Convertor analog-digital

Convertor AD la USB

Un convertor analog în digital (în engleză Analog to Digital Converter ) este un circuit electronic capabil să convertească un semnal analog cu o tendință continuă (de exemplu, o tensiune ) într-o serie de valori discrete (a se vedea teoria conversiei analog-digitale ). Convertorul digital-analog sau DAC face invers.

Rezoluţie

Rezoluția unui ADC indică numărul de valori discrete pe care le poate produce. De obicei, este exprimat în biți . De exemplu, un ADC care codifică o intrare analogică în 256 de niveluri discrete are o rezoluție de 8 biți , fiind 2 ⁸ = 256. Rezoluția poate fi de asemenea definită electric și exprimată în volți . Rezoluția în volți a unui ADC este egală cu diferența minimă de potențial dintre două semnale care sunt codificate cu două niveluri distincte adiacente. Câteva exemple vă pot ajuta:

Exemplul 1:
- Interval între 0 și 10 volți
- Rezoluție ADC pe 12 biți: 2 ¹² = 4096 nivele de cuantificare
- Diferența de potențial între două niveluri adiacente este de 10 V / 4096 = 0,00244 V = 2,44 m V
Exemplul 2:
- Interval între -10 și 10 volți
- Rezoluție ADC pe 14 biți: 2 ¹⁴ = 16384 nivele de cuantificare
- Diferența de potențial între două niveluri adiacente este de 20V / 16384 = 0,00122V = 1,22mV

În practică, rezoluția unui convertor este limitată de raportul semnal-zgomot ( raportul S / N ) al semnalului în cauză. Dacă există prea mult zgomot la intrarea analogică, va fi imposibil să se convertească cu precizie dincolo de un anumit număr de biți de rezoluție. Chiar dacă ADC va produce o valoare, aceasta nu va fi precisă, deoarece biții cel mai puțin semnificativi sunt o funcție a zgomotului și nu a semnalului. Raportul S / N ar trebui să fie de aproximativ 6 dB pe bit.

Tipuri de răspuns

Majoritatea ADC-urilor sunt liniare, ceea ce înseamnă că sunt proiectate pentru a transmite o valoare care este o funcție liniară a semnalului de intrare. Un alt tip comun de ADC este cel logaritmic, care este utilizat în sistemele de comunicații vocale pentru a crește entropia semnalului digitalizat.

Histograma unui semnal de vorbire are forma a două curbe exponențiale inverse, prin urmare, ADC neliniar încearcă să aproximeze acest lucru cu o funcție pătrată de densitate a probabilității, cum ar fi o lege sau o lege , funcții logaritmice . Semnalul distorsionat are un interval dinamic mai redus, iar cuantificarea acestuia adaugă mai puțin zgomot semnalului original decât ar face un cuantizator liniar cu aceeași rezoluție de biți.

Precizia depinde de eroarea de conversie. Această eroare constă din două componente: o eroare de cuantificare și o eroare de neliniaritate (sau infidelitate față de curba dorită în cazul ADC-urilor neliniare intenționate). Aceste erori sunt măsurate cu o unitate numită LSB ( bitul cel mai puțin semnificativ = bitul cel mai puțin semnificativ ) și indică în ce măsură biții reprezintă semnal și câți sunt doar zgomot. Într-un ADC pe 8 biți, o eroare de 1 LSB este egală cu o eroare de 1/256 sau aproximativ 0,4%; este un mod de a spune că ultimul bit este aleatoriu. Într-un ADC pe 16 biți cu o eroare de 4 LSB, aceasta înseamnă că eroarea va fi 4 / (2 ¹⁶ ) sau 0,006%.

Eroarea de cuantificare se datorează rezoluției finite a ADC și este o imperfecțiune inerentă a tuturor tipurilor de ADC. Magnitudinea erorii de cuantificare pe un eșantion este între zero și un LSB.

Toate ADC-urile suferă de erori de neliniaritate cauzate de imperfecțiuni fizice, determinând ieșirea lor să devieze de la o funcție liniară (sau de la o altă funcție, în cazul ADC-urilor neliniare intenționate). Aceste erori pot fi uneori atenuate printr-o calibrare .

