Принцип аналого-цифрового преобразования информации

Ключевые слова и термины:

сигнал взятой из информационного источника, электрический сигнал, фильтрация помехов, использования аналоговых или цифровых форм, дискретизация, квантования, кодирования, тактовый интервал времени, тактовый момент времени, шаг квантования, ошибки квантования, шум квантования, коэффициенты разрядов.

В большинстве случаев получаемый непосредственно от источника информации сигнал представлен в форме непрерывно меняющегося по значению напряжения либо тока. (Рис. 1). Таков, в частности, характер электрического сигнала, соответствующего телефонным, телевизионным и другим видам сообщений. Для передачи таких сообщений по линии связи или для их обработки (например, при от фильтровании помех) могут быть использованы две формы: аналоговая или цифровая.

Рис. 1

Аналоговая форма предусматривает оперирование всеми значениями сигнала, цифровая форма - отдельными его значениями, представленными в форме кодовых комбинаций.

Преобразование сигналов из аналоговой формы в цифровую выполняется в устройстве, называемом аналого-цифровым преобразователем (АЦП). В преобразователе сигналов из аналоговой формы в цифровую можно выделить следующие процессы: дискретизацию, квантование, кодирование. Рассмотрим сущность этих процессов. При этом для определенности в последующем изложении будем считать, что преобразование в цифровую форму осуществляется над сигналом, представленным в форме меняющегося во времени напряжения.

Дискретизация непрерывных сигналов

Процесс дискретизации заключается в том, что из непрерывного во времени сигнала выбираются отдельные его значения, соответствующие моментам времени, следующим через определенный временной интервал Т (на рис. 1 моменты t0,t1 .). Интервал Т называется тактовым интервалом времени, а моменты t0,t1 . в которые берутся отсчеты, - тактовыми моментами времени.

Дискретные значения сигнала следует отсчитывать с таким малым тактовым интервалом Т, чтобы по ним можно было бы восстановить сигнал в аналоговой форме с требуемой точностью.

Квантование и кодирование

Сущность этих операций заключается в следующем. Создается сетка так называемых уровней квантования (рис.1), сдвинутых друг относительно друга на величину А, называемую шагом квантования. Каждому уровню квантования можно приписать порядковый номер (0, I, 2, 3, 4 и т.д.). Далее полученные в результате дискретизации значения исходного аналогового напряжения заменяются ближайшими к ним уровнями квантования. Так, на диаграмме рис.1 значение напряжения в момент t0 заменяется ближайшим к нему уровнем квантования с номером 3, в тактовый момент t1 значение напряжения ближе к уровню 6 и заменяется этим уровнем и т.д.

Описанный процесс носит название операции квантования, смысл которой состоит в округлении значений аналогового напряжения, выбранных в тактовые моменты времени. Как и всякое округление, процесс квантования приводит к погрешности (к ошибкам квантования) в представлении дискретных значений напряжения, создавая так называемый шум квантования. При проектировании АЦП стремятся снизить шум квантования до такого уровня, при котором он еще обеспечивает требуемую точность. Подробнее шум квантования будет рассмотрен далее.

Следующая операция, выполняемая при аналого-цифровом преобразовании сигналов, - кодирование. Смысл ее состоит в следующем. Округление значения напряжения, осуществляемое при операции квантования, позволяет эти значения представлять числами - номерами соответствующих уровней квантования. Для диаграммы, представленной на рис.1, образуется последовательность чисел: 3, 6, 7, 4, I, 2 и т.д. Получаемая таким образом последовательность чисел представляется двоичным кодом.

Наряду с рассмотренными выше погрешностями квантования при аналого-цифровом преобразовании возникают аппаратурные погрешности, связанные с неточностью работы отдельных узлов АЦП. Эти погрешности будут выявляться при рассмотрении различных схемных построений АЦП.

Цифроаналоговые преобразователи

Рассмотрим цифроаналоговые преобразователи (ЦАП), построенные по принципу суммирования напряжений или токов, пропорциональных весовым коэффициентам двоичного кода.

Схема ЦАП с суммированием напряжений

Одна из таких схем с суммированием напряжений на операционном усилителе приведена на рис.2. Триггеры 1 . n образуют регистр, в который помещаются двоичные числа, предназначенные для перевода в пропорциональные им значения напряжения на выходе. Будем считать, что напряжение на выходе каждого из триггеров может принимать одно из двух возможных значений: E при состоянии 1 и 0 при состоянии 0.

Читайте также

Проектирование двухвходовой КМОП-схемы дешифратора 2 в 4
КМОП (комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник; англ. CMOS, Complementary-symmetry/metal-oxide semiconductor) - технология построения электронных схем. В те ...

Основная техническая документация на рабочий проект волоконно-оптической линии передачи
В настоящее время в России в рамках развития единой сети электросвязи (ЕСЭ) проводятся большие работы по расширению услуг электросвязи, особенно в части подвижной связи, спутникового и к ...

Надежность работы ВОЛП
В данной работе рассматривается проблема обеспечения надежности эксплуатируемых линейно-кабельных сооружений при воздействии внешних факторов - влияние молнии, воздействие коррозии, меха ...