6.2. Аналогово-цифровые преобразователи

Популярность использования аналогово-цифровых преобразователей (АЦП) в медицинской технике определяется тем, что в большинство информации о состоянии биообъектов первоначально получают в аналоговой форме, а большинство средств обработки используют средства цифровой техники.

6.2.1. Процедура аналогово-цифрового преобразования и основные параметры ацп

Процедура преобразования сигналов, реализуемая с помощью АЦП осуществляется на основе сравнения амплитуды входного сигнала с несколькими "разрешенными" уровнями. Номер ближайшего разрешенного уровня принимается за числовое значение амплитуды; оно фиксируется в форме кодированного выходного сигнала. Оценка близости амплитуды входного сигнала к одному из уровней осуществляется с помощью одного из двух неравенств

или

Если выполняется условие неравенства, то х_вх=nΔx. Здесь Δx - уровень квантования по амплитуде; n - номер ближайшего уровня. Уровень квантования определяет разрешающую способность АЦП; его динамический диапазон задается разностью амплитуд сигналов - U_min … +U_max. Этому диапазону соответствует и диапазон изменения количества уровней N_min ... N_max. Еще одним важным параметром является время преобразования t_пp- интервал времени, за которое формируется числовой эквивалент преобразуемой амплитуды. Быстродействие АЦП задается шагом квантования входного сигнала по времени, Δt - интервал времени между отдельными отсчетами сигнала.

Таким образом ряд параметров АЦП аналогичен соответствующим параметрам ЦАП.

Рассмотрим еще несколько специфических и важных параметров характеризующих работу АЦП.

При реализации процедуры дискретизации в общем случае момент окончания преобразования точно не определен и зависит от входного сигнала, что при больших претензиях на точность, особенно при работе с быстроменяющимися сигналами порождает неоднозначность соответствия между значениями отсчетов и моментами времени, к которым они должны быть отнесены. Такой вид погрешностей, относящийся к классу динамических погрешностей, принято характеризовать апертурным временем t_A.

Апертурным временем называют время, в течение которого сохраняется неопределенность между значением выборки и временем, к которому она относится. Это время зависит от способа дискретизации.

При равномерной дискретизации апертурная неопределенность приводит к возникновению амплитудных погрешностей, определяемых приращением сигнала в течение апертурного времени.

При работе АЦП фиксация входного сигнала осуществляется в определенные промежутки времени, между которыми входной аналоговый сигнал может изменить свою амплитуду. В результате близкие по величине , но все таки отличающиеся значения непрерывного сигнала могут быть представлены одним и тем же цифровым кодом на выходе АЦП. То есть возникает эффект потери части информации, который определяется как ошибка (шум) квантования (рис. 6.10).

Рис. 6.10. Иллюстрация шума квантования

Легко заметить, что ошибка на j-ом шаге квантования определяется выражением

.

Если предположить, что входной сигнал в рамках шага квантования является случайной величиной с равномерным распределением, то среднеквадратичная ошибка на j-ом шаге квантования определяется выражением

.

Можно показать, что в идеальном случае отношение сигнал/шум в децибелах определяется выражением

где N – разрядность АЦП.

Это означает, что увеличение разрядности АЦП на единицу увеличивает отношение сигнал/шум примерно на 6 дБ.