98753

Аналого-цифрові та цифро-аналогові перетворювачі

Реферат

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Аналого-цифрові перетворювачі (АЦП) це пристрої, які приймають вхідні аналогові сигнали та генерують відповідні до них цифрові сигнали, які придатні для обробоки мікропроцесорами та іншими цифровими пристроями. Принципово не виключена можливість безпосереднього перетворення різних фізичних величин в цифрову форму...

Украинкский

2015-11-06

177 KB

3 чел.

Міністерство освіти і науки України

Національний авіаційний університет

Реферат:

Аналого-цифрові та цифро-аналогові перетворювачі

Виконав: студент групи ФКС-406

Ященко Антон

Київ 2011


Аналоово-цифрові перетворювчі

Аналого-цифрові перетворювачі (АЦП) це пристрої, які приймають вхідні аналогові сигнали та генерують відповідні до них цифрові сигнали, які придатні для обробоки мікропроцесорами та іншими цифровими пристроями.

Принципово не виключена можливість безпосереднього перетворення різних фізичних величин в цифрову форму, однак це завдання вдається рішити тільки в досить рідко через складність таких перетворювачів. Тому зараз найраціональнішим вважається спосіб перетворення різних за фізичною природою величин спочатку в функціонально пов'язані з ними електричні, а потім уже за допомогою перетворювачів напруга-код - в цифрові. Іменно ці перетворювачі і мають на увазі, коли говорять про АЦП.

Процедура аналого-цифрового перетворення неперервних сигналів, яку реалізують за допомогою АЦП, це перетворення неперервної функції часу U(t), яка описує вхідний сигнал, у послідовність чисел {U'(tj)}, j=0,1,2,:, що віднесені до деяких фіксованих моментів часу. Цю процедуру можна розділити на дві самостійні операції. Перша з них називається дискретизацією і полягає в перетворенні неперервної функції часу U(t) в неперервну послідовність {U(tj)}. Друга називаеться квантуванням і полягає в перетворенні неперервної послідовності в дискретну {U'(tj)}.

В основі дискретизації неперервних сигналів лежить принципова можливість подання їх у виді зваженх сум

,

(1)

де aj - деякі коефіцієнти чи відліки, які характеризують початковий сигнал в дискретні моменти часу; fj(t) - набір елементарних функцій, які використовуються при відновленні сигналу за його відліками.

Найпоширенішою формою дискретизації є рівномірна дискретизація, в основі якої лежить теорема відліків. Згідно цієї теореми в якості коефіцієнтів aj потрібно використовувати миттєві значення сигналу U(tj) в дискретні моменти часу tj=jDt, а період дискретизації вибирати з умови:

Dt=1/2Fm ,

(2)

де Fm - максимальна частота спектрe сигналу, що перетворюється. При цьому вираз (1) переходить у відомий вираз теореми відліків

,

(3)

Для сигналів з строго обмеженим спектром цей вираз є тотожністю. Однак спектри реальних сигналів прямують до нуля тільки асимптотично. Застосування рівномірної дискретизації до таких сигналів викликає ввиникнення в системах обробки інформації специфічних високочастотних спотворень, які зумовлені вибіркою. Для зменшення цих спотворень необхідно або збільшувати частоту дискретизації, або використовувати перед АЦП додатковий фільтр нижніх частот, який обмежуватиме спектр вхідного сигналу перед його аналого-цифровим перетворенням.

У загальному випадку вибір частоти дискретизації буде залежати також від виду функції fj(t), що використовується в (1) та допустимого рівня похибок, які виникають при відновленні початкового сигналу за його відліками. Усе це необхідно враховувати при виборі частоти дискретизації, яка визначає необхідну швидкодію АЦП. Часто цей параметр задають розробнику АЦП.

Розглянемо досконаліше місце АЦП при виконанні операції дискретизації.

