Аналого-цифровой преобразователь

«A2D» перенаправляется сюда. О штурмовиках ВМС США см. Douglas A2D Skyshark .

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

AD570 8-битный аналого-цифровой преобразователь последовательного приближения

Кремниевый кристалл AD570/AD571

ИНТЕРСИЛ ICL7107. 3,5-разрядный (т.е. преобразование из аналогового в числовой диапазон от 0 до 1999 по сравнению с трехзначным диапазоном от 0 до 999, обычно используемым в счетчиках, счетчиках и т. д.) однокристальный аналого-цифровой преобразователь

Кремниевый кристалл ICL7107

В электронике АЦП аналого-цифровой преобразователь ( АЦП , или свет , или АЦП ) — это система, которая преобразует аналоговый сигнал , например звук, улавливаемый микрофоном , попадающий в цифровую камеру , в сигнал цифровой . АЦП может также обеспечивать изолированное измерение, например, электронное устройство , которое преобразует аналоговое входное напряжение или ток в цифровое число, представляющее величину напряжения или тока. Обычно цифровой выход представляет собой двоичное число с дополнением до двух , пропорциональное входу, но есть и другие возможности.

Существует несколько архитектур АЦП . Из-за сложности и необходимости точно подобранных компонентов все АЦП, кроме наиболее специализированных, реализуются в виде интегральных схем (ИС). Обычно они имеют форму металл-оксид-полупроводник (МОП) интегральных схем смешанных сигналов , которые объединяют как аналоговые , так и цифровые схемы .

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

Объяснение

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

Производительность АЦП в первую очередь характеризуется его полосой пропускания и отношением сигнал/шум (SNR). Полоса пропускания АЦП характеризуется прежде всего его частотой дискретизации . На отношение сигнал/шум АЦП влияют многие факторы, включая разрешение , линейность и точность (насколько хорошо уровни квантования соответствуют истинному аналоговому сигналу), наложение спектров и джиттер . SNR АЦП часто суммируется через его эффективное число бит (ENOB), количество бит каждого возвращаемого показателя, которые в среднем не являются шумом . Идеальный АЦП имеет ENOB, равный его разрешению. АЦП выбираются с учетом ширины полосы пропускания и требуемого отношения сигнал/шум оцифровываемого сигнала. Если АЦП работает с частотой дискретизации, более чем в два раза превышающей полосу пропускания сигнала, то согласно теореме о выборке Найквиста-Шеннона возможна почти идеальная реконструкция. Наличие ошибки квантования ограничивает ОСШ даже идеального АЦП. Однако если отношение сигнал/шум АЦП превышает отношение сигнал/шум входного сигнала, то эффектами ошибки квантования можно пренебречь, что приводит к практически идеальному цифровому представлению сигнала. с ограниченной полосой пропускания аналоговый входной сигнал .

Разрешение

Рис. 1. Схема кодирования 8-уровневого АЦП

Разрешение преобразователя указывает количество различных, то есть дискретных, значений, которые он может выдать в разрешенном диапазоне аналоговых входных значений. Таким образом, конкретное разрешение определяет величину ошибки квантования и, следовательно, определяет максимально возможное соотношение сигнал/шум для идеального АЦП без использования передискретизации . Входные выборки обычно хранятся в АЦП в электронном виде в двоичной форме, поэтому разрешение обычно выражается как битовая глубина звука . Как следствие, количество доступных дискретных значений обычно равно степени двойки. Например, АЦП с разрешением 8 бит может кодировать аналоговый вход на одном 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 гарантированного изменения уровня выходного кода, называется напряжением младшего бита (LSB). Разрешение Q АЦП равно напряжению младшего разряда. Разрешение АЦП по напряжению равно его общему диапазону измерения напряжения, разделенному на количество интервалов:

$R={\dfrac {E_{\mathrm {FSR} }}{2^{M}-1}},$

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

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

где V _RefHi и V _RefLow — соответственно верхний и нижний крайние значения напряжения, которые могут быть закодированы.

Обычно количество интервалов напряжения определяется выражением

$N=2^{M}-1,\,$

где M — разрешение АЦП в битах.

