Реализация преобразований в сетях передачи информации

Преобразоание дискретных сигналов в аналоговые.

http://nauchebe.net/2010/06/chto-takoe-cap/ (обращение 27.06.2010)

На входе имеем числа в двоичной форме (результат оцифровки какого-то реального сигнала или синтезированный код - его нужно преобразовать в аналоговый уровень напряжения в соответствии с выбранным масштабом.

Самый простой ЦАП — десятичный или шестнадцатеричный дешифратор-распределитель (подобный 561ИД1). Если на него подать четырехразрядный код, то на выходе мы получим логическую единицу для каждого значения кода на отдельном выводе. Присоединив к выходам такого дешифратора линейку светодиодов, получаем полосковый (шкальный) индикатор, который с разрешением в 10 или 16 ступеней на весь диапазон будет показывать уровень некоей величины. Причем очень часто для практики такого относительно грубого индикатора, заменяющего стрелочные приборы, вполне достаточно. Выпускаются специальные ИМС для управления такими дискретными шкальными индикаторами, которые позволяют показывать значение не в виде отдельной точки или полоски, а в виде светящегося столбика. Есть и микросхемы, которые могут управлять не дискретными, а линейными вакуумными индикаторами. Есть даже микросхема К1003ПП1, которая преобразует аналоговую величину (напряжение) сразу в управляющий сигнал для шкального индикатора. Довольно эффектная конструкция может получиться, если в схеме термометра заменить показывающую головку на такую микросхему и шкальный индикатор — как бы полноценная имитация термометра традиционного!

У такого примитивного ЦАП есть два недостатка — во-первых, повысить его разрешение свыше 16—20 градаций нереально, так как выходов тогда получится чересчур много. Но главное, он предназначен для узкой задачи визуализации цифровой величины и за пределами этой области беспомощен. Куда более широкое применение имеет преобразователь, осуществляющий выдачу на выходе величину аналогового напряжения, пропорционального коду на входе.

АЦП (аналого-цифровой преобразователь, англ. Analog-to-digital converter, ADC) — устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Как правило, АЦП — электронное устройство, преобразующее напряжение в двоичный цифровой код. Тем не менее, некоторые неэлектронные устройства с цифровым выходом, следует также относить к АЦП, например, некоторые типы преобразователей угол-код. Простейшим одноразрядным двоичным АЦП является компаратор.

http://ru.wikipedia.org/wiki/%C0%ED%E0%EB%EE%E3%EE-%F6%E8%F4%F0%EE%E2%EE%E9_%EF%F0%E5%EE%E1%F0%E0%E7%EE%E2%E0%F2%E5%EB%FC#.D0.A2.D0.B8.D0.BF.D1.8B_.D0.90.D0.A6.D0.9F (изменения 15.07.12 г.)

Вступление. Итал/ математик Фибоначчи сформулировал задачу наименьшего числа гирь целочисленного веса для взвешивания грузов наибольшего диапазона на рычажных весах, которая стала известна под названием задача о гирях[4] (задача Баше — Менделеева). Фибоначчи пришёл к выводу, что при взвешивании с разрешением класть гири только на одну чашу весов, наименьшее число гирь получается при выборе весов гирь из ряда 1, 2, 4, 8, 16,… (степени 2), что соответствует весам разрядов в двоичной системе счисления, а при взвешивании с разрешением класть гири на обе чаши весов наименьшее число гирь получается при выборе весов гирь из ряда 1, 3, 9, 27, 81,… (степени 3), что соответствует весам разрядов в троичных системах счисления.[Стахов A. Компьютер Фибоначчи -.2002]

Разрешение АЦП — минимальное изменение величины аналогового сигнала, которое может быть преобразовано данным АЦП — связано с его разрядностью. Разрядность АЦП характеризует количество дискретных значений, которые преобразователь может выдать на выходе. В двоичных АЦП измеряется в битах, в троичных АЦП измеряется в тритах. Например, двоичный 8-ми разрядный АЦП, способен выдать 256 дискретных значений (0…255, поскольку 2⁸=256), троичный 8-ми разрядный АЦП - 6561 дискретное значение (поскольку 3⁸=6561).

Разрешение по напряжению равно разности напряжений, соответствующих максимальному и минимальному выходному коду, делённой на количество выходных дискретных значений. Например:

Пример 1. Диапазон входных значений = от 0 до 10 вольт.

