Transcript Prezentacja

Przetworniki
analogowo-cyfrowe,
cyfrowo-analogowe
START
Wykonał: Tomasz Szopa (kl. 4aE)
Strona tytułowa
Przetworniki są urządzeniami, które dokonują przekształceń
danej wielkości na inną wielkość według przyjętej zależności
oraz z pewną dokładnością. Bardzo często ich zadaniem jest
przekształcanie wielkości fizycznych na wielkości elektryczne
tak jak w przypadku napięcia i natężenia prądu.
Rozróżniamy wiele metod przetwarzania sygnałów w
zależności od przewidywanej klasy zastosowań. Własnościami
obecnych przetworników są małe gabaryty, mały pobór mocy
czy też szeroki i bezinwazyjny zakres pomiaru.
Najpowszechniejsze z nich to przetworniki analogowo-cyfrowe
oraz cyfrowo-analogowe.
Analogowo-cyfrowe
Cyfrowo-analogowe
Zakończ
Przetworniki analogowo-cyfrowe
Przetwornik analogowo-cyfrowy A/C to układ służący do
zamiany sygnału analogowego (ciągłego) na
reprezentację cyfrową (sygnał cyfrowy). Dzięki temu
możliwe jest przetwarzanie ich w urządzeniach
elektronicznych opartych o architekturę zero-jedynkową
oraz gromadzenie na dostosowanych do tej architektury
nośnikach danych. Proces ten polega na uproszczeniu
sygnału analogowego do postaci skwantowanej
(dyskretnej), czyli zastąpieniu wartości zmieniających się
płynnie do wartości zmieniających się skokowo w
odpowiedniej skali (dokładności) odwzorowania.
Przetwarzanie A/C tworzą 3 etapy: próbkowanie,
kwantyzacja (dyskretyzacja) i kodowanie. Działanie
przeciwne do wyżej wymienionego wykonuje przetwornik
cyfrowo-analogowy C/A.
Strona startowa
Rozdzielczość przetworników
Rozdzielczość przetwornika określa liczbę dyskretnych wartości jakie może on
wytworzyć. Zwykle wyraża się ją w bitach. Przykładowo, przetwornik A/C, który
potrafi przetworzyć próbkę sygnału na jedną z 256 wartości liczbowych posiada
rozdzielczość równą 8 bitów, ponieważ 28 = 256.
Rozdzielczość może być również wyrażona w woltach. Rozdzielczość napięcia
przetwornika A/C jest równa jego całkowitej skali pomiaru podzielonej przez liczbą
poziomów kwantyzacji:
Przykład 1
•Pełna skala pomiaru = od 0 do 10 woltów
•Rozdzielczość przetwornika jest równa 12 bitów, czyli 212 = 4096 poziomów
kwantyzacji
•Rozdzielczość napięciowa wynosi: (10-0)/4096 = 0,00244 wolta = 2,44 mV.
Przykład 2
•Pełna skala pomiaru = od -10 do +10 woltów
•Rozdzielczość przetwornika jest równa 14 bitów, czyli 214 = 16384 poziomów
kwantyzacji
•Rozdzielczość napięciowa wynosi: (10-(-10))/16384 = 20/16384 = 0,00122 wolta
= 1,22 mV
W praktyce, duży wpływ na rozdzielczość ma szum, a dokładniej stosunek
sygnału do szumu.
Strona startowa
Częstotliwość próbkowania
Analogowy sygnał jest ciągły w czasie, więc konieczne jest
przetworzenie go na ciąg liczb. To, jak często sygnał jest sprawdzany i zależnie od jego poziomu - zamieniany na liczbę, określane jest mianem
częstotliwości próbkowania. Innymi słowy można powiedzieć, że
częstotliwość próbkowania jest odwrotnością różnicy czasu pomiędzy
dwiema kolejnymi próbkami.
Zwykle, nie jest możliwe odtworzenie dokładnie takiego samego sygnału
na podstawie wartości liczbowych, ponieważ dokładność jest
ograniczona przez błąd kwantyzacji. Jednak wiarygodne odwzorowanie
sygnału jest możliwe do osiągnięcia, gdy częstotliwość próbkowania jest
większa niż podwojona, najwyższa składowa częstotliwość sygnału
(twierdzenie Nyquista-Shannona).
Strona startowa
Rodzaje przetworników A/C i zasady działania
Ze względu na metodę działania wyróżnia się dwie podstawowe metody
pracy:
* metoda bezpośrednia
* metoda kompensacyjna
Dowolny rodzaj przetworników stosuje jedną z powyższych metod.
Przykładem przetwarzania analogowo-cyfrowego jest wczytanie obrazu
przez skaner do postaci bitmapy, gdzie powierzchnia obrazu zostaje
podzielona na odpowiednią ilość jednolitych wewnętrznie pikseli, a
różnice barw pomiędzy pikselami są ujęte w postaci skokowo
zmieniających się wartości w określonej w urządzeniu rozdzielczości
próbkowania. Podobnie wygląda kwantyzacja dźwięku, polegająca na
zapisaniu zmian w czasie w postaci wartości zmieniających się skokowo,
oraz skokowym przedstawieniu obwiedni widma.
