Электроника - практический курс - Джонс М.Х.
ISBN 5-901095-01-4
Скачать (прямая ссылка):
аналогового компаратора аналоговый сигнал, фактически действующий на
входе, непрерывно сравнивается с цифровым отсчетом на выходе реверсивного
счетчика. Если цифровой отсчет слишком мал, то счетчик переключается
компаратором на счет в прямом направлении, а если цифровой отсчет слишком
велик, то счетчик считает в обратном направлении. Имеющаяся в схеме
обратная связь быстро приводит к точному преобразованию.
Более быстрый результат можно получить с помощью самого
распространенного, по-видимому, метода последовательных приближений. АЦП,
действующий по этому принципу, отличается от следящего АЦП тем, что в нем
реверсивный счетчик заменен логическим устройством, присваивающим по
очереди единичное значение каждому разряду на выходе, начиная со старшего
разряда. Если результирующий сигнал на выходе ЦАП оказывается меньше
входного напряжения, то в этом разряде сохраняется логическая 1, в
противном случае он сбрасывается в 0, и далее схема переходит к
следующему разряду. В таком преобразователе на выходе быстро
устанавливается цифровой эквивалент входного напряжения. Существенным
является
Аналоговый
вход
i
Управление
слож/вычит
Тактовые
импульсы
Реверсивный
счетчик
> D 7
> D6
> D 5
> Z>3 ~Dl *D\
> DO
Циф-* ровой выход
Аналоговое
напряжение
Опорное напряжение
1
Цифро-
аналоговый
преобра-
зователь
ЦАП
Рис. 14.22. Простой следящий АЦП.
Аналого-цифровое преобразование 479
требование, чтобы входной сигнал оставался постоянным в течение всего
времени, пока происходит процесс приближения, для чего непосредственно
перед преобразователем последовательных приближений обычно ставится схема
выборки и хранения.
(В оригинале следящий АЦП также назван АЦП последовательных приближений,
но это противоречит принятой терминологии. - Прим. перев.)
14.15.2 Схема выборки и хранения
Схема выборки и хранения в упрощенном виде показана на рис. 14.23.
Полевой транзистор позволяет конденсатору С зарядиться до мгновенного
значения входного напряжения в каждом импульсе выборки. В интервале между
импульсами выборок ключ на полевом транзисторе разомкнут и заряд
удерживается на конденсаторе вследствие большого входного сопротивления
операционного усилителя с полевыми транзисторами на входе. В готовых
схемах выборки и хранения применяются специальные МОП-транзисторы с малым
сопротивлением в открытом состоянии, обеспечивающие быстрый заряд, а
также усилители с большим входным сопротивлением и малым смещением, чтобы
избежать спада напряжения на конденсаторе за время хранения.
_Л-fl-TL.....° 5 в
14.15.3 Шум квантования и дрожание
Каким бы точным ни был АЦП, все же существует фундаментальное
ограничение, заключающееся в том, что отклик самого по себе АЦП не может
отличаться от аналогового сигнала меньше, чем на 1/2 от величины скачка,
соответствующего младшему разряду (имеется в виду максимальное отклонение
- Прим. перев.); согласно этому, отклик АЦП представляет собой ряд
скачков, каждый из которых эквивалентен одному младшему разряду (для
следящего АЦП - Прим. перев.); аналогичные проблемы возникают с
изображением на выходе факса. При плавно меняющемся чистом аналоговом
480 МикроЭВМ и их применения
сигнале на входе эти скачки создают разновидность искажений, называемых
шумом квантования, который оказывается наложенным на сигнал в его
цифровой форме. Как видно из рис. 14.24, из-за этих скачков постоянной
величины шум квантования по отношению к сигналу тем больше, чем меньше
уровень сигнала, а это воспринимается в звуковом диапазоне как особенно
неприятные искажения. Проблему этих искажений можно свести к простому
флюктуационному шуму, путем добавления к аналоговому входному сигналу
шума определенной интенсивности, называемого дрожанием ; этот шум играет
роль "случайного смещения". Из рис. 14.25 видно, что дрожание придает
сигналу случайный характер и поэтому сглаживает скачки квантования. Можно
показать, что максимально достижимое отношение сигнал/шум
SNRmaxPaBHO:
SNR_,V =(-\22N > <141)
k max | 2
где N - число разрядов в АЦП, а про шум предполагается, что он имеет
равномерное распределение.
Выраженное в децибелах при синусоидальном сигнале отношение сигнал/шум
(V2 умножить на отношение амплитуды сигнала к среднеквадратичному
значению шума) имеет вид:
SNR тах * 6,02N +1,76 дБ. (14.2)
Например, для стандартного "идеального" 16-разрядного АЦП теоретическое
значение SNR в максимуме синусоидального сигнала равно почти 98 дБ. При
определении величины SNR обычным методом, то есть по отно-
Рис. 14.24. Влияние скачков квантования на аналоговый сигнал.
Аналого-цифровое преобразование 481
(в) Аналоговый сигнал (Ь) Квантованные выборки
(с) Аналоговый сигнал {d) Квантованные выборки
плюс случайное плюс случайное
дрожание дрожание
Рис. 14.25. Сглаживающее действие дрожания по отношению к скачкам
квантования.
шению к среднеквадратичному значению сигнала, оно составляет 95 дБ.
Однако сегодня при цифровой записи в звуковом диапазоне дрожание
