Аналого-цифровое преобразование



Аналого-цифровое преобразование играет важную роль в современной электронной индустрии. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) позволяет получить цифровой код из непрерывного входного аналогового сигнала.

Область применения аналого-цифрового преобразования:

– Цифровые измерительные приборы

– Системы радиосвязи

– Автоматизированные системы контроля и управления

– Системы преобразования и отображения данных

– Программируемые источники сигналов

– Звукозаписывающая аппаратура

– Аудио и видео аппаратура

– Антенные системы базовых станций

– И т. д.

Потребность в аналого-цифровых преобразователях стимулирует их разработку и изготовление с новыми, более совершенными характеристиками, что в свою очередь приводит к возникновению новых областей применения.

Процедура преобразования

Преобразования аналогового сигнала включает в себя дискретизацию по времени иквантование по амплитуде входного сигнала.

Рис. 1. График дискретизации непрерывной функции

Аналого-цифровое преобразование включает в себя:

– Дискретизацию исходных аналоговых данных по времени, то есть происходит выборка значений входного аналогового сигнала в определенные дискретные моменты времени.

– Квантование полученных значений по уровню (амплитуде), то есть преобразование (округление) значений непрерывной функции до известных величин.

– Оцифровка квантованных данных, то есть замена полученных данных цифровым кодом

Процедура преобразования непрерывной функции реализуется с помощью АЦП (аналого-цифрового преобразователя). Основным и наиболее важным электронным компонентом измерительных и тестовых систем являются аналого-цифровые преобразователи, их точность определяет прецизионность тестового оборудования.

Функция АЦП заключается в преобразование входного аналогового сигнала (напряжения) в цифровой (дискретный) код, который в последствие поступает на различные цифровые блоки схемы, выполняющие необходимые операции с полученными данными. Данный процесс представляет собой преобразования непрерывной функции напряжения в цифровое представление.

Аналого-цифровое преобразование тесно переплетается с понятием измерения. Измерение — это процесс сравнения измеряемой величины с некоторым эталоном, в случае с аналого-цифровым преобразованием, происходит сравнение входного сигнала с опорным (опорным напряжением). Из этого следует, что преобразование есть не что иное, как изменение значения входной величины.

Таблица 1

Основные параметры АЦП

Статические	Динамические
Разрешающая способность	Максимальная частота дискретизации (преобразования)
Погрешность полной шкалы
Погрешность смещения нуля
Погрешность линейности	Время преобразования
Нелинейность
Дифференциальная нелинейность
Монотонность характеристики преобразования	Время выборки (стробирование)
Температурная нестабильность

Рис. 2. Типы АЦП — график разрешения в зависимости от частоты преобразования АЦП

Разрешающая способность и скорость преобразования являются определяющими параметры АЦП. В зависимости от данных параметров определяется тип архитектуры АЦП, который будет в последствие изготовлен для той или иной системе.

Дискретизация аналогового сигнала

Дискретизация (от лат. discretio — различать) — преобразование непрерывной функции в дискретную функцию. Задача дискретизации заключается в том, что непрерывность во времени аналогового сигнала преобразуется в последовательность цифровых импульсов, уровни которых определяются благодаря весовым функциям (квантование). Точность преобразования аналогового сигнала прямо пропорциональна интервалам разбиения непрерывной функции. Значения дискретного входного сигнала определяются дискретными значениями интервалов времени.

Рис. 3. Дискретизации непрерывного сигнала: а-избыточная; б-нормальная; в-найквистовская; г-неправильная

Теорема Найквиста:

Непрерывная функция (аналоговый сигнал) может быть полностью восстановлена без потери данных по своим дискретным отсчетам только в том случае, если частота дискретизации больше чем в 2 раза максимальной частоты спектра входного сигнала

F_найкв > 2*F_{вх.сигнал}, где

F_найкв — частота выборки, F_{вх.сигнал} — максимальная частота входного сигнала

В случае если частота дискретизации значительно выше частоты Найквиста, то в данном случае пользуются термином передискретизация «oversampling». Для того, что бы получить наиболее точное преобразования входного сигнала, на практике обычно использует максимально возможную частоту преобразования АЦП. Во время преобразования спектр входного сигнала состоит не только из «полезных» данных, но в сигнале возможно наличие различных искажений, которые могут быть вызваны высокочастотными шумами. Для того что бы исключить помехи из «полезного» сигнала используют различные фильтры.

Заключение

В данной статье было рассмотрено понятие аналого-цифрового преобразования и устройства, с помощью которого осуществляется данная операция. Современная наука не стоит на месте, с каждым новым моментов времени технический прогресс неизбежно стремится вперёд, производя на рынок микроэлектроники все новые и более усовершенствованные устройства. АЦП является одним из основных компонентов электроники, которые главным образом применяются для совместного сопряжения цифровых блоков и систем с внешними аналоговыми сигналами.

С помощью АЦП выполняются операции преобразования аналоговых данных в цифровую форму. В данный момент АЦП может быть изготовлено в интегральной микросхеме. Нынешние возможности для реализации различных обработок звука и изображения осуществляются уже в цифровой форме. Но, не смотря на это, в качестве основной периферии (датчиков сигналов, микрофонов, ТВ «трубок» и т. д.), аппаратуры воспроизведения звука и изображения используются аналоговые устройства.

Литература:

1. Миндеева А. А. — Элементная база аналоговых схем, учебное пособие, 2012
2. Алексеенко А. Г. — Основы микросхемотехники. 3-е издание, Лаборатория Базовых знаний: Физматлит Юнимедиастал, 2002
3. Эннс В. И., Кобзев Ю. М. — Проектирование аналоговых КМОП-микросхем, 2005
4. Соклоф С. — Аналоговые интегральные схемы, 1988
5. Опадчий Ю. Ф., Гуров А. И. — Аналоговая и цифровая электроника, 2005
6. Хоровиц П., Хилл У. — Искусство схемотехники. В трех томах, 2003
7. Умняшкин С. В. — Теоретические основы цифровой обработки и представления сигналов, ТЕХНОСФЕРА, Москва 2012
8. Baker R. J., Li H. W., Boyce D. E. — CMOS. Circuit design, Layout, and Simulation (2nd Edition), 2005
9. Razavi B. — Design of Analog CMOS Integrated Circuits, 2000