Аналого-цифрові перетворювачі

АЦП, Аналого-цифровий перетворювач (англ. analog-to-digital converter (скорочено ADC)) — пристрій, що перетворює вхідний аналоговий сигнал в дискретний код (цифровий сигнал). Зворотне перетворення здійснюється за допомогою ЦАП (цифро-аналогового перетворювача).

Як правило, АЦП — електронний пристрій, що перетворює напругу в двійковий цифровий код. Проте, деякі неелектронні пристрої, такі як перетворювач кут-код, слід також відносити до АЦП.

Розрядність АЦП характеризує кількість дискретних значень, які перетворювач може видати на виході. Вимірюється в бітах. Наприклад, АЦП, здатний видати 256 дискретних значень (0..255), має розрядність 8 бітів, оскільки 2⁸ = 256 .

Розрядність може бути також визначена в величинах вхідного сигналу і виражена, наприклад, в вольтах. Розрядність за напругою дорівнює напрузі, що відповідає максимальному вихідному коду, який ділиться на кількість вихідних дискретних значень.

Типи перетворення

Лінійні АЦП

Більшість АЦП вважаються лінійними, хоча аналого-цифрове перетворення по суті є нелінійним процесом (оскільки операція перетворення безперервного простору в дискретне — операція необоротна і, отже, нелінійна). Термін лінійний стосовно АЦП означає, що діапазон вхідних значень, що відображається на вихідне цифрове значення, зв'язаний за лінійним законом з цим вихідним значенням, тобто вихідне значення k досягається при діапазоні вхідних значень від

від m(k + b) до m(k + 1 + b)

де m і b — деякі константи. Константа b, як правило, має значення 0 або -0,5 . Якщо b = 0, АЦП називають mid-rise, якщо ж b =-0,5, то АЦП називають mid-tread.

Нелінійні АЦП

Якби ймовірністьі амплітуди вхідного сигналу мала рівномірний розподіл, тобто відношення сигнал/шум (стосовно шуму квантування) було б максимально можливим. З цієї причини зазвичай перед квантуванням за амплітудою сигнал пропускають через без інерційний перетворювач, передавальна функція якого повторює функцію розподілу самого сигналу. Це покращує достовірність передачі сигналу, оскільки найважливіші області амплітуди сигналу квантуються з кращою розрядністю. Відповідно, при цифро-аналоговому перетворенні потрібно буде обробити сигнал функцією, зворотній функції розподілу початкового сигналу.

8-бітові логарифмічні АЦП з   забезпечують широкий динамічний діапазон і мають високий дозвіл в найкритичнішому діапазоні малих амплітуд; лінійний АЦП з подібною якістю передачі повинен був би мати розрядність близько 12 біт.

Точність

Є декілька джерел похибки АЦП. Похибки квантування і (вважаючи, що АЦП повинен бути лінійним) не лінійності властиві будь-якому аналого-цифровому перетворенню. Крім того, існують так звані апаратурні помилки які є наслідком джитера (англ. jitter) тактового генератора, вони виявляються при перетворенні сигналу в цілому (а не одного відліку).

Ці похибки вимірюються в одиницях, званих МЗР — молодший значущий розряд. У приведеному вище прикладі 8-бітового АЦП помилка в 1 МЗР становить 1/256 від повного діапазону сигналу, тобто 0.4 %.

Нелінійність

Усім АЦП властиві помилки, пов'язані з не лінійністю, які є наслідком фізичної недосконалості АЦП. Це призводить до того, що передавальна характеристика (у вказаному вище сенсі) відрізняється від лінійної (точніше від бажаної функції, оскільки вона не обов'язково лінійна). Помилки можуть бути зменшені шляхом калібрування.

Класифікація електронних систем

Вхідними та вихідними сигналами (англ. signal) електронної системи можуть бути аналогові сигнали (англ. аnalog signal), одиничні цифрові сигнали (англ. digital signal), цифрові коди, послідовності цифрових кодів. Відповідно системи можуть бутианалоговими, цифровими або комбінованими, тобто аналого-цифровими.

Якщо система аналого-цифрова, то вхідні аналогові сигнали перетворюються в послідовності кодів вибірок за допомогоюаналого-цифрового перетворювача (АЦП), а вихідні аналогові сигнали формуються з послідовності кодів вибірок за допомогоюцифро-аналогового перетворювача (ЦАП). Обробка й зберігання інформації виконуються в цифровому вигляді.

За своєю будовою електронні системи поділяють на системи на “жорсткій логіці ” та мікропроцесорні системи.

Характерною особливістю традиційної цифрової системи на відміну від мікропроцесорної є те, що алгоритми обробки й зберігання інформації в ній жорстко зв'язані зі схемотехнікою системи. Тобто, зміна цих алгоритмів можлива тільки шляхом зміни структури системи, заміни електронних вузлів, що входять у систему, і/або зв'язків між ними. Саме тому традиційна цифрова система часто називається системою на "жорсткій логіці".

Будь-яка система на "жорсткій логіці" обов'язково є спеціалізованою системою, налаштованою винятково на одну задачу або (рідше) на декілька близьких, заздалегідь відомих задач. Це має свої безперечні переваги.

По-перше, спеціалізована система (на відміну від універсальної) ніколи не має апаратурної надмірності, тобто кожен її елемент обов'язково працює на повну потужність (звичайно, якщо ця система грамотно спроектована).

По-друге, саме спеціалізована система може забезпечити максимально високу швидкодію, тому що швидкість виконання алгоритмів обробки інформації визначається в ній тільки швидкодією окремих логічних елементів й обраною схемою шляхів проходження інформації. А саме, логічні елементи завжди мають максимальну на даний момент швидкодією.

Але в той же час великим недоліком цифрової системи на "жорсткій логіці" є те, що для кожної нової задачі її необхідно проектувати й виготовляти заново. Це процес тривалий, дорогий та потребує високої кваліфікації виконавців. Шлях подолання цього недоліку досить очевидний: необхідно побудувати таку систему, що могла б легко адаптуватися під будь-яку задачу, перебудовуватися з одного алгоритму роботи на інший без зміни апаратури. І задавати той або інший алгоритм шляхом уведення в систему додаткової керуючої інформації, програми роботи системи (рис. 1). Тоді система стане універсальною або програмованою, не жорсткою, а гнучкою. Саме це й забезпечує мікропроцесорна система.

Рис. 1 Структурна схема мікропроцесорної системи