Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
shpory_kt.docx
Скачиваний:
203
Добавлен:
09.02.2015
Размер:
667.14 Кб
Скачать

8. Дискретизация и квантование измеряемых сигналов.

Аналоговый сигнал является непрерывной функцией времени, в АЦП он преобразуется в последовательность цифровых значений. Следовательно, необходимо определить частоту выборки цифровых значений из аналогового сигнала. Частота, с которой производятся цифровые значения – частота дискретизации.

Непрерывно меняющийся сигнал подвергается оцифровке (значения сигнала измеряются через интервал времени ∆Т – период дискретизации). Точность восстановления ограничена ошибкой квантования, однако в соответствии с теоремой Котельникова точное восстановление возможно только если частота дискретизации выше, чем удвоенная максимальная частота в спектре сигнала.

Таким образом, понятие оцифровка сигнала включает в себя понятия дискретизации и квантования.

Дискретизация- измерения, проведенные в определенные промежутки времени (рис.12).

f дискретизации>>>fm (первой гармоники входного сигнала)

f дискретизации ≥ 2fm (по Котельникову)

∆Т (время между отсчетами) выбирается: а) в зависимости от цели; б) в зависимости от желаемого качества сигнала на выходе.

Например, частота дискретизации 44 кГц (музыкальный диск) – соответствуют стандартному качеству звука.

Дискретизация предполагает выбор отсчетов, следовательно будем использовать логический элемент «И», реализующий операцию умножения:

Генератор импульсов (тактовых сигналов, «клоков») воспроизводит сигнал приближающийся к виду дельта-функции:

Главный недостаток таких импульсов- их нестабильность.

Для того чтобы увеличить объем информации о реальном сигнале полученном после оцифровки, необходимо уменьшить шаг дискретизации.

Квантование по уровню фактически означает присвоить отсчету цифровой эквивалент или выразить результат в цифрах.

Шаг квантования может представлять собой мм, см, м и т.д., при этом ошибка может изменяться в пределах от -0,5 кванта до +0,5 кванта.

На рис (а): 1- идеальная функция преобразования (переходная характеристика идеальных АЦП и ЦАП), 2- реальная функция после квантования (имеет ступенчатый характер),

∆Q – погрешность (шаг квантования). Ошибка квантования (Шум квантования), является следствием ограниченного разрешения АЦП, составляет {+ ∆Q/2;-∆Q/2}. Из вышесказанного следует, что закон распределения- равномерный (рис. (б)). В зависимости от типа аналого-цифрового преобразования шум квантования может возникать из-за округления (до определённого разряда) сигнала или усечения (отбрасывания младших разрядов) сигнала

9. Типы и структуры ацп.

Это устройство преобразует входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Как правило, АЦП — электронное устройство, преобразующее напряжение в двоичный цифровой код. Разрешение АЦП характеризует количество дискретных значений, которые преобразователь может выдать на выходе. Например, АЦП, способный выдать 256 дискретных значений (0..255), имеет разрядность 8 бит (2^8=256).

Выделяют 4 основных типа АЦП:

-АЦП параллельного преобразования (флеш)

-АЦП последовательного преобразования

-Сигма-дельта АЦП

-АЦП двойного интегрирования

АЦП параллельного преобразования

Данный тип АЦП содержит по одному компаратору на каждый дискретный уровень входного сигнала. В любой момент времени только компараторы, соответствующие уровням ниже уровня входного сигнала, выдадут на своем выходе сигнал превышения. Сигналы со всех компараторов поступают на логическую схему, которая выдает цифровой код, зависящий от того, сколько компараторов показали превышение. Эти АЦП очень быстры, но обычно имеют разрешение не более 8 бит (256 компараторов), так как имеют большую и дорогую схему. АЦП этого типа имеют очень большой размер кристалла микросхемы, высокую входную ёмкость, и могут выдавать кратковременные ошибки на выходе. Часто используются для видео или других высокочастотных сигналов.

Компаратор и его характеристика представлены на рис. 15.

Рис.15

Uпорог.i в компараторах разное.

Схема АЦП параллельного преобразования:

.

Из схемы (рис.16): 111 на выходах ОУ дают Uоп=7 В.

∆Q=Uоп/2^n=7/8=0,875

Разрешение АЦП : 2^n * 0,875.

Достоинства данного АЦП:

-каждый компаратор имеет свой порог (Uпорог.);

-высокое быстродействие.