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

Пример:

• Схема кодирования как на рисунке 1.
• Полномасштабный диапазон измерения = от 0 до 1 В.
• Разрешение АЦП 3 бита: 2 ³ = 8 уровней квантования (кодов)
• Разрешение АЦП по напряжению, Q = 1 В / ( 2 ³ - 1 ) = 0,143 В (интервалы)

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

Сравнение квантования синусоиды с 64 уровнями (6 бит) и 256 уровнями (8 бит). Аддитивный шум, создаваемый 6-битным квантованием, на 12 дБ больше, чем шум, создаваемый 8-битным квантованием. Когда спектральное распределение плоское, как в этом примере, разница в 12 дБ проявляется как измеримая разница в минимальном уровне шума.

Ошибка квантования

Аналого-цифровое преобразование, как показано на рис. 1 и рис. 2.

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 младшего разряда и + 1 ⁄ 2 младшего разряда, и сигнал имеет равномерное распределение, охватывающее все уровни квантования, отношение сигнал/шум квантования (SQNR) определяется выражением

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

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 часть ошибок квантования произойдет вне полосы , что эффективно улучшит SQNR для используемой полосы пропускания. В системе с передискретизацией формирование шума можно использовать для дальнейшего увеличения SQNR за счет увеличения ошибок квантования за пределами полосы.

Дизеринг

Основная статья: дизеринг

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

Квантование аудиосигнала очень низкого уровня по отношению к разрядности АЦП коррелирует с сигналом и звучит искаженно и неприятно. При дизеринге искажения преобразуются в шум. Неискаженный сигнал можно точно восстановить путем усреднения по времени. Дизеринг также используется в интегрирующих системах, таких как счетчики электроэнергии . Поскольку значения складываются вместе, сглаживание 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 гораздо более реалистичным, чем квантованное изображение, которое в противном случае становится полосатым . Этот аналогичный процесс может помочь визуализировать эффект дизеринга на аналоговом аудиосигнале, который преобразуется в цифровой.

Точность

АЦП имеет несколько источников ошибок. Ошибка квантования и (при условии, что АЦП задуман как линейный) нелинейность присущи любому аналого-цифровому преобразованию. Эти ошибки измеряются в единице, называемой младшим битом (LSB). В приведенном выше примере восьмибитного АЦП ошибка одного младшего бита равна 1/256 полного . диапазона сигнала, или около 0,4%

Нелинейность

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 заведомо нелинейного АЦП) их входного сигнала. Эти ошибки иногда можно устранить путем калибровки или предотвратить путем тестирования. Важными параметрами линейности являются интегральная нелинейность и дифференциальная нелинейность . Эти нелинейности вносят искажения, которые могут снизить соотношение сигнал/шум АЦП и, таким образом, снизить его эффективное разрешение.

Джиттер

При оцифровке синусоидального сигнала $x(t)=A\sin {(2\pi f_{0}t)}$, использование неидеального тактового генератора выборки приведет к некоторой неопределенности в том, когда будут записываться выборки. При условии, что фактическая неопределенность времени выборки из-за джиттера тактовой частоты равна $\Delta t$, ошибку, вызванную этим явлением, можно оценить как $E_{ap}\leq |x'(t)\Delta t|\leq 2A\pi f_{0}\Delta t$. Это приведет к дополнительному записанному шуму, который уменьшит эффективное количество бит (ENOB) ниже того, которое прогнозируется только на основе ошибки 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: $\Delta t<{\frac {1}{2^{q}\pi f_{0}}}$, где q — количество бит АЦП.

Выходной размер (биты)	Частота сигнала
	1 Гц	1 кГц	10 кГц	1 МГц	10 МГц	100 МГц	1 ГГц
8	1243 мкс	1,24 мкс	124 нс	1,24 нс	124 пс	12,4 пс	1,24 пс
10	311 мкс	311 нс	31,1 нс	311 пс	31,1 пс	3,11 пс.	0,31 пс
12	77,7 мкс	77,7 нс	7,77 нс	77,7 пс	7,77 пс	0,78 пс	0,08 пс (77,7 фс)
14	19,4 мкс	19,4 нс	1,94 нс	19,4 пс	1,94 пс	0,19 пс	0,02 пс (19,4 фс)
16	4,86 мкс	4,86 нс	486 пс.	4,86 пс	0,49 пс	0,05 пс (48,5 фс)	–
18	1,21 мкс	1,21 нс	121 пс	1,21 пс	0,12 пс	–	–
20	304 нс	304 пс.	30,4 пс	0,30 пс (303,56 фс)	0,03 пс (30,3 фс)	–	–
24	18,9 нс	18,9 пс	1,89 пс	0,019 пс (18,9 фс)	-	–	–

