Оглавление

Введение

1. Аналого-цифровой преобразователь (применение)
2. Цифро-аналоговый преобразователь(применение)
3. Типы преобразования (АЦП)
4. Линейные АЦП
5. Нелинейные АЦП
6. Типы ЦАП
7. Последовательные ЦАП
8. Параллельные ЦАП
9. Точность АЦП
10. Ошибки квантования
11. Нелинейность

Заключение

Актуальность: в современном мире люди часто этим пользуются и многие современные технологии не могут без АЦП и ЦАП.
Цель исследования: узнать, что такое аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, их типы и точность.
Задачи:

1. узнать, что такое АЦП и ЦАП
2. узнать их применение
3. узнать их типы
4. узнать точность АЦП

Объектом исследования работы являются аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи.
Предметом исследования являются принципы работы АЦП и ЦАП.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП, англ. Analog-to-digital converter, ADC) — устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Как правило, АЦП — электронное устройство, преобразующее напряжение в двоичный цифровой код. Тем не менее, некоторые неэлектронные устройства с цифровым выходом следует также относить к АЦП, например, некоторые типы преобразователей угол-код. Простейшим одноразрядным двоичным АЦП является компаратор.

Аналого-цифровое преобразование используется везде, где требуется принимать аналоговый сигнал и обрабатывать его в цифровой форме.
АЦП является составной частью цифрового вольтметра и мультиметра.

Специальные видео-АЦП используются в компьютерных ТВ-тюнерах, платах видеовхода, видеокамерах для оцифровки видеосигнала. Микрофонные и линейные аудиовходы компьютеров подключены к аудио-АЦП.
АЦП являются составной частью систем сбора данных.
Современные весы используют АЦП с разрядностью до 24 бит, преобразующие сигнал непосредственно от тензометрического датчика (сигма-дельта-АЦП).

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) — устройство для преобразования цифрового (обычно двоичного) кода в аналоговый сигнал(ток, напряжение или заряд). Цифро-аналоговые преобразователи являются интерфейсом между дискретным цифровым миром и аналоговыми сигналами. Современные ЦАП создаются по полупроводниковым технологиям в виде интегральной схемы.

ЦАП применяется всегда в телекоммуникационных системах и системах управления. Например:

1. В системах воспроизведения аудио;
2. В дисплеях;
3. Формирование информационного сигнала для смесителей и управляемых генераторов;
4. В системах управлением двигателем;
5. В системах прямого цифрового синтеза.

По способу применяемых алгоритмов АЦП делят на:

1. Последовательные прямого преобразования
2. Последовательного приближения
3. Последовательные с сигма-дельта-модуляцией
4. Параллельные одноступенчатые
5. Параллельные двух- и более ступенчатые (конвейерные)

АЦП первых двух типов подразумевают обязательное применение в своем составе устройства выборки и хранения (УВХ). Это устройство служит для запоминания аналогового значения сигнала на время, необходимое для выполнения преобразования.

Без него результат преобразования АЦП последовательного типа будет недостоверным.
Выпускаются интегральные АЦП последовательного приближения, как содержащие в своем составе УВХ, так и требующие внешнее УВХ

Большинство АЦП считается линейным, хотя аналого-цифровое преобразование, по сути, является нелинейным процессом (поскольку операция преобразования непрерывного пространства в дискретное — операция нелинейная).

Термин линейный применительно к АЦП означает, что диапазон входных значений, отображаемый на выходное цифровое значение, связан по линейному закону с этим выходным значением, то есть выходное значение k достигается при диапазоне входных значений от
m(k + b)
до
m(k + 1 + b),
где m и b — некоторые константы. Константа b, как правило, имеет значение 0 или −0,5. Если b = 0, АЦП называют квантователь с ненулевой ступенью (mid-rise), если же b = −0,5, то АЦП называют квантователь с нулём в центре шага квантования (mid-tread).

Если бы плотность вероятности амплитуды входного сигнала имела равномерное распределение, то отношение сигнал/шум (применительно к шуму квантования) было бы максимально возможным. По этой причине обычно перед квантованием по амплитуде сигнал пропускают через безынерционный преобразователь, передаточная функция которого повторяет функцию распределения самого сигнала. Это улучшает достоверность передачи сигнала, так как наиболее важные области амплитуды сигнала квантуются с лучшим разрешением.

Соответственно, при цифро-аналоговом преобразовании потребуется обработать сигнал функцией, обратной функции распределения исходного сигнала.
Это тот же принцип, что и используемый в компандерах, применяемых в магнитофонах и различных коммуникационных системах, он направлен на максимизацию энтропии. (Не путать компандер с компрессором!)

Например, голосовой сигнал имеет лапласово распределение амплитуды. Это означает, что окрестность нуля по амплитуде несёт больше информации, чем области с большей амплитудой. По этой причине логарифмические АЦП часто применяются в системах передачи голоса для увеличения динамического диапазона передаваемых значений без изменения качества передачи сигнала в области малых амплитуд.

