Аналого-цифровой преобразователь

4-канальный стерео мультиплексный аналого-цифровой преобразователь WM8775SEDS производства Wolfson Microelectronics, размещенный на звуковой карте X-Fi Fatal1ty Pro .

В электронике , аналого-цифрового преобразователя ( АЦП , А / Ц , или А-а-D ) представляет собой систему , которая преобразует аналоговый сигнал , такой как звук подобран микрофона или свет , входящий в цифровую камеру , в цифровой сигнал . АЦП также может обеспечивать изолированное измерение, такое как электронное устройство, которое преобразует входное аналоговое напряжение или ток в цифровое число, представляющее величину напряжения или тока. Обычно цифровой выход представляет собой дополнение до двух. двоичное число, пропорциональное вводу, но есть и другие возможности.

Существует несколько архитектур АЦП . Из-за сложности и необходимости точно согласованных компонентов все АЦП, кроме самых специализированных, реализованы в виде интегральных схем (ИС). Обычно они представляют собой микросхемы интегральных схем со смешанными сигналами металл-оксид-полупроводник (МОП), которые объединяют как аналоговые, так и цифровые схемы .

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) выполняет обратную функцию; он преобразует цифровой сигнал в аналоговый сигнал.

Объяснение [ править ]

АЦП преобразует аналоговый сигнал с непрерывным временем и постоянной амплитудой в цифровой сигнал с дискретным временем и дискретной амплитудой . Преобразование включает квантование входных данных, поэтому обязательно вносит небольшую ошибку или шум. Более того, вместо непрерывного выполнения преобразования, АЦП выполняет преобразование периодически, дискретизируя входной сигнал, ограничивая допустимую ширину полосы входного сигнала.

Характеристики АЦП в первую очередь характеризуются его полосой пропускания и отношением сигнал / шум (SNR). Полоса пропускания АЦП в первую очередь характеризуется частотой дискретизации . SNR АЦП зависит от многих факторов, включая разрешение , линейность и точность (насколько хорошо уровни квантования соответствуют истинному аналоговому сигналу), наложение спектров и джиттер . Отношение сигнал / шум АЦП часто выражается в виде его эффективного числа битов (ENOB), числа битов каждого возвращаемого измерения, которые в среднем не являются шумом.. У идеального АЦП значение ENOB равно его разрешающей способности. АЦП выбираются в соответствии с полосой пропускания и требуемым отношением сигнал / шум сигнала, который необходимо оцифровать. Если АЦП работает с частотой дискретизации более чем в два раза превышающей ширину полосы сигнала, то в соответствии с теоремой Найквиста – Шеннона возможна идеальная реконструкция. Наличие ошибки квантования ограничивает отношение сигнал / шум даже идеального АЦП. Однако, если SNR АЦП превышает SNR входного сигнала, его эффектами можно пренебречь, что приведет к практически идеальному цифровому представлению аналогового входного сигнала.

Разрешение [ править ]

Разрешающая способность преобразователя указывает количество различных, т. Е. Дискретных, значений, которые он может выдавать в допустимом диапазоне значений аналогового входа. Таким образом, конкретное разрешение определяет величину ошибки квантования и, следовательно, определяет максимально возможное отношение сигнал / шум для идеального АЦП без использования передискретизации . Входные отсчеты обычно хранятся в электронном виде в двоичной форме внутри АЦП, поэтому разрешение обычно выражается как битовая глубина звука . Как следствие, количество доступных дискретных значений обычно является степенью двойки. Например, АЦП с разрешением 8 бит может кодировать аналоговый вход до одного из 256 различных уровней (2 ⁸ = 256). Значения могут представлять диапазоны от 0 до 255 (т. Е. Как целые числа без знака) или от -128 до 127 (т. Е. Как целые числа со знаком), в зависимости от приложения.

Разрешение также можно определить электрически и выразить в вольтах . Изменение напряжения, необходимое для гарантии изменения уровня выходного кода, называется напряжением младшего значащего бита (LSB). Разрешающая способность Q АЦП равна младшему разряду напряжения. Разрешение АЦП по напряжению равно его общему диапазону измерения напряжения, разделенному на количество интервалов:

${\displaystyle Q={\dfrac {E_{\mathrm {FSR} }}{2^{M}}},}$

где M - разрешение АЦП в битах, а E _FSR - это полный диапазон напряжения (также называемый «диапазоном»). E _FSR определяется как

${\displaystyle E_{\mathrm {FSR} }=V_{\mathrm {RefHi} }-V_{\mathrm {RefLow} },\,}$

где V _RefHi и V _RefLow - соответственно верхний и нижний крайние значения напряжений, которые могут быть кодированы.