Дрожание тактового сигнала вызвано фазовым шумом . Разрешение АЦП с полосой дискретизации от 1 МГц до 1 ГГц ограничено джиттером. При преобразованиях с более низкой полосой пропускания, например при дискретизации аудиосигналов с частотой 44,1 кГц, дрожание тактовой частоты оказывает менее существенное влияние на производительность.

Частота дискретизации

Основная статья: Частота дискретизации

Аналоговый сигнал непрерывен во времени , и его необходимо преобразовать в поток цифровых значений. Поэтому необходимо определить скорость, с которой новые цифровые значения выбираются из аналогового сигнала. Скорость новых значений называется частотой дискретизации или частотой дискретизации преобразователя. Постоянно меняющийся сигнал с ограниченной полосой пропускания может быть дискретизирован , а затем исходный сигнал может быть воспроизведен из значений дискретного времени с помощью восстанавливающего фильтра . Теорема дискретизации Найквиста-Шеннона подразумевает, что точное воспроизведение исходного сигнала возможно только в том случае, если частота дискретизации более чем в два раза превышает максимальную частоту сигнала.

Поскольку практический АЦП не может выполнить мгновенное преобразование, входное значение обязательно должно оставаться постоянным в течение времени, пока преобразователь выполняет преобразование (так называемое время преобразования ). Эту задачу выполняет входная схема, называемая выборкой и хранением , — в большинстве случаев с использованием конденсатора для хранения аналогового напряжения на входе и использования электронного переключателя или затвора для отключения конденсатора от входа. Многие интегральные схемы АЦП включают в себя внутреннюю подсистему выборки и хранения.

Псевдонимы

Основная статья: Псевдонимы

АЦП работает путем выборки входного значения через дискретные промежутки времени. При условии, что входной сигнал дискретизируется выше частоты Найквиста , определяемой как удвоенная самая высокая интересующая частота, тогда все частоты в сигнале могут быть восстановлены. Если выбираются частоты, превышающие половину частоты Найквиста, они ошибочно определяются как более низкие частоты. Этот процесс называется наложением частот. Алиасинг возникает потому, что мгновенная выборка функции два или меньше раз за цикл приводит к пропущенным циклам и, следовательно, к появлению неправильно более низкой частоты. Например, синусоидальный сигнал частотой 2 кГц, дискретизированный с частотой 1,5 кГц, будет восстановлен как синусоидальный сигнал частотой 500 Гц.

Чтобы избежать наложения спектров, входной сигнал АЦП должен быть подвергнут фильтру нижних частот , чтобы удалить частоты, превышающие половину 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, можно использовать передискретизацию, чтобы значительно уменьшить или даже устранить ее.

Хотя наложение псевдонимов в большинстве систем нежелательно, его можно использовать для одновременного сведения высокочастотного сигнала с ограниченной полосой пропускания (см. недодискретизацию и частотный смеситель ). Псевдоним фактически представляет собой нижний гетеродин частоты сигнала и частоты дискретизации.

Передискретизация

Основная статья: Передискретизация

В целях экономии сигналы часто дискретизируются с минимально необходимой скоростью, в результате чего вносимая ошибка квантования представляет собой белый шум, распространяющийся по всей полосе пропускания преобразователя. Если сигнал дискретизируется с частотой, намного превышающей частоту Найквиста , а затем подвергается цифровой фильтрации для ограничения полосы пропускания сигнала, это дает следующие преимущества:

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

Передискретизация обычно используется в АЦП звуковой частоты, где требуемая частота дискретизации (обычно 44,1 или 48 кГц) очень низка по сравнению с тактовой частотой типичных транзисторных схем (> 1 МГц). В этом случае производительность АЦП можно значительно повысить практически без затрат. Более того, поскольку любые наложенные сигналы обычно выходят за пределы полосы, наложение часто можно устранить с помощью очень дешевых фильтров.

