Analogově digitální převodník- Analog-to-digital converter

4kanálový stereo multiplexovaný převodník analogových signálů na digitální WM8775SEDS od společnosti Wolfson Microelectronics umístěný na zvukové kartě X-Fi Fatal1ty Pro .

AD570 8bitový postupný aproximační převodník analogového signálu na digitální.

Silikonová matrice AD570/AD571

INTERSIL ICL7107. 31/2 číslicový jednočipový A/D převodník

Silikonová matrice ICL7107

V elektronice je analogově digitální převodník ( ADC , A/D nebo A-to-D ) systém, který převádí analogový signál , například zvuk zachycený mikrofonem nebo světlem vstupujícím do digitálního fotoaparátu , na digitální signál . ADC může také poskytovat izolované měření, například elektronické zařízení, které převádí analogové vstupní napětí nebo proud na digitální číslo představující velikost napětí nebo proudu. Digitálním výstupem je obvykle binární číslo komplementu dvojky, které je úměrné vstupu, ale existují i ​​další možnosti.

Existuje několik architektur ADC . Vzhledem ke složitosti a potřebě přesně sladěných komponent jsou všechny specializované ADC implementovány jako integrované obvody (IC). Obvykle mají formu čipů se smíšeným signálem s integrovanými obvody kov-oxid-polovodič (MOS), které integrují analogové i digitální obvody .

Digitálně-analogový převodník (DAC) provádí reverzní funkci; převádí digitální signál na analogový.

Vysvětlení

ADC převádí spojité i spojité amplitudy analogového signálu do diskrétního a diskrétním amplitudy digitálního signálu . Konverze zahrnuje kvantizaci vstupu, takže nutně zavádí malé množství chyb nebo šumu. Kromě toho ADC namísto nepřetržitého provádění převodu provádí převod periodicky, vzorkuje vstup a omezuje přípustnou šířku pásma vstupního signálu.

Výkon ADC je primárně charakterizován jeho šířkou pásma a poměrem signálu k šumu (SNR). Šířka pásma ADC je charakterizována především jeho vzorkovací frekvencí . SNR ADC je ovlivněno mnoha faktory, včetně rozlišení , linearity a přesnosti (jak dobře se kvantizační úrovně shodují se skutečným analogovým signálem), aliasing a jitter . SNR ADC je často shrnuto ve smyslu jeho efektivního počtu bitů (ENOB), počtu bitů každého měřeného signálu, které v průměru nejsou šumem . Ideální ADC má ENOB rovnou jeho rozlišení. ADC jsou vybrány tak, aby odpovídaly šířce pásma a požadovanému SNR signálu, který má být digitalizován. Pokud ADC pracuje se vzorkovací frekvencí větší než je dvojnásobek šířky pásma signálu, pak podle vzorkovací věty Nyquist – Shannon je možná dokonalá rekonstrukce. Přítomnost chyby kvantování omezuje SNR i ideálního ADC. Pokud však SNR ADC překročí účinek vstupního signálu, mohou být jeho efekty zanedbány, což vede k v podstatě dokonalé digitální reprezentaci analogového vstupního signálu.

Řešení

Obr. 1. Schéma kódování ADC na 8 úrovních.

Rozlišení převodníku udává počet různých, tj. Diskrétních hodnot, které může produkovat v povoleném rozsahu hodnot analogových vstupů. Konkrétní rozlišení tedy určuje velikost chyby kvantování, a proto určuje maximální možný poměr signálu k šumu pro ideální ADC bez použití převzorkování . Vstupní vzorky jsou obvykle uloženy elektronicky v binární formě v ADC, takže rozlišení je obvykle vyjádřeno jako bitová hloubka zvuku . V důsledku toho je počet dostupných diskrétních hodnot obvykle mocninou dvou. Například ADC s rozlišením 8 bitů může kódovat analogový vstup na jeden v 256 různých úrovních (2 ⁸  = 256). Hodnoty mohou představovat rozsahy od 0 do 255 (tj. Jako celá čísla bez znaménka) nebo od −128 do 127 (tj. Jako celé číslo se znaménkem), v závislosti na aplikaci.