Parametrii importanți pentru liniaritate sunt neliniaritatea integrală (INL) și neliniaritatea diferențială (DNL).

Rata de eșantionare

Semnalul analogic este continuu și trebuie convertit într-un flux de valori discrete. Prin urmare, este necesar să se definească o frecvență la care să se probeze valorile discrete ale semnalului analogic. Această frecvență este rata de eșantionare (rata de eșantionare în engleză) a convertorului.

Ideea cheie este că un semnal de lățime de bandă limitată continuu, care poate varia, poate fi eșantionat și apoi reprodus exact din valori discrete de timp cu un algoritm de interpolare dacă frecvența de eșantionare este de cel puțin două ori frecvența maximă a semnalului ( teorema Nyquist-Shannon ). Cu toate acestea, precizia este limitată de eroarea de cuantificare.

Deoarece în practică un ADC nu poate face o conversie instantanee, valoarea de intrare trebuie să rămână în mod necesar constantă în timpul în care convertorul efectuează conversia (numit timpul de conversie sau timpul de conversie). Un circuit de intrare numit sample / hold îndeplinește această sarcină - adesea folosește un condensator pentru stocarea tensiunii de intrare a semnalului și un comutator electronic pentru deconectarea condensatorului de la intrare. Multe ADC-uri construite pe circuite integrate construiesc subsistemul de eșantionare / reținere intern.

Alianta

Toate ADC-urile funcționează prin eșantionarea intrărilor lor la intervale de timp discrete. Ieșirea este, prin urmare, o imagine incompletă a intrării și nu există nici o modalitate de a ști, uitându-ne doar la ieșire, ce valori a intrat între două instanțe de eșantionare adiacente. Dacă se știe că intrarea variază lent în comparație cu rata de eșantionare, atunci se poate presupune că este întotdeauna conținută între cele două extreme din acel interval.

Rezultatul direct al reproducerii unui semnal eșantionat la o frecvență mai mică a benzii sale este că componentele semnalului la frecvențe mai mari vor fi reproduse la frecvențe diferite, mai mici decât frecvența de eșantionare. De exemplu, prin eșantionare la 1,5 k Hz undă sinusoidală la 2 kHz va fi transformată într - un val de la 500 Hz (și în opoziție de fază ). Problema aliasing-ului poate fi observată și vizual, este suficient să rețineți că la televizor sau în cinematograf (unde imaginea este eșantionată la 25 Hz), apar adesea obiecte în rotație la frecvențe mai mari, cum ar fi lamele elicopterului sau roțile mașinii. să se învârtă încet, sau chiar invers, decât s-ar putea aștepta.

Pentru a elimina aliasing-ul, intrarea unui ADC trebuie filtrată (low-pass) pentru a elimina frecvențele peste frecvențele de eșantionare. Acest filtru se numește anti-aliasing și este esențial într-un sistem ADC.

Dither

Ditheringul unui semnal constant

Ditheringul constă în introducerea artificială a zgomotului în semnalul de intrare pentru a îmbunătăți calitatea conversiei prin depășirea limitării unei rezoluții finite. Deși poate părea absurd că zgomotul poate îmbunătăți calitatea, se poate demonstra că acest lucru este adevărat printr-un simplu exemplu numeric.

Să presupunem că semnalul de intrare este întotdeauna egal și constant cu valoarea de 0,34 volți și că convertorul nostru are o rezoluție de 0,1 volți. În absența zgomotului, semnalul va fi eșantionat și aproximat ca o secvență de valori egală cu 0,3 V, cel mai apropiat nivel al cuantificatorului. Dacă, pe de altă parte, adăugăm un pic de zgomot alb , adică un semnal cu o valoare medie nulă, cu o varianță egală cu 0,1 V (egală cu rezoluția convertorului, 1LSB) vom avea că semnalul va oscila acum între 0,24 V și 0,44 V cu rezultatul că probele vor avea valorile de 0,2, 0,3 sau 0,4 Volți. Pentru proprietățile statistice ale zgomotului, valoarea medie a eșantioanelor, în loc de 0,3 volți, va fi de 0,34 V: în practică, zgomotul a anulat eroarea medie.