скорость

Скорость АЦП зависит от типа. АЦП Уилкинсона ограничен тактовой частотой, которую обрабатывают современные цифровые схемы. Для АЦП последовательного приближения время преобразования зависит от логарифма разрешения, то есть количества бит. Флэш-АЦП, безусловно, являются самым быстрым типом из трех; Преобразование в основном выполняется за один параллельный шаг.

Существует потенциальный компромисс между скоростью и точностью. Флэш-АЦП имеют дрейфы и неопределенности, 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 процессах вычитания. АЦП Wilkinson обладают лучшей линейностью из трех.

Принцип скользящей шкалы

Скользящая шкала или метод рандомизации могут использоваться для значительного улучшения линейности АЦП любого типа, особенно флэш-типов и устройств последовательного приближения. Для любого АЦП преобразование входного напряжения в цифровое выходное значение не является функцией минимального или максимального значения , как должно быть. В нормальных условиях импульс определенной амплитуды всегда преобразуется в одно и то же цифровое значение. Проблема заключается в том, что диапазоны аналоговых значений для оцифрованных значений не все имеют одинаковую ширину, и дифференциальная линейность уменьшается пропорционально отклонению от средней ширины. Принцип скользящей шкалы использует эффект усреднения для преодоления этого явления. К дискретизированному входному напряжению добавляется случайное, но известное аналоговое напряжение. Затем он преобразуется в цифровую форму, и эквивалентная цифровая сумма вычитается, восстанавливая таким образом ее исходное значение. Преимущество состоит в том, что преобразование происходит в случайной точке. Статистическое распределение окончательных уровней определяется средневзвешенным значением по региону диапазона АЦП. Это, в свою очередь, снижает его чувствительность к ширине любого конкретного уровня.

Типы

Это несколько распространенных способов реализации электронного АЦП.

Время зарядки RC

Цепи резистор-конденсатор (RC) имеют известную кривую зарядки и разрядки напряжения, которую можно использовать для определения неизвестного аналогового значения.

Уилкинсон

АЦП Уилкинсона был разработан Денисом Уилкинсоном в 1950 году. АЦП Уилкинсона основан на сравнении входного напряжения с напряжением, создаваемым зарядным конденсатором. Конденсатору разрешается заряжаться до тех пор, пока компаратор не определит, что он соответствует входному напряжению. Затем конденсатор разряжается линейно с помощью источника постоянного тока . Время, необходимое для разрядки конденсатора, пропорционально амплитуде входного напряжения. Пока конденсатор разряжается, импульсы от тактового генератора высокой частоты подсчитываются регистром. Количество тактовых импульсов, записываемых в регистр, также пропорционально входному напряжению.

аналогового сопротивления

Если измеряемая аналоговая величина представлена ​​сопротивлением или емкостью, то путем включения этого элемента в RC-цепь (с фиксированными другими сопротивлениями или емкостями) и измерения времени зарядки емкости от известного начального напряжения до другого известного конечного напряжения через сопротивление от источника известного напряжения, значение неизвестного сопротивления или емкости можно определить с помощью уравнения заряда конденсатора:

$$V_{\text{capacitor}}(t)=V_{\text{supply}}\left(1-e^{-{\frac {t}{RC}}}\right)$$

и определение неизвестного сопротивления или емкости с использованием этих начальных и конечных точек данных. Это похоже на АЦП Уилкинсона, который измеряет неизвестное напряжение с известным сопротивлением и емкостью, но отличается от него, вместо этого измеряя неизвестное сопротивление или емкость с известным напряжением.

Например, ширина положительного (и/или отрицательного) импульса микросхемы таймера 555 в моностабильном или нестабильном режиме представляет собой время, необходимое для зарядки (и/или разрядки) ее конденсатора от 1 ⁄ 3   В _{Питание} на 2/3 ​ ​   В. _{Питание} ​Послав этот импульс в микроконтроллер с точными часами, можно измерить длительность импульса и преобразовать его с помощью уравнения заряда конденсатора, чтобы получить значение неизвестного сопротивления или емкости.

Для измерения сопротивлений и емкостей большего размера потребуется больше времени, чем для измерения меньших. А точность ограничена точностью часов микроконтроллера и количеством времени, доступным для измерения значения, которое потенциально может даже измениться во время измерения или подвергнуться влиянию внешних паразитов .