-Разрядность двоичного АЦП 12 бит: 2¹² = 4096 уровней квантования, поэтому его разрешение по напряжению: (10-0)/4096 = 0,00244 вольт = 2,44 мВ;

-Разрядность троичного АЦП 12 трит: 3¹² = 531 441 уровень квантования, поэтому его разрешение по напряжению: (10-0)/531441 = 0,0188 мВ = 18,8 мкВ.

На практике разрешение АЦП ограничено отношением сигнал/шум входного сигнала. При большой интенсивности шумов на входе АЦП различение соседних уровней входного сигнала становится невозможным, то есть ухудшается разрешение. При этом реально достижимое разрешение описывается эффективной, которая меньше реальной разрядности АЦП. При преобразовании сильно зашумлённого сигнала младшие разряды выходного кода практически бесполезны, так как содержат шум. Для достижения заявленной разрядности отношение С/Ш входного сигнала должно быть примерно 6 дБ на каждый бит разрядности (6 дБ соответствует двукратному изменению уровня сигнала).

Частота дискретизации АЦП - частота, с которой производятся цифровые значения. Непрерывно меняющийся сигнал с ограниченной спектральной полосой подвергается оцифровке (то есть значения сигнала измеряются через интервал времени T — период дискретизации) и исходный сигнал может быть точно восстановлен из дискретных во времени значений путём интерполяции (точность восстановления ограничена ошибкой квантования). Однако в соответствии с теоремой Котельникова — Шеннона точное восстановление возможно только если частота дискретизации выше, чем удвоенная максимальная частота в спектре сигнала.

Поскольку реальные АЦП не могут произвести аналого-цифровое преобразование мгновенно, входное аналоговое значение должно удерживаться постоянным по крайней мере от начала до конца процесса преобразования (этот интервал времени называют время преобразования). Эта задача решается путём использования специальной схемы на входе АЦП — устройства выборки-хранения (УВХ), которое хранит входное напряжение на конденсаторе, который соединён со входом через аналоговый ключ: при замыкании ключа происходит выборка входного сигнала (конденсатор заряжается до входного напряжения), при размыкании — хранение. Многие АЦП, выполненные в виде ИМС (WM877SEDS) содержат встроенное УВХ.

Основные способы построения электронных АЦП:

1. Параллельные АЦП прямого преобразования содержат по одному компаратору на каждый дискретный уровень входного сигнала. В любой момент времени только компараторы, соответствующие уровням ниже уровня входного сигнала, выдают на своём выходе сигнал превышения. Сигналы со всех компараторов поступают либо прямо в параллельный регистр, тогда обработка кода осуществляется программно, либо на аппаратный логический шифратор, аппаратно генерирующий нужный цифровой код в зависимости от кода на входе шифратора. Данные с шифратора фиксируются в параллельном регистре. Частота дискретизации параллельных АЦП, в общем случае, зависит от аппаратных характеристик аналоговых и логических элементов, а также от требуемой частоты выборки значений. Свойства: самые быстрые, но обычно имеют разрешение не более 8 бит, так как влекут за собой большие аппаратные затраты (компараторов). Недостатки:

-для реализации n-разрядного АЦП необходимо 2n–1 компараторов, то есть с ростом разрядности резко увеличиваются аппаратные затраты;

- при определённых задержках на триггерах проявляется нестабильность выходного кода АЦП и, как следствие, невысокая точность (8–10 двоичных разрядов);

быстрые компараторы потребляют большой ток, что порождает большую входную ёмкость и энергопотребление;

- входная ёмкость компаратора является функцией его логического состояния, поэтому входная ёмкость всего АЦП зависит от напряжения на входе, что приводит к снижению точности преобразования с увеличением частоты входного сигнала;

- низкая помехозащищённость.

АЦП этого типа имеют очень большой размер кристалла микросхемы, высокую входную ёмкость, и могут выдавать кратковременные ошибки на выходе. Часто используются для видео или других высокочастотных сигналов, а также широко применяются в промышленности для отслеживания быстро изменяющихся процессов в реальном времени.

2. Параллельно-последовательные АЦП прямого преобразования, сохраняя высокое быстродействие позволяют значительно уменьшить количество компараторов.

