Цифро-аналоговый преобразователь: что это такое

Аналого-цифровой преобразователь

Аналого-цифровой преобразователь или АЦП — это устройство, которое преобразует входящий аналоговый сигнал в дискретный цифровой код. АЦП выполняет операции выборки и квантования. Напоминаю, что при дискретизации непрерывные отсчеты сигнала берутся только в определенные моменты или интервалы времени, и при квантовании значение сигнала в эти моменты округляется до одного из фиксированных уровней, квантованные уровни затем представляются в двоичной форме. Итак, получаем цифровой сигнал из аналогового.

АЦП

Как устроен АЦП

Большинство АЦП имеют устройство выборки и хранения, которое фиксирует и сохраняет значение напряжения на своем входе в моменты замыкания ключа, а моменты замыкания ключа определяются основным генератором, именно его частота определяет частоту дискретизации выходной сигнал. Затем сигнал на выходе устройства выборки и хранения округляется до одного из уровней квантования.

Получить и сохранить устройство

Как АЦП определяет, с какими уровнями квантования связать значение сигнала?

Рассмотрим простейший однобитовый АЦП — компаратор. Он принимает на свой вход два значения напряжения, в случае, если напряжение на первом входе больше, чем на втором, выводит логический блок, в противном случае — 0.

Компаратор в АЦП

Допустим, мы фиксируем значение на втором ходу, это наш пороговый уровень, и когда изменяющийся во времени сигнал на первом входе больше этого уровня, устройство показывает 1, когда оно меньше 0.

Теперь представьте, что есть несколько компараторов, когда входной сигнал превышает определенный уровень, соответствующий компаратор активируется, а выходы всех компараторов затем преобразуются схемой кодирующего устройства приоритета в двоичное представление. АЦП, в которых каждый из уровней квантования соответствует компаратору, называются АЦП с прямым преобразованием или флэш-АЦП.

Прямое преобразование АЦП

Характеристики АЦП

Во-первых, АЦП различаются частотой дискретизации, которая определяется основным генератором. Частота дискретизации может быть измерена в килогерцах, мегагерцах или даже гигагерцах, в зависимости от цели.

Далее следует битовая глубина, то есть количество битов в коде, с помощью которого мы представляем отсчеты сигнала. Количество уровней квантования зависит от количества битов, оно определяется как 2 в степени количества битов, если у нас 3 бита, то это 8 возможных уровней квантования, если у нас 8 бит, это 256 уровней.

Диапазон входного сигнала — это минимальное и максимальное значения напряжения на входе АЦП, при которых устройство функционирует нормально. Слишком малый сигнал АЦП нельзя отличить и принять за нулевой уровень, слишком большой может вызвать искажения, которые приведут к потере информации. Обычно АЦП работают в единицах вольт.

Передаточная характеристика — это по определению зависимость числового эквивалента выходного кода от значения аналогового входного сигнала, она имеет вид ступенчатой ​​функции.

Функция передачи

Давайте посмотрим на рисунок выше, близость значения входного напряжения 0,5 вольта будет приравниваться к четвертому уровню квантования, то есть значение, например, 0,52 или 0,47 также будет представлено кодом 100.

Если мы рассмотрим АЦП с равномерным квантованием, длина всех шагов будет одинаковой, некоторые АЦП специально используют неравномерное квантование, но мы их пока не рассматриваем. Неравномерность шагов в АЦП с равномерным квантованием — одна из характеристик несовершенства, которую мы называем нелинейностью.

Нелинейность АЦП

Нелинейность АЦП — это разница между реальной и линейной передаточной характеристикой.

Линейная система передает входной сигнал на выход, без изменения его формы, возможно усиление или ослабление.

линейная и нелинейная система АЦП

Нелинейная система искажает форму выходного сигнала. В том случае, если характеристика отличается от прямой, меняется форма пиков сигнала, речь идет о нелинейных искажениях, крайне нежелательном явлении. В случае искажения мы безвозвратно теряем информацию.

