Dla elektronika

Zasoby dla studentów elektroniki i elektrotechniki

 

Szukaj

Przetworniki analogowo-cyfrowe

 

Na czym polega proces przejścia od sygnału analogowego do sygnału o charakterze dyskretnym?

Proces zamiany sygnał analogowego na sygnał cyfrowy składa się z 3 zasadniczych etapów:

  1. próbkowanie sygnału analogowego z określoną częstotliwością, zwaną częstotliwością próbkowania, w czasie którego z sygnału ciągłego w czasie uzyskuje się ciąg próbek tego sygnału w postaci następujących po sobie impulsów o wartościach określonych w dyskretnych punktach czasu i o amplitudach równych amplitudom sygnału analogowego w tych punktach, a więc odwzorowujących obwiednię tego sygnału;
  2. kwantyzacja dyskretnego sygnału otrzymanego w procesie próbkowania, polegająca na podziale całego zakresu amplitud, jakie mogą przybierać próbki, na określoną liczbę przedziałów i przyporządkowanie każdej próbce numeru poziomu, do którego sięga jej amplituda;
  3. kodowanie skwantowanego sygnału, czyli przekształcenie go w sygnał cyfrowy przez przyporządkowanie poszczególnym poziomom tego sygnału, wyrażonym w liczbach układu dziesiętnego, numerów wyrażonych w układzie dwójkowym (czyli tzw. układzie liczb binarnych), a więc odwzorowanie tych poziomów w postaci sygnału o dwu jedynie poziomach - poziomie 0 i poziomie 1.

Konwersja mowy - PCM64 -; częstotliwość próbkowania: 8kHz, 256 poziomów kwantyzacji, 8 bitów danych na każdym poziomie.

Na czym polega fourierowski sposób analizy sygnałów?

Złożony sygnał, określony w dziedzinie czasu, możemy przedstawić, za pomocą sumy nieskończonego szeregu składowych harmonicznych (tonów prostych - sin), o częstotliwościach będących wielokrotnościami częstotliwości podstawowej. Takie przekształcenie ułatwia analizę sygnału i pozwala na jego przedstawienie w dziedzinie częstotliwości.

Fourier wykazał że funkcję okresową (o okresie T = 2π , <- π , π >, funkcja jest monotoniczna i ciągła) można przedstawić w postaci nieskończonego szeregu trygonometrycznego zwanego

szeregiem Fouriera:

szereg Fouriera

Inaczej mówiąc prawie każdy sygnał okresowy można dekomponować do postaci sumy sygnałów sinusoidalnych o różnych częstotliwościach, amplitudach, przesuniętych względem siebie w fazie.

Transformacja Fouriera (FT)

Transformacja Fouriera

Gdzie f(t) – funkcja w dziedzinie czasu, i - część urojona (liczby zespolonej), ω - pulsacja Dyskretna transformata Fouriera (DFT) - przenosi próbkowany sygnał (dyskretny) do dziedziny częstotliwości. Szybka transformata Fouriera (FFT) - jest szybszą metodą DFT (wymaga mniej dodawań i mnożeń )

Jak uzasadnia się wymóg minimalnej gęstości próbkowania?

Gęstość próbkowania, czyli odległość między kolejnymi próbkami, wynika z częstotliwości próbkowania. Sygnał ciągły może być ponownie odtworzony z sygnału dyskretnego, jeśli był próbkowany z częstotliwością co najmniej dwa razy większą od granicznej (maksymalnej) częstotliwości swego widma. Tą częstotliwość nazywa się częstotliwością Nyquista. Używanie niższych częstotliwości próbkowania (mała gęstość) powoduje powstanie zjawiska aliasingu (sygnał odtworzony będzie miał niższą częstotliwość niż oryginalny).

Jaki jest skład i rola elementów cyfrowego toru pomiarowego?

Czujnik - element analogowy układu np. termometr
Przetwornik - przetwornik analogowo-cyfrowy zamieniający sygnały z czujnika na sygnał cyfrowy
Karta pomiarowa - wyspecjalizowana karta pomiarowa jest przetwornikiem analogowo-cyfrowym i jednocześnie generatorem impulsowym.
System akwizycji danych - program umożliwiający zbieranie i interpretowanie danych z czujnika.