Прямое преобразование

Основная статья: Флэш-АЦП

АЦП прямого преобразования или флэш-АЦП имеет группу компараторов, которые параллельно дискретизируют входной сигнал, каждый из которых срабатывает для определенного диапазона напряжения. Банк компаратора питает цифрового энкодера логическую схему , которая генерирует двоичное число на выходных линиях для каждого диапазона напряжения.

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 запоминающих устройствах .

Схема состоит из резистивного делителя, набора компараторов на операционных усилителях и приоритетного энкодера. В компаратор встроен небольшой гистерезис для решения любых проблем на границах напряжения. В каждом узле резистивного делителя имеется напряжение сравнения. Целью схемы является сравнение аналогового входного напряжения с каждым из узловых напряжений.

Преимущество схемы заключается в высокой скорости, поскольку преобразование происходит одновременно, а не последовательно. Типичное время преобразования составляет 100 нс или меньше. Время преобразования ограничено только скоростью компаратора и приоритетного кодера. Этот тип АЦП имеет тот недостаток, что количество компараторов, необходимых для каждого добавляемого бита, почти удваивается. Кроме того, чем больше значение n, тем сложнее приоритетный кодер.

Последовательное приближение

АЦП последовательного приближения использует компаратор и двоичный поиск для последовательного сужения диапазона, содержащего входное напряжение. На каждом последующем этапе преобразователь сравнивает входное напряжение с выходным напряжением внутреннего цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), который первоначально представляет собой среднюю точку допустимого диапазона входного напряжения. На каждом этапе этого процесса приближение сохраняется в регистре последовательного приближения (SAR), а выходной сигнал цифро-аналогового преобразователя обновляется для сравнения в более узком диапазоне.

Рампа-сравнение

АЦП сравнения линейного изменения создает пилообразный сигнал , который линейно увеличивается или уменьшается, а затем быстро возвращается к нулю. Когда начинается подъем, таймер начинает отсчет. Когда линейное напряжение соответствует входному, срабатывает компаратор и записывается значение таймера. Преобразователи линейного изменения по времени могут быть реализованы экономично, однако время линейного изменения может быть чувствительным к температуре, поскольку схема, генерирующая линейное изменение, часто представляет собой простой аналоговый интегратор . Более точный преобразователь использует тактовый счетчик, управляющий ЦАП. Особым преимуществом системы линейного сравнения является то, что для преобразования второго сигнала просто требуется еще один компаратор и еще один регистр для хранения значения таймера. Чтобы снизить чувствительность к изменениям входного сигнала во время преобразования, выборка и удержание могут заряжать конденсатор мгновенным входным напряжением, а преобразователь может рассчитывать время, необходимое для разрядки постоянным током .

Интеграция

( Интегрирующий АЦП также двух- или многоступенчатый АЦП) подает неизвестное входное напряжение на вход интегратора и позволяет напряжению увеличиваться в течение фиксированного периода времени (периода разгона). Затем к интегратору подается известное опорное напряжение противоположной полярности, и оно может увеличиваться до тех пор, пока выходной сигнал интегратора не вернется к нулю (период выбега). Входное напряжение рассчитывается как функция опорного напряжения, постоянного периода времени разгона и измеренного периода времени спада. Измерение времени выбега обычно производится в тактовых импульсах преобразователя, поэтому более длительное время интегрирования позволяет получить более высокое разрешение. Аналогично, скорость конвертера можно улучшить, пожертвовав разрешением. Преобразователи этого типа (или вариации этой концепции) 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 . Эта частота затем измеряется счетчиком и преобразуется в выходной код, пропорциональный аналоговому входу. Основным преимуществом этих преобразователей является то, что можно передавать частоту даже в шумной обстановке или в изолированном виде. Однако ограничением этой схемы является то, что выходной сигнал преобразователя напряжение-частота зависит от RC-продукта, значение которого невозможно точно поддерживать в зависимости от температуры и времени.

Двухтактный АЦП

Аналоговая часть схемы состоит из буфера с высоким входным сопротивлением, прецизионного интегратора и компаратора напряжения. Преобразователь сначала интегрирует аналоговый входной сигнал в течение фиксированной продолжительности, а затем интегрирует внутреннее опорное напряжение противоположной полярности, пока выходной сигнал интегратора не станет равным нулю. Основным недостатком этой схемы является длительное время работы. Они особенно подходят для точного измерения медленно меняющихся сигналов, таких как термопары и весы .