Rozlišení lze také definovat elektricky a vyjádřit ve voltech . Změna napětí potřebná k zajištění změny úrovně výstupního kódu se nazývá napětí nejméně významného bitu (LSB). Rozlišení Q ADC se rovná napětí LSB. Rozlišení napětí ADC se rovná jeho celkovému rozsahu měření napětí děleno počtem intervalů:

${\ displaystyle Q = {\ dfrac {E _ {\ mathrm {FSR}}} {2^{M}}},}$

kde M je rozlišení ADC v bitech a E _FSR je rozsah napětí v plném rozsahu (nazývaný také „rozpětí“). E _FSR je dáno vztahem

${\ displaystyle E _ {\ mathrm {FSR}} = V _ {\ mathrm {RefHi}} -V _ {\ mathrm {RefLow}}, \,}$

kde V _RefHi a V _RefLow jsou horní a dolní extrémy napětí, která lze kódovat.

Normálně je počet napěťových intervalů dán vztahem

${\ Displaystyle N = 2^{M}, \,}$

kde M je rozlišení ADC v bitech.

To znamená, že mezi dvěma po sobě následujícími úrovněmi kódu je přiřazen jeden napěťový interval.

Příklad:

• Schéma kódování jako na obrázku 1
• Rozsah měření v plném rozsahu = 0 až 1 volt
• Rozlišení ADC je 3 bity: 2 ³ = 8 úrovní kvantizace (kódy)
• Rozlišení napětí ADC, Q = 1 V / 8 = 0,125 V.

V mnoha případech je užitečné rozlišení převodníku omezeno poměrem signálu k šumu (SNR) a dalšími chybami v celém systému vyjádřenými jako ENOB.

Porovnání kvantování sinusoidy se 64 úrovněmi (6 bitů) a 256 úrovněmi (8 bitů). Aditivní šum vytvářený 6bitovou kvantací je o 12 dB větší než šum vytvářený 8bitovou kvantací. Když je spektrální distribuce plochá, jako v tomto případě, rozdíl 12 dB se projevuje jako měřitelný rozdíl v hlukových patrech.

Chyba kvantizace

Analogově digitální převod, jak je znázorněno na obr. 1 a obr. 2.

Chyba kvantování je zavedena kvantováním, které je vlastní ideálnímu ADC. Jedná se o chybu zaokrouhlení mezi analogovým vstupním napětím k ADC a výstupní digitalizovanou hodnotou. Chyba je nelineární a závisí na signálu. V ideálním ADC, kde je kvantizační chyba rovnoměrně rozložena mezi −1/2 LSB a +1/2 LSB a signál má rovnoměrné rozdělení pokrývající všechny kvantizační úrovně, je poměr signálu k kvantizaci šumu (SQNR) dána

${\ Displaystyle \ mathrm {SQNR} = 20 \ log _ {10} (2^{Q}) \ cca 6,02 \ cdot Q \ \ mathrm {dB} \, \!}$

kde Q je počet kvantizačních bitů. Například u 16bitového ADC je chyba kvantování 96,3 dB pod maximální úrovní.

Chyba kvantování je distribuována z DC na Nyquistovu frekvenci . V důsledku toho, pokud není použita část šířky pásma ADC, jako je tomu v případě převzorkování , dojde k některé chybě kvantování mimo pásmo , čímž se účinně zlepší SQNR pro používanou šířku pásma. V převzorkovaném systému lze tvarování šumu použít k dalšímu zvýšení SQNR vynucením větší chyby kvantování mimo pásmo.

Váhat

V ADC lze výkon obvykle zlepšit pomocí rozkladu . Jedná se o velmi malé množství náhodného šumu (např. Bílý šum ), který se přidává na vstup před převodem. Jeho efektem je randomizace stavu LSB na základě signálu. Spíše než aby se signál na nízkých úrovních jednoduše úplně odřízl, rozšiřuje efektivní rozsah signálů, které může ADC převést, na úkor mírného zvýšení šumu. Rozklad může pouze zvýšit rozlišení vzorkovače. Nelze zlepšit linearitu, a proto se přesnost nemusí nutně zlepšit.

Kvantovací zkreslení zvukového signálu velmi nízké úrovně vzhledem k bitové hloubce ADC je v korelaci se signálem a zvuky zkreslenými a nepříjemnými. Při ditheringu se zkreslení transformuje na šum. Nezkreslený signál může být přesně obnoven průměrováním v čase. Rozbíjení se také používá při integraci systémů, jako jsou elektroměry . Vzhledem k tomu, že jsou hodnoty sečteny, vytváří dithering výsledky, které jsou přesnější než LSB analogově-digitálního převodníku.

Při kvantifikaci fotografických obrázků na menší počet bitů na pixel se často používá rozkladu - obraz se stává hlučnějším, ale na pohled vypadá mnohem realističtěji než kvantovaný obraz, který se jinak stává pruhovaným . Tento analogický proces může pomoci vizualizovat účinek rozkladu na analogový zvukový signál, který je převeden na digitální.