Jaką rolę w systemie spełnia przetwornik analogowo-cyfrowy?

Jego zadaniem jest przetwarzanie sygnałów ciągłych do dyskretnych (cyfrowych). Do przetwornika podłączone są również linie sterujące, które umożliwiają np. dobór interesującego nas w danym momencie wejściowego kanału analogowego.

Jaką rolę spełnia i jak działa układ próbkująco-pamiętający?

Układ próbkująco-pamiętający (ang. sample-and-hold, S/H) służy do pobrania próbki napięcia w krótkim okresie (rzędu pojedynczych ms) i zapamiętania tej próbki w czasie niezbędnym do przetworzenia jej.
Jego funkcja polega na śledzeniu sygnału doprowadzonego do jego wejścia i zapamiętaniu wartości tego sygnału w chwili, gdy przetwornik da znać, że zaczyna przetwarzanie. Do zapamiętywania stanu używa się kondensatora.

Jakie są rodzaje przetworników analogowo-cyfrowych?

Metoda bezpośredniego porównania:

Przetwornik o przetwarzaniu bezpośrednim (nazywany także Flash) działa na zasadzie bezpośredniego i zazwyczaj jednoczesnego porównania wartości napięcia wejściowego z szeregiem napięć odniesienia reprezentujących poszczególne poziomy kwantowania za pomocą szeregu komparatorów analogowych. Rezultat tego porównania wprowadzany jest na specjalny enkoder który wyprowadza wartość cyfrową sygnału wejściowego w stosownej formie binarnej. Podstawową zaletą takich przetworników jest szybkość działania (czas przetworzenia) na którą składają się wyłącznie dwa czynniki: opóźnienie na komparatorze analogowym oraz opóźnienie na enkoderze cyfrowym. Uzyskiwane szybkości przetwarzania są nawet od kilku razy do kilku rzędów wielkości większe od pozostałych typów przetworników A/C. Niestety ogromna szybkość okupiona jest relatywnie małą rozdzielczością oraz dokładnością. Zwiększenie rozdzielczości o kolejny bit wymaga podwojenia ilości elementów i zwiększenia precyzyjności napięć odniesienia uzyskiwanych zazwyczaj z dzielnika rezystorowego wysokostabilnego napięcia odniesienia wewnętrznego lub zewnętrznego. Dodatkowo zwiększanie ilości komparatorów czyli poziomów kwantowania lub inaczej rozdzielczości bitowej przetwornika, powoduje zwiększenie jego pojemności wejściowej a co za tym idzie ograniczenia pasma wejściowego sygnału co niekorzystnie wpływa na jego parametry funkcjonalne. Przetworniki tego typu stosowane są wszędzie tam gdzie wymagana jest bardzo duża częstotliwość próbkowania i jednocześnie nie jest wymagana bardzo duża dokładność przetwarzania (najczęściej nie większa niż 8- lub 9- bitowa). Przetworniki równoległe 2-stopniowe (half-flash) – przetwarzanie przebiega w dwóch etapach. Na pierwszym etapie sygnał zostaje przetworzony w przetworniku o połowie docelowej rozdzielczości. Otrzymany sygnał jest przetwarzany do sygnału analogowego i odejmowany od sygnału wejściowego. Powstałą różnice sygnałów przepuszcza się przez drugi przetwornik a/c. Rozwiązanie tego typu jest względnie szybkie i tanie.

Metoda kompensacji wagowej:

W tej metodzie sygnał cyfrowy wyjściowy jest w kolejnych taktach zegara przybliżany, przepuszczany przez przetwornik c/a i porównywany z sygnałem analogowym, aż do uzyskania zadowalającej dokładności.

Przetwarzanie napięcia na częstotliwość:

Metoda ta polega na zamianie wysokości napięcia wejściowego na odpowiednią częstotliwość. To metodę wykorzystuję się w sytuacjach gdy bardziej od kodu liczbowego potrzebna jest nam częstotliwość sygnału np. w miernikach cyfrowych o średniej dokładności.

