Аналого-цифровой преобразователь - Analog-to-digital converter

4-канальный стерео мультиплексный аналого-цифровой преобразователь WM8775SEDS производства Wolfson Microelectronics размещен на X-Fi Fatal1ty Pro звуковая карта.

В электроника, аналого-цифровой преобразователь (АЦП, ОБЪЯВЛЕНИЕ, или же От А до Д) - система, преобразующая аналоговый сигнал, например звук, улавливаемый микрофон или свет, попадающий в цифровая камера, в цифровой сигнал. АЦП может также обеспечивать изолированное измерение, такое как гаджет который преобразует входной аналоговый Напряжение или же Текущий в цифровое число, представляющее величину напряжения или тока. Обычно цифровой выход представляет собой два дополнения двоичное число, которое пропорционально вводу, но есть и другие возможности.

Есть несколько АЦП архитектуры. Из-за сложности и необходимости точно подобранного составные части, все АЦП, кроме самых специализированных, реализованы как интегральные схемы (ИС). Обычно они имеют форму металл – оксид – полупроводник (MOS) интегральная схема со смешанными сигналами чипы, которые объединяют оба аналог и цифровые схемы.

А цифро-аналоговый преобразователь (DAC) выполняет обратную функцию; он преобразует цифровой сигнал в аналоговый сигнал.

Объяснение

АЦП преобразует непрерывное время и непрерывную амплитуду аналоговый сигнал к дискретное время и с дискретной амплитудой цифровой сигнал. Конверсия включает квантование входных данных, поэтому он обязательно вносит небольшую ошибку или шум. Кроме того, вместо того, чтобы постоянно выполнять преобразование, АЦП выполняет преобразование периодически, отбор проб вход, ограничивающий допустимую полосу пропускания входного сигнала.

Производительность АЦП в первую очередь характеризуется его пропускная способность и соотношение сигнал шум (SNR). Полоса пропускания АЦП в первую очередь характеризуется его частота выборки. На SNR АЦП влияет множество факторов, в том числе разрешающая способность, линейность и точность (насколько хорошо уровни квантования соответствуют истинному аналоговому сигналу), сглаживание и дрожь. SNR АЦП часто резюмируется в терминах его эффективное количество бит (ENOB), количество битов каждой возвращаемой меры, которые в среднем не соответствуют шум. 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 согласно Теорема выборки 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

Рисунок 1. Схема кодирования АЦП с 8 уровнями.

Разрешение преобразователя указывает количество различных, т. Е. Дискретных, значений, которые он может выдавать в допустимом диапазоне значений аналогового входа. Таким образом, конкретное разрешение определяет величину ошибка квантования и поэтому определяет максимально возможное соотношение сигнал шум для идеального АЦП без использования передискретизация. Входные образцы обычно хранятся в электронном виде в двоичный формы внутри АЦП, поэтому разрешение обычно выражается как битовая глубина звука. Следовательно, количество доступных дискретных значений обычно является степенью двойки. Например, АЦП с разрешением 8 бит может кодировать аналоговый вход на один из 256 различных уровней (28 = 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 вольт. Изменение напряжения, необходимое для гарантии изменения уровня выходного кода, называется младший бит (LSB) напряжение. Разрешение Q АЦП равно младшему разряду напряжения. Разрешающая способность АЦП по напряжению равна его общему диапазону измерения напряжения, деленному на количество интервалов:

куда M - разрешение АЦП в битах и EFSR - это полный диапазон напряжения (также называемый «диапазоном»). EFSR дан кем-то

куда VRefHi и VRefLow - это соответственно верхний и нижний крайние значения напряжений, которые можно кодировать.

Обычно количество интервалов напряжения определяется как

куда M - разрешение АЦП в битах.[1]

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

Пример:

  • Схема кодирования как на рисунке 1
  • Полная шкала диапазон измерения = от 0 до 1 вольт
  • Разрешение АЦП 3 бита: 23 = 8 уровней квантования (кодов)
  • Разрешение по напряжению АЦП, Q = 1 В / 8 = 0,125 В.

Во многих случаях полезное разрешение конвертера ограничено соотношение сигнал шум (SNR) и другие ошибки в системе в целом, выраженные как ENOB.

