Тема: Аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи.

Цель: Формирование у студента компетенции ПК-10, ПК-17.

Вопросы для изучения.

1. Общие принципы и характеристики аналого-цифрового и цифроаналогового преобразований.

2. Цифроаналоговые преобразователи. Аналого-цифровые преобразователи.

1. Общие принципы и характеристики аналого-цифрового и цифроаналогового преобразований.

В большинстве случаев информация о физических процессах и явлениях представляется в аналоговой форме. В аналоговой форме должны формироваться и управляющие воздействия на различные объекты, подвергающиеся анализу, контролю или управлению. Для возможности осуществлять обработку полученной с датчиков аналоговой информации цифровыми методами необходимо выполнить преобразование этой информации к виду, доступному к «пониманию» цифровыми устройствами. Подобное преобразование называется аналого-цифровым. Обратное преобразование, заключающееся в переводе информации, полученной с выходов цифрового устройства к виду непрерывной функции времени или иного ее параметра, называется цифроаналоговым. Соответственно устройства, выполняющие такие преобразования, называются аналого-цифровыми преобразователями (АЦП) и цифроаналоговыми преобразователями (ЦАП).

Из рассмотренных ранее типов цифровых устройств очевидно, что входная информация для них должна характеризоваться дискретностью (конечным количеством) своих значений (кодов). Поскольку наиболее удобной формой представления информации для обработки средствами электронных устройств являются напряжения и токи, изменяющиеся во времени, то в качестве дискретных значений этих сигналов можно выбрать как дискретные значения времени, так и дискретные уровни напряжений или токов. На рисунке 22.1 а представлена зависимость аналогового напряжения в качестве информационного сигнала, получаемого от объекта с помощью некоторого первичного преобразователя (датчика). Исходный сигнал характеризуется непрерывностью значений как по времени, так и по уровню напряжения. Задав п равных промежутков времени , можно выделить конечную последовательность импульсов с амплитудами точно соответствующими значениям напряжений в эти моменты времени.

а б

в

Рисунок 22.1 – Дискретизация параметров аналогового сигнала: а – дискретизация по времени; б – квантование по уровню; в – дискретизация по времени и квантование по уровню

Таким образом, реализуется свойство дискретности сигнала по времени. По уровню напряжения импульсы сохраняют свойства непрерывности, поскольку амплитуда этих импульсов может принимать произвольные значения. Такая форма преобразования аналогового сигнала называется дискретизацией по времени, а время – периодом дискретизации.

Если в качестве дискретных выбрать т уровней, напряжений, то функция вырождается в ступенчатую функцию где каждый следующий потенциал отличается от предыдущего на одинаковую величину Q, называемую квантом (рисунок 22.1 б). Т.к. функция может иметь произвольную форму, то очевидно, что пересечения этой функции с квантованными уровнями будут наблюдаться в неравные промежутки времени , значения функций и в моменты времени будут совпадать, а сами моменты времени могут быть произвольными и определяться формой и выбранными уровнями . Отсюда следует, что ступенчатая функция сохраняет свойство непрерывности по времени. Такое преобразование аналогового сигнала носит название квантование по уровню.

Поскольку понятие «непрерывности» значений, по сути, равносильно понятию «бесконечности», то фиксация таких значений техническими средствами не представляется возможной. Поэтому, при построении устройств аналого-цифрового преобразования используется подход дискретизации обоих параметров – и времени и уровня. Это означает, что диапазон, в котором изменяется функция разбивается на т квантованных уровней равным шагом Q. При этом преобразование осуществляется только в фиксированные моменты времени равными периодами дискретизации (рисунок 22.1 в). Вполне очевидно, что в эти моменты времени функция может либо не достичь некоторого уровня либо превысить его, т.е. возможно несовпадение исходной функции с заданными квантованными уровнями. Поэтому в качестве значений ступенчатой функции в моменты времени выбираются округленные до ближайшего уровня значения исходной функции . Очевидно, что для такого типа преобразования характерно наличие погрешности округления которая определяется величиной .

