Аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Устройство и работа

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) – это специальное электронное устройство, преобразующее исходный сигнал из непрерывного вида в дискретный. Происходящие в нем процессы относятся к операционным категориям дискретизации и квантования входных уровней напряжения.

Как реализуются операции дискретизации и квантования

При совершении этих действий с помощью специального модуля делается выборка из входного аналогового непрерывного сигнала. Для этого входящий в состав АЦП модуль оценивает его уровень через промежутки времени, определяемые условиями работы устройства.

Шаг дискретизации выбирается в зависимости от требований, предъявляемых к качеству получаемой цифровой копии (насколько точно она должна повторять исходный аналоговый сигнал).

При последующем за этим квантовании значения напряжений в этих точках округляются до одного из фиксированных уровней, после чего последние представляются в двоичном коде. В результате из поступающего на вход АЦП аналогового сигнала получается его цифровая копия.

Analogo-tsifrovoi preobrazovatel 2

Как устроен аналого-цифровой преобразователь

В состав большинства устройств АЦП входят следующие основные узлы и модули:

Блок выборки и запоминания.
Тактовый задающий генератор.
Коммутатор на быстродействующих полевых структурах.

В первом из этих модулей осуществляется выборка обрабатываемого сигнала в определенные моменты времени, задаваемые частотой тактового генератора.

Далее эти значения запоминаются и с помощью быстродействующих ключей передаются на выход АЦП. Их величина округляется затем до одного из заранее выбранных уровней квантования.

Analogo-tsifrovoi preobrazovatel 3

Принцип работы входного модуля

Чтобы понять, как работает блок выборки (дискретизации) – прежде всего, необходимо разобраться в том, с помощью каких технических средств это обычно делается. Для реализации этой функции используется особое устройство под названием «компаратор» (одноразрядный аналого-цифровой преобразователь).

Analogo-tsifrovoi preobrazovatel 4

Из (Рис.-1) видно, что здесь используется метод сравнения двух изменяющихся во времени входных сигналов. Если один из них по уровню превышает второй – на выходе появляется логическая единица. При обратном соотношении на выходных клеммах компаратора формируется логический ноль.

С помощью такого модуля удается превратить изменения в фиксированной точке любого аналогового сигнала в последовательность единиц и нулей. Если использовать большое количество компараторов, каждый из которых привязан к одной дискретной точке – на выходе удается получить представление всего копируемого процесса в цифровом виде. Работающий по этому принципу аналого-цифровой преобразователь называется устройством с прямой обработкой сигнала.

Analogo-tsifrovoi preobrazovatel 5

Основные характеристики АЦП, определяющие их различия

Существующие разновидности АЦП отличаются по целому ряду признаков, среди которых выделяются следующие характеристики:

Частота дискретизации.
Разрядность цифрового представления.
Диапазон изменений входного аналогового сигнала.
Динамический показатель шума.
Передаточная характеристика и нелинейность преобразования.

Частота дискретизации задается тактовым генератором и может изменяться в широких пределах. Ее нижняя граница определяется требованиями, предъявляемыми к получению хоть сколько-нибудь похожей копии непрерывного процесса, а верхняя зависит от быстродействия используемого оборудования. В любом случае, чем выше будет тактовая частота генератора – тем более точной получается копия на выходе АЦП.

Разрядность преобразовательного устройства – это количество бит в кодовом представлении аналогового сигнала. От его величины зависит количество уровней дискретизации, определяемое степенью основы двоичного кода (двойки). При показателе степени 3 число квантовых уровней равно 8 штукам, а при выборе 8-ми бит оно увеличивается до 256.

Диапазон изменений аналогового сигнала определяется его минимальными и максимальными значениями на входе АЦП, при которых преобразователь работает в пределах допустимой погрешности. Очень маленький уровень на входе устройство не сможет отличить от нуля и пропустит его в процессе дискретизации.

При очень большом значении этого параметра аналого-цифровой преобразователь обработает сигнал с искажениями, нарушающими верность передачи полезной информации. Не исключается и полная ее потеря на пиках входного напряжения, значительно превосходящих допустимые величины.