Stosowane są również metody całkowania i podwójnego całkowania sygnału. Ten drugi polega na ładowaniu kondensatora prądem proporcjonalnym do wartości sygnału wejściowego. Potem rozładowuje się go stałym prądem. Czas potrzebny do jego rozładowania jest mierzony gdyż jest proporcjonalny do sygnału wejściowego.

Co to jest filtr antyaliasing?

Jest to filtr dolnoprzepustowy obcinający wysokie częstotliwości (które często są tylko zakłóceniami sygnału) sygnału wejściowego. Dzięki temu zapobiega się zjawisku aliasingu .

Antyaliasing (anti-aliasing) - zespół technik służących zmniejszeniu, bądź całkowitej eliminacji aliasingu, czyli wad, będące skutkami ubocznymi, powstających przy zmniejszaniu rozdzielczości (bądź częstotliwości) obrazu lub innego sygnału.

Jakimi cechami charakteryzuje się wzmacniacz pomiarowy?

Wzmacniacz pomiarowy to urządzenie przeznaczone do wzmacniania sygnałów elektrycznych w układach pomiarowych.

Cechują go:

Zastosowanie we wszelkich dziedzinach miernictwa elektrycznego, a także miernictwa wielkości nieelektrycznych (rozróżnia się wzmacniacz pomiarowy napięcia stałego, napięcia zmiennego, szerokopasmowego, selektywne, a także wzmacniacze logarytmiczne).

Jest niezwykle przydatny, kiedy nie wolno obciążać źródła mierzonego sygnału - zapewnia to, że płynie tylko prąd polaryzacji wejść wzmacniacza operacyjnego.

Na czym polega pomiar różnicowy?

Pomiar różnicowy - porównywanie dwóch wartości napięć: doprowadzonego do jednego wejścia z napięciem odniesienia na drugim wejściu.

Wykorzystywane jest to np. w komparatorze, gdzie zmiana znaku różnicy tych dwóch napięć jest sygnalizowana raptowną zmianą poziomu napięcia wyjściowego. W ten sposób, gdy napięcie wejściowe jest większe od napięcia odniesienia, wówczas na wyjściu mamy "jedynkę", natomiast gdy napięcie wejściowe jest mniejsze niż napięcie odniesienia, wówczas na wyjściu otrzymujemy "zero". Komparatory wykorzystywane są w przetwornikach analogowo-cyfrowych.

Co to jest i jak jest wyrażana dynamika sygnału?

Dynamika sygnału to różnica największej i najmniejszej wartości sygnału. W elektroakustyce będzie to różnica między najgłośniejszym a najcichszym momentem sygnału. Dynamika sygnału jest wyrażona w dB.

Zasada działania przetwornika delta-sigma (D-S).

Szczególną wersją przetworników uśredniających jest przetwornik delta-sigma, nazywany często także przetwornikiem ze strumieniem bitów. Funkcjonalnie jest to przetwornik 1-bitowy, który dzięki uśrednianiu może pracować z rozdzielczością aż do 20 bitów, ale wówczas szerokość pasma jest bardzo mała. Technikę przetwarzania 1-bitowego stosuje się obecnie w odtwarzaczach CD. Przetworniki delta-sigma mają dobrą liniowość i nie występują w nich zakłócenia szpilkowe. Poza tym są one tańsze w produkcji dzięki temu, że większa część układu wykonuje funkcje cyfrowe.

Poprzez stosowanie uśredniania możliwe jest zwiększenie rozdzielczości przetwarzania powyżej tej jaką zapewnia przetwornik w jednym cyklu przetwarzania, np. 8-bitowy przetwornik może dać rozdzielczość 10-bitową. Przetwarzanie takie wymaga na każdy pomiar pewnej ilości słów cyfrowych żeby wytworzyć wartość średnią, z tego względu czas przetwarzania znacznie się wydłuża.

Z jakich elementów składa się tor sygnałowy typowego scalonego przetwornika D-S?

Przetworniki D-S działają opierając się na kompensowaniu ładunku dostarczonego do kondensatora przez uśredniony prąd wejściowy ładunkiem wprowadzanym przez okresowe dołączanie do niego wewnętrznego źródła prądu lub ładunku.