Дельта-кодирование

АЦП с дельта-кодированием или противорампингом имеет реверсивный счетчик , который подает сигнал на ЦАП. Входной сигнал и ЦАП поступают на компаратор. Компаратор управляет счетчиком. Схема использует отрицательную обратную связь от компаратора для настройки счетчика до тех пор, пока выходной сигнал ЦАП не будет соответствовать входному сигналу и число не будет считано со счетчика. Дельта-конвертеры имеют очень широкий диапазон и высокое разрешение, но время преобразования зависит от поведения входного сигнала, хотя всегда гарантированно будет худший случай. Дельта-конвертеры часто являются очень хорошим выбором для чтения реальных сигналов, поскольку большинство сигналов физических систем не изменяются резко. Некоторые преобразователи сочетают в себе подходы дельта и последовательного приближения; это особенно хорошо работает, когда известно, что высокочастотные компоненты входного сигнала малы по величине.

Конвейерный

( Конвейерный АЦП также называемый квантователем поддиапазона ) использует два или более этапа преобразования. Сначала выполняется грубое преобразование. На втором этапе разница входного сигнала определяется с помощью ЦАП. Затем эта разница преобразуется более точно, 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 значимости бита. Сочетая преимущества последовательного приближения и флэш-АЦП, этот тип является быстрым, имеет высокое разрешение и может быть эффективно реализован.

Дельта-сигма

Основная статья: Дельта-сигма модуляция

Дельта -сигма АЦП (также известный как сигма-дельта АЦП ) основан на контуре отрицательной обратной связи с аналоговым фильтром и низким разрешением (часто 1 бит), но с высокой частотой дискретизации АЦП и ЦАП. Контур обратной связи постоянно корректирует накопленные ошибки квантования и осуществляет формирование шума : шум квантования снижается на интересующих низких частотах, но увеличивается на более высоких частотах. Эти более высокие частоты затем могут быть удалены с помощью с понижением частоты дискретизации цифрового фильтра , который также преобразует поток данных из этой высокой частоты дискретизации с низкой разрядностью в более низкую частоту с более высокой разрядностью.

С чередованием времени

АЦП с временным чередованием использует M параллельных АЦП, где каждый АЦП производит выборку данных в каждом M:-м цикле эффективной тактовой частоты выборки. В результате частота дискретизации увеличивается в M раз по сравнению с тем, с чем может справиться каждый отдельный АЦП. На практике индивидуальные различия между АЦП M ухудшают общую производительность, уменьшая динамический диапазон без паразитных помех (SFDR). Однако существуют методы исправления этих ошибок несоответствия временного перемежения.

Промежуточная стадия FM

АЦП с промежуточным ЧМ-каскадом сначала использует преобразователь напряжение-частота для создания колебательного сигнала с частотой, пропорциональной напряжению входного сигнала, а затем использует частотомер для преобразования этой частоты в цифровой отсчет, пропорциональный желаемое напряжение сигнала. Более длительное время интегрирования позволяет получить более высокое разрешение. Аналогично, скорость конвертера можно улучшить, пожертвовав разрешением. Две части АЦП могут быть широко разнесены, при этом частотный сигнал проходит через оптоизолятор или передается по беспроводной сети. Некоторые такие АЦП используют синусоидальную или прямоугольную частотную модуляцию ; другие используют частотно-импульсную модуляцию . Такие АЦП когда-то были самым популярным способом отображения на цифровом дисплее состояния удаленного аналогового датчика.

Растяжение времени

Аналого -цифровой преобразователь с растяжением по времени (TS-ADC) оцифровывает аналоговый сигнал с очень широкой полосой пропускания, который не может быть оцифрован обычным электронным АЦП, путем растяжения сигнала по времени перед оцифровкой. Обычно для растяжения сигнала по времени используется фотонный препроцессор , который эффективно замедляет сигнал во времени и сжимает его полосу пропускания. В результате электронный АЦП, который раньше слишком медленно улавливал исходный сигнал, теперь может улавливать этот замедленный сигнал. Для непрерывного захвата сигнала внешний интерфейс также делит сигнал на несколько сегментов в дополнение к растяжению по времени. Каждый сегмент индивидуально оцифровывается отдельным электронным АЦП. Наконец, процессор цифровых сигналов переупорядочивает выборки и удаляет любые искажения, добавленные препроцессором, чтобы получить двоичные данные, которые являются цифровым представлением исходного аналогового сигнала.