Отношение «сигнал-шум» определяет способность устройства отличать полезную информацию, содержащуюся в сигнале, от шумовых помех, всегда имеющихся в электронных схемах.

Передаточная характеристика – это графически представленная зависимость цифровой копии от величины непрерывного входного сигнала (в моменты его выборки). Эта характеристика изображается графически в виде спадающей или нарастающей ступенчатой функции.

Grafik

Из него видно, что значения, расположенные в непосредственной близости от уровня входного напряжения величиной 0,5 В, соответствуют четвертому уровню квантования (4-ой ступеньке). Сюда же относятся значения 0,52 или 0,47 В, представляемые тем же самым кодом (100).

Из определения этого параметра следует один важный вывод. Поскольку все ближайшие к фиксированному значению выборки входного сигнала будут кодироваться одинаково – его цифровая копия всегда будет отличаться от оригинала. Этот недостаток заложен в сам принцип аналогово-цифрового преобразования и практически неустраним. Увеличение частоты тактового генератора не снимет этой проблемы, поскольку сама схема преобразования позволяет делать только приблизительную копию исходного аналогового колебания.

Нелинейность АЦП

При рассмотрении АЦП с равномерным показателем квантования длина ступенек на графическом представлении процесса одинакова. Однако в отдельных разновидностях устройств этого класса неравномерность квантования предусматривается специально. Она задается характеристикой, называемой нелинейность АЦП, и выражает отличие реальной передаточной характеристики от ее линейного представления.

Grafik 2

Любая линейная схема обрабатывает проходящий через нее сигнал без нарушения его формы (без искажений). При наличии активных элементов в ней возможно усиление колебаний или их ослабление.

Схемы с нелинейной зависимостью, напротив, в какой-то степени искажают форму выходного сигнала. Передаточная характеристика такой цепи заметно отличается от прямой линии, за счет чего форма сигнала на выходе изменяется (особенно – на пиках). Это явление также относится к недостаткам обработки сигнала методом АЦП, поскольку часть информации при этом теряется.

Grafik 3

Оптимальный режим, в котором аналого-цифровой преобразователь работает корректно, выбирается путем аппроксимации передаточной характеристики (приближения ее к прямой линии). Достичь этого удается путем увеличения частоты дискретизации, однако при этом существенно возрастают материальные издержки. Как правило, в таких случаях инженерами-разработчиками АЦП находится «золотая» середина, позволяющая получить какой-то требуемый результат при сравнительно небольших затратах.

Ошибки и шумы квантования

При обработке сигнала в устройствах типа «аналого-цифровой преобразователь» наблюдается приблизительное его копирование в дискретном виде. Точность этого процесса зависит от многих факторов, среди которых выделяются разрядность АЦП (количество бит в кодовом представлении).

Отклонение от точной передачи копируемого сигнала называется ошибкой или «шумом» квантования, который обычно вводится только при математическом моделировании описываемого процесса. Для дискретного представления эта характеристика будет выражаться таким же прерывистым показателем. Избавиться от шумов удается увеличением разрядности аппаратуры АЦП, но это также приводит к существенным издержкам, включая увеличение энергопотребления.

Что такое «джиттер»

Это понятие вводится для оценки ошибок в работе АЦП (его фазовых шумов), которые возникают из-за нестабильности частоты задающего генератора. При описании процессов, происходящих в преобразователе, предполагалось, что тактовый сигнал имеет форму правильного меандра (паузы равны по длительности активной части). Однако в реальных условиях квантования это условие выполняется не всегда.

Grafik 4

Такая неравномерность обработки нередко приводит к нарушению верности копирования исходного сигнала. В этом случае для сохранения в памяти устройства передаются выборки, не совсем соответствующие тем значениям, которые наблюдались бы при идеальном меандре. Эти отклонения в реальных временных характеристиках сигнала воспринимаются как дискретные по своей природе фазовые шумы.

Нестабильность работы задающих тактовых генераторов обычно оценивается в сотых долях секунды. Поэтому аналого-цифровой преобразователь с низкой скоростью обработки исходной информации, как правило, не подвержен воздействию фазовых шумов. При более высоких частотах дискретизации (сотни мегагерц и более) эффект под названием «джиттер» учитывается обязательно.