М.Х. Джонс - Электроника практический курс (1055364), страница 88
Текст из файла (страница 88)
С учетом этого строят ЦАП на основе «К-2К» решетки; схема такого ЦАП приведена на рис. 14.21. Выполняя расчеты такого же рода, как в случае делителя напряжения, нетрудно убедиться в правильном соответствии между аналоговым выходным напряжением и числом на цифровом входе. вий чн»й ов (и«нй» а« ~" Ро»яйний «»ФР»йой й~ой О„, Рис. 14.21. Цифра-аийлоговый преобразователь с использованием К-2К пепи лестничного типа. 14.15 Аналого-цифровое преобразование 14.15.1 Основные схемы АЦЛ Аналого-цифровое преобразование можно осуществить по-разному.
В очень быстрых флзит-преобразователях, применяемых для перевода в цифровую форму видеосигналов, используется большое число параллельно действующих компараторов, по одному на каждое значение двоичного числа, в которое преобразуется аналоговый сигнал. Сигналы с выходов компараторов подаются затем на двоичный шифратор, который и формирует цифровой выходной сигнал, соответствующий компаратору с наибольшим номером, у которого входной сигнал превышает опорное напряжение. Время преобразования — порядка наносекунд, но даже 8-разрядному преобразователю нужны 256 компараторов, а 16-разрядный вариант становится слишком громоздким. Более медленным, но дающим высокое разрешение, является ме- 478 МинроЭВМ и их приивнвнил О5 оь О5 О« О5 О5 О5 ос цифоо»«О »5«5«О Рис.
14.22. Простой слепящий АЦП. тод однократного или двойного интегрирования; в преобразователях, действующих по этому принципу фактически измеряется время, в течение которого напряжение на конденсаторе, заряжаемом постоянным током, достигает того же значения, какое имеет аналоговый входной сигнал. Тактовый сигнал фиксированной частоты и счетчик дают затем время заряда в цифровой форме, а оно прямо пропорционально напряжению аналогового сигнала на входе.
На рис. 14.22 представлен простейший вариант «следящего» аналого-цифрового преобразователя (АЦП). В рассматриваемом преобразователе, схему которого легко испытать экспериментально, используется ЦАП в качестве источника опорного напряжения. С помощью этого ЦАП и единственного аналогового компаратора аналоговый сигнал, фактически действующий на входе, непрерывно сравнивается с цифровым отсчетом на выходе реверсивного счетчика. Если цифровой отсчет слишком мал, то счетчик переключается компаратором на счет в прямом направлении, а если цифровой отсчет слишком велик, то счетчик считает в обратном направлении. Имеющаяся в схеме обратная связь быстро приводит к точному преобразованию. Более быстрый результат можно получить с помощью самого распространенного, по-видимому, метода последовательных приближений.
АЦП, действующий по этому принципу, отличается от следящего АЦП тем, что в нем реверсивный счетчик заменен логическим устройством, присваивающим по очереди единичное значение каждому разряду на выходе, начиная со старшего разряда. Если результирующий сигнал на выходе ЦАП оказывается меньше входного напряжения, то в этом разряде сохраняется логическая 1, в противном случае он сбрасывается в О, и далее схема переходит к следующему разряду.
В таком преобразователе на выходе быстро устанавливается цифровой эквивалент входного напряжения. Существенным является Аналого-Лифровое преобразование 479 требование, чтобы входной сигнал оставался постоянным в течение всего времени, пока происходит процесс приближения, для чего непосредственно перед преобразователем последовательных приближений обычно ставится схема выборки и хранения. (В оригинале следяший АЦП также назван АЦП последовательных приближений, но это противоречит принятой терминологии. — Прим. перев.) 74, 75.2 Схема выборки и хранения Схема выборки и хранения в упрошенном виде показана на рис.
!4.23. Полевой транзистор позволяет конпенсатору С зарядиться до мгновенного значения входного напряжения в каждом импульсе выборки. В интервале между импульсами выборок ключ на полевом транзисторе разомкнут и заряд удерживается на конденсаторе вследствие большого входного сопротивления операционного усилителя с полевыми транзисторами на входе. В готовых схемах выборки и хранения применяются специальные МОП-транзисторы с малым сопротивлением в открытом состоянии, обеспечиваюшие быстрый заряд, а также усилители с большим входным сопротивлением и малым смешением, чтобы избежать спада напряжения на конденсаторе за время хранения. Иыссиоюшсссс о,„ аыбрсииос и сосрсисииос с оа Рис.