Observând figura, este clar cum se adaugă eroarea în absența scuturării în timp, deoarece cele două linii groase sunt paralele în timp ce linia subțire, oscilând în jurul valorii exacte, o aproxima în valoare medie tot mai mult pe măsură ce trece timpul.

Facilități ADC

În electronică există cinci moduri comune de implementare a unui ADC:

O conversie directă ADC ( Flash ADC ) are un comparator pentru fiecare nivel de tensiune recunoscut de cuantizator. Un ADC flash pe 8 biți va avea 2 ^ 8-1 (= 256-1) comparatoare. Semnalul de intrare ajunge la toți comparatorii. Toate cele în care tensiunea semnalului de intrare este mai mare decât tensiunea de prag pentru acel bit particular vor aduce la ieșire o valoare de saturație pozitivă. Prin intermediul unui codor prioritar, numai cel mai mare dintre ei își va activa ieșirea, cea a nivelului corespunzător. Convertoarele de bliț sunt cele mai rapide din toate timpurile și sunt folosite pentru a testa eșantioane de semnal de înaltă frecvență, până la mai mulți G Hz. Deoarece numărul de comparatoare necesare crește exponențial cu numărul de biți necesari, convertoarele de bliț rareori au mai mult de 8 biți de rezoluție.
Un ADC de aproximare succesiv (SAR - Registrul de aproximare succesiv) folosește un comparator și un convertor digital-analog , la fiecare trecere ADC încearcă să seteze un bit, începând de la MSB ( Bitul cel mai semnificativ, bit cu o greutate mai mare) și folosind DAC compară semnalul eșantionat cu semnalul de intrare de feedback. Acest convertor detectează puțin la fiecare iterație într-un fel de căutare binară și rezoluția este limitată doar de nevoile ratei de eșantionare și de zgomotul de intrare.
Un ADC de urmărire (codificat delta) are un contor ascendent-jos conectat la un DAC. Un comparator compară semnalul de ieșire DAC cu semnalul de intrare și nu mai contează atunci când valorile sunt suficient de apropiate unele de altele. Când se întâmplă acest lucru, contorul conține nivelul cuantificat al semnalului. Acești convertoare sunt adesea folosite pentru a citi cantități fizice care nu variază cu viteza mare, dar care trebuie citite cu mare precizie.
Un ADC cu pantă dublă (sau integrator) produce un semnal din dinte de fierăstrău în creștere, apoi cade rapid la zero. Semnalul de intrare este integrat prin ridicarea rampei în timp ce un contor ține evidența timpului. Când rampa atinge un nivel cunoscut, numărul se termină și indică valoarea cuantificată a semnalului. Acest tip de ADC este sensibil la temperatură, deoarece poate modifica ceasul folosit pentru a menține timpul sau poate modifica tensiunea de referință pentru rampă și trebuie recalibrat des.
Un ADC de conductă (cunoscut și sub denumirea de cuantificator ) este similar cu un ADC de aproximare succesiv, dar în loc să detecteze câte un bit la un moment dat, detectează un bloc de biți; într-un prim pas există o conversie brută a semnalului care este apoi reconvertită de un DAC; atunci diferența dintre semnalul original și cel eșantionat este cuantificată, în cele din urmă este posibil să se procedeze la cuantificări din ce în ce mai fine cu pașii următori. De exemplu, dacă presupunem că avem un cuantizator pe 4 biți care funcționează cu un interval de [0 ÷ 2,56 V] (deci cu o rezoluție de 0,16 V) și un alt cuantificator pe 4 biți care funcționează între [0 V ÷ 0,16 V] cu o rezoluție de 0,01 V. După ce ați cuantizat semnalul de intrare cu primul cuantificator, diferența dintre semnalul cuantificat și semnalul de intrare va fi cel mult cea a rezoluției și poate fi citită din al doilea cuantizator. Dacă semnalul de intrare a fost egal cu 2,50 V, primul eșantionator va identifica nivelul 15 (1111 în binar), care corespunde unei valori de 2,40 V, diferența de 0,1 V este cuantificată de al doilea cu nivelul 10 (1010 în binar) ; prin combinarea codurilor, se obține 1111 1010 , adică o valoare de 8 biți.