Strona startowa
Parametry przetwornika A/C
Najważniejszymi właściwościami przetworników A/C są parametry określające ich
dokładność i szybkość przetwarzania. Dokładność przetwarzania jest ograniczona
przez błędy powstające w procesie przetwarzania, które można ogólnie podzielić
na błędy cyfrowe i analogowe, co wynika z charakteru samego przetwornika,
mającego cechy zarówno układu analogowego, jak i cyfrowego. Do parametrów
określających błąd analogowy należą:
1. Nieliniowość całkowa jest określana jako maksymalne względne odchylenie
(∆UI)max rzeczywistej charakterystyki przetwarzania N = f(UI) od charakterystyki
idealnej, będącej prostą łączącą skrajne punkty zakresu przetwarzania.
Charakterystykę rzeczywistą wyznacza się jako linię łączącą środki przedziałów
napięcia UI, odpowiadających kolejnym wartościom cyfrowym na wyjściu
przetwornika.
2. Nieliniowość różniczkowa określa się przez wyznaczenie różnic między
sąsiednimi wartościami napięcia wejściowego, powodującymi zmianę słowa
wyjściowego o wartość najmniej znaczącego bitu. Nieliniowość różniczkowa jest
podawana w procentach jako maksymalne względne odchylenie tej różnicy od jej
wartości średniej w całym zakresie przetwarzania. Jest szczególnie ważna w
przetwornikach służących do zdejmowania histogramów – np. w technice
jądrowej w analizatorach amplitudy impulsów, które służą do zdejmowania widm
energetycznych promieniowania jądrowego. Błąd nieliniowości różniczkowej może
w tym przypadku powodować zniekształcenia uzyskanego widma, utrudniające
jego obróbkę i interpretację.
Strona startowa
3. Błąd przesunięcia zera (błąd niezrównoważenia) jest określany przez
wartość napięcia wejściowego potrzebną do przejścia od zerowej wartości słowa
wyjściowego do następnej większej wartości. Błąd ten jest mierzony jako
przesunięcie w stosunku do charakterystyki idealnej. Należy podkreślić, że
wartość błędu przesunięcia zera jest rzadko podawana w katalogach, gdyż jest
możliwa całkowita kompensacja tego błędu w większości nowoczesnych
przetworników.
4. Współczynnik zmian cieplnych napięcia przesunięcia zera wyrażany w
μV/°C lub w %/°C (w odniesieniu do pełnego zakresu przetwarzania).
5. Błąd skalowania (błąd wzmocnienia, błąd kwantyzacji) wynika ze zmiany
nachylenia charakterystyki przetwarzania N – f(UI) w stosunku do charakterystyki
idealnej i jest określony przez odchylenie rzeczywistej wartości napięcia UI,
odpowiadającej maksymalnej wartości słowa wyjściowego, od wartości idealnej.
6. Szybkość przetwarzania przetwornika a/c może być określana przez:
* czas przetwarzania, czyli czas, w którym zachodzi pełny cykl
przetwarzania;
* częstotliwość przetwarzania, będąca odwrotnością czasu przetwarzania,
* tzw. szybkość bitową, określoną przez liczbę bitów wyniku
przetwarzania, uzyskanych w jednostce czasu (bitów/s).
Strona startowa
4-kanałowy stereofoniczny przetwornik analogowocyfrowy WM8775SEDS firmy Wolfson
Microelectronics na karcie dźwiękowej X-Fi Fatal1ty
Pro
Strona startowa
Przetworniki cyfrowo-analogowe
Przetwornik cyfrowo-analogowy, przetwornik C/A lub
DAC (z ang. Digital to Analog Converter, DAC) przyrząd
elektroniczny przetwarzający sygnał cyfrowy (zazwyczaj
liczbę binarną w postaci danych cyfrowych) na sygnał
analogowy w postaci prądu elektrycznego lub napięcia o
wartości proporcjonalnej do tej liczby. Innymi słowy jest to
układ przetwarzający dyskretny sygnał cyfrowy na
równoważny mu sygnał analogowy. Taki przetwornik ma n
wejść i jedno wyjście. Przetworniki C/A pracują w oparciu
o jedną z trzech metod przetwarzania:
* równoległą
* wagową
* zliczania
Strona startowa
Budowa przetwornika C/A
Do elementów przetwornika zalicza się obwody wejściowe układu. Ze
względu na sposób pracy obwodów wejściowych wyróżnia się
przetworniki równolegle, w których wszystkie bity sygnału są
doprowadzane jednocześnie, oraz przetworniki szeregowe, w których
sygnał wyjściowy jest wytwarzany dopiero po sekwencyjnym przyjęciu
wszystkich bitów wejściowych, co sprawia, że są wolniejsze od
przetworników połączonych równolegle.
Zasadnicza część przetwarzająca sygnał cyfrowy na analogowy składa
się z:
* rejestr stanu, będący oddzielną częścią, może być zintegrowany z
zespołem przełączników, a w przetwornikach równoległych może nie
występować;
* zespół przełączników elektronicznych, sterowanych wejściowymi
sygnałami cyfrowymi, każdemu bitowi odpowiada jeden przełącznik;
* sieć rezystorów;
* precyzyjne źródło napięcia odniesienia lub wejście do podłączenia
takiego źródła.