Сравнение квантования синусоиды на 64 уровня (6 бит) и 256 уровней (8 бит). Аддитивный шум, создаваемый 6-битным квантованием, на 12 дБ больше, чем шум, создаваемый 8-битным квантованием. Когда спектральное распределение ровное, 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 вносится квантование присуще идеальному АЦП. Это ошибка округления между аналоговым входным напряжением АЦП и выходным цифровым значением. Ошибка нелинейная 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) определяется как

[2]

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

Ошибка квантования распределяется от постоянного тока до Частота Найквиста. Следовательно, если часть полосы пропускания АЦП не используется, как в случае с передискретизация, возникнет некоторая ошибка квантования из группы, 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

Основная статья: дрожать

В АЦП производительность обычно можно улучшить, используя дрожать. Это очень небольшое количество случайного шума (например, белый шум ), который добавляется к входу перед преобразованием. Его эффект заключается в рандомизации состояния младшего разряда на основе сигнала. Вместо того, чтобы просто полностью обрезать 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 битовой глубине 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 числа битов на пиксель - изображение становится более шумным, но для глаза выглядит намного более реалистичным, чем квантованное изображение, которое в противном случае становится полосатый. Этот аналогичный процесс может помочь визуализировать эффект дизеринга на аналоговый аудиосигнал, который преобразуется в цифровой.

Точность

У АЦП есть несколько источников ошибок. Квантование ошибка и (если предполагается, что АЦП линейный) не-линейность являются неотъемлемой частью любого аналого-цифрового преобразования. Эти ошибки измеряются в единице, называемой младший бит (МЗБ). В приведенном выше примере восьмиразрядного АЦП ошибка в один младший бит составляет 1/256 от 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 намеренно нелинейного АЦП) их входа. Иногда эти ошибки можно уменьшить с помощью калибровка, или предотвращено тестированием. Важные параметры линейности: интегральная нелинейность и дифференциальная нелинейность. Эти нелинейности вносят искажения, которые могут уменьшить соотношение сигнал шум производительность АЦП и тем самым снизить его эффективное разрешение.

Джиттер

При оцифровке синусоидальной волны , использование неидеальных часов выборки приведет к некоторой неопределенности при регистрации выборок. При условии, что фактическая неопределенность времени выборки из-за часов дрожь является , ошибку, вызванную этим явлением, можно оценить как . Это приведет к дополнительному записанному шуму, который уменьшит эффективное количество бит (ENOB) ниже, чем предсказано ошибка квантования один. 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.[нужна цитата ]

Размер вывода
(биты)		Частота сигнала
1 Гц1 кГц10 кГц1 МГц10 МГц100 МГц1 ГГц
81,243 мкс1,24 мкс124 нс1,24 нс124 шт.12,4 л.с.1,24 л.с.
10311 мкс311 нс31,1 нс311 л.с.31,1 л.с.3,11 л.с.0,31 пс
1277,7 мкс77,7 нс7,77 нс77,7 л.с.7,77 л.с.0,78 пс0,08 пс (77,7 фс)
1419,4 мкс19,4 нс1.94 нс19,4 л.с.1.94 пс0,19 пс0,02 пс ("19,4 фс")
164,86 мкс4.86 нс486 л.с.4.86 л.с.0,49 пс0,05 пс (48,5 фс)–
181,21 мкс1,21 нс121 шт.1,21 пс0,12 пс––
20304 нс304 шт.30,4 л.с.0,30 пс ("303,56 фс")0,03 пс ("30,3 фс")––
2418,9 нс18,9 л.с.1,89 л.с.0,019 пс ("18,9 фс")-––

Джиттер часов вызван фазовый шум.[3][4] Разрешение АЦП с полосой дискретизации от 1 МГц до 1 ГГц ограничено 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 выборки

Основная статья: Частота выборки

Аналоговый сигнал непрерывный в время и это необходимо преобразовать в поток цифровых значений. Следовательно, необходимо определить скорость, с которой новые цифровые значения выбираются из аналогового сигнала. Скорость новых значений называется частота выборки или же частота дискретизации преобразователя. Непрерывно изменяющийся сигнал с ограниченной полосой пропускания может быть отобранный а затем исходный сигнал может быть воспроизведен из значений дискретного времени с помощью фильтр реконструкции. 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 поддерживаться постоянным в течение времени, пока преобразователь выполняет преобразование (называемое время конверсии). Входная цепь называется образец и держать выполняет эту задачу - в большинстве случаев с помощью конденсатор для хранения аналогового напряжения на входе и использования электронного переключателя или затвора для отключения конденсатора от входа. Многие АЦП интегральные схемы внутренне включить подсистему выборки и хранения.