3. Последовательные АЦП прямого преобразования медленнее параллельных АЦП и немного медленнее параллельно-последовательных АЦП, но ещё больше уменьшают количество компараторов (при 8-ми битах требуется 8 компараторов). Троичные АЦП этого вида приблизительно в 1,5 раза быстрее соизмеримых по числу уровней и аппаратным затратам двоичных АЦП этого же вида. Свойства:

- нечувствительны к помехам;

- являются наиболее точными: типичная точность - 4...6 десятичных знаков, что соответствует 14...20 двоичным разрядам,

- применяются в регистраторах температуры биологически активных точек

Коммерческие АЦП выпускаются в виде микросхем. Для большинства АЦП разрядность составляет 6-24 бит, частота дискретизации до 1 МГц. Мегагерцовые АЦП требуются в цифровых видеокамерах, устройствах видеозахвата и цифровых ТВ-тюнерах для оцифровки полного видеосигнала.

Один из факторов увеличивающих стоимость микросхем — это количество выводов, поскольку они вынуждают делать корпус микросхемы больше, и каждый вывод должен быть присоединён к кристаллу. Для уменьшения количества выводов часто АЦП, работающие на низких частотах дискретизации, имеют последовательный интерфейс. Применение АЦП с последовательным интерфейсом зачастую позволяет увеличить плотность монтажа и создать плату с меньшей площадью. Часто микросхемы АЦП имеют несколько аналоговых входов, подключённых внутри микросхемы к единственному АЦП через аналоговый мультиплексор.

Большая часть современной звукозаписывающей аппаратуры имеет встроенные АЦП, поскольку обработка звука делается, как правило, на компьютерах; даже при использовании аналоговой записи АЦП необходим для перевода сигнала в PCM-поток, который будет записан на компакт-диск.

Современные АЦП, используемые в звукозаписи, могут работать на частотах дискретизации до 192 кГц. Многие люди, занятые в этой области, считают, что данный показатель избыточен и используется из чисто маркетинговых соображений (об этом свидетельствует теорема Котельникова). Можно сказать, что звуковой аналоговый сигнал не содержит столько информации, сколько может быть сохранено в цифровом сигнале при такой высокой частоте дискретизации, и зачастую для Hi-Fi-аудиотехники используется частота дискретизации 44,1 кГц (стандартная для компакт-дисков) или 48 кГц (типична для представления звука в компьютерах). Однако широкая полоса упрощает и удешевляет реализацию фильтров, позволяя делать их с меньшим числом звеньев или с меньшей крутизной в полосе заграждения, что положительно сказывается на фазовой характеристике фильтра в полосе пропускания.

Аналого-цифровые преобразователи для звукозаписи имеют широкий диапазон цен — от 100 до 10 тыс. долл. и выше за двухканальный АЦП.

АЦП для звукозаписи, используемые в компьютерах, бывают внутренние и внешние. Также существует свободный программный комплекс PulseAudio для Linux, позволяющий использовать вспомогательные компьютеры как внешние ЦАП/АЦП для основного компьютера с гарантированным временем запаздывания.

Другие применения:

- Специальные видео-АЦП используются в компьютерных ТВ-тюнерах, платах видеовхода, видеокамерах для оцифровки видеосигнала; микрофонные и линейные аудиовходы компьютеров подключены к аудио-АЦП.

- АЦП являются составной частью систем сбора данных.

-АЦП последовательного приближения разрядностью 8-12 бит и сигма-дельта-АЦП разрядностью 16-24 бита встраиваются в однокристальные микроконтроллеры.

-Очень быстрые АЦП необходимы в цифровых осциллографах (используются параллельные и конвеерные АЦП)

-Современные весы используют АЦП с разрядностью до 24 бит, преобразующие сигнал непосредственно от тензометрического датчика (сигма-дельта-АЦП).

-АЦП входят в состав радиомодемо в и других устройств радиопередачи данных, где используются совместно с процессором ЦОС в качестве демодулятора.

-Сверхбыстрые АЦП используются в антенных системах базовых станций (в так называемых SMART-антеннах) и в антенных решётках РЛС.

http://ru.wikipedia.org/wiki/%D6%E8%F4%F0%EE-%E0%ED%E0%EB%EE%E3%EE%E2%FB%E9_%EF%F0%E5%EE%E1%F0%E0%E7%EE%E2%E0%F2%E5%EB%FC

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) — устройство для преобразования цифрового (обычно двоичного) кода в аналоговый сигнал (ток, напряжение или заряд). Звуковой ЦАП обычно получает на вход цифровой сигнал в импульсно-кодовой модуляции (PCM- pulse-code modulation). Задача преобразования различных сжатых форматов в PCM выполняется соответствующими кодеками (в проигрывателях Audio CD).

