Реферат на тему:
Аналого-цифрові перетворювачі. Загальні відомості
Аналого-цифрові перетворювачі (АЦП) це пристрої, які приймають вхідні
аналогові сигнали та генерують відповідні до них цифрові сигнали, які
придатні для обробоки мікропроцесорами та іншими цифровими пристроями.
Принципово не виключена можливість безпосереднього перетворення різних
фізичних величин в цифрову форму, однак це завдання вдається рішити
тільки в досить рідко через складність таких перетворювачів. Тому зараз
найраціональнішим вважається спосіб перетворення різних за фізичною
природою величин спочатку в функціонально пов’язані з ними електричні, а
потім уже за допомогою перетворювачів напруга-код – в цифрові. Іменно ці
перетворювачі і мають на увазі, коли говорять про АЦП.
Процедура аналого-цифрового перетворення неперервних сигналів, яку
реалізують за допомогою АЦП, це перетворення неперервної функції часу
U(t), яка описує вхідний сигнал, у послідовність чисел {U'(tj)},
j=0,1,2,:, що віднесені до деяких фіксованих моментів часу. Цю процедуру
можна розділити на дві самостійні операції. Перша з них називається
дискретизацією і полягає в перетворенні неперервної функції часу U(t) в
неперервну послідовність {U(tj)}. Друга називаеться квантуванням і
полягає в перетворенні неперервної послідовності в дискретну {U'(tj)}.
В основі дискретизації неперервних сигналів лежить принципова можливість
подання їх у виді зваженх сум
, (1)
де aj – деякі коефіцієнти чи відліки, які характеризують початковий
сигнал в дискретні моменти часу; fj(t) – набір елементарних функцій, які
використовуються при відновленні сигналу за його відліками.
Найпоширенішою формою дискретизації є рівномірна дискретизація, в основі
якої лежить теорема відліків. Згідно цієї теореми в якості коефіцієнтів
aj потрібно використовувати миттєві значення сигналу U(tj) в дискретні
моменти часу tj=j?t, а період дискретизації вибирати з умови:
?t=1/2Fm , (2)
де Fm – максимальна частота спектрe сигналу, що перетворюється. При
цьому вираз (1) переходить у відомий вираз теореми відліків
, (3)
Для сигналів з строго обмеженим спектром цей вираз є тотожністю. Однак
спектри реальних сигналів прямують до нуля тільки асимптотично.
Застосування рівномірної дискретизації до таких сигналів викликає
ввиникнення в системах обробки інформації специфічних високочастотних
спотворень, які зумовлені вибіркою. Для зменшення цих спотворень
необхідно або збільшувати частоту дискретизації, або використовувати
перед АЦП додатковий фільтр нижніх частот, який обмежуватиме спектр
вхідного сигналу перед його аналого-цифровим перетворенням.
У загальному випадку вибір частоти дискретизації буде залежати також від
виду функції fj(t), що використовується в (1) та допустимого рівня
похибок, які виникають при відновленні початкового сигналу за його
відліками. Усе це необхідно враховувати при виборі частоти
дискретизації, яка визначає необхідну швидкодію АЦП. Часто цей параметр
задають розробнику АЦП.
Розглянемо досконаліше місце АЦП при виконанні операції дискретизації.
Для достатньо вузькополосних сигналів операцію дискретизації можна
виконувати за допомогою самих АЦП і суміщувати таким чином з операцією
квантування. Основною закономірністю такої дискретизації є те, що за
рахунок кінцевого часу одного перетворення та невизначенності моменту
його закінчення, який, у загальному випадку, залежить від параметрів
вхідного сигналу, не вдається отримати однозначної відповідності між
значеннями відліків та моментами часу, до яких їх потрібно віднести. В
результаті при роботі з сигналами, які змінюються в часі виникають
специфічні похибки, динамічні за своєю природою, для оцінки яких вводять
поняття апертурної невизначенності, яка переважно характеризється
апертурним часом.
oe?