Обычно количество интервалов напряжения определяется как

${\displaystyle N=2^{M},\,}$

где M - разрешение АЦП в битах. ^[1]

То есть между двумя последовательными уровнями кода назначается один интервал напряжения.

Пример:

• Схема кодирования как на рисунке 1
• Диапазон измерения полной шкалы = от 0 до 1 вольт
• Разрешение АЦП составляет 3 бита: 2 ³ = 8 уровней квантования (кодов)
• Разрешение АЦП по напряжению, Q = 1 В / 8 = 0,125 В.

Во многих случаях полезное разрешение преобразователя ограничено отношением сигнал / шум (SNR) и другими ошибками в системе в целом, выраженными как ENOB.

Ошибка квантования [ править ]

Ошибка квантования возникает из-за квантования, присущего идеальному АЦП. Это ошибка округления между аналоговым входным напряжением АЦП и выходным цифровым значением. Ошибка нелинейна и зависит от сигнала. В идеальном АЦП, где ошибка квантования равномерно распределена между -1/2 LSB и +1/2 LSB, а сигнал имеет равномерное распределение, охватывающее все уровни квантования, отношение сигнал / шум квантования (SQNR) равно дано

${\displaystyle \mathrm {SQNR} =20\log _{10}(2^{Q})\approx 6.02\cdot Q\ \mathrm {dB} \,\!}$^[2]

где Q - количество битов квантования. Например, для 16-битного АЦП ошибка квантования на 96,3 дБ ниже максимального уровня.

Ошибка квантования распространяется от постоянного тока до частоты Найквиста . Следовательно, если часть полосы пропускания АЦП не используется, как в случае с передискретизацией , некоторая ошибка квантования будет происходить вне полосы , эффективно улучшая SQNR для используемой полосы пропускания. В системе с избыточной дискретизацией формирование шума может использоваться для дальнейшего увеличения SQNR за счет увеличения количества ошибок квантования вне диапазона.

Дизеринг [ править ]

В АЦП производительность обычно можно улучшить с помощью дизеринга . Это очень небольшое количество случайного шума (например, белый шум ), который добавляется ко входу перед преобразованием. Его эффект заключается в рандомизации состояния LSB на основе сигнала. Вместо того, чтобы просто полностью обрывать сигнал на низких уровнях, он расширяет эффективный диапазон сигналов, которые может преобразовать АЦП, за счет небольшого увеличения шума. Обратите внимание, что дизеринг может только увеличить разрешение сэмплера. Это не может улучшить линейность, и, следовательно, точность не обязательно улучшится.

Искажение квантования в аудиосигнале очень низкого уровня по отношению к разрядности АЦП коррелирует с сигналом и звучит искаженно и неприятно. При дизеринге искажение трансформируется в шум. Неискаженный сигнал можно точно восстановить путем усреднения по времени. Дизеринг также используется при интеграции таких систем, как счетчики электроэнергии . Поскольку значения суммируются, дизеринг дает более точные результаты, чем младший бит аналого-цифрового преобразователя.

Дизеринг часто применяется при квантовании фотографических изображений до меньшего количества бит на пиксель - изображение становится более шумным, но для глаза выглядит намного более реалистичным, чем квантованное изображение, которое в противном случае становится полосатым . Этот аналогичный процесс может помочь визуализировать эффект дизеринга на аналоговый аудиосигнал, который преобразуется в цифровой.

Точность [ править ]

У АЦП есть несколько источников ошибок. Ошибка квантования и (если предполагается, что АЦП должен быть линейным) нелинейность присущи любому аналого-цифровому преобразованию. Эти ошибки измеряются в единицах, называемых младшим значащим битом (LSB). В приведенном выше примере восьмиразрядного АЦП ошибка в один младший бит составляет 1/256 полного диапазона сигнала, или около 0,4%.

Нелинейность [ править ]

Все АЦП страдают от ошибок нелинейности, вызванных их физическими недостатками, в результате чего их выходной сигнал отклоняется от линейной функции (или какой-либо другой функции в случае намеренно нелинейного АЦП) их входа. Эти ошибки иногда можно уменьшить с помощью калибровки или предотвратить с помощью тестирования. Важными параметрами линейности являются интегральная нелинейность и дифференциальная нелинейность . Эти нелинейности вносят искажения, которые могут снизить отношение сигнал / шум АЦП и, таким образом, снизить его эффективное разрешение.