8-битные логарифмические АЦП с a-законом или μ-законом обеспечивают широкий динамический диапазон и имеют высокое разрешение в наиболее критичном диапазоне малых амплитуд; линейный АЦП с подобным качеством передачи должен был бы иметь разрядность около 12 бит

В последовательных ЦАП входной код преобразуется в аналоговый сигнал поразрядно. При этом для преобразования всех разрядов используется одна и та же схема, что значительно упрощает устройство, однако скорость преобразования в таких обратно пропорциональна разрядности.

Не стоит путать способ преобразования и входной интерфейс устройства: на вход последовательного ЦАП входной код может подаваться как последовательно, так и параллельно. К последовательным ЦАП можно отнести следующие виды:

Широтно-импульсный модулятор — простейший тип ЦАП. Стабильный источник тока или напряжения периодически включается на время, пропорциональное преобразуемому цифровому коду, далее полученная импульсная последовательность фильтруется аналоговым фильтром нижних частот. Такой способ часто используется для управления скоростью электромоторов, а также становится популярным в Hi-Fi-аудиотехнике;
Циклический ЦАП (cyclic DAC);
Конвейерный ЦАП (pipeline DAC);

Звуковой ЦАП обычно получает на вход цифровой сигнал
в импульсно-кодовой модуляции
(англ. PCM, pulse-code modulation). Задача преобразования различных
сжатых форматов в PCM выполняется соответствующими кодеками.

ЦАП с суммированием весовых токов . Большинство схем па¬рал-лельных ЦАП основано на суммировании токов, сила каждого из которых пропорциональна весу цифрового двоичного разряда, при¬чем должны суммироваться только токи разрядов, значения цифры в которых равны 1. Пусть, например, требуется преобразовать двоич¬ный четы¬рехразрядный код в аналоговый сигнал тока.

У четвертого, старшего значащего разряда (СЗР) вес будет равен 23=8, у третьего разряда - 22=4, у второго - 21=2 и у младшего (МЗР) - 20=1. Если вес МЗР IМЗР=1 мА, то IСЗР=8 мА, а максимальный выходной ток преоб¬разователя Iвых.макс=15 мА и соответствует коду 11112. Понятно, что коду 10012, например, будет соответствовать Iвых=9 мА и т.д.

Следо¬вательно, тре¬буется построить схему, обеспечивающую генерацию и коммутацию по заданным законам точных весовых токов. Простей¬шая схема, реа¬лизующая указанный принцип:

Сопротивления резисторов выбирают так, чтобы при замкнутых ключах через них протекал ток, соответствующий весу разряда. Ключ должен быть замкнут тогда, когда соответствующий ему бит входного слова равен единице. Выходной ток определяется соотношением

При высокой разрядности ЦАП токозадающие резисторы должны быть согласованы с высокой точностью. Наиболее жесткие требо¬ва¬ния по точности предъявляются к резисторам старших разрядов, поскольку разброс токов в них не должен превышать тока младшего разряда. Поэтому разброс сопротивления в i-м разряде должен быть меньше, чем ΔR / R=2-i.

Имеется несколько источников погрешности АЦП. Ошибки квантования и (считая, что АЦП должен быть линейным) нелинейности присущи любому аналого-цифровому преобразованию. Кроме того, существуют так называемые апертурные ошибки, которые являются следствием джиттера (англ. jitter) тактового генератора, они проявляются при преобразовании сигнала в целом (а не одного отсчёта).

Эти ошибки измеряются в единицах, называемых МЗР — младший значащий разряд (англ.). В приведённом выше примере 8-битного двоичного АЦП ошибка в 1 МЗР составляет 1/256 от полного диапазона сигнала, то есть 0,4 %, в 5-тритном троичном АЦП ошибка в 1 МЗР составляет 1/243 от полного диапазона сигнала, то есть 0,412 %, в 8-тритном троичном АЦП ошибка в 1 МЗР составляет 1/6561, то есть 0,015 %.

Ошибки квантования являются следствием ограниченного разрешения АЦП.
Этот недостаток не может быть устранён ни при каком типе аналого-цифрового преобразования. Абсолютная величина ошибки квантования при каждом отсчёте находится в пределах от нуля до половины МЗР. Как правило, амплитуда входного сигнала много больше, чем МЗР.

В этом случае ошибка квантования не коррелирована с сигналом и имеет равномерное распределение. Её среднеквадратическое значение совпадает с среднеквадратичным отклонением распределения, которое равно. В случае 8-битного АЦП это составит 0,113 % от полного диапазона сигнала.

Всем АЦП присущи ошибки, связанные с нелинейностью, которые являются следствием физического несовершенства АЦП. Это приводит к тому, что передаточная характеристика (в указанном выше смысле) отличается от линейной (точнее от желаемой функции, так как она не обязательно линейна). Ошибки могут быть уменьшены путём калибровки.

Важным параметром, описывающим нелинейность, является интегральная нелинейность (INL) и дифференциальная нелинейность (DNL).

В результате проделанной работы в рамках проекта по информатике на тему «аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи» я выяснила, что такое АЦП и ЦАП, их типы и точность АЦП.