отличных от

Хотя термин АЦП обычно ассоциируется с измерением аналогового напряжения, некоторые частично электронные устройства, которые преобразуют некоторую измеримую физическую аналоговую величину в цифровое число, также могут считаться АЦП, например:

• Энкодеры вращения преобразуют аналоговую физическую величину, которая механически производит величину вращения , в поток цифрового кода Грея , который микроконтроллер может интерпретировать в цифровом виде для определения направления вращения, углового положения и скорости вращения.
• Емкостное измерение преобразует аналоговую физическую величину емкости . Эта емкость может быть показателем какой-либо другой физической величины, например, расстояния металлического объекта от металлической чувствительной пластины, количества воды в резервуаре или диэлектрической диэлектрического материала проницаемости .
  • Емкостно-цифровые преобразователи (CDC) определяют емкость, прикладывая известное возбуждение к пластине конденсатора и измеряя его заряд.
• Цифровые штангенциркули преобразуют аналоговую физическую величину в величину смещения между двумя скользящими линейками.
• Индуктивно-цифровые преобразователи измеряют изменение индуктивности проводящей мишени, движущейся в индуктора магнитном переменном поле .
• Преобразователи времени в цифру распознают события и обеспечивают цифровое представление аналогового времени , когда они произошли.
  • времени полета Например, измерения можно преобразовать из некоторой аналоговой величины, которая влияет на задержку распространения события.
• Датчики в целом, которые не производят напряжение напрямую, могут создавать напряжение косвенно или другими способами преобразовывать его в цифровое значение.
  • Резистивный выходной сигнал (например, потенциометра или резистора , чувствительного к силе ) можно преобразовать в напряжение, пропуская через него известный ток, или можно преобразовать в измерение времени зарядки RC для получения цифрового результата.

Коммерческий

Во многих случаях самой дорогой частью интегральной схемы являются выводы, поскольку они увеличивают размер корпуса, и каждый вывод должен быть подключен к кремнию интегральной схемы. Для экономии контактов АЦП обычно отправляют свои данные по одному биту через последовательный интерфейс на компьютер, причем каждый бит выходит при изменении состояния тактового сигнала . Это экономит немало контактов в корпусе АЦП и во многих случаях не усложняет общую конструкцию.

Коммерческие АЦП часто имеют несколько входов, которые подают сигнал на один и тот же преобразователь, обычно через аналоговый мультиплексор . Различные модели АЦП могут включать в себя схемы выборки и хранения , инструментальные усилители или дифференциальные входы, где измеряемая величина представляет собой разницу между двумя входами.

Приложения

Запись музыки

Аналого-цифровые преобразователи являются неотъемлемой частью современной технологии воспроизведения музыки и цифровой на звукозаписи рабочих станциях . Музыка может создаваться на компьютерах с использованием аналоговой записи, и поэтому необходимы аналого-цифровые преобразователи для создания потоков данных импульсно-кодовой модуляции (ИКМ), которые передаются на компакт-диски и цифровые музыкальные файлы. Современные аналого-цифровые преобразователи, используемые в музыке, могут производить дискретизацию с частотой до 192 килогерц . Многие студии звукозаписи записывают в формате 24-битной импульсно-кодовой модуляции (96 кГц) с частотой 96 кГц, а затем субдискретизируют и сглаживают сигнал для производства цифрового аудио на компакт-дисках (44,1 кГц) или до 48 кГц для приложений радио- и телевещания.

Цифровая обработка сигнала

АЦП необходимы в системах цифровой обработки сигналов , которые обрабатывают, хранят или передают практически любой аналоговый сигнал в цифровой форме. В картах ТВ-тюнеров , например, используются быстрые аналого-цифровые преобразователи видео. распространены медленные встроенные 8-, 10-, 12- или 16-битные аналого-цифровые преобразователи В микроконтроллерах . Цифровым запоминающим осциллографам необходимы очень быстрые аналого-цифровые преобразователи, которые также имеют решающее значение для программно-определяемой радиосвязи и их новых приложений.