Джиттер [ править ]

При оцифровке синусоидальной волны использование неидеальных тактовых импульсов выборки приведет к некоторой неопределенности при записи выборок. При условии, что фактическая неопределенность времени выборки из-за дрожания тактового сигнала составляет , ошибку, вызванную этим явлением, можно оценить как . Это приведет к дополнительному записанному шуму, который уменьшит эффективное число битов (ENOB) ниже того, которое предсказывается только ошибкой квантования . Ошибка равна нулю для постоянного тока, мала на низких частотах, но значительна для сигналов большой амплитуды и высокой частоты. Влияние джиттера на производительность можно сравнить с ошибкой квантования:, где q - количество битов АЦП. ^{[ необходима цитата ]}${\displaystyle x(t)=A\sin {(2\pi f_{0}t)}}$${\displaystyle \Delta t}$${\displaystyle E_{ap}\leq |x'(t)\Delta t|\leq 2A\pi f_{0}\Delta t}$${\displaystyle \Delta t<{\frac {1}{2^{q}\pi f_{0}}}}$

Джиттер тактовой частоты вызван фазовым шумом . ^{[3] [4]} Разрешающая способность АЦП с полосой дискретизации от 1 МГц до 1 ГГц ограничена джиттером. ^[5] Для преобразований с меньшей полосой пропускания, например, при дискретизации аудиосигналов на частоте 44,1 кГц, джиттер тактовой частоты оказывает менее значительное влияние на производительность. ^[6]

Частота дискретизации [ править ]

Аналоговый сигнал является непрерывным во времени, и его необходимо преобразовать в поток цифровых значений. Следовательно, необходимо определить скорость, с которой новые цифровые значения выбираются из аналогового сигнала. Частота новых значений называется частотой дискретизации или частотой дискретизации преобразователя. Непрерывно изменяющийся сигнал с ограниченной полосой частот может быть дискретизирован, а затем исходный сигнал может быть воспроизведен из значений дискретного времени с помощью фильтра восстановления . Теорема выборки Найквиста – Шеннона подразумевает, что точное воспроизведение исходного сигнала возможно только в том случае, если частота дискретизации более чем в два раза превышает наивысшую частоту сигнала.

Поскольку практический АЦП не может выполнить мгновенное преобразование, входное значение обязательно должно оставаться постоянным в течение времени, в течение которого преобразователь выполняет преобразование (так называемое время преобразования ). Входная цепь, называемая выборкой и удержанием, выполняет эту задачу - в большинстве случаев за счет использования конденсатора для хранения аналогового напряжения на входе и использования электронного переключателя или затвора для отключения конденсатора от входа. Многие интегральные схемы АЦП содержат внутреннюю подсистему выборки и хранения.

Псевдоним [ править ]

АЦП работает путем дискретизации значения входа через дискретные промежутки времени. При условии, что входной сигнал дискретизируется выше частоты Найквиста , определяемой как удвоенная наибольшая интересующая частота, тогда все частоты в сигнале могут быть восстановлены. Если дискретизируются частоты, превышающие половину частоты Найквиста, они неправильно определяются как более низкие частоты, и этот процесс называется наложением спектров. Псевдоним происходит потому, что мгновенная выборка функции два или меньшее количество раз за цикл приводит к пропущенным циклам и, следовательно, к появлению неверно более низкой частоты. Например, синусоидальная волна 2 кГц, дискретизируемая на частоте 1,5 кГц, будет реконструирована как синусоидальная волна 500 Гц.

Чтобы избежать наложения спектров, входной сигнал АЦП должен быть отфильтрован нижними частотами, чтобы удалить частоты выше половины частоты дискретизации. Этот фильтр называется фильтром сглаживания и необходим для практической системы АЦП, которая применяется к аналоговым сигналам с более высоким частотным содержанием. В приложениях, где важна защита от наложения спектров, передискретизация может значительно уменьшить или даже устранить его.