Для АЦП желательно, чтобы формы передаточных характеристик аппроксимировались прямой линией в рабочем диапазоне входных сигналов, но на практике небольшие отклонения все же есть, поэтому для всех АЦП производитель указывает параметры нецелочисленная и дифференциальная линейность.

формы передаточных характеристик

Шум квантования

АЦП округляет фактическое значение аналогового сигнала. Точность представления, насколько близок уровень квантования к реальному значению, зависит от емкости АЦП, от количества битов.

источник шума квантования

Мы называем сигнал ошибки или разностное квантование шумом, хотя его можно рассматривать только в рамках математической модели, поскольку он зависит от сигнала.

Если мы квантуем непрерывный сигнал, шум квантования также будет непрерывным. Если мы говорим о квантовании дискретного сигнала, ошибка также будет дискретной. Понятно, что для уменьшения шума квантования необходимо увеличить емкость АЦП, но это увеличивает стоимость, может снизиться потребляемая мощность и другие характеристики.

непрерывное квантование сигнала

Существует методика уменьшения эффекта шума квантования без увеличения битовой глубины, и вы можете ознакомиться с ней, если хотите.

Джиттер

Джиттер — это фазовый шум, вызванный нестабильностью основного генератора. Когда мы рассматриваем идеальный процесс дискретизации непрерывного сигнала, шаг временной сетки или период дискретизации остается неизменным, но на самом деле импульсы основного генератора могут не идти через равные промежутки времени, это приводит к тому, что мы переходим к устройство выборки и хранения — это не совсем то значение, которое должно было быть передано в случае идеально ровной сетки времени.

фазовый шум, вызванный нестабильностью генератора

Эти отклонения от так называемых реальных значений также могут быть представлены как дискретный шум. Джиттер осциллятора обычно измеряется в пиковых и фемтосекундных значениях, поэтому на медленный АЦП он практически не влияет.

Шум квантования вносит гораздо больший вклад, но если сам сигнал меняется очень быстро, если мы говорим о частотах дискретизации в сотни единиц мегагерц и гигагерц, то джиттер может стать основной проблемой в этом случае.

Характеристики ЦАП

Наиболее важные особенности ЦАП:

  • Битовая глубина, шаг квантования (разрешение) и точность преобразования.
  • Передаточная характеристика (RH) — зависимость выходного сигнала ЦАП от входных данных.
  • Битовая глубина (N) — количество бит во входном коде.
  • Разрешение — это выходное напряжение, соответствующее 1 младшему разряду. Это зависит от количества битов и определяет точность преобразования сигнала.
  • Частота дискретизации (частота Найквиста) — это максимальная частота, на которой ЦАП может работать для получения правильного выходного сигнала. Согласно теореме Котельникова, для правильного воспроизведения аналогового сигнала из цифровой формы частота дискретизации должна быть как минимум в два раза больше максимальной частоты в спектре сигнала.
  • Полная шкала — это диапазон значений выходного сигнала.
  • Монотонность — участок на ПК с постоянным уклоном. На данный момент ЦАП является линейным.
  • Время установления — это временной интервал с момента изменения входного кода до окончательного ввода выходного сигнала в указанном диапазоне отклонений.
  • Выбросы — это переходные процессы, возникающие при изменении входных данных. Величина выброса зависит от количества переключенных разрядов.
  • Ошибка смещения нуля — это разница между фактическим и идеальным выходным сигналом, когда входной сигнал равен нулю.
  • Ошибка PN — это разница между фактическим выходным напряжением и напряжением PN.
  • Ошибка усиления — это отклонение кривой ЧСС от идеального.
  • Дифференциальная нелинейность — это разница в приращениях выходных сигналов, соответствующих смежным смежным кодам.
  • Интегральная нелинейность — это максимальное отклонение реальной ЧСС от прямой.