?аних моментах вимірювання, або як похибка моменту часу, в який
проводиться вимірювання при заданому миттєвому значенні сигналу. При
рівномірній дискретизації наслідком апертурної невизначенності є
виникнення амплітудних похибок, які називаються апертурними та чисельно
рівні приростові сигналу на протязі апертурного часу.
Якщо використовувати іншу інтерпретацію ефекту апертурної
невизначенності, то її наявність викликає “тремтіння” істинних моментів
часу, в які беруться відліки сигналу, по відношенню до моментів, які
рівновіддалені на осі часу. В результаті замість рівномірної
дискретизації зі строго постійним періодом проводиться дискретизація с
флюктуюючим періодом повторення. Це викликає порушення умов теореми
відліків та появи уже розглянутих апертурних похибок в системах цифрової
обробки інформації.
Таке значення апертурної похибки можна визначити, розклавши вираз для
вхідного сигналу в ряд Тейлора в околі точок відліку, який для j-ї точки
має вид:
та в першому наближенні дає апертурну похибку:
, (4)
де ta – апертурний час, який для розглянутого випадку в першому
наближенні є часом перетворення АЦП.
Зазвичай для оцінки апертурних похибок використовують синусоїдальний
випробувальний сигнал U(t)=Umsin?t, для якого максимальне відносне
значення апертурної похибки становить:
?Ua/Um=?ta.
Рис.1 Утворення апертурної похибки для випадку,
коли вона дорівнює крокові квантування
Якщо прийняти, що для N-розрядного АЦП з роздільною здатністю 2-N
апертурна похибка не повинна перевищувати кроку квантування (рис. 1), то
залежність між частотою сигналу ?, апертурним часом ta та відносною
апертурною похибкою буде наступною:
1/2N=?ta
Для забезпечення дискретизації синусоїдального сигналу частота якого 100
кГц з похибкою 1% час перетворення АЦП повинен бути рівним 25 нс. У той
же час за допомогою такого швидкодіючого АЦП принципово можна
дискретизувати сигнали, які мають ширину спектру біля 20 МГц. Таким
чином, дискретизація за допомогою самого АЦП викликає суттєве
розходження вимог між швидкодією АЦП та періодом дискретизації. Це
розхожження досягає 2…3 порядків та сильно ускладнює і подорожчує
процес дискретизації, оскільки навіть для порівняно вузькополосних
сигналів вимагає досить швидкодіючих АЦП. Для достатньо широкого класу
сигналів, які швидко змінюються, цю проблему рішають за допомогою
пристроїв вибірки-зберігання , що мають малий апертурний час.
Рис.2 Класифікація АЦП
Зараз відома велика кількість методів перетворення напруга-код. Ці
методи сттєво відрізняються один від одного потенційною точністю,
швидкістю перетворення та складністю апаратної реалізації. На рис. 2
наведена класифікація АЦП за методами перетворення.
В основу класифікації АЦП покладено ознаку, яка вказує на те, як в часі
розгортається процес перетворення аналогової величини в цифрову. В
основі перетворення вибіркових значень сигналу в цифрові еквіваленти
лежать операції квантування та кодування. Вони можуть проводитись за
допомогою або послідовної, або паралельної, або послідовно-паралельної
процедур наближення цифрового еквівалента до перетворюваної величини.
Використана література:
Основы промышленной электроники/ Под ред. В.Г. Герасимова. -М.: Высшая
школа, 1978.
Изъюрова Г.И., Кауфман М.С. Приборы и устройства промышленной
электроники. -М.: Высшая школа, 1975.
Миклашевский С.П. Промышленная электроника. -М.: Высшая школа, 1973.
Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника. – М.: Высшая
школа, 1988.
Основы промышленной электроники/Под ред. В.Г. Герасимова. – М.: высшая
школа, 1982.
Гершунский В.С. Основы электроники. – К.: Вища школа, головн. из-во,
1982.
Жеребцов И.П. Основы электроники. – Л.:Энергоатомиздат, 1985.
Нагорский В.Д. Электроника и электрооборудование. – М.: Высшая школа,
1986.
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
