Analog-till-digital-omvandlare [1] [2] [3] ( ADC , engelska Analog-to-digital converter, ADC ) är en enhet som omvandlar den ingående analoga signalen till en diskret kod ( digital signal ).
Den omvända konverteringen utförs med en digital-till-analog-omvandlare (DAC, DAC).
Vanligtvis är en ADC en elektronisk enhet som omvandlar spänning till en binär digital kod. Vissa icke-elektroniska enheter med digital utgång bör dock också klassificeras som en ADC, till exempel vissa typer av vinkel-till-kod-omvandlare . Den enklaste enkelbits binära ADC är komparatorn .
ADC-upplösning - den minsta förändringen i storleken på en analog signal som kan omvandlas av en given ADC - är relaterad till dess bitdjup. Vid en enda mätning utan att ta hänsyn till brus, bestäms upplösningen direkt av ADC -bitdjupet .
Bitdjupet för ADC kännetecknar antalet diskreta värden som omvandlaren kan producera vid utgången. I binära ADC:er mäts det i bitar , i ternära ADC:er mäts det i trits . Till exempel kan en binär 8-bitars ADC mata ut 256 diskreta värden (0…255) eftersom en ternär 8-bitars ADC kan mata ut 6561 diskreta värden, eftersom .
Spänningsupplösningen är lika med skillnaden mellan de spänningar som motsvarar den maximala och lägsta utgångskoden, dividerat med antalet diskreta utgångsvärden. Till exempel:
I praktiken begränsas upplösningen av en ADC av signal-brusförhållandet för insignalen. Med en hög brusintensitet vid ADC-ingången blir det omöjligt att särskilja intilliggande nivåer av insignalen, det vill säga upplösningen försämras. I detta fall beskrivs den verkligt uppnåbara upplösningen av det effektiva antalet bitar ( ENOB ), vilket är mindre än det faktiska ADC-bitdjupet. Vid omvandling av en mycket brusig signal är de nedre bitarna i utgångskoden praktiskt taget oanvändbara, eftersom de innehåller brus. För att uppnå det angivna bitdjupet måste signal-brusförhållandet för insignalen vara ungefär 6 dB för varje bit med bitbredd (6 dB motsvarar en dubbel förändring i signalnivå).
Enligt metoden för tillämpade algoritmer är ADC:er indelade i:
ADC:er av de två första typerna innebär obligatorisk användning av en prov- och hållanordning (SHA) i deras sammansättning. Denna enhet används för att lagra det analoga värdet för signalen under den tid som krävs för att utföra omvandlingen. Utan det kommer resultatet av seriell typ ADC-konvertering att vara opålitligt. Integral successiv approximation ADC:er produceras, som både innehåller SHA och kräver en extern SHA .
De flesta ADC:er anses vara linjära , även om analog-till-digital-omvandling i sig är en icke-linjär process (eftersom operationen att konvertera kontinuerligt till diskret utrymme är en icke-linjär operation).
Termen linjär i förhållande till ADC betyder att intervallet av ingångsvärden som är mappat till det digitala utgångsvärdet är linjärt relaterat till detta utgångsvärde, det vill säga att utgångsvärdet k uppnås med ett intervall av ingångsvärden från
m ( k + b )innan
m ( k + 1 + b ),där m och b är några konstanter. Konstanten b har vanligtvis värdet 0 eller −0,5. Om b = 0, kallas ADC:n en kvantiserare med ett steg som inte är noll ( mid-rise ), men om b = -0.5, då kallas ADC:n en kvantiserare med noll i mitten av kvantiseringssteget ( mid-tread) ).
Om sannolikhetstätheten för insignalens amplitud hade en likformig fördelning , skulle signal-brusförhållandet (såsom tillämpat på kvantiseringsbrus) vara det maximala möjliga. Av denna anledning, före amplitudkvantisering, leds signalen vanligtvis genom en tröghetsfri omvandlare, vars överföringsfunktion upprepar fördelningsfunktionen för själva signalen. Detta förbättrar tillförlitligheten för signalöverföringen eftersom de viktigaste områdena av signalamplituden kvantiseras med bättre upplösning. Följaktligen, under digital-till-analog omvandling, kommer det att vara nödvändigt att behandla signalen med en funktion som är omvänd till distributionsfunktionen för den ursprungliga signalen.
Detta är samma princip som används i companders som används i bandspelare och olika kommunikationssystem, den syftar till att maximera entropin . (Förväxla inte en compander med en kompressor !)
