podsumowanie cid

Przetwarzanie
analogowo-cyfrowe sygnałów
A/C
0110101110
1
Paweł Strumiłło, Instytut Elektroniki Politechniki Łódzkiej
Po co przekształcać sygnał do
postaci cyfrowej?
 Można stosować komputerowe metody
rejestracji, przetwarzania i analizy sygnałów
 parametry systemów cyfrowych nie podlegają
zmianom w czasie są m.in. niezależnie od zmian
temperatury
 można stosować złożone procedury
przetwarzania i analizy sygnałów, które dzięki
programowej realizacji można łatwo modyfikować
 sygnał w postaci cyfrowej łatwo zapamiętać w
postaci elektronicznej i przesyłać
2
Paweł Strumiłło, Instytut Elektroniki Politechniki Łódzkiej
Przykład elektronicznego układu
analogowego
R
T
RL
Gen
3
Paweł Strumiłło, Instytut Elektroniki Politechniki Łódzkiej
Przykład elektronicznego układu
cyfrowego
01100011001
01001000100
01001001001
..................
............
11100011001
01001010101
01001011001
..................
............
1 (Hi)
2.4-5 V
0 (Lo)
0-0.8 V
t
Paweł Strumiłło, Instytut Elektroniki Politechniki Łódzkiej
4
Sygnał dyskretny a sygnał cyfrowy
 Sygnał dyskretny, którego próbki skwantowano do
wartości dyskretnych nazywamy sygnałem cyfrowym
xc(nT)
3
2
1
0
0
1 2 3
T
Cztery poziomy
kwantowania
Paweł Strumiłło, Instytut Elektroniki Politechniki Łódzkiej
n
5
Sygnał cyfrowy
 Kwantyzacja amplitudy próbek jest działaniem
nieodwracalnym, np. round(4.3)=4
xc(nT)
3
2
1
0
0
1 2 3
T
n
6
Paweł Strumiłło, Instytut Elektroniki Politechniki Łódzkiej
Szum kwantyzacji
2Q
Q
Q
Q/2
0
-Q/2
-Q
-2Q
0
100
200
300
400
500
600
700
7
Paweł Strumiłło, Instytut Elektroniki Politechniki Łódzkiej
Szum kwantyzacji (ang. quantization noise)
Sygnal i sygnal skwantowany
15
10
q
A
q
Odstęp kwantyzacji:
SNRq  24 dB
5
A
2B 1
0
0
100
200
0
100
200
300
400
Szum kwantyzacji
500
600
500
600
1
q
0.5
0
-0.5
-1
300
400
Szum kwantyzacji:
 A
SNRq  20 log10    20 log10 2 B  1  20 log10 2 B  6B
q


 
dB
np. dla B=8, SNRq  48 dB
Paweł Strumiłło, Instytut Elektroniki Politechniki Łódzkiej
Kodowanie cyfrowe a odstęp
sygnału od szumu kwantowania
Praktyczny wzór do zapamiętania:
!
SNRdB  6B [dB]
np. 11 bitów próbkowania sygnału EKG w bazie
MIT-BIH zapewnia dynamikę sygnału ~65 dB
Wniosek: parametr SNR zwiększa się o 6dB z
powiększeniem o 1 bit długości słowa kodującego
próbki sygnału.
Paweł Strumiłło, Instytut Elektroniki Politechniki Łódzkiej
9
Sygnał cyfrowy – przykład EKG
Dane:
W bazie sygnałów EKG MIT-BIH Arrhythmia Database do
przetworzenia sygnału do postaci cyfrowej zastosowano częstotliwość
próbkowania fs=360 Hz oraz 11 bitowy przetwornik A/C
przetwarzający zakres napięć wejściowych
+- 5 mV.
1080
Szukane:
?
Wyznaczyć rzeczywiste
1070
wartości amplitud w mV
oraz chwile czasowe w sek. 1060
odpowiadające kolejnym
1050
próbkom sygnału EKG
1040
1030
0
20
40
60?
