Дискретизація за часом та квантування за рівнем. Похибки квантування.

Перетворення аналогового сигналу в цифровий полягає у його:

• Дискретизації (розбиття у функції часу);

• Квантуванню (розбиття за рівнем);

• Кодування отриманих відліків цифрового сигналу.

1. Дискретизація полягає у формуванні відліків миттєвих значень аналогового сигналу із визначеним кроком у функції часу. Здійснюється на основі теореми Котєльнікова-Шеннона, згідно якої при дискретизації можна зберегти інформацію про аналоговий сигнал із спектральним складом частотних складових не вищим, ніж частота, у два рази нижча від частоти дискретизації. Квантування полягає у наданню можливим значенням дискретизованих відліків відповідних цифрових еквівалентів (кодів) у визначених кількістю рівнів квантування одиничних діапазонах. Похибка квантування – відхилення реальної характеристики від ідеальної. Похибка квантування зумовлена діапазонами нечутливості та гістерезисами компараторів.

Методи перетворення і типи ацп. Класифікація та параметри ацп.

При перетворенні аналогового сигналу первинним кодом процедури аналого-цифрового перетворення безпосередньо чи опосередковано є унітарний код. З метою підвищення ефективності кодування шляхом зменшення кількості розрядів вихідного коду застосовують кодування або транс кодування, що полягає у перетворенні унітарного коду в довільний інший. Основні параметри АЦП:

1. Роздільна здатність – визначається кількістю рівнів квантування вхідного аналогового сигналу.

2. Динаміка перетворення – характеризується часом, частотою та швидкодією і визначають спектральні характеристики сигналів перетворення.

3. Похибка квантування – відхилення реальної характеристики від ідеальної.

4. Діапазон зміни величини перетворення – визначається мінімальним та максимальним значеннями вхідної величини.

Методи перетворення і типи АЦП:

1. Паралельний метод

Ґрунтується на одночасному паралельному поточному порівнянні значення вхідного аналогового сигналу з множиною опорних сигналів, сформованих на входах компараторів, кількість яких 2ⁿ – 1 визначається кількістю рівнів квантування N=2ⁿ. Для порівняння N рівнів квантування необхідно розрізнити N-1 меж їх розділу, для чого застосовувати також N-1 пристроїв порівняння – компараторів. Недоліком паралельного методу є значна складність і вартість його реалізації, а також значне енергоспоживання при великих значеннях роздільної здатності.

2. Розгортаючий метод

Характеризується полярно протилежними параметрами. У своїй структурі АЦП вміщує один компаратор та кілька цифрових пристроїв, що знижує складність архітектури та зумовлює мінімальні кошти її виробництва. Така структура уможливлює аналого-цифрове перетворення з дуже високою точністю. Швидкодія є мінімальною серед відомих методів аналого-цифрового перетворення. Енергоспоживання також мінімальне.

3. Послідовно-паралельний метод

Є компромісним вирішенням між паралельними та послідовними АЦП. Здійснюючи паралельне малорозрядне перетворення в кілька етапів досягають підвищення роздільної здатності при незначному зниженні швидкодії.

4. Метод компенсації

Двійковий лічильник у слідкуючому режимі формує двійковий код на входи регістра послідовних апроксимацій, цифровий стан якого перетворюється ЦА перетворювачем в опорний сигнал компаратора на вхід «-». У відповідних розрядах регістру отримують аналоговий еквівалент опорного сигналу з ваговими значеннями U₀/2, U₀/4 і т.д., при чому значення U₀ рівне повному діапазону вхідної напруги. Метод компенсації є порівняно швидким оскільки вимагає максимально n тактів перетворення.

5. Конвеєрний АЦП

Відноситься до класу асинхронних без ЦАП у своєму складі. Вхідний сигнал порівнюється з половинними значеннями максимальної вхідної напруги.

6. Метод sigma-delta

Найширше в складі ІМС використовуються однобітові сігма-дельта модулятори, у яких у якості АЦП використовують компаратор, а в якості ЦАП – аналоговий комутатор. Результат формується у формі однобітового потоку, частота формування якого пропорційна значенню сигналу. Перетворенню підлягає не повне значення сигналу, а тільки значення зміни (приросту). Перетворення бітового потоку дозволяє досягнути роздільності 16-20 розрядів. Недоліком є обмеження смуги перетворення 10 Hz – 100 kHz. Застосовується в перетворенні акустичних сигналів.

7. АЦП Монте-Карло

Належить до класу інтегруючих методів. Ґрунтується на застосуванні статистичного сканування та інтегрування (сумування) цифрових відліків, які відповідають значенням опорного сигналу. Вказаний метод при коштах виготовлення АЦП, порівняно із розгортаючим методом, дозволяє значно підвищити частоту перетворення верхньої спектральної складової та докладність перетворення.

8