Przetwornik A/C

Przetwornik A/C z równoważeniem ładunku metoda delta-sigma

Napięcie wejściowe jest doprowadzane do wejścia układu całkującego, na którego wyjściu znajduje się komparator, porównujący napięcie wejściowe integratora z ustalonym poziomem odniesienia (np. zerem). Stan wyjścia komparatora steruje doładowywaniem kondensatora C impulsami prądu o stałym czasie trwania (niosącymi stały ładunek). W zależności od stanu wyjścia komparatora impulsy te, pojawiające się w momentach wyznaczanych zboczami zegara, płyną do masy lub do węzła sumującego w integratorze, co powoduje wyzerowanie średniego prądu przeładowującego kondensator. W ten sposób ustala się równowaga. Licznik zlicza impulsy ładunku dostarczone do kondensatora w ustalonym czasie. Wynik zliczania jest proporcjonalny do uśrednionej wartości napięcia wejściowego, czyli jest jej odpowiednikiem liczbowym.

Na czym polega mechanizm redukcji szumów w przetwornikach D-S?

Stosowany jest oversampling, czyli próbkowanie z częstotliwością większą, niż dwukrotność maksymalnej częstotliwości wejściowej.
Można również wykorzystywać modulatory S-D wyższego rzędu (charakteryzują się większą ilością integratorów - wzmacniaczy całkujących, co zapewnia efektywną eliminację szumów).

Jak się buduje i jak działają przetworniki cyfrowo-analogowe?

W skład typowego przetwornika C/A wchodzi:

Mimo istnienia wielu metod przetwarzania, większość przetworników C/A można przedstawić za pomocą schematu blokowego:

Schemat blokowy przetwornika C/A
  1. zespół przełaczników elektronicznych
  2. sieć rezystorów
  3. żródło napięcia edniesienia
  4. wyjścia prądowe
  5. wyjscia napieciowe

Jest wiele sposobów konstrukcji przetworników C/A. Obecnie najczęściej stosowanymi przetwornikami są przetworniki połączone równolegle, w których wszystkie bity sygnału są doprowadzane jednocześnie. Są również przetworniki połączone szeregowo, w których sygnał wyjściowy jest wytwarzany dopiero po sekwencyjnym przyjęciu wszystkich bitów wejściowych, co sprawia, że są wolniejsze od przetworników połączonych równolegle.

Biorąc pod uwagę cechy użytkowe oraz różnice konstrukcyjne przetworniki C/A można podzielić na:

Uśredniające przetworniki C/A:

Jeżeli informacja na wejściu ma postać ciągu impulsów lub innego przebiegu o pewnej częstotliwości, można zastosować konwersje częstotliwości na napięcie. Przy bezpośrednim przetwarzaniu częstotliwości na napięcie w każdym okresie przebiegu zostaje wytworzony standardowy impuls. Może to być impuls napięciowy bądź prądowy. Otrzymany ciąg impulsów zostaje uśredniony przez filtr dolnoprzepustowy lub integrator, co daje na wyjściu napięcie proporcjonalne do średniej częstotliwości sygnału wejściowego.

Mnożące przetworniki C/A:

W mnożących przetwornikach C/A wielkość wyjściowa jest iloczynem wejściowego napięcia i wejściowego kodu liczbowego. Mnożące przetworniki C/A umożliwiają dokonywanie pomiarów i konwersji logometrycznych. Mnożący przetwornik C/A można wykonać z przetwornika C/A, który nie ma wbudowanego źródła prądu lub napięcia, przez dołączenie do wejścia przeznaczonego dla prądu bądź napięcia analogowego sygnału wejściowego. Podstawowe parametry przetwornika C/A można podzielić na 3 grupy:

  1. parametry charakteryzujące przetwornik od strony wejścia lub wyjścia
  2. parametry statyczne przetwornika
  3. parametry dynamiczne przetwornika

Najważniejsze parametry charakteryzujące przetwornik od strony wejścia to rodzaj kodu oraz rozdzielczość. Rozdzielczością przetwornika nazywamy długość słowa wejściowego, którą wyrażamy w bitach. Parametry statyczne to dokładność bezwzględna (lub błąd dokładności bezwzględnej), dokładność względna, błąd przesunięcia zera, błąd skalowania, współczynniki termiczne zera i skali oraz rozdzielczość względna lub bezwzględna.