Устройства для преобразования данных из цифрового формата в аналоговый и обратно — это устройства, способные преобразовать дискретный (цифровой) сигнал в непрерывный (аналоговый) сигнал, а также устройства, способные преобразовать непрерывный (аналоговый) сигнал в цифровой.
Основные типы сигналов
Проблемы аналого-цифровых (АЦП) и цифро-аналоговых (ЦАП) преобразователей считаются достаточно важными в электротехнике, так как практически все устройства, взаимодействующие с компьютерным оборудованием, имеют аналоговый вход/выход, а компьютер способен осуществлять обработку только цифровых сигналов.
Известны следующие основные типы сигналов:
- Аналоговый тип сигналов.
- Дискретный тип сигналов.
- Цифровой тип сигналов.
Аналоговыми являются сигналы, которые являются непрерывными во времени, то есть, они определены в каждый момент времени. Дискретными считаются сигналы, которые представлены последовательностью отсчётов, то есть значениями сигналов в каждый дискретный момент времени.
Цифровыми являются сигналы, которые дискретны во времени (или в пространстве) и, при этом, квантованы по уровню. Вычислительные операции в компьютерах реализуются именно с цифровыми сигналами.
Устройства для преобразования данных из цифрового формата в аналоговый и обратно.
Для того, чтобы компьютер смог осуществить обработку сигналов, требуется сначала реализовать преобразование сигнала из аналоговой формы в цифровую. А по завершении обработки необходимо выполнить обратное преобразование, так как практически все бытовые устройства управляются при помощи аналоговых сигналов.
Блок-схема цифровой обработки сигнала в общем виде может быть представлена следующим образом:
Рисунок 1. Блок-схема цифровой обработки сигнала. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Аналого-цифровое преобразование сигналов состоит из следующих этапов:
- Процесс дискретизации сигнала (во времени или пространстве).
- Процесс квантования сигнала по уровню.
На этапе дискретизации следует брать отсчёты сигнала с определённым периодом дискретизации (Т). Частота дискретизации может быть определена по следующей формуле:
fд=1/T
Процесс считывания отсчёта входного сигнала необходимо выполнить так, чтобы он занимал сравнительно небольшую часть периода дискретизации. Это позволяет уменьшить динамические ошибки преобразования, которые обусловлены изменениями сигнала за время снятия отсчёта.
Частота дискретизации должна выбираться согласно теореме Котельникова. А именно, для того чтобы по отсчётам сигнала имелась возможность достаточно точного восстановления непрерывного сигнала, необходимо чтобы частота дискретизации была по крайней мере в два раза больше верхней частоты спектра сигнала, подлежащего дискретизации.
Каждый сигнал обладает своим спектральным представлением. Каждое представление сигнала является представлением в формате суммы (или интеграла) гармонических составляющих, то есть набора синусоид и косинусоид, различных частот, которые взяты с определёнными весовыми коэффициентами, то есть, обладающими определённой амплитудой. Для периодических сигналов это будет сумма, а для непериодических сигналов, это будет интеграл. Переход к спектру сигнала может быть осуществлён при помощи прямого преобразования Фурье.
А принцип действия ЦАП состоит в нахождении суммы аналоговых сигналов (тока или напряжения). Вычисление суммы выполняется с коэффициентами, которые могут быть равны нулю или единице в зависимости от значения соответствующего разряда кода. Выходной сигнал ЦАП может иметь формат тока, напряжения или заряда. ЦАП с токовыми выходами применяются в основном в прецизионных и высокочастотных схемах.
ЦАП с выходным напряжением являются самыми распространенными. Следует отметить, что максимальное выходное напряжение на один МЗР (младший значащий разряд входного кода) ниже напряжения полной шкалы (ПШ). Отдельные ЦАП предоставляют возможность использования всей шкалы.
Самыми важными характеристиками ЦАП являются:
- Разрядность, шаг квантования (разрешающая способность) и уровень точности преобразования.
- Передаточная характеристика, то есть, зависимость выходного сигнала ЦАП от входной информации.
- Разрядность (N), то есть, количество бит во входном коде.
- Разрешением является выходное напряжение, которое соответствует одному МЗР. Оно зависит от числа разрядов и способно определять точность преобразования сигнала.
- Частота дискретизации или частота Найквиста, является максимальной частотой, на которой ЦАП способен работать, посылая на выход корректные результаты.
- Полная шкала, то есть весь диапазон значений выходного сигнала.
- Монотонность, то есть участок на передаточной характеристике, где наклон является постоянным. На данном участке ЦАП имеет линейную характеристику.
- Время установления, то есть, интервал времени от точки начала изменения входного кода до окончательного вхождения выходного сигнала в определённый диапазон отклонения.
- Выходным выбросом является переходный процесс, который возникает во время смены входных данных. Величина выброса может зависеть от числа переключаемых разрядов.
- Погрешность смещения нуля является разностью между фактическим и идеальным выходным сигналом, при нулевом сигнале на входе.
- Погрешностью полной шкалы считается разница между фактическим выходным напряжением и напряжением полной шкалы.
- Погрешностью усиления является отклонение наклона передаточной характеристики от идеального наклона.
- Дифференциальной нелинейностью является разность приращений выходных сигналов, которые соответствуют смежным соседним кодам.
- Интегральной нелинейностью является максимальное отклонение реальной передаточной характеристики от прямой линии.
- Цифро-аналоговые преобразователи подразделяются по виду входных данных на последовательные и параллельные. По количеству разрядов следует выделить ЦАП, имеющие повышенную точность, то есть с большой разрядностью, N≥14, а также ЦАП, которые имеют высокое быстродействие при разрядности от шести до восьми.