Для того чтобы проведенное преобразование стало аналого-цифровым, значению каждого уровня необходимо присвоить цифровой код в большинстве случаев двоичный. Такой процесс называется кодированием. Обычно цифровой код выбирается равным десятичному эквиваленту номера квантованного уровня. В этом случае максимальному значению кода соответствует значение максимального входного напряжения АЦП за вычетом одного кванта . Объясняется это тем, что одна кодовая комбинация соответствует нулевому значению входного напряжения АЦП.

Основные характеристики устройств аналогичного преобразования.

Разрядность п выходного кода для АЦП и входного для ЦАП число разрядов для отображения аналоговой преобразуемой величины. Эта характеристика определяет число квантованных уровней .

Диапазон входного или выходного напряжений АЦП или ЦАП – полный диапазон входного (выходного) напряжения, которое преобразователь в состоянии отобразить принятым выходным (входным) кодом, выражается в единицах вольт. Диапазон данного напряжения может быть как однополярным, так и биполярным, в зависимости от типа преобразователя.

Разрешающая способность (чувствительность) – минимальное изменение входного сигнала АЦП, которое вызывает изменение цифрового кода на единицу. Эта характеристика определяется величиной кванта Q и называется еще величиной младшего разряда (МЗР). Из-за наличия неопределенности (погрешности) обычно принимается, что изменение цифрового кода на единицу происходит в средней точке диапазона данного квантованного уровня (рисунок 22.2 а). Аналогично для ЦАП разрешающая способность – это минимальное изменение выходного аналогового сигнала, обусловленное изменением входного цифрового кода на единицу.

Напряжение смещения нуля – напряжение на входе АЦП, при котором на выходе устанавливается нулевой код. Величина определяется сдвигом реальной от идеальной передаточных характеристик (рисунок 22.2 б). Соответственно для ЦАП напряжение смещения нуля – это величина выходного напряжения при нулевом входном коде. Напряжение смещения нуля характеризует аддитивную погрешность преобразователя. Часто выражается в единицах МЗР.

а б в

г д

Рисунок 22.2 – Характеристики АЦП: а – разрешающая способность; б – напряжение смещения нуля; в – абсолютная погрешность преобразования в конечной точке; г – интегральная нелинейность; д – дифференциальная нелинейность

Абсолютная погрешность преобразования в конечной точке шкалы – отклонение реального максимального входного напряжения для АЦП или выходного для ЦАП от идеального значения, определенного технической документацией преобразователя (рисунок 22.2 в). Данная величина определяет угол наклона реальной передаточной характеристики и мультипликативную погрешность преобразователя, так же как и она часто выражается в единицах МЗР.

Интегральная нелинейность – максимально возможное отклонение реальной передаточной характеристики АЦП (ЦАП) от заданной идеальной при нулевых значениях и (рисунок 22.2 г). Выражается в единицах МЗР или в процентах по отношению к максимальному входному (выходному) напряжению преобразователя.

Дифференциальная нелинейность – максимальное отклонение величины одного из квантов АЦП (ЦАП) от идеального аналогового значения Q (рисунок 22.2 д). Выражается в единицах МЗР или в процентах по отношению к максимальному входному (выгодному) напряжению. Если дифференциальная нелинейность АЦП превышает 1 МЗР, то в выходном коде могут выпадать одна или несколько кодовых комбинаций . Аналогично, если дифференциальная нелинейность ЦАП превышает 1 МЗР, в выходном напряжении могут выпадать один или несколько квантованных уровней.

Время преобразования для АЦП – временной интервал с момента подачи управляющего сигнала «начало преобразования» и до момента получения на выходе адекватного цифрового кода Изменение входного аналогового сигнала в период времени нежелательно, поскольку это изменение вносит неопределенность в генерируемый выходной код. Для ЦАП аналогичный параметр носит название времени установления выходного аналогового сигнала. Очевидно, что входной цифровой код в данный период времени должен оставаться неизменным.

Максимальная частота преобразования – максимальное значение числа отсчетов входного сигнала, выполняемых преобразователем в единицу времени, при сохранении полной точности. Если входной аналоговый сигнал АЦП можно представить конечным частотным спектром , то выбор определяется теоремой Котельникова. Согласно этой теореме частоту преобразования АЦП следует выбирать большей или равной удвоенной частоте максимальной гармоники входного аналогового сигнала: где .