Сглаживание

Основная статья: Сглаживание

АЦП работает путем дискретизации значения входного сигнала через дискретные промежутки времени. При условии, что входной сигнал выбран выше Курс Найквиста, определяемый как удвоенная наибольшая интересующая частота, то можно восстановить все частоты в сигнале. Если отбираются частоты выше половины 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 неправильно 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, вход АЦП должен быть фильтр нижних частот для удаления частот выше половины частоты дискретизации. Этот фильтр называется фильтр сглаживания, и важен для практической системы АЦП, которая применяется к аналоговым сигналам с более высокой частотой. В приложениях, где важна защита от наложения спектров, передискретизация может быть использована для его значительного уменьшения или даже устранения.

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

Передискретизация

Основная статья: Передискретизация

Для экономии сигналы часто дискретизируются с минимальной требуемой частотой, в результате чего вносимая ошибка квантования составляет белый шум распространяться по всему полоса пропускания преобразователя. Если сигнал дискретизируется со скоростью, намного превышающей Курс Найквиста а потом цифровая фильтрация ограничение его шириной полосы сигнала дает следующие преимущества:

  • Передискретизация может облегчить реализацию аналоговых фильтров сглаживания
  • Улучшенный битовая глубина звука
  • Пониженный шум, особенно когда формирование шума используется в дополнение к передискретизации.

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 наложенными спектрами также обычно являются внеполосными, наложения спектров часто можно полностью устранить с помощью очень недорогих фильтров.

Относительная скорость и точность

Скорость АЦП зависит от типа. В АЦП Уилкинсона ограничено тактовой частотой, которая может обрабатываться текущими цифровыми схемами. Для АЦП последовательного приближения время преобразования зависит от логарифма разрешения, то есть количества бит. 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 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 процессе вычитания. Из трех АЦП Уилкинсона имеют лучшую линейность.[8][9]

Принцип скользящей шкалы

В скользящая шкала или метод рандомизации может быть использован для значительного улучшения линейности любого типа АЦП, но особенно типов вспышки и последовательного приближения. Для любого АЦП преобразование входного напряжения в значение цифрового выхода не совсем так. этаж или же функция потолка так, как это 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 линейность уменьшается пропорционально отклонению от средней ширины. В принципе скользящей шкалы используется 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 состоит 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

Это несколько распространенных способов реализации электронного АЦП.

Прямое преобразование

Основная статья: Флэш-АЦП

АЦП прямого преобразования или флэш-АЦП имеет банк компараторы параллельная выборка входного сигнала, каждое срабатывание для определенного диапазона напряжений. Банк компаратора подает логическая схема который генерирует код для каждого диапазона напряжений.

АЦП этого типа имеют большую умереть размер и высокая мощность рассеивания. Их часто используют для видео, широкополосная связь, или другие быстрые сигналы в оптический и магнитное хранилище.

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

А АЦП последовательного приближения использует компаратор и бинарный поиск для последовательного сужения диапазона входного напряжения. На каждом последующем шаге преобразователь сравнивает входное напряжение с выходным напряжением внутреннего цифро-аналоговый преобразователь который изначально 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-сравнить

А рампа-сравнение АЦП производит пилообразный сигнал которая увеличивается или уменьшается, 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 изменения времени требуют наименьшего транзисторы. Время линейного изменения чувствительно к температуре, потому что схема, генерирующая линейное изменение температуры, часто является простой осциллятор. Есть два решения: использовать тактовый счетчик, управляющий ЦАП а затем используйте компаратор для сохранения значения счетчика или откалибруйте изменение по времени. Особым преимуществом системы линейного сравнения является то, что для сравнения второго сигнала просто требуется другой компаратор и другой регистр для хранения значения напряжения. Очень простой (нелинейный) преобразователь рампы может быть реализован с помощью микроконтроллера, одного резистора и конденсатора.[12] Напротив, заполненный конденсатор можно взять из интегратор, время-амплитудный преобразователь, фазовый детектор, образец и держать цепь, или пик и держать цепь и разряжена. Это имеет то преимущество, что медленный компаратор не может быть нарушен быстрыми изменениями входа.

