dsd13-gos / dsd-17=dacs and adcs / 01. Система обработки информации. АЦП и ЦАП. Термины и определения

Лекция 1. Система обработки информации. АЦП и ЦАП. Термины и определения.

Типовая структурная схема системы обработки информации приведена на рис. 1.1. Система включает в себя фильтр защиты сигнала от наложения спектров (ФНЧ 1), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок цифровой обработки сигналов (ЦОС), цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) и сглаживающий фильтр (ФНЧ 2). Ключевыми элементами системы являются АЦП и ЦАП.

ФНЧ 1

АЦП

ЦОС

ЦАП

ФНЧ 2

Рис. 1.1. Система обработки информации.

С помощью АЦП входной аналоговый сигнал преобразуется в цифровой код (сигнал). ЦАП осуществляет обратное преобразование цифрового кода в аналоговый сигнал.

По способу обработки входного сигнала различают две группы АЦП. К первой группе относятся все АЦП, в которых частота выборок (дискретизации) совпадает с частотой следования выходных данных. Частота дискретизации таких АЦП определяется частотой Найквиста. Полоса пропускания фильтра защиты от наложения спектров на входе АЦП (рис. 1.2, а) определяется требованиями к полосе частот входного сигнала, полоса же заграждения такого фильтра ограничена половиной частоты дискретизации (рис. 1.2, б).

а)

б)

в)

Рис. 2.1. Использование фильтра защиты от наложения спектров. f_s — частота дискретизации; f_B – полоса частот входного сигнала; f_вых – частота следования выходных данных; M – коэффициент избыточной дискретизации

В АЦП второй группы частота дискретизации входного сигнала больше частоты следования выходных сигналов заданной разрядности. Такие преобразователи называются АЦП с передискретизацией и представлены  – АЦП. Фильтр защиты от наложения спектров для  – АЦП может быть выполнен в виде простой RC – цепочки, так как частота дискретизации входного сигнала, определяющая полосу заграждения, значительно выше максимальной частоты входного сигнала (рис. 1.2, в).

Совокупность значений выходного цифрового кода в зависимости от входного аналогового сигнала называется характеристикой преобразования. За начальное значение входного сигнала (нулевой сигнал) принимается значение, при котором номинальное значение выходного кода является минимальным. За конечное значение входного сигнала (точку полной шкалы) принимается значение, при котором выходной код является максимальным. Средняя крутизна характеристики преобразования называется коэффициентом преобразования (усиления).

Эффективное значение шумов квантования АЦП определяется по формуле

где h – величина шага квантования идеального АЦП.

Отношение сигнал–шум при входном синусоидальном сигнале идеального АЦП, дБ

где N – величина шага квантования идеального АЦП.

Отношение сигнал – шум для случая передискретизации с коэффициентом передискретизации

При описании структуры и параметров АЦП и ЦАП используются устоявшиеся термины, которые приведены в таблице 1.1.

Т а б л и ц а 1.1. Основные термины

Термин	Зарубежный аналог	Описание
1	2	3
АЦП	ADC, A/D, A–to–D	Аналого-цифровой преобразователь Analog–To–Digital Converter
ЦАП	DAC, D/A, D-to-A	Цифро-аналоговый преобразователь Digital–To–Analog Converter
Преобразователь	Converter
МЗР	LSB	Младший значащий разряд Least Significant Bit
СЗР	MSB	Старший значащий разряд Most Significant Bit
МВС	MSPS	Миллионов выборок в секунду
УВХ	SH	Устройство выборки хранения Sample and Hold Circuit
Компаратор - защелка	Latch comparator	Стробируемый компаратор
Частота наложения	Aliasing frequency	Частота наложения спектров
Частота Найквиста	Nyquist frequency	Удвоенная полоса входного сигнала. Равна 2f0 при полосе входного сигнала f0. (Частота дискретизации, при которой дискретный сигнал полностью описывает входной сигнал определенный в полосе частот f0)
Шумы квантования	Quantization noise
Избыточная дискретизация (передискретизация)	Oversampling	Увеличение частоты дискретизации более чем частота Найквиста;
Коэффициент избыточной дискретизации	Oversampling ratio	Отношение частоты дискретизации к частоте Найквиста
Формирование шумов квантования в –модуляторе	Noise shaping	Перераспределение шумов квантования  –модулятора за полосу частот входного сигнала
Децимация	Decimation	Прореживание последовательности
Фильтр–дециматор	Decimation filter	Прореживающий фильтр
Фильтр защиты от наложения спектров	Antialiasing filter
Регистр последовательного приближения; (РПП)	Successive approximation register (SAR)
Код Грея	Gray code	Код, в котором соседние слова отличаются только в одном бите
Термометрический код	Thermometer code	Код, состоящий из всех нулей в одной части и всех единиц в другой части последовательности нулей и единиц
Подмешивание псевдослучайного сигнала	Dithering
Помеха	Glitch	Импульсная помеха на выходе ЦАП при переключении из одного состояния в другое