Для достатньо вузькополосних сигналів операцію дискретизації можна виконувати за допомогою самих АЦП і суміщувати таким чином з операцією квантування. Основною закономірністю такої дискретизації є те, що за рахунок кінцевого часу одного перетворення та невизначенності моменту його закінчення, який, у загальному випадку, залежить від параметрів вхідного сигналу, не вдається отримати однозначної відповідності між значеннями відліків та моментами часу, до яких їх потрібно віднести. В результаті при роботі з сигналами, які змінюються в часі виникають специфічні похибки, динамічні за своєю природою, для оцінки яких вводять поняття апертурної невизначенності, яка переважно характеризється апертурним часом.

Апертурним часом ta називають час, на протязі якого зберігається невизначенність між значенням вибірки та часом, до якого вона відноситься. Ефект апертурної невизначеннсті проявляється або як похибка миттєвого значення сигналу при заданих моментах вимірювання, або як похибка моменту часу, в який проводиться вимірювання при заданому миттєвому значенні сигналу. При рівномірній дискретизації наслідком апертурної невизначенності є виникнення амплітудних похибок, які називаються апертурними та чисельно рівні приростові сигналу на протязі апертурного часу.

Якщо використовувати іншу інтерпретацію ефекту апертурної невизначенності, то її наявність викликає "тремтіння" істинних моментів часу, в які беруться відліки сигналу, по відношенню до моментів, які рівновіддалені на осі часу. В результаті замість рівномірної дискретизації зі строго постійним періодом проводиться дискретизація с флюктуюючим періодом повторення. Це викликає порушення умов теореми відліків та появи уже розглянутих апертурних похибок в системах цифрової обробки інформації.

Таке значення апертурної похибки можна визначити, розклавши вираз для вхідного сигналу в ряд Тейлора в околі точок відліку, який для j-ї точки має вид:

та в першому наближенні дає апертурну похибку:

,

(4)

де ta - апертурний час, який для розглянутого випадку в першому наближенні є часом перетворення АЦП.

Зазвичай для оцінки апертурних похибок використовують синусоїдальний випробувальний сигнал U(t)=Umsinwt, для якого максимальне відносне значення апертурної похибки становить:

DUa/Um=wta.

Рис.1 Утворення апертурної похибки для випадку, коли вона дорівнює крокові квантування

Якщо прийняти, що для N-розрядного АЦП з роздільною здатністю 2-N апертурна похибка не повинна перевищувати кроку квантування (рис. 1), то залежність між частотою сигналу w, апертурним часом ta та відносною апертурною похибкою буде наступною:

1/2N=wta

Для забезпечення дискретизації синусоїдального сигналу частота якого 100 кГц з похибкою 1% час перетворення АЦП повинен бути рівним 25 нс. У той же час за допомогою такого швидкодіючого АЦП принципово можна дискретизувати сигнали, які мають ширину спектру біля 20 МГц. Таким чином, дискретизація за допомогою самого АЦП викликає суттєве розходження вимог між швидкодією АЦП та періодом дискретизації. Це розхожження досягає 2...3 порядків та сильно ускладнює і подорожчує процес дискретизації, оскільки навіть для порівняно вузькополосних сигналів вимагає досить швидкодіючих АЦП. Для достатньо широкого класу сигналів, які швидко змінюються, цю проблему рішають за допомогою пристроїв вибірки-зберігання , що мають малий апертурний час.

В основу класифікації АЦП покладено ознаку, яка вказує на те, як в часі розгортається процес перетворення аналогової величини в цифрову. В основі перетворення вибіркових значень сигналу в цифрові еквіваленти лежать операції квантування та кодування. Вони можуть проводитись за допомогою або послідовної, або паралельної, або послідовно-паралельної процедур наближення цифрового еквівалента до перетворюваної величини.

В даний час відоме велике число методів перетворення напруга-код. Ці методи істотно відрізняються один від одного потенційною точністю, швидкістю перетворення і складністю апаратної реалізації. На рис.2 представлена класифікація АЦП по методах перетворення.

