Реферат: Аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразование сигналов

Курс: Теорияинформации и кодирования

Тема: АНАЛОГО-ЦИФРОВОЕИ ЦИФРО-АНАЛОГОВОЕ

ПРЕОБРАЗОВАНИЕСИГНАЛОВ

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1.        ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

2.        ЦИФРОАНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

3.        АНАЛОГОЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Список Литературы


ВВЕДЕНИЕ

Современный этапв развитии телефонии, радиовещания, телевидения, записи и воспроизведения звукахарактеризуется тенденцией к переходу на цифровую форму представленияинформации. Большинство первичных сигналов (ток, напряжение, скорость, давлениеи т. д.) представляются в аналоговой форме, и для обработки их с помощью ЭВМони преобразуются в цифровой n-разрядный код.

Для управленияизменением аналоговых величин по результатам их обработки в ЭВМ необходимоосуществлять обратное преобразование цифровой информации, в аналоговую.

Преобразование осуществляется с помощьюпреобразователей цифро-аналоговых (ЦАП) и аналого-цифровых (АЦП). Существуют различныеметоды цифроаналогового и аналого-цифрового преобразования, реализующиеразличные алгоритмы функционирования и соответствующие структуры техническойреализации.

Практическая реализация схем ЦАП и АЦПможет быть выполнена на основе одной или нескольких микросхем в зависимости отиспользуемой серии микросхемы и характеристик преобразователя (разрядности,быстродействия и т. д.).


1. ХАРАКТЕРИСТИКИПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Основными характеристикамипреобразователей являются:

1. Динамический диапазон этодиапазон изменения входных и выходных величин, который определяется отношениеммаксимального значения входной-X или выходной -Y величин, кминимальным

/> (1)

2. Временные характеристики: периодквантования — Dt;частота квантования fк =1/ Dt-выбирается в зависимости от спектра сигнала.

Время преобразования -Тпр — интервал времени от начала преобразования до появлениявыходного сигнала с заданной точностью. Чем выше точность, тем больше времяпреобразования. Время преобразования характеризует быстродействие.

3. Точность преобразования,которая зависит от погрешностей: квантования, инструментальной и погрешностиаппаратуры (чувствительности датчика, шага квантования, разрядностипреобразователя, точности обработки ЭВМ и т. д.).

4. Надежность, достоверность,помехозащищенность, сбои и отказы.

 

2. ЦИФРОАНАЛОГОВЫЕПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Цифро-аналоговый преобразователь(код-аналог) предназначен для преобразования входного сигнала, заданного вцифровом коде в аналоговый выходной сигнал.

Существует ряд методов цифро-аналоговогопреобразования. Наиболее распространенным является метод суммирования на одну нагрузкутоков или напряжений с весами 2n с помощью ключей, управляемыхвходным цифровым кодом (рис. 1).

/>


 

 

Рис. 1. Схема ЦАП

Широко используются ЦАП, выполненные наоснове резистивной матрицы, схема которого приведена на рис. 2.

/> <td/>

 Uo      R  Uo/2  R  Uo/4 R  Uo/8

O

           2R        2R         2R         2R        2R

       23               22           21           20

                                                                      Roc                                                                                                                                  

                     

                                                                                                                           Uвых

                                                                                                                  О      0

 

/> 

 




 Рис.2. Схема ЦАП на основе резистивнойматрицы

Наиболее общие типы электронных ЦАП:

1.        широтно-импульсный модулятор — простейший тип ЦАП. Стабильный источник тока илинапряжения периодически включается на время, пропорциональное преобразуемомуцифровому коду, далее полученная импульсная последовательность фильтруетсяаналоговым фильтром низких частот. Такой способ часто используется дляуправления скоростью электромоторов, а также становится популярным в Hi-Fi(класс аппаратуры) аудиотехнике;

2.        ЦАП передискретизации, такие как дельта-сигма ЦАП, основаны на изменяемойплотности импульсов. Передискретизация позволяет использовать ЦАП с меньшейразрядностью для достижения большей разрядности итогового преобразования; частодельта-сигма ЦАП строится на основе простейшего однобитного ЦАП, которыйявляется практически линейным. На ЦАП малой разрядности поступает импульсный сигналс модулированной плотностью импульсов (c постоянной длительностью импульса, нос изменяемой скважностью), создаваемый с использованием отрицательной обратнойсвязи. Отрицательная обратная связь выступает в роли фильтра высоких частот дляшума квантования. Большинство ЦАП большой разрядности (более 16 бит) построенына этом принципе вследствие его высокой линейности и низкой стоимости.Быстродействие дельта-сигма ЦАП достигает сотни тысяч отсчетов в секунду,разрядность — до 24 бит. Для генерации сигнала с модулированной плотностьюимпульсов может быть использован простой дельта-сигма модулятор первого порядкаили более высокого порядка как MASH (англ. Multi stage noise SHaping). Сувеличением частоты передискретизации смягчаются требования, предъявляемые квыходному фильтру низких частот и улучшается подавление шума квантования;

3.        взвешивающий ЦАП, в котором каждому биту преобразуемого двоичного кодасоответствует резистор или источник тока, подключенный на общую точкусуммирования. Сила тока источника (проводимость резистора) пропорциональна весубита, которому он соответствует. Таким образом, все ненулевые биты кодасуммируются с весом. Взвешивающий метод один из самых быстрых, но емусвойственна низкая точность из-за необходимости наличия набора множестваразличных прецизионных источников или резисторов. По этой причине взвешивающиеЦАП имеют разрядность не более восьми бит;

