Для чего нужны устройства цап и ацп кратко

Обновлено: 06.07.2024

Большинство датчиков и исполнительных устройств автоматических систем работает с аналоговыми сигналами. Для ввода таких сигналов в ЭВМ их необходимо преобразовать в цифровую форму, т.е. дискретизироватъ по уровню и во времени. Эту задачу решают АЦП. Обратную задачу, т.е. превращение квантованного (цифрового) сигнала в непрерывный, решают ЦАП.

АЦП и ЦАП являются основными устройствами ввода-вывода информации в цифровых системах, предназначенных для обработки аналоговой информации или управления каким-либо технологическим процессом.

Важнейшие характеристики АЦП и ЦАП:

1) Вид аналоговой величины, являющейся входной для АЦП и выходной для ЦАП (напряжение, ток, временной интервал, фаза, частота, угловое и линейное перемещение, освещенность, давление, температура и т.п.). Наибольшее распространение получили преобразователи, в которых входной (выходной) аналоговой величиной является напряжение, т.к. большинство аналоговых величин сравнительно легко преобразуются в напряжение.

2) Разрешающая способность и точность преобразования (разрешающая способность определяется количеством двоичных разрядов кода или возможным количеством уровней аналогового сигнала, точность определяется наибольшим значением отклонения аналогового сигнала от цифрового и наоборот).

3) Быстродействие, определяемое интервалом времени от момента подачи сигнала опроса (запуска) до момента достижения выходным сигналом установившегося значения (ед. микросекунд, десятки наносекунд)

В любом преобразователе выделяют цифровую и аналоговую части. В цифровой производятся кодирование и декодирование цифровых сигналов, их запоминание, счет, цифровое компарирование (сравнение), выработка логических сигналов управления. Для этого используют: дешифраторы, мультиплексоры, регистры, счетчики, цифровые компараторы, логические элементы.

В аналоговой части преобразователя производятся операции: усиления, сравнения, коммутации, сложения и вычитания аналоговых сигналов. Для этого используются аналоговые элементы: ОУ, аналоговые компараторы, ключи и коммутаторы, резистивные матрицы и т.д.

Преобразователи выполняются в виде цифровых и аналоговых ИМС или БИС.

ЦАП

Строятся на основе, представления любого двоичного числа X в виде суммы степеней числа два.

Схема преобразования четырехразрядного двоичного числа

Х=Х3*2 3 +Х2*2 2 +X1*2 1 +Х0 *2 0

В пропорциональное ему напряжение.

X_i=0 или 1. Для ОУ

R – общее сопротивление параллельно включенных ветвей, в которых были замкнуты ключи X.

U_оп=U_c – опорное напряжение, подаваемое на вход ОУ через R.

R_oc – сопротивление ОС.

U_вых=(–U_оп*R_oc/R_o)*Х; –U_o_п*R_oc/R₀ =K – коэффициент пропорциональности, для каждой схемы величина постоянная.

- для нашей схемы.

Для увеличения числа разрядов необходимо увеличивать число резисторов (R_о/16; R_o/32 и т.д.), при отличии резисторов в 1000 раз точность снижается.

Для устранения этого недостатка в многоразрядных ЦАП весовые коэффициенты каждой ступени задают последовательным делением опорного напряжения с помощью резистивной матрицы. (R-2R)

По такому принципу построена схема 10-разрядного интегрального ЦАП типа К572ПА1 выполненного по КМОП технологии.

Достоинства: малая потребляемая мощность, высокое быстродействие не более 5мкс., хорошая точность.

на каждый резистор 2R 2 МДП транзистора, подключаемые 1 и 0 (через инвертор). Четные (вх=1) соед. с вых. 1

Нечетные (вх=0) соед, с вых. 2

АЦП.

По способу преобразования делятся на последовательные, параллельные и последовательно-параллельные.

В последовательных АЦП преобразование аналоговой величины в цифровой код идет ступеньками (шагами), последовательно приближаясь к измеряемому напряжению.

Достоинство: простота; недостаток: низкое быстродействие.

В параллельных АЦП входное напряжение одновременно сравнивают с Х– опорными напряжениями. При этом результат получается за один шаг, но необходимы большие аппаратурные затраты.