Рис.2 Класифікація АЦП

У основу класифікації АЦП покладена ознака, вказуюча на те, як в часі розгортається процес перетворення аналогової величини в цифрову. У основі перетворення вибіркових значень сигналу в цифрові еквіваленти лежать операції квантування і кодування. Вони можуть здійснюватися за допомогою послідовної, паралельної або послідовно-паралельної процедур наближення цифрового еквівалента до перетворюваної величини.

В паралельних АЦП здійснюють квантування сигналу одночасно з допомогою набору компараторів, включених паралельно джерелу вхідного сигналу. На рис.3 показана реалізація паралельного методу перетворення для 3-х розрядного числа.

Рис. 3. Схема параллельного АЦП

За допомогою трьох двійкових розрядів можна представити вісім різних чисел, включаючи нуль. Необхідно, отже, сім компараторів. Сім відповідних еквідистантних опорних напруг утворюють за допомогою резистивного дільника.

Завдяки одночасній роботі компараторів паралельний АЦП є найшвидшим. Наприклад, восьмирозрядний перетворювач типу МАХ104 дозволяє отримати 1 млрд. відліків в секунду при часі затримки проходження сигналу не більше 1,2 нс. Недоліком цієї схеми є висока складність. Дійсно, N-розрядний паралельний АЦП має 2N-1 компараторів і 2N узгоджених резисторів. Наслідком цього є висока вартість (сотні доларів США) і значна споживана потужність. Вищезгаданий МАХ104, наприклад, споживає близько 4 Вт.

Типовим прикладом послідовних АЦП з одиничними наближеннями є наведений пристрій (рис.4), який складається з компаратора, лічильника і ЦАП. На один вхід компаратора поступає вхідний сигнал, а на іншій - сигнал зворотного зв'язку з ЦАП.

Рис 4. Структурна схема АЦП послідовного рахунку: К - компаратор, ГТІ – генератор тактових імпуьсів

Робота перетворювача починається з приходу імпульсу запуску, який включає лічильник, що підсумовує число імпульсів, що поступають від генератора тактових імпульсів ГТІ. Вихідний код лічильника подається на ЦАП, що здійснює його перетворення в напругу зворотного зв'язку Uос. Процес перетворення продовжується до тих пір, поки напруга зворотного зв'язку порівняється з вхідною напругою і перемкнеться компаратор, який своїм вихідним сигналом припинить надходження тактових імпульсів на лічильник. Перехід виходу компаратора з 1 в 0 означає завершення процесу перетворення. Тобто вихідний код пропорційний вхідній напрузі у момент закінчення перетворення.

Час перетворення АЦП цього типу є змінним і визначається вхідною напругою. Його максимальне значення відповідає максимальній вхідній напрузі і при розрядності двійкового лічильника N і частоті тактових імпульсів fтакт дорівнює

tпр.макс = (2N-1)/ fтакт.

Наприклад, при N=10 і fтакт=1 Мгц значення tпр.макс=1024 мкс, що забезпечує максимальну частоту вибірок близько 1 кГц.

Особливістю АЦП послідовного рахунку є невелика частота дискретизації, що досягає декількох кілогерц. Перевагою АЦП даного класу є порівняльна простота будови, яка визначається послідовним характером виконання процесу перетворення.

Аналого-цифрове перетворення використовується скрізь, де потрібно обробляти, зберігати або передавати сигнал в цифровій формі. Швидкі відео АЦП використовуються, наприклад, в ТБ тюнерах. Повільні вбудовані 8, 10, 12, або 16 бітові АЦП часто входять до складу мікроконтролерів. Дуже швидкі АЦП необхідні у цифрових осцилографах.

Цифрово-аналогові перетворювачі

Цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП) призначений для перетворення числа у вигляді двійкового коду у напругу або струм, пропорційний значенню цифрового коду. Схемотехніка ЦАП дуже різноманітна. На рис.1 показана класифікація схем ЦАП за схемотехнічними показниками.

Рис.5 Класифікація схем ЦАП

Окрім того, інтегральні мікросхеми ЦАП мають класифікацію за такими ознаками:

По вигляду цифрового сигналу: або з токовим виходом, або у вигляді напруги.