Уилкинсон

В АЦП Уилкинсона был разработан Д. Х. Уилкинсон в 1950 году. АЦП Уилкинсона основан на сравнении входного напряжения с напряжением, создаваемым зарядным конденсатором. Конденсатору позволяют заряжаться до тех пор, пока его напряжение не сравняется с амплитудой входного импульса (компаратор определяет, когда это условие было достигнуто). Затем конденсатору дают возможность линейно разряжаться, что приводит к нарастанию напряжения. В момент, когда конденсатор начинает разряжаться, инициируется импульс затвора. Импульс затвора остается включенным до полной разрядки конденсатора. Таким образом, длительность стробирующего импульса прямо пропорциональна амплитуде входного импульса. Этот стробирующий импульс управляет линейным затвором, который принимает импульсы от тактовой частоты высокочастотного генератора. Пока вентиль открыт, дискретное количество тактовых импульсов проходит через линейный вентиль и подсчитывается адресным регистром. Время, в течение которого линейный вентиль открыт, пропорционально амплитуде входного импульса, поэтому количество тактовых импульсов, записанных в адресном регистре, также пропорционально. В качестве альтернативы можно было контролировать заряд конденсатора, а не разряд.[13][14]

Интеграция

An интегрирующий АЦП (также двускатный или же многосклонный ADC) подает неизвестное входное напряжение на вход интегратор и 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 вариации) используются в большинстве цифровых вольтметры за их линейность и гибкость.

АЦП балансировки заряда
Принцип балансировки заряда АЦП состоит 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. Основное преимущество этих преобразователей заключается в том, что можно передавать частоту даже в шумной среде или в изолированном виде. Однако ограничение этой схемы состоит в том, что выход V / F преобразователя 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.

С дельта-кодированием

А дельта-кодированный АЦП или же контрпандус имеет вверх-вниз прилавок что кормит цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Входной сигнал и ЦАП поступают на компаратор. Компаратор управляет счетчиком. В схеме используется отрицательный Обратная связь от компаратора, чтобы настроить счетчик до тех пор, пока выход ЦАП не станет достаточно близким к входному сигналу. Число читается со счетчика. Преобразователи дельты 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 очень 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

А конвейерный АЦП (также называемый субдиапазонный квантователь) использует два или более шага поддиапазона. Сначала выполняется грубое преобразование. На втором этапе разница входящего сигнала определяется с помощью цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). 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

А сигма-дельта АЦП (также известный как дельта-сигма АЦП) передискретизирует полезный сигнал с большим коэффициентом и фильтрует полосу полезного сигнала. Как правило, после фильтра с помощью флэш-АЦП преобразуется меньшее количество битов, чем требуется. Результирующий сигнал вместе с ошибкой, генерируемой дискретными уровнями Flash, возвращается и вычитается из входного сигнала в фильтр. Этот отрицательный отзыв имеет эффект формирование шума ошибка из-за Flash, так что он не появляется в желаемых частотах сигнала. Цифровой фильтр (децимационный фильтр) следует за АЦП, который снижает частоту дискретизации, отфильтровывает нежелательный шумовой сигнал и увеличивает разрешение выходного сигнала (сигма-дельта модуляция, также называемый дельта-сигма модуляция ).

С временным чередованием

А АЦП с временным чередованием использует M параллельных АЦП, где каждый АЦП производит выборку данных каждый M: -й цикл эффективной тактовой частоты выборки. В результате частота дискретизации увеличивается в M раз по сравнению с тем, что может управлять 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 FM этап

An АЦП с промежуточным каскадом ЧМ сначала использует преобразователь напряжения в частоту для преобразования полезного сигнала в колебательный сигнал с частотой, пропорциональной напряжению полезного сигнала, а затем использует частотомер чтобы преобразовать эту частоту в цифровой счет, пропорциональный 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. Некоторые такие АЦП используют синусоидальную или прямоугольную волну. модуляция частоты; другие используют частотно-импульсная модуляция. Такие АЦП когда-то были самым популярным способом отображения состояния удаленного аналогового датчика на цифровом дисплее.[16][17][18][19][20]

Другие типы

Могут быть и другие АЦП, использующие комбинацию электроники и других технологии. А аналого-цифровой преобразователь с растяжением во времени (TS-ADC) оцифровывает аналоговый сигнал с очень широкой полосой пропускания, который не может быть оцифрован обычным электронным АЦП, путем растягивания сигнала во времени перед оцифровкой. Обычно он использует фотонный препроцессор внешний интерфейс для растяжения сигнала во времени, что эффективно замедляет сигнал во времени и сжимает его полосу пропускания. В результате электронный бэкэнд АЦП, 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 растяжению по времени. Каждый сегмент индивидуально оцифровывается отдельным электронным АЦП. Наконец, цифровой сигнальный процессор переупорядочивает образцы и удаляет любые искажения, добавленные внешним интерфейсом, чтобы получить двоичные данные, которые являются цифровым представлением исходного аналогового сигнала.