14.23. Схема выборки и хранения дяя включения перел АЦП. 74. 75.3 Шум квантования и дрожание Каким бы точным ни был АЦП„все же сушествует фундаментальное ограничение, заключаюшееся в том, что отклик самого по себе АЦП не может отличаться от аналогового сигнала меньше, чем на !/2 от величины скачка, соответствуюшего младшему разряду (имеется в виду максимальное отклонение — Прим. перев.); согласно этому, отклик АЦП представляет собой ряд скачков, каждый из которых эквивалентен одному младшему разряду (для следяшего АЦП вЂ” Прим.
перев.); аналогичные проблемы возникают с изображением на выходе факса. При плавно меняюшемся чистом аналоговом 480 МикроЭВМ и их применения БХК,„= — 2зн (14. 1) где У вЂ” число разрядов в АЦП, а про шум предполагается, что он имеет равномерное распределение. Выраженное в децибелах при синусоидвльном сигнале отношение сигнал/шум (42 умножить на отношение амплитуды сигнала к среднеквадратичному значению шума) имеет вид: БХК = 6,02%+1,76 дБ, (14,2) Например, для стандартного «идеального» !6-разрядного АЦП теоретическое значение БХК в максимуме синусоидапьного сигнала равно почти 98 дБ. При определении величины 8ХК обычным методом, то есть по отно- Аи твтввыв вхддиви вити«в Х и в » ] Пи«Хит»вити»в в виде хвдитввых вы«Орви в Х "о 4 Рис. 14.24.
Влияние скачков квантования нд аналоговый сигнал. сигнале на входе эти скачки создают разновидность искажений, называемых идумом квантования, который оказывается наложенным на сигнал в его цифровой форме. Как видно из рис. 14.24, из-за этих скачков постоянной величины шум квантования по отношению к сигналу тем больше, чем меньше уровень сигнала, а это воспринимается в звуковом диапазоне как особенно неприятные искажения. Проблему этих искажений можно свести к простому флюктуационному шуму, путем добавления к аналоговому входному сигналу шума определенной интенсивности, называемого дрожанием; этот шум играет роль «случайного смешения».
Из рис. 14.25 видно, что дрожание придает сигналу случайный характер и поэтому сглаживает скачки квантования. Можно показать, что максимально достижимое отношение сигнап/шум БХК„равно: Аналого-цифровое преобразование 481 (л) Лнвлоговый лигион (Ы Кввнтоввнныс высорки (г) Квонтоввнныс выборки плюс случвйютс лроивнис (с) Лнвлоголый снгисл гююс случвйнос лрожвиис Рис. ) 4.25. Сгваукивйюшсс действие дрожания пс отношению к скачкам кван- тований. 14. 15.4 Частота выборок Дискретизация сигнала заключается в регулярном взятии отсчетов его мгновенных значений.
Как часто требуется брать эти отсчеты, называемые также выборками, чтобы представить весь сигнал полностью? Рис. 14.26 лемонстрирует подход к проблеме правильного выбора частоты выборок с точки зрения здравого смысла. Из рис. 14.26(а) ясно, что результат будет плохим, если частота выборок сравнима с частотой сигнала, тогда как много ббльшая частота выборок дает представление о сигнале, значительно более близкое к оригиналу, как это показано на рис. 14.26(Ь).
Этот вопрос был рассмотрен Найквистом в связи с передачей сигналов по линиям связи, и его результат носит название теоремы Найквиста о выборках: Чтобы не потерять никакой информации о сигнале, частота взятия выборок 1; должна удовлетворять неравенству: 3) Зли йтйй. шению к среднеквадратичному значению сигнала, оно составляет 95 дБ. Однако сегодня при цифровой записи в звуковом диапазоне дрожание применяется весьма искусно, а именно, спектр шума дрожания формируется таким образом, чтобы большая часть мошности этого шума приходилась на верхние частоты звукового диапазона, где ухо менее чувствительно. Таким способом можно достичь очень хороших результатов и получить малые искажения вследствие квантования.
Требуемое формирование спектра обычно осушествляется одновременно с избыточной дискретизацией, рассматриваемой в разделе 14.15.5. В некоторых приложениях можно получить дальнейшее увеличение БХК, вычитая дрожание после того, как оно выполнило свою функцию в процессе преобразования. 482 МикроЭВМ и их применения Рис.
14.26. Взятие выборок из аналогового сигнала до аналого-цифрового преобразования. (а) Неправильное значение частоты выборок. (Ь) Полколяшее значение частоты выборок. (!4.3) 7« > 2/;,. где 7' „„— наибольшая частота спектра дискретизуемого сигнала.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