Хотя наложение спектров в большинстве систем нежелательно, его можно использовать для одновременного понижающего микширования высокочастотного сигнала с ограниченной полосой частот (см. Недостаточную дискретизацию и частотный смеситель ). Псевдоним фактически является нижним гетеродином частоты сигнала и частоты дискретизации. ^[7]

Передискретизация [ править ]

Для экономии сигналы часто дискретизируются с минимальной требуемой частотой, в результате чего вносимая ошибка квантования представляет собой белый шум, распространяющийся по всей полосе пропускания преобразователя. Если сигнал дискретизируется со скоростью, намного превышающей частоту Найквиста, а затем подвергается цифровой фильтрации, чтобы ограничить его шириной полосы сигнала, это дает следующие преимущества:

• Передискретизация может упростить реализацию аналоговых фильтров сглаживания.
• Улучшенная битовая глубина звука
• Сниженный шум, особенно когда в дополнение к передискретизации используется формирование шума .

Передискретизация обычно используется в АЦП звуковой частоты, где требуемая частота дискретизации (обычно 44,1 или 48 кГц) очень мала по сравнению с тактовой частотой типичных транзисторных схем (> 1 МГц). В этом случае производительность АЦП может быть значительно увеличена за небольшие деньги или бесплатно. Кроме того, поскольку любые сигналы с наложением спектров также обычно являются внеполосными, наложения спектров часто можно полностью устранить с помощью очень недорогих фильтров.

Относительная скорость и точность [ править ]

Скорость АЦП зависит от типа. Вилкинсон АЦП ограничен тактовая частота , которая является обрабатываемым с помощью современных цифровых схем. Для АЦП последовательного приближения время преобразования масштабируется с логарифмом разрешения, то есть количеством битов. Флэш-АЦП , безусловно, самый быстрый тип из трех; Преобразование в основном выполняется за один параллельный шаг.

Существует потенциальный компромисс между скоростью и точностью. Флэш-АЦП имеют дрейфы и погрешности, связанные с уровнями компаратора, что приводит к плохой линейности. В меньшей степени плохая линейность также может быть проблемой для АЦП последовательного приближения. Здесь нелинейность возникает из-за накопления ошибок в процессе вычитания. Из трех АЦП Уилкинсона имеют лучшую линейность. ^{[8] [9]}

Принцип скользящей шкалы [ править ]

Скользящая шкала или рандомизации метод может быть использован , чтобы значительно улучшить линейность любого типа АЦП, но особенно блеснет и последовательные приближения типа. Для любого АЦП преобразование входного напряжения в цифровое выходное значение - это не совсем функция пола или потолка, как должно быть. В нормальных условиях импульс определенной амплитуды всегда преобразуется в одно и то же цифровое значение. Проблема заключается в том, что не все диапазоны аналоговых значений для оцифрованных значений имеют одинаковую ширину, и дифференциальная линейностьуменьшается пропорционально отклонению от средней ширины. Принцип скользящей шкалы использует эффект усреднения для преодоления этого явления. Случайное, но известное аналоговое напряжение добавляется к дискретному входному напряжению. Затем он преобразуется в цифровую форму, и эквивалентная цифровая сумма вычитается, таким образом восстанавливая ее исходное значение. Преимущество в том, что преобразование произошло в случайной точке. Статистическое распределение конечных уровней определяется средневзвешенным значением по области диапазона АЦП. Это, в свою очередь, снижает его чувствительность к ширине любого конкретного уровня. ^{[10] [11]}

Типы [ править ]

Это несколько распространенных способов реализации электронного АЦП.

Прямое преобразование [ править ]

АЦП прямого преобразования или импульсный АЦП имеет набор компараторов, которые параллельно выбирают входной сигнал, каждый из которых срабатывает для определенного диапазона напряжений. Банк компаратора питает логическую схему, которая генерирует код для каждого диапазона напряжений.

АЦП этого типа имеют большой размер кристалла и большую рассеиваемую мощность. Они часто используются для видео , широкополосной связи или других быстрых сигналов в оптических и магнитных накопителях .

Схема состоит из резистивного делителя цепи, набора компараторов операционных усилителей и кодировщика приоритета. В компаратор встроен небольшой гистерезис, чтобы разрешить любые проблемы на границах напряжения. На каждом узле резистивного делителя имеется напряжение сравнения. Целью схемы является сравнение аналогового входного напряжения с каждым из узловых напряжений.

Схема имеет преимущество высокой скорости, поскольку преобразование происходит одновременно, а не последовательно. Типичное время преобразования составляет 100 нс или меньше. Время преобразования ограничено только скоростью компаратора и кодировщика приоритета. Этот тип АЦП имеет тот недостаток, что количество требуемых компараторов почти удваивается для каждого добавляемого бита. Кроме того, чем больше значение n, тем сложнее кодировщик приоритета.