Быстродействие; недостаток: сколько опорных напряжений, столько компараторов.

Процесс преобразования непрерывного сигнала в код состоит из квантования и кодирования.

Квантование – это представление непрерывной величины в виде конечного числа дискретных значений (например, уровней потенциалов), а кодирование – это перевод комбинаций дискретных значений в двоичные числа для обработки информации в ЭВМ.

Из входных устройств преобразующих аналоговые величины в соответствующие коды двоичных чисел комбинаций, интерес представляют устройства типа напряжение-число.

bc = t∙tg α =>

Отрезки b₁c₁, b₂c₂, b₃c₃ представляют собой дискретное значение входного напряжения. Интервал от начала сравнения до момента равенства напряжений U_вх = U_п является катетом треугольника с углом наклона α. Все три треугольника подобны, следовательно, tg α = const. Поэтому можно сказать, что отрезки bc в каком-то масштабе пропорциональны соответствующему интервалу времени t. Следовательно измерение дискретных значений напряжений можно заменить измерением пропорциональных отрезков времени, заменяемых двоичным числом.

ГСИ – генератор синхроимпульсов;

И – схема совпадений (логическое умножение);

ДИ – датчик импульсов;

ГПИ – генератор пилообразных импульсов;

= – схема сравнения или компаратор;

ГСИ вырабатывает серию импульсов определенной частоты, определяющий частоту преобразования, импульсы поступают на вход счетчика через схему И, которой управляет триггер. При нулевом состоянии триггера на выходе схемы И – 0 и на вход счетчика импульсы не поступают. Начало временного интервала формирует управляющий импульс УИ, устанавливающий триггер в 1 и определяющий начало отсчета импульсов в счетчике.

В момент совпадения обоих напряжений единица на выходе компаратора вырабатывает импульс УИ2, устанавливающий триггер в 0, определяющий конец временного интервала.

Число прошедших на счетчик импульсов – это код, пропорциональный дискретному значению преобразованного напряжения.

Точность преобразования определяется точностью сравнения напряжений и положением управляющего импульса относительно импульсов. ГСИ.

Важнейшие характеристики АЦП и ЦАП:

Преобразователи выполняются в виде цифровых и аналоговых ИМС или БИС.

ЦАП

Строятся на основе, представления любого двоичного числа X в виде суммы степеней числа два.

Схема преобразования четырехразрядного двоичного числа

Х=Х3*2 3 +Х2*2 2 +X1*2 1 +Х0 *2 0

В пропорциональное ему напряжение.

X_i=0 или 1. Для ОУ

R – общее сопротивление параллельно включенных ветвей, в которых были замкнуты ключи X.

U_оп=U_c – опорное напряжение, подаваемое на вход ОУ через R.

R_oc – сопротивление ОС.

U_вых=(–U_оп*R_oc/R_o)*Х; –U_o_п*R_oc/R₀ =K – коэффициент пропорциональности, для каждой схемы величина постоянная.

- для нашей схемы.

Достоинства: малая потребляемая мощность, высокое быстродействие не более 5мкс., хорошая точность.

на каждый резистор 2R 2 МДП транзистора, подключаемые 1 и 0 (через инвертор). Четные (вх=1) соед. с вых. 1

Нечетные (вх=0) соед, с вых. 2

АЦП.

По способу преобразования делятся на последовательные, параллельные и последовательно-параллельные.

Достоинство: простота; недостаток: низкое быстродействие.

Быстродействие; недостаток: сколько опорных напряжений, столько компараторов.

ГСИ – генератор синхроимпульсов;

И – схема совпадений (логическое умножение);

ДИ – датчик импульсов;

ГПИ – генератор пилообразных импульсов;

= – схема сравнения или компаратор;

Любительский

АЦП, ЦАП: зачем нужен преобразователь аудиосигнала?

ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь – нужен для преобразования аудиосигнала из цифрого формата в аналоговый; обычно, для передачи в усилитель или немедленного озвучивания.