По типу цифрового інтерфейсу: з послідовним введенням, або з паралельним введенням вхідного коду.

По кількості ЦАП на кристалі: одно канальні або багатоканальні.

По швидкодії: помірної або високої швидкодії.

2. Послідовні ЦАП

ЦАП з широтно-імпульсною модуляцією

Дуже часто ЦАП входить у склад мікропроцесорних систем. В такому випадку, якщо не потрібна висока швидкодія, цифро-аналогове перетворення може бути дуже просто здійснене за допомогою широтно-імпульсної модуляції (ШІМ). Схема ЦАП з ШІМ наведена на рис.6.

Рис.6. а) Схема послідовного ЦАП; б) діаграма напруг.

Вихід ШІМ-модулятора керує роботою ключа S. В залежності від коду формується імпульс ШІМ, тривалість якого прямо пропорційна значенню цифрового коду. Схема формування показана на рис.7. Код на виході лічильника лінійно зростає з кожним імпульсом тактової частоти Fтакт. Поки цей код менший за двійковий код, на виході.

Рис.7. Схема формування коду

Схеми порівняння кодів (СПК) буде сигнал логічної одиниці. Як тільки код лічильника зрівнюється з війковим кодом, на виході СПК встановлюється логічний нуль. Цей імпульс керує ключем S. Фільтр у схемі рис.6а виділяє середнє значення напруги, як це показане на рис.6б. Ця схема забезпечує майже ідеальну лінійність перетворення і не має прецизійних елементів. Її головний недолік – низька швидкодія.

3. Паралельні ЦАП

ЦАП з сумуванням вагових струмів

Більшість схем паралельних ЦАП засновані на сумуванні струмів, сила кожного з яких пропорційна вазі цифрового війкового розряду, причому повинні сумуватись тільки суми розрядів, значення яких дорівнює 1. Наприклад, потрібно перетворити двійковий 4-розрядний код в аналоговий сигнал струму. У старшого значущого розряду (СЗР) вага дорівнює 23 = 8, у третього 22 = 4, у другого 21 = 2 і у молодшого (МЗР) 20 = 1. Якщо вага МЗР дорівнює струму I1 = 1 мА, то I2 = 2 мА, I3 = 4 мА, I4 = 8 мА. Наприклад, коду 1001 відповідає струм Iвих = 9 мА. Тому потрібна схема, що забезпечує генерацію та комутацію по заданих законах точних вагових струмів. Найпростіша схема показана на рис.8.

Рис.8. Цап з сумуванням вихідних струмів

Опори резисторів вибирають так, щоб при замкнених ключах через них протікав струм відповідний вазі розряду Ключ повинен бути замкнений тоді, коли відповідний йому біт вхідного слова дорівнює одиниці. Вихідний струм визначається співвідношенням

Iвих =  = UопD/R0.

При високій розрядності ЦАП резистори, що задають струм, повинні бути погоджені з високою точністю. Найбільш жорсткі вимоги по точності висуваються к резисторам старших розрядів, оскільки розкид в них не повинен перевищувати струму молодшого розряду. Тому розкид опору у к-му розряді повинен бути меншим, ніж R/R = 2-k.

З цієї вимоги виникає, що розкид опору резистора, наприклад у 10-му розряді не повинен перевищувати 0,05%.

Розглянута схема має кілька недоліків. По перше, при різних вхідних кодах, струм, що споживається від джерела опорної напруги (ДОН), буде різним, а це впливає на величину вихідної напруги ДОН. По друге, значення опорів вихідних резисторів можуть відрізнятись у тисячі разів, а це робить проблемною реалізацію цих резисторів у напівпровідникових інтегральних мікросхемах. Окрім того, значення опорів старших розрядів у багато розрядних цап може бути зіставленим з опором замкненого ключа, а це приведе до похибки перетворення. По трете, у цій схемі до ключів прикладається значна напруга, що ускладнює їх реалізацію.