Последовательное приближение [ править ]

Последовательное приближение АЦП использует компаратор и двоичный поиск , чтобы последовательно сузить диапазон, содержащий входное напряжение. На каждом последующем шаге преобразователь сравнивает входное напряжение с выходом внутреннего цифроаналогового преобразователя, который первоначально представляет собой среднюю точку допустимого диапазона входного напряжения. На каждом этапе этого процесса приближение сохраняется в регистре последовательного приближения (SAR), а выходные данные цифроаналогового преобразователя обновляются для сравнения в более узком диапазоне.

Ramp-compare [ править ]

АЦП с линейным сравнением выдает пилообразный сигнал, который нарастает или понижается, а затем быстро возвращается к нулю. Когда начинается рампа, таймер начинает отсчет. Когда линейное напряжение соответствует входному, срабатывает компаратор и записывается значение таймера. Преобразователи линейного нарастания по времени могут быть реализованы экономично, ^[а] однако время линейного нарастания может быть чувствительным к температуре, поскольку схема, генерирующая линейное нарастание, часто является простым аналоговым интегратором . Более точный преобразователь использует тактовый счетчик, управляющий ЦАП . Особое преимущество системы линейного сравнения состоит в том, что для преобразования второго сигнала просто требуется другой компаратор и другой регистр для хранения значения таймера. Чтобы снизить чувствительность к изменениям входа во время преобразования,Образец и хранение могут заряжать конденсатор мгновенным входным напряжением, а преобразователь может отсчитывать время, необходимое для разряда с постоянным током .

Уилкинсон [ править ]

Вилкинсон АЦП был разработан Denys Wilkinson в 1950 году Wilkinson АЦП на основе сравнения входного напряжения с тем, что производится с помощью зарядного конденсатора. Конденсатору позволяют заряжаться до тех пор, пока компаратор не определит, что он соответствует входному напряжению. Затем конденсатор линейно разряжается. Время, необходимое для разряда конденсатора, пропорционально амплитуде входного напряжения. Пока конденсатор разряжается, импульсы тактовой частоты высокочастотного генератора подсчитываются регистром. Количество тактовых импульсов, записываемых в регистр, также пропорционально входному напряжению. ^{[13] [14]}

Интеграция [ править ]

Интегрирования АЦП (также двойной наклон или несколько наклона АЦП) применяет неизвестное входное напряжение на вход интегратораи позволяет напряжению нарастать в течение фиксированного периода времени (период разгона). Тогда известное опорное напряжение противоположной полярности подается на интегратор и ей дает сползать до выходных возвращаются интегратора к нулю (выбег периода). Входное напряжение вычисляются как функция опорного напряжения, постоянного разбегом период времени, и измеренный захудалого период времени. Измерение времени выбега обычно производится в единицах тактовой частоты преобразователя, поэтому более длительное время интегрирования обеспечивает более высокое разрешение. Точно так же скорость преобразователя может быть улучшена за счет уменьшения разрешения. Преобразователи этого типа (или его разновидности) используются в большинстве цифровых вольтметров из- за их линейности и гибкости.

АЦП балансировки заряда

Принцип балансировки заряда АЦП заключается в том, чтобы сначала преобразовать входной сигнал в частоту с помощью преобразователя напряжения в частоту . Затем эта частота измеряется счетчиком и преобразуется в выходной код, пропорциональный аналоговому входу. Основным преимуществом этих преобразователей является то, что можно передавать частоту даже в шумной среде или в изолированном виде. Однако ограничение этой схемы состоит в том, что выход преобразователя V / F зависит от RC-продукта, значение которого не может быть легко поддержано с помощью температуры и времени.

Двухканальный АЦП

Аналоговая часть схемы состоит из буфера с высоким входным сопротивлением, прецизионного интегратора и компаратора напряжения. Первый преобразователь интегрирует аналоговый входной сигнал для фиксированной длительности и затем интегрирует внутреннее опорное напряжение противоположной полярности, пока выход интегратора не равен нулю. Главный недостаток этой схемы - большая продолжительность работы. Они особенно подходят для точного измерения медленно меняющихся сигналов, таких как термопары и весы.