Все современные форматы записи аудио используют цифровое представление. И треки на CD или blu-ray дисках, и mp3-файлы, и музыка с iTunes – все они хранятся в цифровом формате. И для того, чтобы воспроизвести эту запись, её надо преобразовать в аналоговый сигнал – эту функцию и выполняет цифро-аналоговый преобразователь. Встроенный ЦАП присутствует в любом устройстве, воспроизводящем музыку. Но часто бывает, что качество проигрывания одних и тех же аудиофайлов (или треков с одного и того же диска) на разных плеерах заметно отличается. Если при этом используются одинаковые усилители и наушники, значит, проблема в ЦАП плеера.

Аудиосигнал, прошедший через низкокачественный ЦАП

ЦАПы бывают разные: дешевые преобразователи с низким энергопотреблением (часто используемые производителями в мобильных устройствах) имеют низкое быстродействие и малую разрядность, что сильно сказывается на качестве звука.

Если у мобильного устройства есть цифровой выход (S/PDIF или USB), можно подключить к нему внешний ЦАП - это гарантирует высокое качество преобразования цифрового звука в аналоговый.

Несмотря на совершенно противоположные задачи, АЦП и ЦАП обладают некоторыми общими характеристиками, оказывающими большое влияние на качество преобразования.

Характеристики преобразователей аудиосигнала.

Количество отсчетов в секунду - частота дискретизации

Для АЦП частота дискретизации определяет, с какой частотой преобразователь будет измерять амплитуду аналогового сигнала и передавать её в цифровом виде. Для ЦАП – наоборот, с какой частотой цифровые данные будут конвертироваться в аналоговый сигнал.

Чем выше частота дискретизации, тем результат преобразования ближе к исходному сигналу. Казалось бы, чем выше этот показатель, тем лучше. Но, согласно теореме Котельникова, для передачи сигнала любой частоты достаточно частоты дискретизации, вдвое большей частоты самого сигнала. С учетом того, что самая высокая частота, различимая на слух – 20 кГц (у большинства людей верхняя граница слышимого звука вообще проходит в районе 15-18 кГц), частоты дискретизации в 40 кГц должно быть достаточно для качественной оцифровки любого звука. Частота дискретизации audio CD: 44.1 кГц, и максимальная частота дискретизации mp-3 файлов: 48 кГц, выбраны как раз исходя из этого критерия. Соответственно, ЦАП, проигрывающий аудиотреки и mp3-файлы, должен иметь частоту дискретизации не менее 48 кГц, иначе звук будет искажаться.

Зеленым цветом показан исходный аудиосигнал, состоящий из нескольких гармоник, близких к 20 кГц. Малиновым цветом обозначен цифровой сигнал, дискретизированный с частотой 44.1 кГц. Синим цветом обозначен аналоговый сигнал, восстановленный из цифрового. Хорошо заметны потери в начале и конце отрезка.

Теоретически, такой частоты дискретизации должно быть достаточно, но практически иногда возникает надобность в большей частоте: реальный аудиосигнал не полностью отвечает требованиям теоремы Котельникова и при определенных условиях сигнал может искажаться. Поэтому у ценителей чистого звука популярны записи с частотой дискретизации 96 кГц.

Частота дискретизации ЦАП выше, чем у исходного файла, на качество звука не влияет, поэтому приобретать ЦАП с частотой дискретизации выше 48 кГц имеет смысл, только если вы собираетесь прослушивать с его помощью blu-ray и DVD-аудио или loseless музыку с частотой дискретизации, большей 48 кГц.

Если вы твердо нацелились на приобретение преобразователя с частотой дискретизации выше 48 кГц, то экономить на покупке не стоит. ЦАП, как и любое другое аудиоустройство, добавляет в сигнал собственный шум. У недорогих моделей шумность может быть довольно высокой, а с учетом высокой частоты дискретизации, на выходе такого преобразователя может появиться опасный для динамиков ультразвуковой шум. Да и в слышимом диапазоне шумность может оказаться настолько высокой, что это затмит весь выигрыш от повышения частоты дискретизации.

Чем выше разрядность, тем выше точность измерения или восстановления амплитуды сигнала

Разрядность – вторая характеристика, непосредственно влияющая на качество преобразования.

Разрядность ЦАП должна соответствовать разрядности аудиофайла. Если разрядность ЦАП будет ниже, он, скорее всего, просто не сможет преобразовать этот файл.

Треки audio CD имеют разрядность 16 бит. Это подразумевает 65536 градаций амплитуды – в большинстве случаев этого достаточно. Но теоретически, в идеальных условиях, человеческое ухо способно обеспечить большее разрешение. И если о разнице между записями с дискретизацией 96 кГц и 48 кГц можно спорить, то отличить 16-битный звук от 24-битного при отсутствии фонового шума могут многие люди с хорошим слухом. Поэтому, если ЦАП предполагается использовать для прослушивания DVD и Blu-ray аудио, следует выбирать модель с разрядностью 24.

Чем выше разрядность АЦП, тем с большей точностью измеряется амплитуда звукового сигнала.

Количество каналов определяет, какой звук сможет преобразовывать устройство. Двухканальный преобразователь сможет обрабатывать стерео и моно звук. Но для преобразования сигнала формата Dolby Digital или Dolby TrueHD понадобится, соответственно, шести- или восьмиканальный преобразователь.

Соотношение сигнал/шум определяет уровень шума, добавляемого в сигнал преобразователем. Чем выше этот показатель, тем более чистым остается сигнал, проходящий через преобразователь. Для прослушивания музыки нежелательно, чтобы этот показатель был ниже 75 дБ. Hi-Fi аппаратура обеспечивает минимум 90 дБ, а высококачественные Hi-End устройства способны обеспечить отношение сигнал/шум в 110-120 дБ и выше.

Преобразователи аудиосигнала скорее относятся к студийному и домашнему оборудованию, поэтому питание большинства преобразователей производится от сети 220В. Но существуют и преобразователи, которые питаются от аккумуляторов и могут быть использованы автономно. Это может оказаться удобным при использовании преобразователя с мобильным устройством – ноутбуком, планшетом, смартфоном или плеером.

Некоторые преобразователи получают питание через разъем micro-USB, при этом получать (или передавать) аудиосигнал через этот разъем они не могут. Если вам важно, чтобы ЦАП мог читать аудиофайлы на USB-носителях, перед покупкой убедитесь, что USB на устройстве используется не только для питания.

Варианты выбора.

Если вам нужно устройство, с помощью которого можно будет оцифровать старые магнитофонные записи или записать на компьютер звук с микрофона, вам нужен аналогово-цифровой преобразователь. Цены на них начинаются от 1100 рублей.

Если вы желаете получить устройство для качественного проигрывания аудифайлов со смартфона с возможностью беспроводного соединения, выбирайте среди ЦАП с поддержкой Bluetooth. Такое устройство обойдется вам в 1400-1800 рублей.

Если же вы желаете услышать все богатство звука, записанного в loseless-формате с высокой частотой дискретизации и битностью 24, вам понадобится соответствующий ЦАП. Стоить он будет от 1700 рублей.

Разбираемся с АЦП и ЦАП, какие задачи они решают, в чем их достоинства и недостатки.

p, blockquote 1,0,0,0,0 -->

Аналого-цифровой преобразователь

Аналого-цифровой преобразователь или АЦП — это устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный цифровой код. АЦП осуществляет операции дискретизации и квантования. Напомню, при дискретизации, отсчеты непрерывного сигнала берутся только в определенные моменты или дискреты времени, а при квантовании значение сигнала в эти моменты времени округляется до одного из фиксированных уровней, квантованные уровни затем представляются в двоичном виде. Таким образом, мы получаем цифровой сигнал из аналогового.

p, blockquote 2,0,0,0,0 -->

p, blockquote 3,0,0,0,0 -->

Как устроен АЦП

В большинстве АЦП есть устройство выборки и хранения, которые фиксируют и сохраняют значение напряжения на своем входе, в моменты замыкания ключа, а моменты замыкания ключа определяется задающим генератором, именно его частота и определяет частоту дискретизации выходного сигнала. Сигнал на выходе устройства выборки и хранения затем, округляется до одного из уровней квантования.

p, blockquote 4,0,0,0,0 -->

p, blockquote 5,0,0,0,0 -->

Как же АЦП понимает, с каким уровней квантования проассоциировать значение сигнала?

p, blockquote 6,0,0,0,0 -->

Рассмотрим простейший одноразрядный АЦП, компаратор. Он принимает на свой вход два значения напряжения, в том случае, если напряжение на первом входе больше чем на втором, он выдает логическую единицу, в противном случае 0.

p, blockquote 7,0,0,0,0 -->

p, blockquote 8,0,0,0,0 -->

Допустим, мы зафиксировали значение на втором ходе, это наш пороговый уровень, и когда изменяющейся во времени сигнал на первом входе больше этого уровня, устройство показывает 1, когда меньше 0.

p, blockquote 9,0,0,0,0 -->

Теперь представим, что компараторов несколько, когда входной сигнал превышает определённый уровень, срабатывает соответствующий компаратор, выходы всех компараторов затем преобразуется схемой приоритетного кодера в двоичное представление. АЦП в которых каждом из уровней квантования соответствует компаратор называются АЦП прямого преобразования или флеш АЦП.

p, blockquote 10,0,1,0,0 -->

p, blockquote 11,0,0,0,0 -->

Характеристики АЦП

Во-первых, АЦП отличаются по частоте дискретизации, она определяется задающим генератором. В зависимости от назначения частота дискретизации может измеряться в килогерцах, мегагерцах и даже гигагерц.

p, blockquote 12,0,0,0,0 -->

Далее идет разрядность, то есть количество бит в коде, которыми мы представляем отсчеты сигнала. От количества бит, зависит количество уровней квантования, оно определяется, как 2 в степени количество бит, если у нас 3 бита, то это 8 возможных уровней квантования, если у нас 8 бит это 256 уровней.

p, blockquote 13,0,0,0,0 -->

Диапазон входного сигнала это минимальные и максимальные значения напряжения на входе АЦП при которых устройство работает корректно. Слишком маленький сигнал АЦП может не различить и принять за нулевой уровень, слишком большие могут вызвать искажения, которые приведут к потере информации. Обычно АЦП оперируют единицами вольт.

p, blockquote 14,0,0,0,0 -->

Отношение сигнал-шум об этом параметре есть подробная статья.

p, blockquote 15,0,0,0,0 -->

Передаточная характеристика — это по определению зависимость числового эквивалента выходного кода от величины входного аналогового сигнала, она имеет вид ступенчатой функции.

p, blockquote 16,0,0,0,0 -->

p, blockquote 17,0,0,0,0 -->

Посмотрим на рисунок выше, окрестность значения входного напряжения 0,5 вольт будет приравнено к четвертому уровню квантования, то есть значение к примеру 0,52 или 0,47 также будут представлены кодом 100.

p, blockquote 18,0,0,0,0 -->

Если мы рассматриваем АЦП с равномерным квантованием, то длина всех ступенек будет одинаковой, в некоторых АЦП специально используются неравномерное квантование, но их мы пока не рассматриваем. Неравномерность ступенек в АЦП с равномерным квантование это одна из характеристик неидеальности, мы называем ее нелинейностью.

p, blockquote 19,0,0,0,0 -->

Нелинейность АЦП

Нелинейность АЦП — это отличие реальной передаточной характеристики от линейной.

p, blockquote 20,1,0,0,0 -->

Линейная система передает входной сигнал на выход, без изменения его формы, возможно усиление или аттенюация.

p, blockquote 21,0,0,0,0 -->

p, blockquote 22,0,0,0,0 -->

Нелинейная система искажает форму выходного сигнала. В том случае, когда характеристика отличается от прямой линии, форма пиков сигнала изменяется это называется нелинейным искажением, крайне нежелательно явление. При искажениях мы безвозвратно теряем информацию.

p, blockquote 23,0,0,0,0 -->

Для АЦП, желательно, чтобы в рабочем диапазоне входных сигналов формы передаточных характеристик аппроксимировались прямой, но на практике небольшие отклонения все же присутствуют, поэтому для всех АЦП производитель указывает параметры интегральной и дифференциальной нелинейности.

p, blockquote 24,0,0,0,0 -->

p, blockquote 25,0,0,0,0 -->

Шум квантования

В АЦП происходит округление реального значения аналогового сигнала. Точность представления, то насколько близок уровень квантования к реальному значению зависит от разрядности АЦП, количества бит.

p, blockquote 26,0,0,0,0 -->

p, blockquote 27,0,0,0,0 -->

Сигнал ошибки или разницы мы называем шумом квантования, хотя шумом его можно считать только в рамках математической модели, так как он зависит от сигнала.

p, blockquote 28,0,0,0,0 -->

Если мы квантуем непрерывный сигнал, то и шум квантования будет непрерывным. Если мы говорим о квантовании дискретного сигнала, то и на ошибки также будет дискретным. Понятно, что для того чтобы уменьшить шум квантования надо повышать разрядность АЦП, но из-за этого увеличивается стоимость, энергопотребление, могут понизиться другие характеристики.

p, blockquote 29,0,0,0,0 -->

p, blockquote 30,0,0,1,0 -->

Существует техника уменьшения влияния шума квантования без увеличения разрядности, и с ними вы можете ознакомиться самостоятельно при желании.

p, blockquote 31,0,0,0,0 -->

Джиттер

Джиттер это фазовый шум вызванный нестабильностью задающего генератора. Когда мы рассматриваем идеальный процесс дискретизации непрерывного сигнала, шаг временной сетке или период дискретизации неизменен, но в реальности импульсы задающего генератора могут идти не через равные промежутки времени, это приводит к тому что мы передаем устройству выборки и хранения не совсем то значение, которое должны были бы передать в случае идеально ровной временной сетки.

p, blockquote 32,0,0,0,0 -->

p, blockquote 33,0,0,0,0 -->

Эти отклонения, от так называемых реальных значений, также можно представить в виде дискретного шума. Нестабильность генераторов обычно измеряется в пика и фемпто секундах, поэтому на медленный АЦП она особо не влияет.

p, blockquote 34,0,0,0,0 -->

Шум квантования вносит гораздо больший вклад, но если сам сигнал изменяется очень быстро, если мы говорим о частотах дискретизации в сотни мегагерц и единицах гигагерц, то в этом случае уже джиттер может стать главной проблемой.

p, blockquote 35,0,0,0,0 -->

Цифро-аналоговый преобразователь

Цифро-аналоговый преобразователь — это устройство преобразующее входной цифровой сигнал в аналоговый.

p, blockquote 36,0,0,0,0 -->

p, blockquote 37,0,0,0,0 -->

На вход устройства поступают дискретные отсчеты в виде цифрового кода, которые затем преобразуются в напряжение. Напряжение это соответствует набору уровней, как и случае с АЦП, многие ЦАП, используют равномерный уровни при преобразовании.

p, blockquote 38,0,0,0,0 -->

Уровень напряжения остается неизменным до момента прихода следующего отсчета на вход, таким образом формируется ступенчатый непрерывный сигнал, который в дальнейшем может быть сглажен фильтром нижних частот.

p, blockquote 39,0,0,0,0 --> p, blockquote 40,0,0,0,1 -->

Один из простейших видов ЦАП широтно-импульсный модулятор (ШИМ) он часто используется для управления скоростью электромоторов.

В этой статье рассмотрены основные вопросы, касающиеся принципа действия АЦП различных типов. При этом некоторые важные теоретические выкладки, касающиеся математического описания аналого-цифрового преобразования остались за рамками статьи, но приведены ссылки, по которым заинтересованный читатель сможет найти более глубокое рассмотрение теоретических аспектов работы АЦП. Таким образом, статья касается в большей степени понимания общих принципов функционирования АЦП, чем теоретического анализа их работы.

В качестве отправной точки дадим определение аналого-цифровому преобразованию. Аналого-цифровое преобразование – это процесс преобразования входной физической величины в ее числовое представление. Аналого-цифровой преобразователь – устройство, выполняющее такое преобразование. Формально, входной величиной АЦП может быть любая физическая величина – напряжение, ток, сопротивление, емкость, частота следования импульсов, угол поворота вала и т.п. Однако, для определенности, в дальнейшем под АЦП мы будем понимать исключительно преобразователи напряжение-код.

Понятие аналого-цифрового преобразования тесно связано с понятием измерения. Под измерением понимается процесс сравнения измеряемой величины с некоторым эталоном, при аналого-цифровом преобразовании происходит сравнение входной величины с некоторой опорной величиной (как правило, с опорным напряжением). Таким образом, аналого-цифровое преобразование может рассматриваться как измерение значения входного сигнала, и к нему применимы все понятия метрологии, такие, как погрешности измерения.

Основные характеристики АЦП

АЦП имеет множество характеристик, из которых основными можно назвать частоту преобразования и разрядность. Частота преобразования обычно выражается в отсчетах в секунду (samples per second, SPS), разрядность – в битах. Современные АЦП могут иметь разрядность до 24 бит и скорость преобразования до единиц GSPS (конечно, не одновременно). Чем выше скорость и разрядность, тем труднее получить требуемые характеристики, тем дороже и сложнее преобразователь. Скорость преобразования и разрядность связаны друг с другом определенным образом, и мы можем повысить эффективную разрядность преобразования, пожертвовав скоростью.

Существует множество типов АЦП, однако в рамках данной статьи мы ограничимся рассмотрением только следующих типов:

АЦП параллельного преобразования (прямого преобразования, flash ADC)
АЦП последовательного приближения (SAR ADC)
дельта-сигма АЦП (АЦП с балансировкой заряда)

Наибольшим быстродействием и самой низкой разрядностью обладают АЦП прямого (параллельного) преобразования. Например, АЦП параллельного преобразования TLC5540 фирмы Texas Instruments обладает быстродействием 40MSPS при разрядности всего 8 бит. АЦП данного типа могут иметь скорость преобразования до 1 GSPS. Здесь можно отметить, что еще большим быстродействием обладают конвейерные АЦП (pipelined ADC), однако они являются комбинацией нескольких АЦП с меньшим быстродействием и их рассмотрение выходит за рамки данной статьи.

Среднюю нишу в ряду разрядность-скорость занимают АЦП последовательного приближения. Типичными значениями является разрядность 12-18 бит при частоте преобразования 100KSPS-1MSPS.

Наибольшей точности достигают сигма-дельта АЦП, имеющие разрядность до 24 бит включительно и скорость от единиц SPS до единиц KSPS.

Еще одним типом АЦП, который находил применение в недавнем прошлом, является интегрирующий АЦП. Интегрирующие АЦП в настоящее время практически полностью вытеснены другими типами АЦП, но могут встретиться в старых измерительных приборах.

АЦП прямого преобразования

Архитектура АЦП прямого преобразования изображена на рис. 1

Рис. 1. Структурная схема АЦП прямого преобразования

Теперь становятся понятны достоинства и недостатки такого преобразователя. Все компараторы работают параллельно, время задержки схемы равно времени задержки в одном компараторе плюс время задержки в шифраторе. Компаратор и шифратор можно сделать очень быстрыми, в итоге вся схема имеет очень высокое быстродействие.

Но для получения N разрядов нужно 2^N компараторов (и сложность шифратора тоже растет как 2^N). Схема на рис. 1. содержит 8 компараторов и имеет 3 разряда, для получения 8 разрядов нужно уже 256 компараторов, для 10 разрядов – 1024 компаратора, для 24-битного АЦП их понадобилось бы свыше 16 млн. Однако таких высот техника еще не достигла.

АЦП последовательного приближения

1. на первом шаге на выходе встроенного цифро-аналогового преобразователя устанавливается величина, равная 1/2Uref (здесь и далее мы предполагаем, что сигнал находится в интервале (0 – Uref).

2. если сигнал больше этой величины, то он сравнивается с напряжением, лежащим посередине оставшегося интервала, т.е., в данном случае, 3/4Uref. Если сигнал меньше установленного уровня, то следующее сравнение будет производиться с меньшей половиной оставшегося интервала (т.е. с уровнем 1/4Uref).

Рис. 2. Структурная схема АЦП последовательного приближения.

Таким образом, АЦП последовательного приближения состоит из следующих узлов:

3. Регистр последовательного приближения (Successive Approximation Register, SAR). Он осуществляет алгоритм последовательного приближения, генерируя текущее значение кода, подающегося на вход ЦАП. По его названию названа вся данная архитектура АЦП.

Достоинством устройства является относительно высокая скорость преобразования: время преобразования N-битного АЦП составляет N тактов. Точность преобразования ограничена точностью внутреннего ЦАП и может составлять 16-18 бит (сейчас стали появляться и 24-битные SAR ADC, например, AD7766 и AD7767).