Важливою галуззю застосування ЦАП є синтез аналогових сигналів необхідної форми. Аналогові генератори сигналів – синусоїдальної, трикутної та прямокутної форм – мають низьку точність та стабільність, вони не можуть керуватись від ЕОМ. В останні роки розвиваються системи прямого цифрового синтезу сигналів, що забезпечують високу точність завдання частоти та початкової фази сигналів, а також високу вірність представлення їх форми. Більш того, ці системи дозволяють генерувати сигнали з великою різноманітністю форм, у тому числі форм, що задає користувач


Використана література:

  1.  Изъюрова Г.И., Кауфман М.С. Приборы и устройства промышленной электроники. -М.: Высшая школа, 1975.
  2.  Основы промышленной электроники/Под ред. В.Г. Герасимова. - М.: высшая школа, 1982.
  3.  Гершунский В.С. Основы электроники. - К.: Вища школа, головн. из-во, 1982.
  4.  Миклашевский С.П. Промышленная электроника. -М.: Высшая школа, 1973.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

81997. Прийди до серця, Україно, благослови добром мене… 45.5 KB
  Мета: виховувати почуття патріотизму, національної гордості, любові до рідного краю, розуміння своєї причетності до всіх подій, які відбувалися в Україні; формувати переконаність у нетлінності духовних скарбів народу.
81998. Пронеси добро і милосердя через усе своє життя 32.5 KB
  Пронеси добро і милосердя через усе своє життя Що таке добро милосердя Як ви думаєте діти Відповіді дітей. Я б хотіла діти щоб ви усвідомлювали свої вчинки несли за них відповідальність бо без відповідальності за них не буде добра і милосердя. Діти Що є головним для кожного з вас що є найважливіше для вас...
81999. Знакомые незнакомцы 53 KB
  Цель викторины: обобщить и расширить знания учащихся о мире животных; развивать память, логическое мышление, творчество, умение сочетать любовь к животным и бережное отношение к ним; воспитывать эстетические чувства, любовь к живой природе.
82000. Внеклассное чтение Волшебница зима 34 KB
  Цель: обобщить знания учащихся о зиме и её отображение в художественных произведениях; расширять круг чтения; совершенствовать умение выразительно читать стихотворения наизусть; развивать навыки самостоятельной работы с художественной литературой, творческие способности учащихся; прививать любовь к литературе.
82001. Сім’я і здоров’я. Ставлення до ВІЛ-інфікованих людей. Рольова гра «Як ВІЛ руйнує імунітет» 51 KB
  Мета: Виховувати любов і повагу до всіх членів родини. Виховувати співчуття і чуйне ставлення до людей ВІЛ-інфікованих. Розширити знання про сім’ю, як основний чинник здоров’я. Розширити знання про ВІЛ-інфекцію, її дію на імунну систему. Розвивати вміння піклуватися про сім’ю – обов’язок усіх членів сім’ї.
82002. УКРАЇНСЬКИЙ ВІНОЧОК 57 KB
  Мета. Познайомити учнів з давніми обрядами, традиціями, звичаями нашого народу, пов’язаними з квітами України, які вплітають в український вінок. Відкрити дивовижний світ української пісні, легенди. Допомогти учням усвідомити необхідність примножувати традиції, вчити бачити прекрасне.
82003. Сценарий выпускного бала для 11 – х классов 176.5 KB
  Ведь нет для них торжественней момента Подарим всем свои аплодисменты Маэстро вальс зажгите свечи Мы начинаем школьный вечер На фоне музыки педагог-организатор школы приглашает пройти выпускников в праздничный актовый зал Организатор В зал входит гордость нашей школы...
82005. Випускний вечір (Літературно-музична композиція за авторською віршованою методикою) 76 KB
  Мета: урочисто і святково провести вручення свідоцтв про базову освіту; розкрити талановитість дітей школи перед педагогічним колективом, батьками та місцевими жителями; виховувати почуття любові до життя і людей, до рідного краю.