Přesnost

ADC má několik zdrojů chyb. Chyba kvantizace a (za předpokladu, že je ADC zamýšleno jako lineární) nelinearita jsou vlastní jakékoli analogově-digitální konverzi. Tyto chyby jsou měřeny v jednotce nazývané nejméně významný bit (LSB). Ve výše uvedeném příkladu osmibitového ADC je chyba jednoho LSB 1/256 plného rozsahu signálu, tedy asi 0,4%.

Nelineárnost

Všechny ADC trpí nelineárními chybami způsobenými jejich fyzickými nedokonalostmi, což způsobuje, že se jejich výstup odchyluje od lineární funkce (nebo nějaké jiné funkce, v případě záměrně nelineárního ADC) jejich vstupu. Tyto chyby lze někdy zmírnit kalibrací nebo jim předcházet testováním. Důležitými parametry pro linearitu jsou integrální nelinearita a diferenciální nelinearita . Tyto nelinearity zavádějí zkreslení, které může snížit výkon poměru ADC k signálu a šumu, a tím snížit jeho efektivní rozlišení.

Chvění

Při digitalizaci sinusové vlny způsobí použití neideálních vzorkovacích hodin určitou nejistotu, pokud jde o zaznamenávání vzorků. Za předpokladu, že skutečná nejistota doby vzorkování způsobená jitterem hodin je , lze chybu způsobenou tímto jevem odhadnout jako . To bude mít za následek dodatečný zaznamenaný šum, který sníží efektivní počet bitů (ENOB) pod úroveň, kterou předpovídá samotná chyba kvantování . Chyba je nulová pro DC, malá na nízkých frekvencích, ale významná u signálů s vysokou amplitudou a vysokou frekvencí. Vliv jitteru na výkon lze přirovnat k chybě kvantování:, kde q je počet bitů ADC. ${\ Displaystyle x (t) = A \ sin {(2 \ pi f_ {0} t)}}$${\ displaystyle \ Delta t}$${\ Displaystyle E_ {ap} \ leq | x '(t) \ Delta t | \ leq 2A \ pi f_ {0} \ Delta t}$${\ Displaystyle \ Delta t <{\ frac {1} {2^{q} \ pi f_ {0}}}}$

Jitter hodin je způsoben fázovým šumem . Rozlišení ADC s šířkou pásma digitalizace mezi 1 MHz a 1 GHz je omezeno chvěním. U převodů s nižší šířkou pásma, například při vzorkování zvukových signálů na 44,1 kHz, má jitter hodin méně významný vliv na výkon.

Vzorkovací frekvence

Analogový signál je v čase spojitý a je nutné jej převést na tok digitálních hodnot. Je proto nutné definovat rychlost, jakou jsou z analogového signálu vzorkovány nové digitální hodnoty. Rychlost nových hodnot se nazývá vzorkovací frekvence nebo vzorkovací frekvence převodníku. Plynule se měnící bandlimited signál může být odebrány vzorky a pak originální signál může být reprodukován z diskrétních hodnot pomocí rekonstrukčního filtru . Nyquistova -Shannonova věta o vzorkování naznačuje, že věrná reprodukce původního signálu je možná pouze tehdy, pokud je vzorkovací frekvence vyšší než dvojnásobek nejvyšší frekvence signálu.

Protože praktický ADC nemůže provést okamžitý převod, musí být vstupní hodnota nutně udržována konstantní během doby, kdy převodník provádí převod (nazývaný čas převodu ). Tento úkol provádí vstupní obvod nazývaný sample and hold - ve většině případů pomocí kondenzátoru k uložení analogového napětí na vstup a pomocí elektronického spínače nebo brány k odpojení kondenzátoru od vstupu. Mnoho integrovaných obvodů ADC obsahuje subsystém sample and hold interně.

Aliasing

ADC funguje tak, že vzorkuje hodnotu vstupu v diskrétních intervalech v čase. Za předpokladu, že je vstup vzorkován nad Nyquistovou frekvencí , definovanou jako dvojnásobek nejvyšší požadované frekvence, pak lze všechny frekvence v signálu rekonstruovat. Pokud jsou vzorkovány frekvence nad polovinou Nyquistovy frekvence, jsou nesprávně detekovány jako nižší frekvence, což je proces označovaný jako aliasing. Aliasing nastává, protože okamžité vzorkování funkce dvakrát nebo méněkrát za cyklus má za následek zmeškané cykly, a proto se objevuje nesprávně nižší frekvence. Například 2 kHz sinusová vlna vzorkovaná při 1,5 kHz by byla rekonstruována jako 500 Hz sinusová vlna.