Коммерческий

Коммерческие АЦП обычно реализуются как интегральные схемы. Большинство преобразователей выборки от 6 до 24 биты разрешения и производят менее 1 мегасэмпла в секунду. Тепловой шум генерируемые пассивными компонентами, такими как резисторы, маскируют измерение, когда требуется более высокое разрешение. Для аудиоприложений и температуры в помещении такой шум обычно немного меньше 1 мкВ (микровольт) белый шум. Если MSB соответствует стандартный 2 В выходного сигнала, это приводит к ограничению шумом производительности менее 20 ~ 21 бит и устраняет необходимость в каких-либо дизеринг. По состоянию на февраль 2002 года доступны преобразователи мега- и гигабайт в секунду. Требуются преобразователи мегасэмплов в цифровых видеокамеры, карты видеозахвата, и Карты ТВ-тюнера для преобразования полноскоростного аналогового видео в цифровые видеофайлы. Коммерческие преобразователи обычно имеют от ± 0,5 до ± 1,5 LSB ошибка в их выводе.

Во многих случаях самой дорогой частью интегральной схемы являются выводы, потому что они увеличивают корпус, и каждый вывод должен быть подключен к кремнию интегральной схемы. Для экономии выводов медленные АЦП обычно отправляют свои данные по одному биту за один раз. серийный интерфейс к компьютеру, со следующим битом, выходящим, когда тактовый сигнал меняет состояние, скажем, с 0 до 5 В. Это позволяет сэкономить немало контактов на корпусе АЦП и во многих случаях не усложняет общую конструкцию (четное микропроцессоры которые используют ввод-вывод с отображением памяти требуется всего несколько бит порта для реализации последовательная шина к АЦП). Коммерческие АЦП часто имеют несколько входов, которые питают один и тот же преобразователь, обычно через аналоговый мультиплексор. Различные модели АЦП могут включать образец и держать схемы, приборы усилители или же дифференциал входы, где измеряемая величина представляет собой разницу между двумя напряжениями.

Приложения

Запись музыки

Аналого-цифровые преобразователи являются неотъемлемой частью технологии воспроизведения музыки 2000-х годов и цифровая звуковая рабочая станция -основан запись звука. Люди часто создают музыку на компьютерах, используя аналоговую запись, и поэтому им нужны аналого-цифровые преобразователи для создания импульсно-кодовая модуляция (PCM) потоки данных, которые идут на компакт-диски и цифровые музыкальные файлы. Текущее количество аналого-цифровых преобразователей, используемых в музыке, может сэмплировать 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) с разрешением 24 бит / 96 кГц (или выше) или Цифровой прямой поток (DSD), а затем субдискретизируйте или децитируйте сигнал для Компакт-диск Цифровое аудио производства (44,1 кГц) или до 48 кГц для широко используемых приложений радио- и телевещания из-за Частота Найквиста и диапазон слышимости людей.

Цифровая обработка сигналов

АЦП необходимы для обработки, хранения или передачи практически любого аналогового сигнала в цифровой форме. Карты ТВ-тюнера, например, использовать быстрые аналого-цифровые преобразователи видео. Медленные на кристалле 8, 10, 12 или 16-битные аналого-цифровые преобразователи распространены в микроконтроллеры. Осциллографы с цифровой памятью нужны очень быстрые аналого-цифровые преобразователи, что также важно для программно определяемое радио и их новые приложения.

Научные инструменты

Цифровое изображение системы обычно используют аналого-цифровые преобразователи в оцифровка пиксели. Немного радар в системах обычно используются аналого-цифровые преобразователи для преобразования сила сигнала в цифровые значения для последующего обработка сигналов. Многие другие системы наземного и дистанционного зондирования обычно используют аналогичную технологию. Количество двоичных разрядов в результирующих оцифрованных числовых значениях отражает разрешение, количество уникальных дискретных уровней квантование (обработка сигналов). Соответствие аналогового сигнала цифровому сигналу зависит от ошибка квантования. Процесс квантования должен происходить с адекватной скоростью, ограничение, которое может ограничивать разрешение цифрового сигнала. Много датчики в научных приборах производят аналоговый сигнал; температура, давление, pH, Интенсивность света и т.д. Все эти сигналы могут быть усилены и поданы на АЦП для получения цифрового числа. пропорциональный входному сигналу.

