przetworniki analogowo

PRZETWORNIKI
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.
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.
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).
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.
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.
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).
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
zliczania
* wagową
*
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.
Parametry przetwornika C/A.
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
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.
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.
* 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.
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/przetwornik_ac.ht
ml
• 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
Autor: Tomasz Szopa