Aby se zabránilo aliasingu, musí být vstup do ADC filtrován dolní propustí, aby se odstranily frekvence nad polovinou vzorkovací frekvence. Tento filtr se nazývá filtr vyhlazování a je nezbytný pro praktický systém ADC, který se používá pro analogové signály s vyšším frekvenčním obsahem. V aplikacích, kde je nezbytná ochrana proti aliasingu, lze použít převzorkování, které jej výrazně sníží nebo dokonce odstraní.

Ačkoli je aliasing ve většině systémů nežádoucí, lze jej využít k zajištění současného míchání vysokofrekvenčního signálu omezeného na pásmo (viz podvzorkování a směšovač frekvencí ). Alias ​​je ve skutečnosti nižší heterodyn frekvence signálu a vzorkovací frekvence.

Převzorkování

Z ekonomického hlediska jsou signály často vzorkovány minimální požadovanou rychlostí, takže výsledkem kvantizační chyby je šíření bílého šumu v celém pásmu převodníku. Pokud je signál vzorkován rychlostí mnohem vyšší než Nyquistova rychlost a poté digitálně filtrován, aby se omezil na šířku pásma signálu, přináší to následující výhody:

• Převzorkování může usnadnit implementaci analogových vyhlazovacích filtrů
• Vylepšená bitová hloubka zvuku
• Snížený hluk, zvláště když je kromě převzorkování použito i tvarování hluku .

Převzorkování se obvykle používá v ADC s frekvencí zvuku, kde je požadovaná vzorkovací frekvence (typicky 44,1 nebo 48 kHz) velmi nízká ve srovnání s rychlostí hodin typických tranzistorových obvodů (> 1 MHz). V tomto případě lze výkon ADC výrazně zvýšit za malé nebo žádné náklady. Kromě toho, protože všechny aliasované signály jsou také obvykle mimo pásmo, aliasing lze často zcela eliminovat pomocí velmi levných filtrů.

Relativní rychlost a přesnost

Rychlost ADC se liší podle typu. Wilkinson ADC je omezen hodinami rychlostí, která je zpracovatelný současných digitálních obvodů. U ADC s postupnou aproximací se čas převodu mění podle logaritmu rozlišení, tj. Počtu bitů. Flash ADC jsou určitě nejrychlejším typem ze všech tří; Převod se v zásadě provádí v jednom paralelním kroku.

Existuje potenciální kompromis mezi rychlostí a přesností. Flash ADC mají závěry a nejistoty spojené s úrovněmi komparátoru mají za následek špatnou linearitu. V menší míře může být problémem ADC s postupnou aproximací také špatná linearita. Zde nelinearita vzniká hromaděním chyb z odečítacích procesů. Wilkinsonovy ADC mají ze všech tří nejlepší linearitu.

Princip posuvného měřítka

Posuvné měřítko nebo náhodného metoda může být použita pro výrazně zlepšit linearitu jakéhokoliv typu ADC, ale především blikat a po sobě následující typy aproximace. Pro jakýkoli ADC není mapování ze vstupního napětí na digitální výstupní hodnotu přesně funkcí podlahy nebo stropu, jak by mělo být. Za normálních podmínek je puls určité amplitudy vždy převeden na stejnou digitální hodnotu. Problém spočívá v tom, že rozsahy analogových hodnot pro digitalizované hodnoty nemají všechny stejné šířky a diferenciální linearita klesá úměrně s odchylkou od průměrné šířky. Princip posuvné stupnice využívá k překonání tohoto jevu průměrující efekt. K vzorkovanému vstupnímu napětí je přičteno náhodné, ale známé analogové napětí. Poté se převede do digitální podoby a ekvivalentní digitální částka se odečte, čímž se obnoví původní hodnota. Výhodou je, že převod proběhl v náhodném bodě. Statistické rozdělení konečných úrovní je určeno váženým průměrem v oblasti rozsahu ADC. To zase znecitliví na šířku jakékoli konkrétní úrovně.

Typy

Toto je několik běžných způsobů implementace elektronického ADC.

Přímá konverze

ADC s přímou konverzí nebo bleskem má řadu komparátorů, které paralelně vzorkují vstupní signál, přičemž každý pracuje pro určitý rozsah napětí. Komparační banka napájí logický obvod, který generuje kód pro každý rozsah napětí.

ADC tohoto typu mají velkou velikost matrice a vysoký ztrátový výkon. Často se používají pro video , širokopásmovou komunikaci nebo jiné rychlé signály v optickém a magnetickém úložišti .