Strona startowa
Parametry przetwornika
Najważniejszymi parametrami przetwornika C/A są:
•rozdzielczość - najmniejsza zmiana sygnału wyjścia
•błąd bezwzględny - największa różnica między zmierzonym napięciem
wyjściowym a wynikającym z założeń jakie ma wytwarzać idealny
przetwornika na wyjściu przy danym wejściu. Dla przetwornika liniowego
określone wzorem:
ΔU = U − Uodn / 2n
•błąd względny - jest to stosunek błędu bezwzględnego (patrz wyżej)
do napięcia odniesienia przetwornika
Strona startowa
Parametry przetwornika C/A
Parametry można podzielić ze względu na właściwości statyczne,
częstotliwościowe oraz czasowe. Najważniejsze to te określające
dokładność oraz szybkość przetwarzania sygnału przez przetwornik C/A.
Zaliczamy do nich m.in:
* Nieliniowość całkowa (z ang. integral nonlinearity (INL))
* Nieliniowość różniczkowa (z ang. differential nonlinearity (DNL))
* Szybkość przetwarzania
* Błąd skalowania
* Błąd przesunięcia zera (błąd niezrównoważenia)
* Współczynnik zmian cieplnych napięcia przesunięcia zera
* Wejściowe sygnały cyfrowe
* Wyjściowe sygnał analogowy
* Czas ustalania
* Szybkość zmian napięcia wyjściowego
* Zakłócenia przy przełączaniu
Strona startowa
Podział przetworników C/A
Biorąc pod uwagę cechy użytkowe oraz różnice konstrukcyjne
przetworniki C/A można podzielić na:
•uśredniające przetworniki C/A
•mnożące przetworniki C/A
•z przełączaniem prądów
•z napięciowymi źródłami odniesienia
•inne przetworniki.
Strona startowa
Właściwości przetworników C/A
* Rozdzielczość
Określa maksymalną liczbę możliwych dyskretnych wartości jakie może on
wytworzyć. Zwykle rozdzielczość określona jest jako liczba bitów, która jest
podstawą z 2 logarytmów z wartości liczbowej. Przykładowo 1bit'owy przetwornik
C/A jest zaprojektowany do reprodukcji dwóch (21) wartości, z kolei 8bit'owy już
256 (28). Rozdzielczość jest powiązana z Efektywną Liczbą Bitów (ENOB - z ang.
Effective Number of Bits) która jest pomiarem aktualnej rozdzielczości
przetwornika. Rozdzielczość może być również wyrażona w woltach.
* Maksymalna częstotliwość próbkowania
Określa maksymalną prędkość dla której obwód przetwornika C/A jest w stanie
pracować i produkować stały poprawny sygnał na wyjściu. W praktyce nie jest
możliwe dokładne odtworzenie samego sygnału na podstawie wygenerowanych
wartości liczbowych ze względu na błąd kwantyzacji. Wiarygodne odwzorowanie
sygnału jest możliwe wtedy gdy częstotliwość próbkowania jest dwukrotnie
większa od najwyższej częstotliwości składowej sygnału. Zgodnie z twierdzeniem
Katielnikova-Shannona.
Strona startowa
* Monotoniczność
Określa zdolność wyjścia analogowego przetwornika C/A do wzrostu wraz ze
wzrostem w kodzie cyfrowym lub odwrotnie. Ta właściwość jest ważna dla
przetwornika ze względu na możliwość zastosowania go wraz z słabej
częstotliwości sygnałem na wejściu.
* THD+N ( Współczynnik zawartości harmonicznych z ang. Total harmonic
distortion )
Określa stosunek wartości skutecznej wyższych harmonicznych sygnału, do
wartości skutecznej składowej podstawowej. Współczynnik zawartości
harmonicznych często podaje się w procentach.
* Skala dynamiki
Określa wartość w dB jako różnica największego i najmniejszego sygnału jaki
przetwornik C/A jest w stanie wytworzyć. Innymi słowy jest to stosunek sygnału
do szumu.
Strona startowa
8-kanałowy przetwornik cyfrowo-analogowy
Cirrus Logic CS4382 na karcie muzycznej
Sound Blaster X-Fi Fatal1ty
Odtwarzacz CD wraz z
zewnętrznym
przetwornikiem C/A.
Strona startowa
Źródła:
Internet:
– http://pl.wikipedia.org/wiki/Przetwornik_analogowo-cyfrowy
– http://pl.wikipedia.org/wiki/Przetwornik_cyfrowo-analogowy
– http://wwwusers.mat.uni.torun.pl/~bala/sem_mgr_2000/przetworniki_ac/przet
wornik_ac.html
– http://wwwnt.if.pwr.wroc.pl/up/przewodnikSPD/SPD10_2.HTM
– http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/c-a.htm
Literatura:
– Stanisław Bolkowski „Elektrotechnika” WSiP– wydanie ósme;
Warszawa 1998
Dziękuje
za uwagę.