Дельта-кодирование [ править ]

Дельта-кодируются АЦП или контр-рампа имеет вверх-вниз счетчик , который подает цифровой аналоговый преобразователь (ЦАП). Входной сигнал и ЦАП поступают на компаратор. Компаратор управляет счетчиком. В схеме используется отрицательная обратная связь.от компаратора для регулировки счетчика до тех пор, пока выход ЦАП не станет достаточно близким к входному сигналу. Номер читается со счетчика. Дельта-преобразователи имеют очень широкий диапазон и высокое разрешение, но время преобразования зависит от уровня входного сигнала, хотя он всегда будет иметь гарантированный худший случай. Дельта-преобразователи часто являются хорошим выбором для считывания реальных сигналов. Большинство сигналов от физических систем не меняются резко. Некоторые преобразователи сочетают в себе подходы дельта и последовательного приближения; это особенно хорошо работает, когда известно, что высокие частоты невелики по величине.

Конвейерный [ править ]

Конвейерный АЦП (также называемый Каскадный квантователем ) использует два или более стадий каскадные. Сначала выполняется грубое преобразование. На втором этапе разница входящего сигнала определяется с помощью цифроаналогового преобразователя (DAC). Затем эта разница преобразуется в более тонкую, и результаты объединяются на последнем этапе. Это можно рассматривать как усовершенствование АЦП последовательного приближения, в котором опорный сигнал обратной связи состоит из промежуточного преобразования всего диапазона битов (например, четырех битов), а не только следующего по старшинству бита. Благодаря сочетанию достоинств последовательного приближения и флэш-АЦП этот тип быстр, имеет высокое разрешение и требует лишь небольшого размера кристалла.

Сигма-дельта [ править ]

Сигма-дельта АЦП (также известный как дельта-сигма АЦП ) oversamples требуемого сигнала с помощью большого коэффициента и фильтров желаемого диапазона сигнала. Обычно меньшее количество битов, чем требуется, преобразуется с помощью флэш-АЦП после фильтра. Результирующий сигнал вместе с ошибкой, генерируемой дискретными уровнями Flash, возвращается и вычитается из входного сигнала в фильтр. Эта отрицательная обратная связь имеет эффект шума, формирующего ошибку из-за вспышки, так что она не проявляется на желаемых частотах сигнала. Цифровой фильтр (прореживающий фильтр) следует за АЦП, который снижает частоту дискретизации, отфильтровывает нежелательный шумовой сигнал и увеличивает разрешение выходного сигнала ( сигма-дельта-модуляция , также называемаядельта-сигма модуляция ).

Чередование времени [ править ]

А время чередованием АЦП использует M параллельных АЦП , где каждый из образцов АЦП данных каждый M: й цикл эффективной выборки часов. В результате частота дискретизации увеличивается в M раз по сравнению с тем, что может контролировать каждый отдельный АЦП. На практике индивидуальные различия между M АЦП ухудшают общую производительность, уменьшая динамический диапазон без паразитных составляющих (SFDR). ^[15] Однако существуют технологии для исправления этих ошибок рассогласования с временным чередованием.

Промежуточный этап FM [ править ]

АЦП с промежуточной стадией FM сначала использует преобразователь напряжения в частоту , чтобы преобразовать нужный сигнал в сигнал колеблющегося с частотой , пропорциональной напряжению полезного сигнала, а затем использует счетчик частоты для преобразования этой частоты в цифровой подсчет пропорционально напряжению полезного сигнала. Более длительное время интеграции обеспечивает более высокое разрешение. Точно так же скорость преобразователя может быть улучшена за счет уменьшения разрешения. Две части АЦП могут быть широко разделены, при этом частотный сигнал проходит через оптоизолятор или передается по беспроводной сети. В некоторых таких АЦП используется частотная модуляция синусоидальной или прямоугольной формы ; другие используют частотно-импульсную модуляцию. Такие АЦП когда-то были самым популярным способом отображения состояния удаленного аналогового датчика на цифровом дисплее. ^{[16] [17] [18] [19] [20]}

Другие типы [ править ]

Могут быть и другие АЦП, в которых используется комбинация электроники и других технологий . Время растяжения аналого-цифровой преобразователь (TS-АЦП) оцифровывает очень широкой полосы частот аналогового сигнала, который не может быть оцифрован с помощью обычного электронного АЦП, ко времени растяжения сигнала перед оцифровкой. Он обычно использует внешний интерфейс фотонного препроцессора для растягивания сигнала во времени, что эффективно замедляет сигнал во времени и сжимает его полосу пропускания. В результате электронный бэкэндАЦП, который был бы слишком медленным для захвата исходного сигнала, теперь может улавливать этот замедленный сигнал. Для непрерывного захвата сигнала интерфейс также делит сигнал на несколько сегментов в дополнение к растягиванию по времени. Каждый сегмент индивидуально оцифровывается отдельным электронным АЦП. Наконец, цифровой сигнальный процессор переупорядочивает выборки и удаляет любые искажения, добавленные внешним интерфейсом, чтобы получить двоичные данные, которые являются цифровым представлением исходного аналогового сигнала.