Obvod se skládá z odporové dělicí sítě, sady komparátorů operačních zesilovačů a prioritního kodéru. Do komparátoru je zabudováno malé množství hystereze k vyřešení jakýchkoli problémů na hranicích napětí. Na každém uzlu odporového děliče je k dispozici srovnávací napětí. Účelem obvodu je porovnat analogové vstupní napětí s každým z napětí uzlu.

Obvod má výhodu vysoké rychlosti, protože převod probíhá spíše než postupně. Typická doba převodu je 100 ns nebo méně. Doba převodu je omezena pouze rychlostí komparátoru a kodéru priority. Tento typ ADC má tu nevýhodu, že počet komparátorů vyžaduje téměř dvojnásobek pro každý přidaný bit. Čím větší je hodnota n, tím je kodér priority složitější.

Postupná aproximace

Postupná aproximace ADC používá komparátor a binární vyhledávání , aby postupně zužovat řadu, která obsahuje vstupní napětí. V každém následujícím kroku převodník porovnává vstupní napětí s výstupem interního převodníku digitálního signálu na analogový, který původně představuje střed povoleného rozsahu vstupního napětí. V každém kroku tohoto procesu je aproximace uložena v po sobě následujícím aproximačním registru (SAR) a výstup převodníku digitálního signálu na analogový je aktualizován pro srovnání v užším rozsahu.

Porovnání ramp

Rampový ADC produkuje signál pilového zubu, který stoupá nebo klesá, a poté se rychle vrací na nulu. Když se spustí rampa, začne odpočítávat časovač. Když napětí rampy odpovídá vstupu, spustí se komparátor a zaznamená se hodnota časovače. Časované rampové převodníky lze implementovat ekonomicky, nicméně čas rampy může být citlivý na teplotu, protože obvod generující rampu je často jednoduchým analogovým integrátorem . Přesnější převodník používá taktovaný čítač pohánějící DAC . Zvláštní výhodou systému porovnávání ramp je, že převod druhého signálu vyžaduje pouze jiný komparátor a další registr pro uložení hodnoty časovače. Aby se snížila citlivost na změny vstupu během převodu, může vzorek a podržení nabít kondenzátor okamžitým vstupním napětím a převodník může čas potřebný k vybití časovat konstantním proudem .

Wilkinson

Wilkinson ADC navrhl Denys Wilkinson v roce 1950. Wilkinson ADC je založeno na srovnání se vstupním napětím s vyvolanému nabíjecí kondenzátor. Kondenzátor se může nabíjet, dokud komparátor nerozhodne, že odpovídá vstupnímu napětí. Poté se kondenzátor lineárně vybije. Čas potřebný k vybití kondenzátoru je úměrný amplitudě vstupního napětí. Zatímco se kondenzátor vybíjí, impulsy z hodin vysokofrekvenčního oscilátoru jsou počítány registrem. Počet hodinových impulzů zaznamenaných v registru je také úměrný vstupnímu napětí.

Integrace

Integraci ADC (také duální svahu nebo více sklon ADC) se vztahuje neznámou vstupní napětí na vstup k integrátoru a umožňuje napětí na rampu na pevnou dobu (run-up období). Poté se na integrátor přivede známé referenční napětí opačné polarity a nechá se rampovat, dokud se výstup integrátoru nevrátí na nulu (doba doběhu). Vstupní napětí se vypočítá jako funkce referenčního napětí, konstantní doby doběhu a naměřené doby doběhu. Měření doby doběhu se obvykle provádí v jednotkách hodin převodníku, takže delší integrační časy umožňují vyšší rozlišení. Stejně tak lze rychlost převodníku zlepšit obětováním rozlišení. Převodníky tohoto typu (nebo variace na koncept) se používají ve většině digitálních voltmetrů kvůli jejich linearitě a flexibilitě.

Vyrovnávání nákladů ADC

Principem ADC pro vyrovnávání náboje je nejprve převést vstupní signál na frekvenci pomocí měniče napětí na frekvenci . Tato frekvence je poté měřena čítačem a převedena na výstupní kód úměrný analogovému vstupu. Hlavní výhodou těchto převodníků je, že je možné přenášet frekvenci i v hlučném prostředí nebo v izolované formě. Omezením tohoto obvodu je však to, že výstup měniče napětí na frekvenci závisí na RC produktu, jehož hodnotu nelze přesně udržovat přes teplotu a čas.