Недостатки:

-необходимо много компараторов;

-высокая стоимость АЦП.

АЦП последовательного счета

Этот преобразователь является типичным примером последовательных АЦП с единичными приближениями и состоит из компаратора, счетчика и ЦАП (рис. 8). На один вход компаратора поступает входной сигнал, а на другой - сигнал обратной связи с ЦАП.

 

    Работа преобразователя начинается с прихода импульса запуска, который включает счетчик, суммирующий число импульсов, поступающих от генератора тактовых импульсов ГТИ. Выходной код счетчика подается на ЦАП, осуществляющий его преобразование в напряжение обратной связи Uос. Процесс преобразования продолжается до тех пор, пока напряжение обратной связи не сравняется со входным напряжением и переключится компаратор, который своим выходным сигналом прекратит поступление тактовых импульсов на счетчик. Переход выхода компаратора из 1 в 0 означает завершение процесса преобразования. Выходной код, пропорциональный входному напряжению в момент окончания преобразования, считывается с выхода счетчика. Время преобразования АЦП этого типа является переменным и определяется входным напряжением. Его максимальное значение соответствует максимальному входному напряжению и при разрядности двоичного счетчика N и частоте тактовых импульсов fтакт равно

tпр.макс=(2N-1)/ fтакт.                 (5)

    Например, при N=10 и fтакт=1 МГц  tпр.макс=1024 мкс, что обеспечивает максимальную частоту выборок порядка 1 кГц. Статическая погрешность преобразования определяется суммарной статической погрешностью используемых ЦАП и компаратора. Частоту счетных импульсов необходимо выбирать с учетом завершения переходных процессов в них. При работе без устройства выборки-хранения апертурное время совпадает с временем преобразования. Как следствие, результат преобразования черезвычайно сильно зависит от пульсаций входного напряжения. При наличии высокочастотных пульсаций среднее значение выходного кода нелинейно зависит от среднего значения входного напряжения. Это означает, что АЦП данного типа без устройства выборки-хранения пригодны для работы с постоянными или медленно изменяющимися напряжениями, которые за время преобразования изменяются не более, чем на значение кванта преобразования. Таким образом, особенностью АЦП последовательного счета является небольшая частота дискретизации, достигающая нескольких килогерц. Достоинством АЦП данного класса является сравнительная простота построения, определяемая последовательным характером выполнения процесса преобразования.

АЦП двойного интегрирования

АЦП двойного интегрирования использует интегратор, за которым следует компаратор и счетная логика. Сначала вход интегратора подключается к входному сигналу, и емкость интегратора заряжается до уровня входного напряжения в той же полярности. После определенного числа тактов, вход интегратора переключается к источнику опорного напряжения, и емкость интегратора разряжается до величины этого напряжения. В тот момент, когда ключ замыкается на VREF1 (VREF - Voltage Reference - Эталонное напряжение для АЦП или напряжение сравнения для компаратора), счетчик отсчитывает столько же тактов, сколько занимало время первоначального интегрирования. Когда напряжение на выходе интегратора падает ниже величины второго опорного напряжения, выход компаратора переходит в состояние высокого логического уровня, счетчик останавливается, а значение счетчика соответствует величине входного напряжения.

Более высокое входное напряжение позволяет емкости интегратора зарядиться до большей величины в течение времени первоначального интегрирования, что приводит к большему времени разряда до VREF2, и к большему выходному значению счетчика. Меньшее значение напряжения на входе приводит к меньшему потенциалу на емкости интегратора, и, соответственно, к меньшему выходному числу. Более простой интегрирующий АЦП с одинарным интегрированием, инициирует счетчик во время зарядки емкости, и останавливает счет, когда достигнуто опорное напряжение (вместо заряда за определенное время). Однако на преобразователь с одинарным интегрированием влияют погрешности тактовой частоты.

Схема с двойным интегрированием устраняет проблемы точности синхронизации, так как один и тот же генератор тактовых импульсов применяется для задания времени зарядки емкости и для приращения (инкремента) содержимого счетчика.

Надо отметить, что кратковременное изменение — дрожание (в научной литературе называется джиттер) длительности тактовых импульсов и дрейф в течение одного преобразования будут влиять на точность результата. Преобразователь с двойным интегрированием тратит относительно длительное время на выполнение преобразования, зато присущая интегратору фильтрация устраняет шум.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]