Коммерческий [ править ]

Коммерческие АЦП обычно реализуются в виде интегральных схем . Большинство преобразователей делают выборку с разрешением от 6 до 24 бит и производят менее 1 мегасэмпла в секунду. Тепловой шум, создаваемый пассивными компонентами, такими как резисторы, маскирует измерение, когда требуется более высокое разрешение. Для аудиоприложений и температуры в помещении такой шум обычно немного меньше 1 мкВ (микровольт) белого шума . Если MSB соответствует стандартному выходному сигналу 2 В , это приводит к ограничению шумом производительности менее 20 ~ 21 бит и устраняет необходимость в каком-либо дизеринге.. По состоянию на февраль 2002 года доступны преобразователи мега- и гигабайт в секунду. Преобразователи Mega-выборочные требуется цифровые видеокамеры , карты видеозахвата , а также ТВ - тюнеры для преобразования полной скорости аналогового видео в цифровые видео файлов. Коммерческие преобразователи обычно имеют ошибку от ± 0,5 до ± 1,5 LSB на выходе.

Во многих случаях самой дорогой частью интегральной схемы являются выводы, потому что они увеличивают размер корпуса, и каждый вывод должен быть подключен к кремнию интегральной схемы. Для экономии выводов медленные АЦП обычно отправляют свои данные по одному биту через последовательный интерфейс на компьютер, а следующий бит выходит, когда тактовый сигнал меняет состояние, скажем, с 0 на 5 В. Это значительно экономит. несколько выводов на корпусе АЦП, и во многих случаях это не усложняет общую конструкцию (даже микропроцессорам, использующим ввод-вывод с отображением памяти, требуется всего несколько битов порта для реализации последовательной шины к АЦП) . Коммерческие АЦП часто имеют несколько входов, которые питают один и тот же преобразователь, обычно через аналоговыймультиплексор . Различные модели АЦП могут включать в себя схемы выборки и хранения , инструментальные усилители или дифференциальные входы, где измеряемая величина - это разница между двумя напряжениями.

Приложения [ править ]

Музыкальная запись [ править ]

Аналого-цифровые преобразователи являются неотъемлемыми частью 2000s эры технологии воспроизведения музыки и цифровой аудио рабочей станции основанного записи звука . Люди часто создают музыку на компьютерах, используя аналоговую запись, и поэтому им нужны аналого-цифровые преобразователи для создания потоков данных с импульсно-кодовой модуляцией (PCM), которые записываются на компакт-диски и цифровые музыкальные файлы. Текущее количество аналого-цифровых преобразователей, используемых в музыке, может производить дискретизацию с частотой до 192 килогерц . По этим вопросам существует обширная литература, но коммерческие соображения часто играют важную роль. Многие студии звукозаписи записывают с использованием импульсно-кодовой модуляции (PCM) или Direct Stream Digital с разрешением 24 бит / 96 кГц (или выше).(DSD), а затем понижать дискретизацию или децитировать сигнал для производства цифрового аудио на компакт-диске (44,1 кГц) или до 48 кГц для широко используемых приложений радио- и телевещания из-за частоты Найквиста и диапазона слышимости людей.

Цифровая обработка сигналов [ править ]

АЦП необходимы для обработки, хранения или передачи практически любого аналогового сигнала в цифровой форме. Карты ТВ-тюнера , например, используют быстрые аналого-цифровые преобразователи видео. Медленные на кристалле 8, 10, 12 или 16-битные аналого-цифровые преобразователи широко распространены в микроконтроллерах . Для цифровых запоминающих осциллографов необходимы очень быстрые аналого-цифровые преобразователи, что также имеет решающее значение для программно-конфигурируемых радиостанций и их новых приложений.