Till exempel har en röstsignal en Laplacian amplitudfördelning. Detta innebär att amplitudområdet noll bär mer information än områden med större amplitud. Av denna anledning används logaritmiska ADC:er ofta i röstöverföringssystem för att öka det dynamiska området för överförda värden utan att ändra kvaliteten på signalöverföringen i lågamplitudområdet.
8-bitars a-lag eller μ-lag logaritmiska ADC:er ger brett dynamiskt område och hög upplösning i det mest kritiska lågamplitudområdet; en linjär ADC med liknande överföringskvalitet måste vara cirka 12 bitar bred.
Överföringskarakteristiken för ADC är beroendet av den numeriska ekvivalenten av den utgående binära koden på värdet på den analoga insignalen. Snacka om linjära och icke-linjära ADC:er. Denna uppdelning är villkorad. Båda överföringsegenskaperna är stegvis. Men för "linjära" ADC:er är det alltid möjligt att rita en sådan rät linje så att alla punkter i överföringskarakteristiken som motsvarar ingångsvärdena (där är samplingssteget, k ligger i intervallet 0..N , där N är ADC-bitdjupet) är lika långt från det.
Det finns flera källor till ADC-fel. Kvantiseringsfel och (förutsatt att ADC måste vara linjär) icke-linjäriteter är inneboende i varje analog-till-digital-omvandling. Dessutom finns det så kallade bländarfel , som är resultatet av jitter ( eng. jitter ) från klockgeneratorn, de uppstår när signalen konverteras som helhet (och inte ett sampel).
Dessa fel mäts i enheter som kallas LSD ( Least DigitI det 8-bitars binära ADC-exemplet ovan är felet i 1 LSB 1/256 av signalens hela intervall, dvs 0,4 %, i 5-trits ternära ADC är felet i 1 LSB 1/243 av hela intervallet för signalen, dvs 0,412 %, i en 8-trits ternär ADC, är felet i 1 MZR 1/6561, det vill säga 0,015 %.
Kvantiseringsfel är en följd av den begränsade upplösningen av ADC. Denna brist kan inte elimineras genom någon typ av analog-till-digital konvertering. Det absoluta värdet av kvantiseringsfelet för varje sampel ligger i intervallet från noll till hälften av LSM.
Som regel är amplituden för insignalen mycket större än LSM. I detta fall är kvantiseringsfelet inte korrelerat med signalen och har en enhetlig fördelning . Dess medelkvadratvärde sammanfaller med standardavvikelsen för fördelningen, som är lika med . I fallet med en 8-bitars ADC kommer detta att vara 0,113 % av hela signalområdet.
Alla ADC:er lider av icke-linjäritetsfel, som är resultatet av fysiska ofullkomligheter i ADC:n. Detta gör att överföringskarakteristiken (i ovanstående mening) skiljer sig från linjär (mer exakt från den önskade funktionen, eftersom den inte nödvändigtvis är linjär). Fel kan reduceras genom kalibrering [4] .
En viktig parameter som beskriver icke-linjäriteten är den integrerade icke-linjäriteten (INL) och den differentiella icke-linjäriteten (DNL).
Låt oss digitalisera en sinusformad signal . Helst görs avläsningar med jämna mellanrum. Men i verkligheten är tidpunkten för avläsningsögonblicket föremål för fluktuationer på grund av jitter på framsidan av klocksignalen ( klockjitter ). Om vi antar att osäkerheten i tidpunkten för att ta en avläsning av ordern , får vi att felet som orsakas av detta fenomen kan uppskattas som
.Felet är relativt litet vid låga frekvenser, men vid höga frekvenser kan det öka betydligt.
Effekten av bländarfelet kan ignoreras om dess värde är relativt litet jämfört med kvantiseringsfelet. Således kan du ställa in följande jitterkrav för kanten på klocksignalen:
,var är bitdjupet för ADC.
ADC-bitdjup | Maximal ingångsfrekvens | ||||
---|---|---|---|---|---|
44,1 kHz | 192 kHz | 1 MHz | 10 MHz | 100 MHz | |
åtta | 28,2 ns | 6,48 ns | 1,24 ns | 124 ps | 12,4 ps |
tio | 7,05 ns | 1,62 ns | 311 ps | 31,1 ps | 3.11 ps |
12 | 1,76 ns | 405 ps | 77,7 ps | 7,77 ps | 777 fs |
fjorton | 441 ps | 101 ps | 19,4 ps | 1,94 ps | 194 fs |
16 | 110 ps | 25,3 ps | 4,86 ps | 486 fs | 48,6 fs |
arton | 27,5 ps | 6.32 ps | 1,21 ps | 121 fs | 12,1 fs |
24 | 430 fs | 98,8 fs | 19,0 fs | 1,9 fs | 190 ac |
Från denna tabell kan vi dra slutsatsen att det är tillrådligt att använda en ADC med en viss kapacitet, med hänsyn till de begränsningar som åläggs av jitter på synkroniseringsfronten ( klockjitter ). Till exempel är det meningslöst att använda en precisions 24-bitars ADC för ljudinspelning om klockdistributionssystemet inte kan ge ultralåg osäkerhet.
