Оцифровка

Аналоговый сигнал является непрерывной функцией времени, в АЦП он преобразуется в последовательность цифровых значений. Следовательно, необходимо определить частоту выборки цифровых значений из аналогового сигнала. Частота, с которой производятся цифровые значения – частота дискретизации.

Непрерывно меняющийся сигнал подвергается оцифровке (значения сигнала измеряются через интервал времени ∆Т – период дискретизации). Точность восстановления ограничена ошибкой квантования, однако в соответствии с теоремой Котельникова точное восстановление возможно только если частота дискретизации выше, чем удвоенная максимальная частота в спектре сигнала.

Таким образом, понятие оцифровка сигнала включает в себя понятия дискретизации и квантования.

Дискретизация- измерения, проведенные в определенные промежутки времени (рис.12).

Рис.12

fдискретизации>>>fm(первой гармоники входного сигнала)

fдискретизации ≥ 2fm(по Котельникову)

∆Т (время между отсчетами) выбирается: а) в зависимости от цели; б) в зависимости от желаемого качества сигнала на выходе.

Например, частота дискретизации 44 кГц (музыкальный диск) – соответствуют стандартному качеству звука.

Дискретизация предполагает выбор отсчетов, следовательно будем использовать логический элемент «И», реализующий операцию умножения (рис.13).

Генератор импульсов

Рис.13

Генератор импульсов (тактовых сигналов, «клоков») воспроизводит сигнал вида, приближающегося к виду дельта-функции:

Главный недостаток таких импульсов- их нестабильность.

Для того чтобы увеличить объем информации о реальном сигнале полученный после оцифровки, необходимо уменьшить шаг дискретизации.

Квантование по уровню фактически означает присвоить отсчету цифровой эквивалент или выразить результат в цифрах.

Шаг квантования может представлять собой мм, см, м и т.д., при этом ошибка может изменяться в пределах от -0,5 кванта до +0,5 кванта.

На рис.14(а): 1- идеальная функция преобразования (переходная характеристика идеальных АЦП и ЦАП), 2- реальная функция после квантования (имеет ступенчатый характер),

∆Q– погрешность (шаг квантования). Ошибка квантования, являющаяся следствием ограниченного разрешения АЦП, составляет {+ ∆Q/2;-∆Q/2}. Из вышесказанного следует, что закон распределения- равномерный (рис.14(б)).

Рис.14

АЦП

АЦП - основной элемент прибора. Это устройство преобразует входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал).

Разрешение АЦП характеризует количество дискретных значений, которые преобразователь может выдать на выходе. Например, АЦП, способный выдать 256 дискретных значений (0..255), импеет разрядность 8 бит (2^8=256).

Выделяют 4 основных типа АЦП:

1. АЦП параллельного преобразования (флеш)

2. АЦП последовательного преобразования

3. Сигма-дельта АЦП

4. АЦП двойного интегрирования

Ацп параллельного преобразования

Данный тип АЦП содержит по одному компаратору на каждый дискретный уровень входного сигнала. В любой момент времени только компараторы, соответствующие уровням ниже уровня входного сигнала, выдадут на своем выходе сигнал превышения. Сигналы со всех компараторов поступают на логическую схему, которая выдает цифровой код, зависящий от того, сколько компараторов показали превышение. Эти АЦП очень быстры, но обычно имеют разрешение не более 8 бит (256 компараторов).

Компаратор и его характеристика представлены на рис. 15.

Рис.15

Uпорог. в компараторах разное.

Рис.16. Схема АЦП параллельного преобразования.

Из схемы (рис.16): 111 на выходах ОУ дают Uоп=7 В.

∆Q=Uоп/2^n=7/8=0,875

Разрешение АЦП : 2^n* 0,875.

Достоинства данного АЦП:

1. каждый компаратор имеет свой порог (Uпорог.);

2. высокое быстродействие.

Недостатки:

1. необходимо много компараторов;

2. высокая стоимость АЦП.