?
Paweł Strumiłło, Instytut Elektroniki Politechniki Łódzkiej
80
10010
Sygnał cyfrowy – przykład EKG
Zadanie: W bazie danych MIT/BIH Arrhythmia Database próbki
sygnałów EKG są kodowane słowami 11-bitowymi.
Zakres przetwarzania przetwornika A/C wynosi -5mV - +5mV.
Jak przeliczyć skwantowane wartości na wartości napięć?
+ 5mV
2047
0V
t
- 5mV
1023
0
T=1/360
Paweł Strumiłło, Instytut Elektroniki Politechniki Łódzkiej
11
Sygnał cyfrowy – przykład EKG
plot(t,ekg);
1.2
Amplituda [mV]
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5 0.6
Czas [s]
0.7
0.8
Paweł Strumiłło, Instytut Elektroniki Politechniki Łódzkiej
0.9
1
12
Zakres przetwarzania przetwornika AC
+ 5mV
Jaki zakres napięć?
2047
max=1228
0V
1023
t
min=1002
- 5mV
0
T
Paweł Strumiłło, Instytut Elektroniki Politechniki Łódzkiej
13
Cyfrowy system akwizycji sygnałów
sygnał analogowy
sygnał cyfrowy
zakłócenie
Sonda
>
+
tor pomiarowy
A/C
Przetwarzanie
i analiza cyfrowa
- procesor sygnałowy
- program komputerowy
Wynik
(sygnał,
parametr,
diagnoza)
filtr antyaliasingowy
14
Paweł Strumiłło, Instytut Elektroniki Politechniki Łódzkiej
Cyfrowy system przetwarzania sygnałów
przetwarzanie w czasie
rzeczywistym
sygnał
analogowy
xt 
A/C
Przetwarzanie
i analiza cyfrowa
sygnał
analogowy
C/A
x̂t 
xt   xˆ t 
15
Paweł Strumiłło, Instytut Elektroniki Politechniki Łódzkiej
Konstrukcje przetworników AC
11100011001
01001010101
01001011001
..................
............
sygnał
analogowy
xt 
Układ próbujący
z pamięcią
Przetwornik
napięcia stałego
na słowo binarne
ciąg słów
binarnych
Przetwornik analogowo-cyfrowy
16
Paweł Strumiłło, Instytut Elektroniki Politechniki Łódzkiej
Układ próbkujący z pamięcią
_
xt 
sygnał
analogowy
x̂t 
+
x̂t 
C
17
Paweł Strumiłło, Instytut Elektroniki Politechniki Łódzkiej
Przetwornik A/C typu flash
Uzakr
0
Uwe
R
MSB
0
R
1
Enkoder
LSB
01001011
Nn
R
1
R
komparatory napięcia N=2n
Paweł Strumiłło, Instytut Elektroniki Politechniki Łódzkiej
18
Przetwornik C/A
z sumowaniem prądów
LSB
MSB
1
8R
1
4R
0
2R
0
R
Rs
_
W
+
Uwy
19
Paweł Strumiłło, Instytut Elektroniki Politechniki Łódzkiej
Przetworniki A/C i C/A
Obecnie przetworniki A/C i C/A są dostępne w
postaci układów scalonych (m.in. są elementami
procesorów jednoukładowych).
Ich podstawowe parametry to:
zakres napięć wejściowych/wyjściowych
liczba bitów
czas przetwarzania, np. 20 us
błąd nieliniowości np. ½ LSB
20
Paweł Strumiłło, Instytut Elektroniki Politechniki Łódzkiej
Podsumowanie
 Cyfryzacja sygnału- po co?
 Kwantyzacja
 SNR – szum kwantyzacji
 Przetwornika A/C i C/A
21
Paweł Strumiłło, Instytut Elektroniki Politechniki Łódzkiej