Научные инструменты [ править ]

Системы цифровой обработки изображений обычно используют аналого-цифровые преобразователи для оцифровки пикселей . В некоторых радиолокационных системах обычно используются аналого-цифровые преобразователи для преобразования мощности сигнала в цифровые значения для последующей обработки сигнала . Многие другие системы наземного и дистанционного зондирования обычно используют аналогичную технологию. Количество двоичных битов в результирующих оцифрованных числовых значениях отражает разрешение, количество уникальных дискретных уровней квантования (обработки сигналов) . Соответствие аналогового сигнала и цифрового сигнала зависит от ошибки квантования.. Процесс квантования должен происходить с адекватной скоростью, ограничение, которое может ограничивать разрешение цифрового сигнала. Многие датчики в научных инструментах выдают аналоговый сигнал; температура , давление , pH , интенсивность света и т. д. Все эти сигналы могут быть усилены и поданы на АЦП для получения цифрового числа, пропорционального входному сигналу.

Поворотный регулятор [ править ]

Некоторые неэлектронные или частично электронные устройства, такие как датчики угла поворота , также могут считаться АЦП. Обычно цифровой выход АЦП представляет собой двоичное число с дополнением до двух, которое пропорционально входу. Кодировщик может выводить код Грея .

Электрический символ [ править ]

Тестирование [ править ]

Для тестирования аналого-цифрового преобразователя требуется источник аналогового ввода и оборудование для отправки управляющих сигналов и захвата выходных цифровых данных. Некоторый АЦП также требует точного источника опорного сигнала.

Ключевые параметры для тестирования АЦП:

1. Ошибка смещения постоянного тока
2. Ошибка усиления постоянного тока
3. Соотношение сигнал / шум (SNR)
4. Полный коэффициент гармонических искажений (THD)
5. Интегральная нелинейность (INL)
6. Дифференциальная нелинейность (DNL)
7. Свободный динамический диапазон от паразитов
8. Рассеяние мощности

См. Также [ править ]

• Адаптивное предсказательное кодирование , тип АЦП, в котором значение сигнала предсказывается линейной функцией
• Аудиокодек
• Бета-кодировщик
• Оцифровка
• Цифровая обработка сигналов
• Интегральная линейность
• Модем

Заметки [ править ]

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

• Аллен, Филипп Э .; Холберг, Дуглас Р. (2002). КМОП аналоговая схема . ISBN 978-0-19-511644-1.
• Фраден, Джейкоб (2010). Справочник по современным датчикам: физика, конструкции и приложения . Springer. ISBN 978-1441964656.
• Кестер, Уолт, изд. (2005). Справочник по преобразованию данных . Эльзевьер: Новинки. ISBN 978-0-7506-7841-4.
• Джонс, Дэвид; Мартин, Кен (1997). Аналоговая интегральная схема . ISBN 978-0-471-14448-9.
• Лю, Минлян (2006). Демистификация схем с коммутируемыми конденсаторами . ISBN 978-0-7506-7907-7.
• Норсуорси, Стивен Р .; Шрайер, Ричард; Темес, Габор К. (1997). Преобразователи данных Delta-Sigma . IEEE Press. ISBN 978-0-7803-1045-2.
• Разави, Бехзад (1995). Принципы проектирования систем преобразования данных . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: IEEE Press. ISBN 978-0-7803-1093-3.
• Нджунче, Тертульен. Аналоговые интегральные схемы CMOS: высокоскоростная и энергоэффективная конструкция . Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. ISBN 978-1-4398-5491-4.
• Сталлер, Лен (24 февраля 2005 г.). «Понимание спецификаций аналого-цифрового преобразователя» . Проектирование встроенных систем .
• Уолден, Р.Х. (1999). «Обзор и анализ аналого-цифровых преобразователей». Журнал IEEE по избранным областям коммуникаций . 17 (4): 539–550. CiteSeerX  10.1.1.352.1881 . DOI : 10.1109 / 49.761034 .

Внешние ссылки [ править ]

В Викиучебнике есть книга на тему: Аналоговое и цифровое преобразование.

• Введение в дельта-сигма-преобразователи . Очень хороший обзор теории дельта-сигма-преобразователей.
• Цифровой динамический анализ систем аналого-цифрового преобразования с помощью оценочного программного обеспечения на основе анализа FFT / DFT RF Expo East, 1987
• Какая архитектура ADC подходит для вашего приложения? статья Уолта Кестера
• Глоссарий АЦП и ЦАП Определяет часто используемые технические термины.
• Введение в АЦП в AVR - аналого-цифровое преобразование с помощью микроконтроллеров Atmel
• Обработка сигналов и системные аспекты АЦП с временным перемежением.
• Разъяснение аналого-цифровых преобразователей с интерактивными принципами работы.
• Модель MATLAB Simulink простого линейного АЦП.