I allmänhet är kvaliteten på klocksignalen extremt viktig inte bara av denna anledning. Till exempel, från beskrivningen av AD9218- chippet (analoga enheter):
Alla höghastighets-ADC är extremt känsliga för kvaliteten på samplingsklockan som tillhandahålls av användaren. En track-and-hold-krets är i huvudsak en mixer. Eventuellt brus, distorsion eller timingjitter på klockan kombineras med den önskade signalen vid analog-till-digitalutgången.
Det vill säga, alla höghastighets-ADC är extremt känsliga för kvaliteten på digitaliseringsklockan som tillhandahålls av användaren. Samplings-och-håll-kretsen är i huvudsak en mixer (multiplikator). Eventuellt brus, distorsion eller klockjitter blandas med den önskade signalen och skickas till den digitala utgången.
En analog signal är en kontinuerlig funktion av tiden och omvandlas till en sekvens av digitala värden i en ADC. Därför är det nödvändigt att bestämma samplingshastigheten för digitala värden från en analog signal. Hastigheten med vilken digitala värden produceras kallas ADC- samplingshastigheten .
En kontinuerligt varierande bandbreddsbegränsad signal digitaliseras (det vill säga signalvärden mäts över ett tidsintervall T - samplingsperioden), och den ursprungliga signalen kan noggrant rekonstrueras från tidsdiskreta värden genom interpolation . Återställningsnoggrannheten begränsas av kvantiseringsfelet. Men enligt Kotelnikov-Shannon-satsen är exakt amplitudrekonstruktion endast möjlig om samplingsfrekvensen är högre än två gånger den maximala frekvensen i signalspektrat.
Eftersom riktiga ADC:er inte kan utföra A/D-omvandling omedelbart, måste det analoga ingångsvärdet hållas konstant åtminstone från början till slutet av konverteringsprocessen (detta tidsintervall kallas omvandlingstiden ). Detta problem löses genom att använda en speciell krets vid ingången av ADC - en sampel-och-håll-enhet (SHA). SHA lagrar som regel inspänningen på en kondensator , som är ansluten till ingången genom en analog omkopplare: när omkopplaren är stängd samplas insignalen (kondensatorn laddas till inspänningen), när omkopplaren öppnas, lagras den. Många ADC:er, gjorda i form av integrerade kretsar , innehåller en inbyggd SHA.
Alla ADC:er fungerar genom att sampla ingångsvärden med fasta intervall. Därför är utdatavärden en ofullständig bild av vad som matas in. Genom att titta på utgångsvärdena finns det inget sätt att säga hur insignalen betedde sig mellan sampel. Om det är känt att ingångssignalen ändras tillräckligt långsamt i förhållande till samplingshastigheten, kan det antas att mellanvärdena mellan proverna ligger någonstans mellan värdena för dessa prover. Om insignalen ändras snabbt, kan inga antaganden göras om mellanvärdena för insignalen, och därför är det omöjligt att unikt återställa formen på den ursprungliga signalen.
Om sekvensen av digitala värden som produceras av ADC någonstans konverteras tillbaka till analog form av en digital-till-analog-omvandlare , är det önskvärt att den resulterande analoga signalen är så nära den ursprungliga signalen som möjligt. Om insignalen ändras snabbare än dess sampel tas, kan signalen inte återställas korrekt, och en falsk signal kommer att finnas på DAC-utgången. Falska frekvenskomponenter av signalen (frånvarande i spektrumet av den ursprungliga signalen) kallas alias (falsk frekvens, sido lågfrekvenskomponent). Aliashastigheten beror på skillnaden mellan signalfrekvensen och samplingshastigheten. Till exempel skulle en 2 kHz sinusvåg samplade vid 1,5 kHz reproduceras som en 500 Hz sinusvåg. Detta problem kallas frekvensaliasing .