Dual-sklon ADC

Analogová část obvodu se skládá z vyrovnávací paměti s vysokou vstupní impedancí, přesného integrátoru a komparátoru napětí. Převodník nejprve integruje analogový vstupní signál po pevně stanovenou dobu a poté integruje vnitřní referenční napětí opačné polarity, dokud není výstup integrátoru nulový. Hlavní nevýhodou tohoto obvodu je dlouhá doba trvání. Jsou zvláště vhodné pro přesné měření pomalu se měnících signálů, jako jsou termočlánky a váhy .

Delta-encoded

Delta-kódované nebo proti-rampa ADC má nahoru-dolů počítadlo , které přivádí digitálního na analogový převodník (DAC). Vstupní signál i DAC jdou do komparátoru. Komparátor ovládá počítadlo. Obvod používá zápornou zpětnou vazbu od komparátoru k nastavení čítače, dokud se výstup DAC shoduje se vstupním signálem a z čítače se načte číslo. Převaděče delta mají velmi široké rozsahy a vysoké rozlišení, ale doba převodu závisí na chování vstupního signálu, i když vždy bude mít zaručený nejhorší případ. Převaděče delta jsou často velmi dobrou volbou pro čtení signálů v reálném světě, protože většina signálů z fyzických systémů se náhle nemění. Některé převaděče kombinují delta a postupné aproximační přístupy; to funguje zvláště dobře, když je známo, že vysokofrekvenční složky vstupního signálu jsou malé velikosti.

Pipelined

Pipeline ADC (také volal subranging kvantizér ) používá dvě nebo více konverzních kroků. Nejprve se provede hrubá konverze. Ve druhém kroku je rozdíl vůči vstupnímu signálu určen pomocí převodníku digitálního signálu na analogový (DAC). Tento rozdíl se pak přesněji převede a výsledky se v posledním kroku spojí. To lze považovat za zdokonalení ADC s postupnou aproximací, kde referenční signál zpětné vazby sestává z přechodné konverze celého rozsahu bitů (například čtyř bitů), nikoli pouze z dalšího nejvýznamnějšího bitu. Díky kombinaci výhod postupné aproximace a flash ADC je tento typ rychlý, má vysoké rozlišení a lze jej efektivně implementovat.

Sigma-delta

Sigma-delta ADC (také známý jako delta-sigma ADC ) oversamples příchozí signál velkým faktorem při použití menšího počtu bitů než požadovaných se převedou pomocí vysokorychlostní ADC a filtry požadovaného signálu pásma. Výsledný signál spolu s chybou generovanou diskrétními úrovněmi záblesku je přiveden zpět a odečten od vstupu do filtru. Tato negativní zpětná vazba má za následek šum tvarující kvantizační chybu, že se neobjevuje na požadovaných frekvencích signálu. Za ADC následuje digitální filtr (decimační filtr), který snižuje vzorkovací frekvenci, filtruje nežádoucí šumový signál a zvyšuje rozlišení výstupu.

Časově prokládané

A Časově prokládané ADC použití M paralelní ADC, kde každá vzorky ADC údaje každý m-tého cyklu účinné vzorku hodiny. Výsledkem je, že vzorkovací frekvence se M krát zvýší ve srovnání s tím, co může spravovat každý jednotlivý ADC. V praxi individuální rozdíly mezi M ADC snižují celkový výkon a snižují dynamický rozsah (SFDR). Existují však techniky k opravě těchto chyb nesouladu časového prokládání.

Mezistupeň FM

ADC s mezistupni FM nejprve používá převodník napětí-kmitočet převést požadovaný signál do oscilačního signálu s frekvenčním úměrný napětí požadovaného signálu, a pak používá frekvenci pult převést tuto frekvenci do digitální počítat úměrné požadovanému signálnímu napětí. Delší integrační časy umožňují vyšší rozlišení. Stejně tak lze rychlost převodníku zlepšit obětováním rozlišení. Obě části ADC mohou být široce odděleny, přičemž frekvenční signál prochází optoizolátorem nebo se přenáší bezdrátově. Některé takové ADC používají frekvenční modulaci sinusových nebo čtvercových vln ; ostatní používají pulzně-frekvenční modulaci . Takové ADC byly kdysi nejpopulárnějším způsobem, jak zobrazit digitální zobrazení stavu vzdáleného analogového senzoru.