Классификация

Цифро-аналоговые преобразователи делятся по типу входных данных на последовательные и параллельные. В зависимости от разрядности ЦАП различают более высокой точностью (большая разрядность, N≥14) или высокой скоростью (6-8 бит). Выходной сигнал может быть в виде напряжения, тока или заряда.

Давайте посмотрим на некоторые структуры ЦАП. Самый простой ЦАП — это ЦАП с весами (делитель Кельвина), структура которого показана на рисунке 1. Каждый бит преобразованного двоичного кода соответствует резистору или источнику тока, подключенному к общей точке суммирования. Сила тока источника (или проводимость резистора) пропорциональна весу бита, которому он соответствует. N-битный ЦАП содержит 2N идентичных резисторов, включенных последовательно, и 2N переключателя (обычно CMOS), по одному между каждым узлом в схеме и выходом.

Весовой ЦАП
Рис. 1. Устройство весового ЦАП

Метод взвешивания — один из самых быстрых, но отличается наименьшей точностью. Обычно такой ЦАП имеет выходное напряжение и хорошую монотонность. Если все резисторы одинаковые, ЦАП линейный. Недостатком данной модели является относительно высокое выходное сопротивление и большое количество резисторов и переключателей.

ЦАП на матрице R — 2R. Это одна из самых распространенных структур (см. Рисунок 2). Здесь используются только два значения сопротивления, которые находятся в соотношении 2: 1. Количество резисторов — 2N. Резистивный делитель может использоваться в качестве ЦАП двумя способами: в режиме напряжения и в режиме тока (также известный как нормальный и обратный режим). Основным преимуществом ЦАП с выходом напряжения является постоянное выходное сопротивление. Второе преимущество — отсутствие емкостных токов в нагрузке. Недостатки этой структуры: во-первых, опорный источник должен иметь очень низкий импеданс; во-вторых, невозможно использовать резистор последовательно с опорным источником для управления усилением. В токовом режиме это разрешено, но пики в токовой цепи больше. Клавиши, с другой стороны, имеют потенциал земли, поэтому защита от больших падений напряжения не требуется.

ЦАП на матрице R - 2R с выходом по напряжению
Рис. 2. Матричный ЦАП R — 2R с выходом по напряжению

В сигма-дельта-ЦАП (см. Рис. 3) преобразование выполняется с использованием сигма-дельта-модуляции, когда квантование выполняется в один бит, но с частотой в десятки и сотни раз выше, чем частота Найквиста. Как показано на рисунке 4, сигма-дельта модулятор преобразует входной сигнал в последовательный непрерывный поток нулей и единиц. Если входной сигнал близок к положительному концу полной шкалы, в исходящем потоке битов больше единиц, чем нулей, и наоборот, если сигнал ближе к отрицательному концу, нулей больше. Для сигнала около центра шкалы количество нулей и единиц примерно одинаковое.

Общая структура сигма-дельта ЦАП
Рис. 3. Общая структура сигма-дельта ЦАПКак работает сигма-дельта модулятор
Рис. 4. Принцип работы сигма-дельта модулятора

Фильтр интерполяции — это цифровая схема, которая принимает данные, поступающие с низкой частотой дискретизации, вставляет нули в поток данных, тем самым увеличивая частоту дискретизации, затем применяет алгоритм интерполяции и отправляет данные с высокой частотой дискретизации. Выходное напряжение 1-битного ЦАП переключается между равными положительным и отрицательным опорным напряжением. Выходной сигнал фильтруется аналоговым фильтром нижних частот.

Умножитель DAC работает с различными опорными сигналами, включая переменный ток. Выходной сигнал пропорционален произведению опорного напряжения и дробного эквивалента числа цифрового входа.

Сегментированные (гибридные) преобразователи. При проектировании конкретного ЦАП может случиться так, что ни одна из базовых структур не подходит, и необходимо комбинировать разные структуры для получения ЦАП с высоким разрешением и необходимыми характеристиками.

Оцените статью
Блог про сотовую связь