Научные инструменты

Системы цифровой обработки изображений обычно используют аналого-цифровые преобразователи для оцифровки пикселей . Некоторые радиолокационные системы используют аналого-цифровые преобразователи для преобразования уровня сигнала в цифровые значения для последующей обработки сигнала . Многие другие системы натурного и дистанционного зондирования обычно используют аналогичную технологию.

Многие датчики в научных приборах выдают аналоговый сигнал; температура , давление , pH , интенсивность света и т. д. Все эти сигналы можно усилить и подать на АЦП для получения цифрового представления.

Дисплеи

Плоские дисплеи требуется АЦП по своей сути являются цифровыми, и для обработки аналогового сигнала, такого как композитный или VGA, .

Электрический символ

Тестирование

Для тестирования аналого-цифрового преобразователя требуется источник аналогового входного сигнала и аппаратное обеспечение для отправки управляющих сигналов и захвата выходных цифровых данных. Некоторым АЦП также требуется точный источник опорного сигнала.

Ключевые параметры для тестирования АЦП:

1. Ошибка смещения постоянного тока
2. Ошибка усиления постоянного тока
3. отношение сигнал/шум (SNR)
4. Суммарные гармонические искажения (THD)
5. Интегральная нелинейность (INL)
6. Дифференциальная нелинейность (ДНЛ)
7. Ложный свободный динамический диапазон
8. Рассеяние мощности

См. также

• Адаптивное прогнозирующее кодирование — тип АЦП, в котором значение сигнала прогнозируется линейной функцией.
• Аудиокодек
• Бета-кодер
• Интегральная линейность
• Модем

Ссылки

• Нолл, Гленн Ф. (1989). Обнаружение и измерение радиации (2-е изд.). Нью-Йорк: Джон Уайли и сыновья. ISBN  978-0471815044 .
• Николсон, PW (1974). Ядерная электроника . Нью-Йорк: Джон Уайли и сыновья. стр. 315–316. ISBN  978-0471636977 .

Дальнейшее чтение

• Аллен, Филипп Э.; Хольберг, Дуглас Р. (2002). Проектирование аналоговых КМОП-схем . ISBN  978-0-19-511644-1 .
• Фрейден, Джейкоб (2010). Справочник по современным датчикам: физика, конструкция и применение . Спрингер. ISBN  978-1441964656 .
• Кестер, Уолт, изд. (2005). Руководство по преобразованию данных . Эльзевир: Ньюнес. ISBN  978-0-7506-7841-4 .
• Джонс, Дэвид; Мартин, Кен (1997). Проектирование аналоговых интегральных схем . ISBN  978-0-471-14448-9 .
• Лю, Минлян (2006). Демистификация схем с переключаемыми конденсаторами . ISBN  978-0-7506-7907-7 .
• Норсуорси, Стивен Р.; Шрайер, Ричард; Темес, Габор К. (1997). Преобразователи данных дельта-сигма . IEEE Пресс. 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, Тертулиен (24 мая 2011 г.). Аналоговые интегральные схемы КМОП: высокоскоростная и энергоэффективная конструкция . Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. ISBN  978-1-4398-5491-4 .
• Сталлер, Лен (24 февраля 2005 г.). «Понимание технических характеристик аналого-цифрового преобразователя» . Проектирование встраиваемых систем .
• Уолден, Р.Х. (1999). «Обследование и анализ аналого-цифрового преобразователя». Журнал IEEE по избранным областям коммуникаций . 17 (4): 539–550. CiteSeerX   10.1.1.352.1881 . дои : 10.1109/49.761034 .

Внешние ссылки

• Введение в преобразователи дельта-сигма . Очень хороший обзор теории преобразователей дельта-сигма.
• Цифровой динамический анализ систем аналого-цифрового преобразования с помощью оценочного программного обеспечения на основе анализа БПФ/ДПФ RF Expo East, 1987 г.
• Какая архитектура АЦП подходит для вашего приложения? статья Уолта Кестера
• Глоссарий АЦП и ЦАП на Wayback Machine (архивировано 24 ноября 2009 г.) 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 чередованием
• Модель MATLAB Simulink простого линейного АЦП