4.        цепная R-2R схема является вариацией взвешивающего ЦАП. В R-2R ЦАПвзвешенные значения создаются в специальной схеме, состоящей из резисторов ссопротивлениями R и 2R. Это позволяет существенно улучшить точность посравнению с обычным взвешивающим ЦАП, т.к. сравнительно просто изготовить наборпрецизионных элементов с одинаковыми параметрами. Недостатком метода являетсяболее низкая скорость вследствие паразитной емкости;

5.        сегментный ЦАП содержит по одному источнку тока или резистору накаждое возможное значение выходного сигнала. Так, например, восьмибитный ЦАПэтого типа содержит 255 сегментов, а 16-битный — 65535. Теоретически,сегментные ЦАП имеют самое высокое быстродействие, т.к. для преобразованиядостаточно замкнуть один ключ, соответствующий входному коду;

6.        гибридные ЦАП используют комбинацию перечисленных выше способов.Большинство микросхем ЦАП относится к этому типу; выбор конкретного набораспособов является компромиссом между быстродействием, точностью и стоимостьюЦАП.

 

3. АНАЛОГОЦИФРОВЫЕПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Аналого-цифровой преобразователь (аналог — код) предназначен для преобразования аналоговой величины в цифровой код. СхемаАЦП зависит от метода преобразования и способа его реализации. Ряд схем АЦПсодержит в своем составе ЦАП.

 Существует ряд методов аналого-цифровогопреобразования: последовательного счета; поразрядного уравновешивания; двойногоинтегрирования; с преобразованием напряжения в частоту; параллельного преобразования.

 Наиболее часто используется методпоразрядного уравновешивания (последовательного преобразования), при этомпоследовательно формируются коды, начиная с цифры старшего разряда 2n-1и завершая младшим (первым). Эти коды поступают на ЦАП, выход которого,сравнивается со входным сигналом.

/> <td/> />
Рис. 3. Схема ЦАП

В схеме приняты следующие условныеобозначения: РПП — регистр последовательных преобразований; ГТИ — генератортактовых импульсов.

При нажатии кнопки пуск ГТИ заносит встарший разряд РПП единицу, при этом код преобразуется в аналоговый сигнал исравнивается с входным сигналом — Uвх. В зависимости от выходакомпаратора ГТИ записывает “1” в следующий разряд, а предыдущий разряд, либо оставляетсябез изменения, либо обнуляется.

В Фибоначчевых АЦП для поразрядногоуравновешивания используются 1-числа Фибоначчи (1, 1, 2, 3, 5, 8,… .).

Достоинство Фибоначчевых АЦП: избыточностькода Фибоначчи позволяет обнаруживать и исправлять ошибки при наличии помех.

Пример 1. В результате квантования по уровню значение сигналавыдается в двоичном коде с ценой младшего разряда равного шагу квантования.Определить необходимое число двоичных разрядов и количество уровней квантованияпри условии, что приведенная среднеквадратическая ошибка квантования непревышает 0,3%.

 

Решение: При заданном способе квантования погрешность квантованияотрицательная и может принимать значения от до Dx. Где Dxшаг квантования.

Среднеквадратическая ошибка квантованияравна:

/>

Приведенная среднеквадратическая ошибкаквантования равна:

/>

Если N — количество интерваловразбиения динамического диапазона изменения входного сигнала, то количествоуровней квантования- m равно

/>.

Количество двоичных разрядов двоичногокода

/>.

Принимаем n = 7, т. е. длякодирования квантованного сигнала в двоичном коде, с ценой младшего разрядаравного шагу квантования и точностью не ниже 0,3%, необходим семиразрядныйдвоичный код.

 

Пример 2. Случайный процесс с корреляционной функцией R(t) квантуетсяс шагом Dt. Найтипогрешность представления такого процесса рядом Котельникова в зависимости отпараметров a и Dt если

/>

 

Решение: Спектральная плотность этого процесса равна

/>

Определим погрешность, связанную сусечением спектра сигнала по формуле:

/>

Найдем значения спектральных плотностей

/>

При этом выражение для погрешностиусечения случайного сигнала имеет вид

/>

Подставив значение F= 1/2Dt, определяемоев соответствии с теоремой Котельникова, найдем

/>.

Если задана величина погрешности, можноопределить шаг квантования.


СписокЛитературы

1.        Быстродействующие интегральныемикросхемы ЦАП и АЦП и измерение их параметров. Под редакцией Марцинкявючеса.М.: Радио и связь. 1988 –224с.

2.        Валах В.В.,Григорьев В.Ф., Быстродействующие АЦП для измерения формы случайных сигналовМ.: Приборы и техника эксперемента. 1987. №4 с.86-90

3.        Жан М. Рабаи, Ананта Чандракасан,Боривож Николич Цифровые интегральные схемы. Методология проектирования =Digital Integrated Circuits. — 2-ое изд. — М.: «Вильямс», 2007. — С. 912.

4.        Угрюмов Е.П. Цифроваясхемотехника.: Учебное пособие для вузов:-2-е издание, переработанное идополненное-СПб: БХВ — петербург, 2005. — 800с.

5.        Федерков Б.Г.,Телец В.А., Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. М.:Энергоиздат, 1990. –320с.

6.        Хоровиц П., Хилл У. Искусствосхемотехники. В 3-х томах: Т. 2. Пер. с англ. — 4-е изд., перераб. и доп.— М.:Мир, 1993. — 371 с.

еще рефераты
Еще работы по информатике, программированию