Jiné typy

Mohou existovat další ADC, které používají kombinaci elektroniky a dalších technologií . Time-stretch analogově-digitální převodník (TS-ADC) digitalizuje velmi široká pásma analogového signálu, které nemohou být digitalizovány běžným elektronickým ADC, časem-natahování signál před digitalizací. K časovému natažení signálu běžně používá frontend fotonického preprocesoru , který efektivně zpomaluje signál v čase a komprimuje jeho šířku pásma. Výsledkem je, že elektronický backend ADC, který by byl příliš pomalý na zachycení původního signálu, nyní může zachytit tento zpomalený signál. Pro nepřetržité zachycení signálu frontend kromě časového roztažení také rozděluje signál na více segmentů. Každý segment je individuálně digitalizován samostatným elektronickým ADC. Nakonec procesor digitálního signálu přeuspořádá vzorky a odstraní veškerá zkreslení přidaná frontendem, čímž se získají binární data, která jsou digitální reprezentací původního analogového signálu.

Komerční

Komerční ADC jsou obvykle implementovány jako integrované obvody . Většina převaděčů vzorkuje s rozlišením 6 až 24 bitů a produkuje méně než 1 megasampl za sekundu. Tepelný šum generovaný pasivními součástmi, jako jsou rezistory, maskuje měření, když je požadováno vyšší rozlišení. U zvukových aplikací a teplot v místnosti je takový šum obvykle o něco menší než 1 μV (mikrovolt) bílého šumu . Pokud MSB odpovídá standardnímu 2 V výstupního signálu, je to převedeno na výkon omezený šumem, který je menší než 20 ~ 21 bitů, a odpadá potřeba jakéhokoli ditheringu . K převodu analogového videa v plné rychlosti na digitální video soubory jsou v digitálních videokamerách , kartách pro zachycování videa a TV tuneru vyžadovány převaděče megapixelů .

V mnoha případech jsou nejdražší částí integrovaného obvodu kolíky, protože ty zvětšují balíček a každý pin musí být připojen ke křemíku integrovaného obvodu. Aby bylo možné ukládat piny, je běžné, že ADC odesílají svá data po jednom po sériovém rozhraní do počítače, přičemž další bit vychází, když signál hodin změní stav. Tím se ušetří pěkných pár kontaktů na zadní straně obalu ADC, a v mnoha případech neznamená, že celkový design jakýkoliv složitější (i mikroprocesory , které používání paměťově mapované I / O potřebovat pouze několik kousků portu realizovat sériovou sběrnici k ADC).

Komerční ADC mají často několik vstupů, které napájejí stejný převodník, obvykle prostřednictvím analogového multiplexeru . Různé modely ADC mohou zahrnovat vzorkovací a zadržovací obvody, přístrojové zesilovače nebo diferenciální vstupy, kde měřená veličina je rozdílem mezi dvěma napětími.

Aplikace

Nahrávání hudby

Analogově digitální převodníky jsou nedílnou součástí technologie reprodukce hudby z éry 2000 a záznamu zvuku na bázi digitální zvukové pracovní stanice . Lidé často produkují hudbu na počítačích pomocí analogového záznamu, a proto potřebují analogově-digitální převaděče k vytváření datových toků modulace pulzní kódové modulace (PCM), které přecházejí na kompaktní disky a digitální hudební soubory. Aktuální množství analogově-digitálních převodníků používaných v hudbě může vzorkovat rychlostí až 192 kilohertzů . O těchto záležitostech existuje značná literatura, ale komerční aspekty často hrají významnou roli. Mnoho nahrávacích studií nahrává ve formátech 24bitové/96 kHz (nebo vyšší) s pulzní kódovou modulací (PCM) nebo Direct Stream Digital (DSD) a poté převzorkuje nebo zdecimuje signál pro produkci digitálního zvuku Compact Disc (44,1 kHz) nebo 48 kHz pro běžně používané aplikace rozhlasového a televizního vysílání kvůli Nyquistově frekvenci a rozsahu sluchu lidí.

Zpracování digitálních signálů

ADC jsou povinny zpracovávat, ukládat nebo přepravovat prakticky jakýkoli analogový signál v digitální formě. Karty televizního tuneru například používají rychlé převaděče analogového signálu na digitální. V mikrokontrolérech jsou běžné 8, 10, 12 nebo 16bitové analogově digitální převodníky na čipu . Digitální osciloskopy pro ukládání dat potřebují velmi rychlé převaděče analogových signálů na digitální, což je také zásadní pro softwarově definované rádio a jejich nové aplikace.

