Основні принципи перетворення сигналів. Дискретизація сигналів. Цифро-аналогові перетворювачі.

Задча переведення двійкових кодів в аналоговий сигнал вирішується за допомогою цифро-аналогових перетворювачів (ЦАП). Обернена задача вирішується за допомогою (АЦП). Наведемо деякі загальні відомості, що стосуються цих процесі.

У загальному випадку ці процеси можна описати наступними блок-схемами

 

 

Дискретизація – представлення неперервного аналогового сигналу послідовністю його значень (відліку). Відлік береться, як правило, у рівновіддалені моменти часу. Проміжок часу між моментами відліку називається інтервалом дискретизації.

Обернена інтервалу дискретизації величина називається частотою дискретизації.

Зрозуміло, що чим вище частота дискретизації, тим меншою є різниця між аналоговим сигналом та його дискретизованою копією. Спотворення сигналу можна усунути за допомогою фільтра нижніх частот. Таким чином відбувається відновлення аналогового сигналу із дискретизованого. Але відновлення буде точним тільки в випадку, коли частота дискретизації перевищуватиме максимальну частоту вхідного сигналу принаймні вдвічі (теорема Котельникова). Якщо ця умова не виконується, то дискретизація супроводжується спотвореннями, які не усуваються. У результаті дискретизації у частотному спектрі сигналу з'являються додаткові компоненти, розташовані навколо гармонік частоти дискретизації в діапазоні, що дорівнює подвоєній ширині спектра вхідного аналогового сигналу. Якщо максимальна частота в частотному спектрі аналогового сигналу перевищує половину частоти дискретизації, то додаткові компоненти потраплять до смуги частот вхідного аналогового сигналу. У цьому випадку відновити вхідний сигнал без спотворень уже неможливо.

Квантування – заміна величин відліків сигналу найближчими значеннями із набору фіксованих величин.

Перейдемо безпосередньо до АЦП:

Цифро-аналогові перетворювачі (ЦАП) призначені для перетворення числа, визначеного, як правило у двійковому коді, на напругу або струм, що пропорційні значенню цифрового коду.

ЦАП можна умовно поділити за:

w схемним виконанням;

w типом вихідного сигналу (напруга, струм);

w типом цифрового інтерфейсу (паралельні, послідовні);

w кількістю ЦАП в одній мікросхемі (багатоканальні, одноканальні);

w швидкодією.

Наведемо узагальнену схему АЦП і частинний випадок(4 розряди)

 

При замиканні одного з ключів вихідна напруга ЦАП визначається добутком опірної напруги на відношення опорів резистора зворотного зв'язку та резистора матриці, що є в колі даного ключа.

При замиканні кількох ключів одночасно вихідна результуюча напруга визначатиметься сумою внесків від кожного замкненого ключа.

Очевидним недоліком такого ЦАП є вимога наявності опорів у широкому діапазоні. Так для 8-розрядному ЦАП потрібно 9 резисторів з опорами від 5 КОм до 1,28 МОм (256*5КОм). Значення опорів у такому широкому діапазоні практично неможливо отримати за технологією напівпровідникової мікроелектроніки.

 

Тому іншим варіантом є ЦАП на основі резистивної матриці R-2R

 

Якщо вважати, що в цій схемі всього 4 розряди, то буде очевидно, що якщо всі ключі знаходяться в положенні "0", то вихідна напруга буде дорівнювати нулю. Можна порахувати, що якщо ключ нульового розряду встановлений в положення "1", а всі інші в положення "0", то Uвих = V * 1 / 16, якщо ключ першого розряду встановлений в положення "1", а всі інші в положення "0", то Uвих = V * 1 / 8, якщо ключі нульового та першого розрядів встановлені в положення "1", а всі інші в положення "0", то
Uвих = V * (1 / 16 +1 / 8), і так далі можа узагальнити на будь-який випадок.

Важливу частину ЦАП складає інтерфейс з іншими приладами. Від нього залежить не тільки зручність підключення, але й форма сигналу на виході. Наприклад, неодночасність подачі вхідних бітів на ЦАП призводить до неконтрольованих викидів напруги на виході при зміні вхідної інформації. Залежно від способу завантаження вхідних даних вони поділяються на ЦАП із послідовним і паралельним інтерфейсами вхідних даних.