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.