Энкодер

Некоторые неэлектронные или частично электронные устройства, такие как поворотные энкодеры, также можно рассматривать как АЦП. Обычно цифровой выход АЦП представляет собой два дополнения двоичное число, пропорциональное вводу. Кодировщик может выводить Код Грея.

Электрический символ

ADC Symbol.svg

Тестирование

Для тестирования аналого-цифрового преобразователя требуется источник аналогового входа и аппаратное обеспечение для отправки управляющих сигналов и вывода 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. Общее гармоническое искажение (THD)
  5. Интегральная нелинейность (INL)
  6. Дифференциальная нелинейность (DNL)
  7. Свободный динамический диапазон от паразитов
  8. Рассеяние мощности

Смотрите также

Примечания

  1. ^ «Принципы сбора и преобразования данных» (PDF). Инструменты Техаса. Апрель 2015 г.. Получено 2016-10-18.
  2. ^ Лати, Б. (1998). Современные цифровые и аналоговые системы связи (3-е издание). Издательство Оксфордского университета.
  3. ^ «Приложение Maxim 800: разработка часов с низким уровнем джиттера для высокоскоростных преобразователей данных», maxim-ic.com, 17 июля 2002 г.
  4. ^ «Влияние джиттера на аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи» (PDF). Получено 19 августа 2012.
  5. ^ Лёнинг, Майкл; Феттвейс, Герхард (2007). «Эффекты апертурного джиттера и тактового сигнала в широкополосных АЦП». Архив компьютерных стандартов и интерфейсов. 29 (1): 11–18. CiteSeerX  10.1.1.3.9217. Дои:10.1016 / j.csi.2005.12.005.
  6. ^ Редмэйн, Дерек; Стир, Элисон (8 декабря 2008 г.), «Понимание влияния джиттера часов на высокоскоростные АЦП», eetimes.com
  7. ^ "АЦП с РЧ-дискретизацией и GSPS - прорывные АЦП революционизируют радиоархитектуру" (PDF). Инструменты Техаса. Получено 4 ноября 2013.
  8. ^ Knoll (1989), стр. 664–665).
  9. ^ Николсон (1974, стр. 313–315).
  10. ^ Knoll (1989), стр. 665–666).
  11. ^ Николсон (1974, стр. 315–316).
  12. ^ Примечание по применению Atmel AVR400: недорогой аналого-цифровой преобразователь. atmel.com
  13. ^ Knoll (1989), стр. 663–664).
  14. ^ Николсон (1974, стр. 309–310).
  15. ^ Фогель, Кристиан (2005). "Влияние комбинированных эффектов рассогласования каналов в АЦП с временным перемежением" (PDF). Транзакции IEEE по приборостроению и измерениям. 55 (1): 415–427. CiteSeerX  10.1.1.212.7539. Дои:10.1109 / TIM.2004.834046.
  16. ^ Учебное пособие Analog Devices MT-028: «Преобразователи напряжения в частоту» Уолта Кестера и Джеймса Брайанта 2009, по-видимому адаптировано из Кестера, Уолтера Аллана (2005) Справочник по преобразованию данных, Newnes, стр. 274, г. ISBN  0750678410.
  17. ^ Микрочип AN795 "Преобразователь напряжения в частоту / частоту в напряжение" п. 4: «13-битный аналого-цифровой преобразователь»
  18. ^ Карр, Джозеф Дж. (1996) Элементы электронного приборостроения и измерения, Прентис Холл, стр. 402, г. ISBN  0133416860.
  19. ^ «Аналого-цифровые преобразователи напряжения в частоту». globalspec.com
  20. ^ Пиз, Роберт А. (1991) Поиск и устранение неисправностей аналоговых схем, Newnes, стр. 130, ISBN  0750694998.

Рекомендации

  • Кнолль, Гленн Ф. (1989). Обнаружение и измерение радиации (2-е изд.). Нью-Йорк: Джон Вили и сыновья. ISBN  978-0471815044.CS1 maint: ref = harv (связь)
  • Николсон, П. В. (1974). Ядерная Электроника. Нью-Йорк: Джон Вили и сыновья. С. 315–316. ISBN  978-0471636977.CS1 maint: ref = harv (связь)

дальнейшее чтение

внешняя ссылка