7.2. Аналого-цифровые преобразователи

Процесс аналого-цифрового преобразования (АЦП) предполагает две операции над аналоговым сигналом – квантование (дискретизацию) по времени и по уровню. Временная дискретизация осуществляется с помощью специальных устройств выборки и хранения (УВХ), принцип построения которого изображен на рис. 7.12.

а б

Рис. 7.12. Устройство выборки-хранения: а – структурная схема; б – диаграмма аналогового сигнала U(t) и фрагмент дискретизированного сигнала U(n)

Р

Рис. 7.13. Схема УВХ:

S замкнут – этап выборки; S разомкнут – этап хранения

еально УВХ представляют специализированные микросхемы, содержащие быстродействующий электронный ключ и усилитель, обеспечивающий большое входное сопротивление УВХ, и предотвращающие разряд конденсатора через внешнюю нагрузку в режиме хранения (рис. 7.13).

Согласно теореме отсчетов, доказываемой в теории информации, частота дискретизации, при которой обеспечивается возможность обратного восстановления аналогового сигнала, должна по крайней мере в два раза превышать частоту высшей гармоники в спектре последнего. Поскольку энергия высших гармоник, как правило, незначительна, а следовательно, невелико их влияние и на форму сигнала, то для снижения частоты дискретизации приходится на входе АЦП включать фильтр, искусственно снижающий полосу частот аналогового сигнала. Тем не менее для аналого-цифрового преобразования, например телевизионного сигнала, имеющего полосу частот порядка 7 МГц, частота дискретизации выбирается в несколько десятков МГц.

Квантование по уровню заключается в подсчете числа минимальных уровней (квантов) N(n), содержащихся в каждом временном отсчете U(n), получаемом в процессе дискретизации по времени. Совокупность кодов, определяющих числовые значения N(n) и есть, собственно, цифровой эквивалент аналогового сигнала, т. е. конечный продукт АЦП. Сигнал в цифровом эквиваленте можно хранить, подвергать обработке, например: усреднению, фильтрации и т. д. и, при необходимости, восстановить в аналоговом виде с помощью ЦАП.

Основным элементом, с помощью которого реализуется операция квантования по уровню, является аналоговый компаратор – устройство, преобразующее разность двух аналоговых сигналов в цифровой сигнал (рис. 7.14).

а б

Рис. 7.14. Аналоговый компаратор: а – условное обозначение; б – диаграммы сигналов

Чаще всего один из входных сигналов является постоянным (опорным). На рис. 7.14 – это X₁(t). Роль аналогового компаратора может выполнять обычный операционный усилитель, однако выпускаются и специализированные микросхемы компараторов, наиболее полно учитывающие специфику их работы в режиме переключения. В силу конечного значения усиления ОУ, составляющего основу компаратора, для перехода компаратора из одного состояния в другое требуется определенное значение входного сигнала X₁(t) – X₂(t)0, что обусловливает статическую ошибку сравнения, характеризуемую значением чувствительности Х (рис. 7.15).

Рис. 7.15. Статическая ошибка компарирования приращения Х

С другой стороны, если рассматривать случай быстрого нарастания исследуемого сигнала X(t), то, в силу конечной скорости нарастания U_вых усилителя, появляется динамическая погрешность – задержка переключения  (рис. 7.16), которая может обусловить при скоростных сигналах погрешность компарирования Х() существенно большую, чем погрешность от конечной чувствительности Х.

Рис. 7.16. Динамическая ошибка компарирования Х()

При медленном изменении исследуемого сигнала его шумовые флуктуации приведут к многократному переключению компаратора, что недопустимо (см. рис. 7.17).

Рис. 7.17. Многократные переключения компаратора при воздействии шума

С целью исключения этого явления реализуется гистерезисная характеристика компаратора, когда переход из 0 в 1 и обратно происходит при разных значениях исследуемого сигнала (рис. 7.18).

Рис. 7.18. Гистерезисная характеристика переключения компаратора

Ширина зоны гистерезиса Х₀ выбирается из уровня шумовых выбросов. Гистерезисная характеристика обеспечивается за счет введения в усилителе положительной обратной связи (рис. 7.19).

а б

Рис. 7.19. Охват компаратора положительной обратной связью:

а – принципиальная схема; б – гистерезисная характеристика переключения

Характеристики преобразования АЦП «напряжение-код» дуальны характеристикам ЦАП «код-напряжение» и содержат аналогичные источники погрешностей – от дискретности, интегральную и дифференциальную нелинейности. Существует большое разнообразие методов и схем построения АЦП, отличающихся потенциальной точностью, быстродействием и технологичностью.

В АЦП прямого преобразования импульсно-кодовая модуляция с помощью ЦАП формирует напряжение, уравновешивающее напряжение U(n), удерживаемое в УВХ между временными дискретами. Значение кода, управляющего состоянием ЦАП и фиксируемого в момент уравновешивания, является цифровым аналогом временного отсчета входного сигнала U(n).

В АЦП с промежуточным преобразованием уровень входного напряжения может преобразовываться в пропорциональный временной интервал с последующим подсчетом его значения путем «заполнения» его импульсами с калиброванной высокой частотой или путем преобразования уровня входного сигнала в пропорциональную частоту следования импульсов и определения этой частоты путем счета импульсов в течение калиброванного интервала времени.