Defecțiuni ale convertorului analog-digital

Convertoarele AD au unele erori, prima dintre toate este legată de procesul de eșantionare și cuantificare . De fapt, prevede discretizarea la o valoare bine cunoscută a tuturor eșantioanelor care se încadrează într-un interval de tensiune numit cuantic. Presupunând o dinamică de intrare de valoare S pe un convertor n-bit, cuantica are valoare:

\Delta s={\frac {s}{2^{n}}}

{\ displaystyle \ Delta s = {\ frac {s} {2 ^ {n}}}}

\ Delta s = {\ frac {s} {2 ^ {n}}}

Pentru a reduce erorile, discretizarea se efectuează considerând fiecare eșantion ca o valoare centrală având astfel o eroare maximă a valorii cuantice. Prin urmare, definim eroarea de cuantizare egală cu jumătate din cuantică:

\Delta s={\frac {1}{2}}\cdot {\frac {s}{2^{n}}}={\frac {s}{2^{n+1}}}

{\ displaystyle \ Delta s = {\ frac {1} {2}} \ cdot {\ frac {s} {2 ^ {n}}} = {\ frac {s} {2 ^ {n + 1}}} }

\ Delta s = {\ frac {1} {2}} \ cdot {\ frac {s} {2 ^ {n}}} = {\ frac {s} {2 ^ {{n + 1}}}}

Alte erori clasice în convertizoarele AD sunt:

Eroare de neliniaritate absolută
Eroare de câștig
Eroare diferențială
Eroare de compensare

În foaia tehnică a unui convertor este indicată în general acumularea tuturor erorilor într-o „Eroare totală” reprezentată în fracțiune din LSB .

Tipuri de convertoare analog-digitale

Convertoarele analog-digitale sunt împărțite în ^[1] :

rapid
lent (dar mai precis)

Există, printre altele, diferite tipuri de convertoare analog-digitale, fiecare potrivit pentru un scop ^[2] :

11 kHz pentru înregistrarea vocii umane;
la 22 kHz pentru înregistrarea pe bandă;
la 44 kHz pentru înregistrarea pe CD

Până la frecvența de eșantionare de 200 kHz, este posibil să se utilizeze convertoare Sigma-Delta care garantează precizie maximă și filtre anti-aliasing integrate, pentru frecvențe între 200 kHz și 10 MHz, în schimb, convertoare SAR capabile să reconstruiască cu semnale de fidelitate care nu sunt naturale (cum ar fi undele pătrate - PWM), dar care necesită o atenție specială pentru a reduce fenomenul de aliasing . ^[3]

Notă

^ Convertorul analog-digital
^ ADC (convertor analogic digital) TOP
^ Ce este un convertor ADC [Ghid complet] , la dewesoft.com . Adus pe 19 aprilie 2020 .

Elemente conexe

Alte proiecte

Wikisource conține o pagină dedicată Convertorului analog-digital
Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre convertorul analog-digital

linkuri externe

Notă de aplicație privind îmbunătățirea conversiei folosind Dithering ( PDF ), pe atmel.com .
Îmbunătățirea rezoluției unui sistem de conversie AD folosind tehnica de supra-eșantionare și medie ( PDF ), la silabs.com .
Descrierea principalilor parametri care cuantifică bunătatea unui sistem de conversie AD (SINAD, ENOB, SNR, THD, THD + N, SFDR) ( PDF ), pe analog.com .

Controlul autorității	LCCN (EN) sh85004773 · GND (DE) 4128359-4

Portal electronic : accesați intrările Wikipedia care se ocupă de electronică

[1] Convertorul analog-digital

[2] ADC (convertor analogic digital) TOP

[3] Ce este un convertor ADC [Ghid complet] , la dewesoft.com . Adus pe 19 aprilie 2020 .

[1]

[2]

[3]