Лабораторная работа №4

«Влияние разрядности АЦП на спектр сигнала»

Цель: изучить влияние разрядности АЦП на спектр сигнала, при изменении уровня шумов и частоты входного сигнала.

Теоретическая часть

Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) — электронная схема, которая измеряет сигнал реального мира (температура, давление, скорость и т.д., выраженные в электрических величинах) и преобразовывает его цифровую форму. Аналоговый электрический сигнал на входе преобразователя сравнивается с известным эталонным напряжением и производится цифровое представление этого сигнала. На выходе АЦП имеет обычно двоичный код, пропорциональный входному аналоговому значению. По своей природе АЦП вносит ошибку квантования. Это потерянная информация, поскольку для непрерывного аналогового сигнала должна быть бесконечная разрешающая способность преобразователя, а реально АЦП имеет конечное число разрядов кодирования. Чем выше разрядность АЦП, тем больше разрешающая способность, тем меньше приходится информации на ошибку квантования.

Разрешение

Разрешение (разрядность) АЦП характеризует количество дискретных значений, которые преобразователь может выдать на выходе. Измеряется в битах. Например, АЦП, способный выдать 256 дискретных значений (0..255), имеет разрядность 8 бит, поскольку 2⁸ = 256.

Разрешение может быть также определено в терминах входного сигнала и выражено, например, в вольтах. Разрешение по напряжению равно разности напряжений, соответствующих максимальному и минимальному выходному коду, деленной на количество выходных дискретных значений.

На практике разрешение АЦП ограничено отношением сигнал/шум(С/Ш) входного сигнала. При большой интенсивности шумов на входе АЦП различение соседних уровней входного сигнала становится невозможным, то есть ухудшается разрешение. При этом реально достижимое разрешение описывается эффективной разрядностью (effective number of bits — ENOB), которая меньше, чем реальная разрядность АЦП. При преобразовании сильно зашумленного сигнала младшие биты выходного кода практически бесполезны, так как содержат шум. Для достижения заявленной разрядности отношение С/Ш входного сигнала должно быть примерно 6 дБ на каждый бит разрядности

Запускаем ВП ADCspectrum.exe:

рис. 17 рабочий интерфейс ВП Цифровое кодирование в спектральном анализе.VI

рис. 18 Блок диаграмма ВП Цифровое кодирование в спектральном анализе.vi

Рабочее задание:

Запустить программу.

1. Установить частоту входного сигнала – 100 Гц, амплитуду – 4, как показано на следующем рисунке:

Для сигнала 2 установить следующие параметры:

Частота - 100 Гц, Амплитуда – 2, Шум – 0

2. Пронаблюдать спектр сигнала в окне «Спектральная функция ДПФ» и сам оцифрованный сигнал:

3. Перейти на вкладку «Временные окна»,

Навести курсор на синюю пунктирную линию и переместить его левее, а затем правее. Этим самым мы уменьшаем или увеличиваем часть сигнала (выборку) поддающуюся Фурье преобразованию.

Пронаблюдать, как изменяется спектр оцифрованного сигнала при изменении выборки. Объяснить с чем это связано.

Перейти на вкладку «Настройки квантования»

Установить N = 10k (N – число отсчетов, используемых при восстановлении сигнала). Пронаблюдать как изменился восстановленный сигнал и его спектр. Вернуть значение N = 1k.

4. Вернуться на вкладку «Оцифрованный сигнал».

Изменить частоту входного сигнала на 200 Гц, а затем на 300, 400 Гц.

Что изменилось в выходном сигнале? В спектре сигнала?

5. Уменьшить разрядность АЦП. С 24 до 16 бит, а затем с 16 до 8 бит и пронаблюдать за спектром выходного сигнала.

Что изменилось в спектре? В чем причина этих изменений?

Продолжить уменьшать разрядность АЦП, наблюдая за изменениями. Посмотреть как меняется уровень шума квантования? Какое его наименьшее значение? Сравнить с 24-разр АЦП.

6. Установить разрядность АЦП равной 24. Произвести квитирование («урезание») сигнала, переместив ползунки на зеленом индикаторе или задав нижний или верхний уровень.

Изменяя уровень квитирования, пронаблюдать за выходным сигналом и его спектром.

Отключить кнопку «Включить ограничение по входу и выходу?»

Изменить верхний и нижний уровни квитирования поотдельности.

Пронаблюдать за изменением спектра выходного сигнала.

Контрольные вопросы:

1. Что происходит с формой сигнала при уменьшении разрядности АЦП?

2. Как влияет разрядность АЦП на спектр сигнала?

3. Как влияет разрядность АЦП на уровень шумов оцифровки?

4. Как видоизменяется спектр сигнала при его симметричном клиппировании?

5. Что происходит со спектром сигнала при одностороннем клиппировании?

6. Что происходит при уменьшении разрядности АЦП? Как это влияет на уровень шума?

7. Что происходит при клиппировании сигнала?

Требования к оформлению отчёта

Отчёт должен содержать:

• титульный лист с наименованием учебного заведения, кафедры, курса, лабораторной работы, фамилией и подписью студента;

• указание цели работы;

• описание объектов исследования;

• результаты выполнения работы;

• ответы на контрольные вопросы;

• заключение, в котором приводится краткое перечисление выполненных действий, полученных результатов и сделанные из этих результатов выводы.