Наиболее общие типы электронных ЦАП:

- ЦАП простейшего типа (широтно-импульсный модулятор): с табильный источник тока или напряжения периодически включается на время, пропорциональное преобразуемому цифровому коду, далее полученная импульсная последовательность фильтруется аналоговым фильтром нижних частот. Такой способ часто используется для управления скоростью электромоторов, а также становится популярным в Hi-Fi-аудиотехнике;

- ЦАП передискретизации (например, дельта-сигма-ЦАП) основан на изменяемой плотности импульсов. Передискретизация позволяет использовать ЦАП с меньшей разрядностью для достижения большей разрядности итогового преобразования; часто дельта-сигма ЦАП строится на основе простейшего однобитного ЦАП, который является практически линейным. На ЦАП малой разрядности поступает импульсный сигнал с модулированной плотностью импульсов (c постоянной длительностью импульса, но с изменяемой скважностью), создаваемый с использованием отрицательной обратной связи. Отрицательная обратная связь выступает в роли фильтра верхних частот для шума квантования.

Большинство ЦАП большой разрядности (более 16 бит) построены на 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 плотностью импульсов может быть использован простой дельта-сигма модулятор первого порядка или более высокого порядка как MASH (англ. Multi stage noise SHaping). С увеличением частоты передискретизации смягчаются требования, предъявляемые к выходному фильтру низких частот и улучшается подавление шума квантования;

-ЦАП взвешивающего типа, в котором каждому биту преобразуемого двоичного кода соответствует резистор или источник тока, подключенный на общую точку суммирования. Сила тока источника (проводимость резистора) пропорциональна весу бита, которому он соответствует. Таким образом, все ненулевые биты кода суммируются с весом. Взвешивающий метод один из самых быстрых, но ему свойственна низкая точность из-за необходимости наличия набора множества различных прецизионных источников или резисторов и непостоянного импеданса. По этой причине взвешивающие ЦАП имеют разрядность не более восьми бит;

-ЦАП лестничного типа (цепная R-2R-схема): значения создаются в специальной схеме, состоящей из резисторов с сопротивлениями R и 2R, называемой матрицей постоянного импеданса, которая имеет два вида включения: прямое — матрица токов и инверсное — матрица напряжений. Применение одинаковых резисторов позволяет существенно улучшить точность по сравнению с обычным взвешивающим ЦАП, так как сравнительно просто изготовить набор прецизионных элементов с одинаковыми параметрами. ЦАП типа R-2R позволяют отодвинуть ограничения по разрядности. С лазерной подгонкой резисторов на одной подложке достигается точность 20-22 бита. Основное время на преобразование тратится в операционном усилителе, поэтому он должен иметь максимальное быстродействие. Быстродействие ЦАП единицы микросекунд и ниже (то есть наносекунды);

ЦАП находятся в начале аналогового тракта любой системы, поэтому параметры ЦАП во многом определяют параметры всей системы в целом.

Наиболее важные характеристики ЦАП:

- Разрядность — количество различных уровней выходного сигнала, которые ЦАП может воспроизвести. Обычно задается в битах; количество бит есть логарифм по основанию 2 от количества уровней (однобитный ЦАП способен воспроизвести два уровня, а восьмибитный — 256 уровней).

- Максимальная частота дискретизации — максимальная частота, на которой ЦАП может работать, выдавая на выходе корректный результат. В соответствии с теоремой Котельникова для корректного воспроизведения аналогового сигнала из цифровой формы необходимо, чтобы частота дискретизации была не менее, чем удвоенная максимальная частота в спектре сигнала (для воспроизведения всего слышимого человеком звукового диапазона частот до 20 кГц нужно, чтобы звуковой сигнал был дискретизован с частотой не менее 40 кГц). Стандарт Audio CD устанавливает частоту дискретизации звукового сигнала 44,1 кГц.

- Монотонность — свойство ЦАП увеличивать аналоговый выходной сигнал при увеличении входного кода.

- Статические характеристики:

- дифференциальная нелинейность — характеризует, насколько приращение аналогового сигнала, полученное при увеличении кода на 1 мл. значащий разряд (МЗР), отличается от правильного значения;

- интегральная нелинейность — характеризует, насколько передаточная характеристика ЦАП отличается от идеальной. Идеальная строго линейна; INL показывает, насколько напряжение на выходе ЦАП при заданном коде отстоит от линейной характеристики.

Дата добавления: 2014-01-13