Vědecké přístroje

Digitální zobrazovací systémy běžně používají při digitalizaci obrazových bodů převaděče analogových signálů na digitální . Některé radarové systémy běžně používají analogově-digitální převodníky pro převod síly signálu na digitální hodnoty pro následné zpracování signálu . Mnoho dalších systémů in situ a dálkových průzkumů běžně používá analogickou technologii. Počet binárních bitů ve výsledných digitalizovaných číselných hodnotách odráží rozlišení, počet unikátních diskrétních úrovní kvantizace (zpracování signálu) . Soulad mezi analogovým signálem a digitálním signálem závisí na chybě kvantování . Proces kvantování musí probíhat adekvátní rychlostí, omezením, které může omezit rozlišení digitálního signálu. Mnoho senzorů ve vědeckých přístrojích produkuje analogový signál; teplota , tlak , pH , intenzita světla atd. Všechny tyto signály mohou být zesíleny a přivedeny do ADC k vytvoření digitálního čísla úměrného vstupnímu signálu.

Rotační kodér

Za ADC lze také považovat některá neelektronická nebo jen částečně elektronická zařízení, jako jsou rotační kodéry . Digitálním výstupem ADC bude obvykle dvojkové binární číslo komplementu, které je úměrné vstupu. Kodér může vydávat šedý kód .

Zobrazení

Ploché displeje jsou ze své podstaty digitální a ke zpracování analogového signálu, jako je kompozitní nebo VGA, potřebují ADC .

Elektrický symbol

Testování

Testování převodníku analogového signálu na digitální vyžaduje analogový vstupní zdroj a hardware pro odesílání řídicích signálů a zachycení výstupu digitálních dat. Některé ADC také vyžadují přesný zdroj referenčního signálu.

Klíčové parametry pro testování ADC jsou:

1. Chyba ofsetu DC
2. Chyba zesílení DC
3. Poměr signálu k šumu (SNR)
4. Celkové harmonické zkreslení (THD)
5. Integrovaná nelinearita (INL)
6. Diferenciální nelinearita (DNL)
7. Falešný volný dynamický rozsah
8. Ztráta výkonu

Viz také

• Adaptivní prediktivní kódování , typ ADC, ve kterém je hodnota signálu předpovídána lineární funkcí
• Zvukový kodek
• Beta kodér
• Digitalizace
• Zpracování digitálních signálů
• Integrální linearita
• Modem

Poznámky

Reference

Další čtení

• Allen, Phillip E .; Holberg, Douglas R. (2002). Návrh analogového obvodu CMOS . ISBN 978-0-19-511644-1.
• Fraden, Jacob (2010). Handbook of Modern Sensors: Physics, Designs, and Applications . Springer. ISBN 978-1441964656.
• Kester, Walt, ed. (2005). Příručka pro převod dat . Elsevier: Newnes. ISBN 978-0-7506-7841-4.
• Johns, David; Martin, Ken (1997). Analogový integrovaný obvod . ISBN 978-0-471-14448-9.
• Liu, Mingliang (2006). Demystifikující obvody se spínanými kondenzátory . ISBN 978-0-7506-7907-7.
• Norsworthy, Steven R .; Schreier, Richard; Temes, Gabor C. (1997). Převaděče dat Delta-Sigma . IEEE Press. ISBN 978-0-7803-1045-2.
• Razavi, Behzad (1995). Zásady návrhu systému převodu dat . New York, NY: IEEE Press. ISBN 978-0-7803-1093-3.
• Ndjountche, Tertulien (24. května 2011). CMOS analogové integrované obvody: vysokorychlostní a energeticky efektivní provedení . Boca Raton, FL: CRC Press. ISBN 978-1-4398-5491-4.
• Staller, Len (24. února 2005). "Porozumění specifikacím analogového na digitální převodník" . Návrh vestavěných systémů .
• Walden, RH (1999). „Průzkum a analýza převaděče analogového signálu na digitální“. IEEE Journal o vybraných oblastech v komunikaci . 17 (4): 539–550. CiteSeerX  10.1.1.352.1881 . doi : 10,1109/49,761034 .

externí odkazy

• Úvod do převodníků Delta Sigma Velmi pěkný přehled teorie převaděčů Delta-Sigma.
• Digitální dynamická analýza A/D převodních systémů prostřednictvím vyhodnocovacího softwaru na základě FFT/DFT Analysis RF Expo East, 1987
• Která architektura ADC je vhodná pro vaši aplikaci? článek Walt Kester
• Glosář ADC a DAC Definuje běžně používané technické termíny.
• Úvod do ADC v AVR - Analogově digitální převod s mikrokontroléry Atmel
• Zpracování signálu a systémové aspekty časově prokládaných ADC.
• Vysvětlení analogově-digitálních převodníků s interaktivními principy operací.
• MATLAB Simulink model jednoduché rampy ADC.