För att förhindra aliasing måste signalen som tillförs ADC:ns ingång passeras genom ett lågpassfilter för att undertrycka spektrala komponenter som överstiger halva samplingsfrekvensen. Detta filter kallas anti-aliasing (anti-aliasing) filter, dess användning är extremt viktig när man bygger riktiga ADC.
I allmänhet är användningen av ett analogt ingångsfilter intressant inte bara av denna anledning. Det verkar som att det digitala filtret, som vanligtvis tillämpas efter digitalisering, har ojämförligt bättre parametrar. Men om signalen innehåller komponenter som är mycket kraftfullare än den användbara signalen och tillräckligt långt borta från den i frekvens för att effektivt undertryckas av det analoga filtret, låter den här lösningen dig spara det dynamiska omfånget för ADC:n: om bruset är 10 dB starkare än signalen, kommer det i genomsnitt tre bitar av kapacitet att gå till spillo.
Även om aliasing är en oönskad effekt i de flesta fall, kan den användas till din fördel. Till exempel eliminerar denna effekt behovet av nedkonvertering vid digitalisering av en smalbandig högfrekvent signal (se mixer ). För att göra detta måste dock de analoga ingångsstegen på ADC:n dimensioneras betydligt högre än vad som krävs för standard grundläggande (video eller låg) ADC-användning. För detta är det också nödvändigt att säkerställa effektiv filtrering av frekvenser utanför bandet före ADC, eftersom det efter digitalisering inte finns något sätt att identifiera och/eller filtrera bort de flesta av dem.
Vissa egenskaper hos ADC kan förbättras genom att använda vibreringstekniken . Den består i att lägga till slumpmässigt brus ( vitt brus ) med liten amplitud till den analoga insignalen. Amplituden för bruset väljs som regel på nivån för halva LSM . Effekten av detta tillägg är att LSM-tillståndet slumpmässigt övergår mellan tillstånd 0 och 1 med en mycket liten insignal (utan tillägg av brus skulle LSM vara i tillstånd 0 eller 1 under lång tid). För en signal med blandat brus, istället för att helt enkelt avrunda signalen till närmaste bit, sker slumpmässig avrundning uppåt eller nedåt, och den genomsnittliga tiden under vilken signalen avrundas till en viss nivå beror på hur nära signalen är denna nivå. Således innehåller den digitaliserade signalen information om amplituden hos signalen med en upplösning bättre än LSM, det vill säga det finns en ökning av det effektiva bitdjupet för ADC. Den negativa sidan av tekniken är ökningen av brus i utsignalen. Faktum är att kvantiseringsfelet är spritt över flera närliggande prover. Detta tillvägagångssätt är mer önskvärt än att bara avrunda till närmaste diskreta nivå. Som ett resultat av att använda tekniken att blanda en pseudo-slumpmässig signal har vi en mer exakt återgivning av signalen i tid. Små signalförändringar kan återställas från pseudo-slumpmässiga LSM-hopp genom filtrering. Dessutom, om bruset är deterministiskt (amplituden för det tillagda bruset är exakt känd när som helst), så kan det subtraheras från den digitaliserade signalen genom att först öka dess bitdjup och därigenom nästan helt bli av med det adderade bruset.
Ljudsignaler med mycket små amplituder, digitaliserade utan en pseudo-slumpmässig signal, upplevs av örat som mycket förvrängda och obehagliga. Vid blandning av en pseudoslumpsignal representeras den sanna signalnivån av medelvärdet av flera på varandra följande sampel.
Men sedan 2009, på grund av försämringen av 24-bitars ADC:er, som även utan vibration har ett dynamiskt omfång på mer än 120 dB, vilket är flera storleksordningar högre än hela mänskliga hörselomfång, har denna teknik förlorat sin relevans i ljudteknik. Samtidigt används den inom RF- och mikrovågsteknik, där bitdjupet på ADC:n vanligtvis är litet på grund av den höga samplingshastigheten.
En liknande process, även kallad dither eller error diffusion , används för att representera bildhalvtoner i datorgrafik med ett lågt antal bitar per pixel. I det här fallet blir bilden brusig, men den uppfattas visuellt mer realistisk än samma bild som erhålls genom enkel kvantisering.
Som regel digitaliseras signaler med den minsta erforderliga samplingshastigheten av ekonomiska skäl, medan kvantiseringsbruset är vitt, det vill säga dess effektspektraltäthet är jämnt fördelad över hela bandbredden. Om däremot en signal digitaliseras med en samplingsfrekvens som är mycket högre än enligt Kotelnikov-Shannon-satsen , och sedan utsätts för digital filtrering för att undertrycka spektrumet utanför frekvensbandet för den ursprungliga signalen, då är signal-brusförhållandet blir bättre än när du använder hela bandet. Således är det möjligt att uppnå en effektiv upplösning som är större än bitdjupet för ADC:n.
Översampling kan också användas för att slappna av kraven på passbandet till stoppbandets branthet för kantutjämningsfiltret. För att göra detta digitaliseras signalen, till exempel vid två gånger frekvensen, sedan utförs digital filtrering, undertrycker frekvenskomponenter utanför bandet för den ursprungliga signalen, och slutligen reduceras samplingsfrekvensen genom decimering .
Följande är de viktigaste sätten att bygga elektroniska ADC:er:
Icke-elektroniska ADC är vanligtvis byggda på samma principer.
Det finns optiska metoder konverterar en elektrisk signal till en kod. De är baserade på förmågan hos vissa ämnen att ändra brytningsindex under påverkan av ett elektriskt fält. I detta fall ändrar en ljusstråle som passerar genom ett ämne sin hastighet eller avböjningsvinkel vid gränsen för detta ämne i enlighet med förändringen i brytningsindex. Det finns flera sätt att registrera dessa ändringar. Till exempel registrerar en rad fotodetektorer strålens avvikelse och översätter den till en diskret kod. Olika interferensscheman som involverar en fördröjd stråle gör det möjligt att utvärdera signalförändringar eller bygga komparatorer av elektriska storheter.
Optiska ADC:er kan vara mycket snabba.
För de flesta ADC:er är bitdjupet från 6 till 24 bitar , samplingshastigheten är upp till 1 MHz. Mega- och GHz ADC är också tillgängliga (AD9234 12-bitars 2-kanals 1 GSPS ADC var $238 i december 2015). Megahertz ADC:er krävs i digitala videokameror , videoinspelningsenheter och digitala TV-tuners för att digitalisera den sammansatta videosignalen. Kommersiella ADC:er har typiskt ett utgångsfel på ±0,5 till ±1,5 LSM.
En av faktorerna som ökar kostnaden för mikrokretsar är antalet stift , eftersom de tvingar chippaketet att göras större och varje stift måste anslutas till ett chip. För att minska antalet stift har ofta ADC:er som arbetar med låga samplingshastigheter ett seriellt gränssnitt . Användningen av en ADC med seriellt gränssnitt gör att du ofta kan öka monteringstätheten och skapa ett kort med en mindre yta.
Ofta har ADC-chips flera analoga ingångar anslutna internt till en enda ADC via en analog multiplexer . Olika modeller av ADC kan inkludera sampelhållningsanordningar, instrumenteringsförstärkare eller en högspänningsdifferentialingång och andra sådana kretsar.
ADC:er är inbyggda i de flesta moderna inspelningsutrustningar, eftersom ljudbehandling vanligtvis görs på datorer; även när man använder analog inspelning behövs en ADC för att översätta signalen till en PCM- ström, som kommer att spelas in på informationsbäraren.
Moderna ADC:er som används vid ljudinspelning kan arbeta med samplingshastigheter upp till 192 kHz . Många personer som är involverade i detta område tror att denna indikator är överflödig och används av rent marknadsföringsskäl (detta bevisas av Kotelnikov-Shannon-teoremet ). Man kan säga att en analog ljudsignal inte innehåller så mycket information som kan lagras i en digital signal vid en så hög samplingshastighet, och ofta använder hi-fi -ljudutrustning en samplingshastighet på 44,1 kHz (standard för CD-skivor) resp. 48 kHz (typiskt för återgivning av ljud i datorer). En bred bandbredd är dock användbar i följande, och ju bredare (större än den minsta nödvändiga) bandbredden, desto starkare blir motsvarande effekt:
Analog-till-digital-omvandlare för ljudinspelning varierar i pris från $5 000 till $10 000 eller mer för en två-kanals ADC.
ADC:er för ljudinspelning som används i datorer är interna och externa. Det finns också ett gratis programvarupaket PulseAudio för Linux som låter dig använda extra datorer som externa DAC/ADC:er för huvuddatorn med garanterad latens.
A/D-konvertering används överallt där en analog signal behöver tas emot och bearbetas digitalt.
Ordböcker och uppslagsverk | |
---|---|
I bibliografiska kataloger |
Mikrokontroller | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Arkitektur |
| |||||||
Tillverkare |
| |||||||
Komponenter | ||||||||
Periferi |
| |||||||
Gränssnitt | ||||||||
OS | ||||||||
Programmering |
|