или источник тока, подключенный на общую точку суммирования. Сила тока источника (проводимость резистора) пропорциональна весу бита, которому он соответствует. Таким образом, все ненулевые биты кода суммируются с весом. Взвешивающий метод один из самых быстрых, но ему свойственна низкая точность из-за необходимости наличия набора множества различных прецизионных источников или резисторов. По этой причине взвешивающие ЦАП имеют разрядность не более восьми бит;
4. цепная R-2R схема является вариацией взвешивающего ЦАП. В R-2R ЦАП взвешенные значения создаются в специальной схеме, состоящей из резисторов с сопротивлениями R и 2R. Это позволяет существенно улучшить точность по сравнению с обычным взвешивающим ЦАП, т.к. сравнительно просто изготовить набор прецизионных элементов с одинаковыми параметрами. Недостатком метода является более низкая скорость вследствие паразитной емкости;
5. сегментный ЦАП содержит по одному источнку тока или резистору на каждое возможное значение выходного сигнала. Так, например, восьмибитный ЦАП этого типа содержит 255 сегментов, а 16-битный -- 65535. Теоретически, сегментные ЦАП имеют самое высокое быстродействие, т.к. для преобразования достаточно замкнуть один ключ, соответствующий входному коду;
6. гибридные ЦАП используют комбинацию перечисленных выше способов. Большинство микросхем ЦАП относится к этому типу; выбор конкретного набора способов является компромиссом между быстродействием, точностью и стоимостью ЦАП.
3. АНАЛОГОЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Аналого-цифровой преобразователь (аналог - код) предназначен для преобразования аналоговой величины в цифровой код. Схема АЦП зависит от метода преобразования и способа его реализации. Ряд схем АЦП содержит в своем составе ЦАП.
Существует ряд методов аналого-цифрового преобразования: последовательного счета; поразрядного уравновешивания; двойного интегрирования; с преобразованием напряжения в частоту; параллельного преобразования.
Наиболее часто используется метод поразрядного уравновешивания (последовательного преобразования), при этом последовательно формируются коды, начиная с цифры старшего разряда 2 n-1 и завершая младшим (первым). Эти коды поступают на ЦАП, выход которого, сравнивается со входным сигналом.
Рис. 3. Схема ЦАП
В схеме приняты следующие условные обозначения: РПП - регистр последовательных преобразований; ГТИ - генератор тактовых импульсов.
При нажатии кнопки пуск ГТИ заносит в старший разряд РПП единицу, при этом код преобразуется в аналоговый сигнал и сравнивается с входным сигналом - Uвх. В зависимости от выхода компаратора ГТИ записывает “1” в следующий разряд, а предыдущий разряд, либо оставляется без изменения, либо обнуляется.
В Фибоначчевых АЦП для поразрядного уравновешивания используются 1-числа Фибоначчи (1, 1, 2, 3, 5, 8, . . .).
Достоинство Фибоначчевых АЦП: избыточность кода Фибоначчи позволяет обнаруживать и исправлять ошибки при наличии помех.
Пример 1. В результате квантования по уровню значение сигнала выдается в двоичном коде с ценой младшего разряда равного шагу квантования. Определить необходимое число двоичных разрядов и количество уровней квантования при условии, что приведенная среднеквадратическая ошибка квантования не превышает 0,3%.
Решение: При заданном способе квантования погрешность квантования отрицательная и может принимать значения от 0 до x. Где x шаг квантования.
Среднеквадратическая ошибка квантования равна:
Приведенная среднеквадратическая ошибка квантования равна:
Если N - количество интервалов разбиения динамического диапазона изменения входного сигнала, то количество уровней квантования- m равно
Количество двоичных разрядов двоичного кода
Принимаем n = 7, т. е. для кодирования квантованного сигнала в двоичном коде, с ценой младшего разряда равного шагу квантования и точностью не ниже 0,3% , необходим семиразрядный двоичный код.
Пример 2. Случайный процесс с корреляционной функцией R( ) квантуется с шагом t. Найти погрешность представления такого процесса рядом Котельникова в зависимости от параметров и t если
Решение: Спектральная плотность этого процесса равна
Определим погрешность, связанную с усечением спектра сигнала по формуле:
Найдем значения спектральных плотностей
При этом выражение для погрешности усечения случайного сигнала имеет вид
Подставив значение F = 1/2 t, определяемое в соответствии с теоремой Котельникова, найдем
Если задана величина погрешности, можно определить шаг квантования.
Список Литературы
1. Быстродействующие интегральные микросхемы ЦАП и АЦП и измерение их параметров. Под редакцией Марцинкявючеса. М.: Радио и связь. 1988 -224с.
2. Валах В.В., Григорьев В.Ф., Быстродействующие АЦП для измерения формы случайных сигналов М.: Приборы и техника эксперемента. 1987. №4 с.86-90
4. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника.: Учебное пособие для вузов:-2-е издание, переработанное и дополненное-СПб: БХВ - петербург, 2005. - 800с.
5. Федерков Б.Г., Телец В.А., Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. М.: Энергоиздат, 1990. -320с.
6. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. В 3-х томах: Т. 2. Пер. с англ. -- 4-е изд., перераб. и доп.-- М.: Мир, 1993. -- 371 с.
Читайте также: