Цифровая обработка сигналов

Аналого-цифровые преобразователи

План лекции

1. Общие сведения.

2. Следящий АЦП.

3. АЦП поразрядного уравновешивания.

Общие сведения

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) преобразуют аналоговые входные сигналы в цифровые коды и предназначены для согласования аналоговых систем с цифровыми системами обработки информации.

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) – устройства, которые принимают входные аналоговые сигналы и генерируют соответствующие им цифровые коды, пригодные для обработки микропроцессорами и другими цифровыми устройствами.

На рис. 2 представлена классификация АЦП по методам преобразования.

В основу классификации АЦП положен признак, указывающий на то, как во времени разворачивается процесс преобразования аналоговой величины в цифровую. В основе преобразования выборочных значений сигнала в цифровые эквиваленты лежат операции квантования и кодирования. Они могут осуществляться с помощью либо последовательной, либо параллельной, либо последовательно-параллельной процедур приближения цифрового эквивалента к преобразуемой величине.

Параметры АЦП подразделяются на статические, динамические и эксплуатационные.

Разрядность (число разрядов) АЦП – это округленный до целого числа двоичный логарифм номинального числа значений выходного кода L = log₂N, где N – число значений выходного кода. При подаче на вход АЦП линейно изменяющегося напряжения на выходе АЦП наблюдается последовательное изменение кодов.

Характеристикой преобразования АЦП называют зависимость между значениями входного аналогового напряжения и выходного кода. Так же как и для ЦАП, характеристика преобразования АЦП может быть задана математически, в виде таблицы или графика.

Характеристика преобразования определяется шагом квантования, т.е. разностью значений напряжений заданного и следующего за ним межкодового перехода. Погрешность квантования – погрешность, вызванная значением шага квантования, определяемая как половина амплитуды младшего разряда (0,5АМР).

Точностные параметры АЦП характеризуются несоответствием идеальной и действительной характеристик преобразования для конкретной реализации АЦП. К ним относятся: напряжение смещение нуля, отклонение коэффициента преобразования от номинального, монотонность характеристики, дифференциальная нелинейность, апертурная погрешность.

Рисунок 2. Классификация АЦП

Напряжение смещения нуля – напряжение, которое определяет параллельный сдвиг характеристики преобразования вдоль оси абсцисс. Это обусловлено наличием напряжения смещения нуля в компараторе и отклонением сопротивления первого резистора делителя опорных напряжений.

Отклонение коэффициента преобразования от номинального значения характеризуется погрешностью преобразования в конечной точке характеристики. Это обусловлено напряжением смещения нуля и отклонением сопротивлений резисторов в другом конце делителя.

Дифференциальная нелинейность АЦП определяется отклонением действительных значений шагов квантования характеристики от их среднего значения.

Монотонность характеристики преобразования АЦП характеризуется наличием всех кодовых комбинаций на его выходе при подаче на вход изменяющегося аналогового сигнала.

Апертурная погрешность определяется неопределенностью между значением входного сигнала в момент выборки и значением фактически преобразуемой величины входного аналогового сигнала.

Основными динамическими параметрами являются: время преобразования, время задержки запуска, частота дискретизации, апертурное время, апертурная неопределенность, монотонность характеристики преобразования при максимальной скорости изменения входного сигнала, время цикла кодирования.

Время преобразования – отрезок времени с момента начала появления сигнала на входе АЦП до появления на выходе устойчивого цифрового кода.

Время задержки запуска определяется минимальным временем с момента подачи скачкообразного сигнала на аналоговый вход АЦП до момента подачи сигнала запуска АЦП, при котором выходной код отличается от номинального не более чес на значение статистической погрешности. Это время определяется переходными процессами во входных цепях АЦП.

Время цикла кодирования определяется временем, в течение которого осуществляется непосредственное преобразование установившегося значения входного сигнала. Оно определяется задержкой передачи сигнала в составных блоках АЦП.

Частота дискретизации – максимальная частота преобразования входного сигнала, при которой выбранный параметр АЦП не выходит за заданные пределы.

Апертурное время – время, в течение которого сохраняется неопределенность между моментом выборки входного сигнала и моментом времени, к которому оно относится. Физически это определяется инерционностью токовых переключателей и компараторов.

Апертурная неопределенность – случайное изменение апертурного времени, наиболее часто определяемое в конкретной точке характеристики пробразования. Апертурная неопределенность приводит к появлению различных кодовых комбинаций при кодировании быстроизменяющегося сигнала одной величины.

Монотонность характеристики преобразования при максимально допустимой скорости изменения входного сигнала определяется той скоростью его изменения, при которой характеристика АЦП еще монотонна.

При эксплуатации АЦП необходимо учитывать минимальный временной интервал между преобразованиями, который характеризует время возвращения АЦП в исходное состояние и может влиять на частоту дискретизации.

Для нормальной и устойчивой работы АЦП необходимо выполнять ограничения на следующие эксплуатационные параметры устройства:

- диапазон изменения входных и выходных сигналов;

- длительность управляющих импульсов;

- длительность фронта и среза импульсов;

- используемый цифровой код.

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) предназначены для преобразования аналоговых (непрерывных) сигналов в цифровую форму. Преобразование аналогового сигнала происходит в определенные моменты времени, которые называются точками отсчета. Количество отсчетов за единицу времени определяет частоту дискретизации (преобразования), которая, в свою очередь, определяется быстродействием и условиями использования АЦП. Интервал времени между отсчетами Т_отс и частота дискретизации f_пр связаны соотношением:

Т_отс = 1/f_пр.

В измерительной технике для преобразования медленно меняющихся процессов частота преобразования может быть установлена небольшой - единицы Герц и менее. В устройствах, где требуется преобразовывать сигналы в масштабе реального времени, частота преобразования выбирается из условия достижения максимальной точности восстановления цифрового сигнала в аналоговую форму. Например, преобразование речевого сигнала в дискретную форму. При этом частота дискретизации определяется как f_пр = 2F_мах, где F_мах - максимальная частота речевого сигнала.

Для обеспечения преобразования без искажений требуется выполнение условия:

t_пр < Т_отс,

где t_пр - время преобразования АЦП одного отсчета.

Основные параметры АЦП определяются также как и параметры ЦАП.

По принципу дискретизации и структуре построения АЦП делятся на две группы: 1-группа АЦП с применением ЦАП и 2-группа АЦП без ЦАП.

К первой группе относятся:

- АЦП последовательного счета (развёртывающего типа);

- АЦП последовательного приближения (поразрядного уравновешивания);

- следящий АЦП.

К второй группе относятся:

- АЦП прямого преобразования;

- АЦП двойного интегрирования;

- АЦП с применением генератора, управляемого напряжением (ГУН).

Каждый тип АЦП имеет свои достоинства и недостатки. На практике встречаются все выше перечисленные типы АЦП.

Области применения ЦАП и АЦП

С помощью АЦП и ЦАП можно организовать обмен информацией с ЭВМ в масштабе времени сигналов звукового вещания. Структурная схема терминала приведена на рис. 7,а. С выхода магнитофона М1 аналоговый сигнал поступает на вход АЦП, где преобразуется в цифровой код, который подается на вход устройства сопряжения УС1. В устройстве сопряжения преобразованные АЦП сигналы синхронизируются и согласовываются с сигналами блока управления БУ1, который дает команду о прохождении информации в память ЭВМ. Вывод обработанного цифровыми методами сигнала звукового вещания из ЭВМ на второй магнитофон М2 осуществляется с помощью ЦАП. Информация считывается из памяти ЭВМ и поступает на вход блока стандартного сопряжения (БСС). После реализации команд управления информация поступает на устройство вывода УС2 и через БУ2 на вход ЦАП.

АЦП и ЦАП широко применяются и в речевых терминалах (рис. 8,б). В таких терминалах АЦП используется для организации ввода информации для распознавания слуховых “образов”. Структурная схема речевого терминала содержит: ЦАП - для синтеза речи; фильтр нижних частот - ФНЧ; полосовой фильтр - ПФ; блок анализа и кодирования - БАК, где обработка сигнала выполняется методами дифференциальной импульсно-кодовой модуляции и выделения параметров линейного предсказания; блок синтеза и восстановления речевого сигнала - БСВ, осуществляющий операцию декодирования речевого сигнала в соответствии с заданной программой; блок распознавания образа (БРО), построенный на матричной БИС и выполняющий параллельную обработку вектора параметров речевого сигнала.

Рисунок 7 Функциональные схемы терминалов звукового вещания (а) и речевого (б)

Следящий АЦП

В нем применяется реверсивный счетчик, переключаемый сигналом с выхода компаратора. Поэтому АЦП отслеживает изменения напряжения на входе не начиная цикл с начала.

Рисунок 8 Работа следящего АЦП