Дельта-сигма АЦП

И, наконец, самый интересный тип АЦП – сигма-дельта АЦП, иногда называемый в литературе АЦП с балансировкой заряда. Структурная схема сигма-дельта АЦП приведена на рис. 3.

Рис.3. Структурная схема сигма-дельта АЦП.

Рис. 4. Сигма-дельта АЦП как следящая система

Ради строгости изложения, нужно сказать, что на рис. 3 изображена структурная схема сигма-дельта АЦП первого порядка. Сигма-дельта АЦП второго порядка имеет два интегратора и две петли обратной связи, но здесь рассматриваться не будет. Интересующиеся данной темой могут обратиться к [3].

На рис. 5 показаны сигналы в АЦП при нулевом уровне на входе (сверху) и при уровне Vref/2 (снизу).

Рис. 5. Сигналы в АЦП при разных уровнях сигнала на входе.

Теперь, не углубляясь в сложный математический анализ, попробуем понять, почему сигма-дельта АЦП обладают очень низким уровнем собственных шумов.

Рассмотрим структурную схему сигма-дельта модулятора, изображенную на рис. 3, и представим ее в таком виде (рис. 6):

Рис. 6. Структурная схема сигма-дельта модулятора

Здесь компаратор представлен как сумматор, который суммирует непрерывный полезный сигнал и шум квантования.

Пусть интегратор имеет передаточную функцию 1/s. Тогда, представив полезный сигнал как X(s), выход сигма-дельта модулятора как Y(s), а шум квантования как E(s), получаем передаточную функцию АЦП:

То есть, фактически сигма-дельта модулятор является фильтром низких частот (1/(s+1)) для полезного сигнала, и фильтром высоких частот (s/(s+1)) для шума, причем оба фильтра имеют одинаковую частоту среза. Шум, сосредоточенный в высокочастотной области спектра, легко удаляется цифровым ФНЧ, который стоит после модулятора.

Однако следует понимать, что это чрезвычайно упрощенное объяснение явления вытеснения шума (noise shaping) в сигма-дельта АЦП.

Итак, основным достоинством сигма-дельта АЦП является высокая точность, обусловленная крайне низким уровнем собственного шума. Однако для достижения высокой точности нужно, чтобы частота среза цифрового фильтра была как можно ниже, во много раз меньше частоты работы сигма-дельта модулятора. Поэтому сигма-дельта АЦП имеют низкую скорость преобразования.

Они могут использоваться в аудиотехнике, однако основное применение находят в промышленной автоматике для преобразования сигналов датчиков, в измерительных приборах, и в других приложениях, где требуется высокая точность. но не требуется высокой скорости.

Немного истории

Рис. 8. Первый патент на АЦП

Рис. 9. АЦП прямого преобразования (1975 г.)

Устройство, изображенное на рисунке, представляет собой АЦП прямого преобразования MOD-4100 производства Computer Labs, 1975 года выпуска, собранный на основе дискретных компараторов. Компараторов 16 штук (они расположены полукругом, для того, чтобы уравнять задержку распространения сигнала до каждого компаратора), следовательно, АЦП имеет разрядность всего 4 бита. Скорость преобразования 100 MSPS, потребляемая мощность 14 ватт.

На следующем рисунке изображена продвинутая версия АЦП прямого преобразования.

Рис. 10. АЦП прямого преобразования (1970 г.)

Устройство VHS-630 1970 года выпуска, произведенное фирмой Computer Labs, содержало 64 компаратора, имело разрядность 6 бит, скорость 30MSPS и потребляло 100 ватт (версия 1975 года VHS-675 имела скорость 75 MSPS и потребление 130 ватт).

ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь) и АЦП (аналого-цифровой преобразователь) входят в состав кодека и непосредственно выполняют дискретизацию:

— при воспроизведении ЦАП переводит цифровой код в аналоговый сигнал,
— при записи АЦП выполняет обратное преобразование.

Чем качественнее АЦП, тем более чистый и детальный звук будет литься из колонок.

Чем качественнее ЦАП, тем точнее будет переведен в цифру аналоговый сигнал.

В состав кодеков для поддержки многоканального звука входят по несколько ЦАП и АЦП.

Читайте также: