Электроника - практический курс - Джонс М.Х.
ISBN 5-901095-01-4
Скачать (прямая ссылка):
поддерживать нулевой заряд на конденсаторе интегратора. На стробированном
выходе компаратора каждый раз появляется достаточное число импульсов со
значением "логическая 1", чтобы компенсировать заряд, поступивший в
интегратор со стороны аналогового входа (через дифференциальный
усилитель). Другими словами, на выходе логического элемента И возникает
поток битов, следующих с высокой частотой, равной
486 МикроЭВМ и их применения
тактовой частоте (в типичном случае - 11,2896 МГц), причем плотность
логических единиц пропорциональна напряжению на аналоговом входе.
Чтобы выполнить преобразование потока битов, скажем, в 16-разрядное
двоичное число, появляющееся на выходе с частотой 44,1 кГц, можно
воспользоваться счетчиком и регистром защелкой. На практике это обычно
выполняется с помощью цифрового фильтра нижних частот, на выходе которого
вновь берутся выборки с частотой 44,1 кГц. Фильтр нижних частот
сглаживает быстрые изменения в цифровом сигнале и, следовательно,
осуществляет усреднение его по времени, подготавливая сигнал к тому,
чтобы из него вновь могли быть взяты выборки с требуемой частотой. Эту
процедуру называют прореживанием, и ее часто используют при
преобразовании частоты выборок; так делается, например, когда частота
выборок на студии звукозаписи равна 48 кГц, а нужно преобразовать ее в
44,1 кГц при создании оригинала фонограммы для компакт-диска или в
частоту 32 кГц для передачи по телекоммуникационным каналам на
радиовещательные станции с последующим цифро-аналоговым преобразованием в
декодерах NICOM телевизионных приемников.
(d) Формирование спектра шума. Читатель мог оказаться поставленным в
тупик несообразностями в описании того, о чем шла речь до сих пор. С
одной стороны, частота рассмотренной дискретизации в 256 раз превосходила
нужную частоту выборок, а с другой - было объявлено, что за счет этого 1-
разрядный преобразователь может обеспечить разрешение в 16 бит и даже
лучше (отношение сигнал/шум порядка 96 дБ). Сама по себе избыточная
дискретизация с коэффициентом 256 увеличивает протяженность спектра шума
квантования в 256 раз, что дает улучшение отношения сигнал/ шум на 24 дБ
по отношению к его значению 7,7 дБ на выходе 1-разрядного
преобразователя, что дает в результате разрешение, эквивалентное всего
лишь примерно 5 битам.
Ответ на вопрос о том, где найти другие биты разрешения, следует искать в
интеграторе преобразователя с избыточной дискретизацией. Поскольку
интегратор включен в петлю "обратной связи" и благодаря его свойству
пропускать только нижние частоты, он оказывает на шум такое влияние, что
большая часть спектра шума квантования, возникающего в компараторе,
оказывается отодвинутой в область высоких частот. Это замечательный
пример схемы, обнаруживающей синергизм. В качестве побочного эффекта от
необходимого действия, наподобие включения интегратора, конструктор
получает еще большее улучшение свойств системы за счет выталкивания шума
за пределы полосы частот, представляющей интерес. Комбинация "интегратор
- компаратор" приводит к тому, что спектр шума квантования растет со
скоростью 6 дБ/октаву. Другими словами в области мегагерца на 1 Гц
приходится значительно больше мощности шума, чем в интервале частот,
занимаемом входным сигналом. Поэтому конечный прореживающий фильтр на
выходе удаляет существенно больше шума, чем мы могли бы ожидать в случае
белого шума.
Можно показать, что если коэффициент избыточной дискретизации равен D и
интегратор является цепью первого порядка (одиночная Л С-цепь), то
Аналого-цифровое преобразование 487
3 ?>3
улучшение отношения сигнал/шум (SNR)"---------------
(14.4)
л
На практике применяют интеграторы второго и более высоких порядков, часто
состоящие из фильтров с переключаемыми конденсаторами. Для системы
второго порядка
Добавляя эту величину к равному 7,7 дБ теоретическому значению SNR для 1-
разрядного преобразователя, мы получим, что значение SNR больше 114 дБ, а
это с лихвой превышает теоретическую величину 109 дБ для разрешающей
способности 18 бит. Если принять специальные меры по обеспечению
устойчивости петли обратной связи, то можно осуществить формирование
спектра шума, используя фильтры более высокого порядка, и получить в
результате еще лучшее разрешение.
Сегодняшние высокоскоростные средства обработки сигналов позволяют
сделать преобразователи с избыточной дискретизацией не только более
точными, чем многоразрядные схемы, но и более дешевыми, поскольку вместо
трудно осуществимой точности значений параметров здесь требуется точность
стробирования, а это значительно проще. Избыточная дискретизация в очень
большой степени терпима к несовершенствам аппаратных средств. В общем
случае необходимость схемы выборки и хранения тоже носит ограниченный
характер, поскольку частота преобразования входного сигнала исключительно
велика по сравнению с частотой самого аналогового входного сигнала.
(е) Цифро-аналоговые преобразователи с избыточной дискретизацией.
