Janus Kamil Informatyka III stacj

21. Co to jest ,do czego służy i na czym polega przetwarzanie analogowo-cyfrowe

PRZETWARZANIE ANALOGOWO-CYFROWE

Przetwornik analogowo-cyfrowy A/C (ang. A/D – analog to digital; ADC – analog to digital converter), to układ służący do zamiany sygnału analogowego (ciągłego) na reprezentację cyfrową (sygnał cyfrowy). Dzięki temu możliwe jest przetwarzanie ich w urządzeniach elektronicznych opartych o architekturę zero-jedynkową oraz gromadzenie na dostosowanych do tej architektury nośnikach danych. Proces ten polega na uproszczeniu sygnału analogowego do postaci skwantowanej (dyskretnej), czyli zastąpieniu wartości zmieniających się płynnie do wartości zmieniających się skokowo w odpowiedniej skali (dokładności) odwzorowania.

przetwarzanie analogowo-cyfrowe,  przetwarzanie sygnału analogowego w sygnał cyfrowy -

składa się z 3 podstawowych operacji: próbkowania, kwantowania i kodowania.

Próbkowanie polega na pobieraniu co pewien czas (zwykle jednakowy) próbek sygnału analogowego i zapamiętaniu ich wartości (np. wartości napięcia w danej chwili); częst. próbkowania sygnału jest określona warunkiem Nyquista, który mówi, że powinna być ona co najmniej 2-krotnie większa od maks. częst. widma sygnału; jest to warunek wiernego odtworzenia sygnału analogowego z jego próbek (np. wierne odtworzenie sygnału akustycznego o granicy słyszalności 20 kHz wymaga jego próbkowania z częst. nie mniejszą niż 40 kHz, tj. co 25 µs lub częściej). Próbkowanie z częst. mniejszą od częst. Nyquista jest zw. podpróbkowaniem, a próbkowanie z częst. większą (często wielokrotnie) - nadpróbkowaniem. W wyniku próbkowania sygnału analogowego otrzymuje się sygnał dyskretny w czasie, w postaci ciągu próbek o wartościach odpowiadających wartościom sygnału w chwilach pobierania próbek.

Kwantowanie polega na podzieleniu ciągłego zbioru wartości sygnału na skończoną liczbę sąsiadujących ze sobą przedziałów i ustaleniu poziomów kwantowania (tj. określonych wartości z każdego przedziału, reprezentujących wszystkie wartości w tym przedziale), a następnie przypisaniu każdej próbce odpowiedniego (najbliższego) poziomu kwantowania; różnica między rzeczywistymi wartościami próbek sygnału a przypisanymi im poziomami kwantowania określa błąd kwantowania (jest on tym mniejszy, im większa jest liczba przedziałów kwantowania). Operacja kwantowania prowadzi więc zawsze do straty pewnej liczby informacji zawartej w sygnale analogowym, przy czym strata ta jest tym mniejsza, im bliżej siebie leżą poziomy kwantowania. Jeżeli w kolejnej operacji (tj. kodowaniu) stosuje się kodowanie binarne (w technice stosowane prawie wyłącznie), to liczbę przedziałów kwantowania wybiera się z reguły jako równą 2ⁿ, gdzie n jest liczbą naturalną.

Kodowanie polega na przyporządkowaniu poziomom kwantowania (a więc i skwantowanym próbkom) zakodowanych liczb (słów kodowych); w przypadku kodowania binarnego każdemu z 2ⁿ poziomów kwantowania odpowiada słowo kodowe o długości n znaków (cyfr) binarnych, czyli n-elementowy ciąg zer i jedynek (dwójkowy system liczbowy). Na przykład, jeśli zakres zmian analogowego sygnału, będącego przebiegiem napięcia elektr. o wartościach zawartych w przedziale 0–15 mV, podzieli się na 16 = 2⁴ poziomów kwantowania, wówczas próbce o wartości 8,2 mV przyporządkowuje się poziom kwantowania 8 mV i słowo kodowe 1000, a próbce o wartości 12,7 mV — poziom kwantowania 13 mV i słowo kodowe 1101; sygnał cyfrowy otrzymany w wyniku p.a.-c. może być fizycznie reprezentowany np. przez ciąg impulsów odpowiadających cyfrze 1 i przerw między impulsami odpowiadających cyfrze 0 lub też kombinacją 2 różnych poziomów napięcia reprezentujących te cyfry.

P.a.-c. przeprowadza się w układzie zw. przetwornikiem analogowo-cyfrowym. Jest ono szeroko stosowane w wielu dziedzinach, ponieważ sygnały cyfrowe w porównaniu z analogowymi są odporniejsze na zakłócenia i zwykle łatwiejsze do przesyłania i przetwarzania, a urządzenia pracujące w systemach cyfrowych — łatwiejsze do automatycznego sterowania i współpracy z komputerami. Jest wykorzystywane m.in. w telekomunikacji (np. w systemach telewizji cyfrowej, telefonii cyfrowej), elektroakustyce (w magnetofonach i gramofonach cyfrowych, systemach CD i DVD), metrologii, systemach sterowania procesami przem., diagnostyce med. (badanie sygnałów fizjol. człowieka).

Sprzęganie przetworników z maszynami cyfrowymi

Współpraca przetwornika analogowo - cyfrowego z różnymi rodzajami maszyn cyfrowych jest ograniczana maksymalną częstotliwością wprowadzania oraz wyprowadzania danych z tych drugich. Częstotliwość z jaką możliwe jest próbkowanie może być więc ograniczane przez szybkość pracy maszyny cyfrowej. Łączenie przetworników analogowo - cyfrowych z maszynami cyfrowymi może być realizowane na wiele sposobów. Przekazując informację z przetwornika do maszyny cyfrowej, najprostszym możliwym sposobem ich połączenia jest podawanie każdej wielkości analogowej na wejścia przetworników, natomiast sygnały z ich wyjść podłącza się do maszyny cyfrowej. Z powodu niemożliwości jednoczesnego wprowadzania i wyprowadzania informacji z pamięci, w czasie gdy wprowadzane są z przetworników informacje maszyna cyfrowa nie pracuje. Jeżeli możliwość wprowadzania danych jest związana z kolejnymi uruchomieniami przetworników, to przedział czasowy przestoju danej maszyny cyfrowej wyniesie: T_p = mt_p, gdzie m jest liczbą wielkości wejściowych. Jeżeli używane przetworniki są odpowiednio przystosowane do zapamiętywania wielkości w przeciągu pewnej chwili czasowej, to poprzez ich jednoczesne uruchomienie, a potem dzięki szeregowemu wprowadzaniu wyników do maszyny zmniejszeniu ulegnie czas przestoju i będzie wynosił: T_p = t_p + mt_w, gdzie t_w jest czasem wprowadzania danych z przetwornika do maszyny cyfrowej.

Pamięci buforowe i ich zastosowanie

Stosując przetwarzanie wielokanałowe, bezpośrednie przekształcanie i wprowadzanie danych do maszyny na ogół nie wchodzi w rachubę, głównie ze względu na dosyć duży czas przetwarzania. Czas przestoju, jaki charakteryzuje maszynę cyfrową, może być skracany dzięki stosowaniu pamięci buforowej, do której wprowadzane są dane z przetworników w pojedynczym cyklu przekształcania, natomiast wszystkie zapamiętane wartości wprowadzane są do pamięci maszyny cyfrowej podczas kolejnego cyklu przetwarzania. W tym wypadku czas przestoju ulega znacznemu skróceniu i wynosi T_p = mt_d, gdzie t_d jest czasem dostępu do pamięci buforowej. Wymagane jest jednak stosowanie pamięci o względnie dużych pojemnościach. Innym sposobem połączenia przetworników z maszyną cyfrową jest wykorzystanie małych pamięci, osobnych dla każdego kanału. Dzięki takiej budowie układu wielkość pamięci wymaganej do poprawnego działania ulega znacznemu zmniejszeniu. Zazwyczaj nie wymaga się oddzielnego wykonywania pamięci, gdyż występuje ona w niemal każdym przetworniku, jako rejestr, bądź licznik. Na zakończenie każdego cyklu przetwarzania wartość wejściowego sygnału analogowego jest przesyłana do pamięci maszyny cyfrowej, a przetwornik przełącza się na kolejny kanał. Czas przestoju w tym wypadku wynosi T_p = mt_w.

Rodzaje sygnałów i zakres zmian.
Do sygnałów analogowych podlegających najczęściej procesowi przetwarzania można zaliczyć napięcie, prąd, przedział czasu, przesunięcie liniowe lub kątowe. Sygnały cyfrowe są wyrażone za pomocą ciągów kodowych w systemie dwójkowym, dziesiętnym lub dwójkowo – dziesiętnym. Ponadto ciąg kodowy może być szeregowy lub równoległy. Bardzo często zarówno sygnały analogowe jak i cyfrowe są przekształcane w inne sygnały analogowe lub cyfrowe w celu uproszczenia przetwarzania (np. ciśnienie w przesunięcie, napięcie w przedział czasowy itp.). Sygnały analogowe zmieniają się w pewnych granicach A = Amax – Amin. Zakres zmian sygnałów jest bardzo istotny ze względu na dokładność, sposób liczenia i liczbę pozycji kodu.

Częstotliwość kwantowania w czasie.
Aby przedstawić wielkość analogową w postaci cyfrowej, należy w pewnych określonych odstępach czasu pobierać próbki, tj. mierzyć chwilowe wartości sygnału analogowego. Przez częstotliwość próbkowania należy rozumieć odwrotność odstępu czasu między dwoma kolejnymi pomiarami , przy czym Dt – okres próbkowania.
Proces próbkowania jest kwantowaniem w czasie. Ponieważ kolejne wartości w sygnale kodowanym zmieniają się w sposób dyskretny, więc przy przetwarzaniu sygnału analogowego w sygnał cyfrowy występuje również zjawisko kwantowania w poziomie.
Kwantowanie w czasie jest operacją liniową. Kwantowanie w czasie wywołuje uchyby dynamiczne i przy zbyt małej częstotliwości kwantowania powoduje ograniczenie pasma przenoszonego. Przy stałej wielkości wejściowej uchyb kwantowania jest równy zeru. Kwantowanie w poziomie jest operacją w zasadzie nieliniową, chociaż w pewnych warunkach może być uważane za liniowe. Wywołuje ono uchyby statyczne. W ten sposób dokładność przetwarzania jest ściśle związana z okresem kwantowania t (częstotliwością kwantowania fk) oraz odległością między sąsiednimi poziomami kwantowania q, tzw. Zdolnością rozdzielczą przetwornika. Procesy próbkowania i kwantyzacji są procesami niezależnymi.

Czas przetwarzania
Czas przetwarzania, a więc ilość czasu niezbędna do przetworzenia jednej wartości, musi być krótszy niż okres próbkowania . W zasadzie dąży się do tego, aby zmiana sygnału wejściowego w tym czasie nie była większa od zdolności rozdzielczej przetwornika. Czas przetwarzania zależy w znacznym stopniu od przyjętego sposobu przetwarzania oraz sposobu kodowania. Dopuszczalną szybkość U zmian wielkości wejściowej można wyznaczyć ze wzoru:

w którym: n – liczba pozycji ciągu kodowego; p – założona część zdolności rozdzielczej o jaką może się zmienić wielkość wejściowa w czasie przetwarzania tp; Amax, Amin – maksymalna i minimalna wartości sygnału analogowego.
Jeśli szybkość zmian wielkości wejściowej jest większa od określonej powyższym równaniem, to należy stosować układy pamięciowe, które zachowują wielkość analogową w czasie przetwarzania.
Przetwarzanie wielokanałowe umożliwia wykorzystanie jednego przetwornika do przetworzenia kilku wielkości wejściowych, dzięki wykorzystaniu przełącznika wielokanałowego przyłączającego przetwornik kolejno do wszystkich kanałów wejściowych. Maksymalna częstotliwość próbkowania ulega zmniejszeniu m – krotnie:
przy czym: m – liczba kanałów.

Zasady współpracy z maszynami cyfrowymi.
Przy współpracy przetwornika analogowo – cyfrowego z maszyną cyfrową częstotliwość wprowadzania i wyprowadzania danych, a więc częstotliwość próbkowania może być ograniczona szybkością pracy maszyny cyfrowej.
Połączenie przetworników z maszyną cyfrową może być zrealizowane w różny sposób. Przy przekazywaniu informacji z przetwornika analogowo – cyfrowego do maszyny najprostszym sposobem połączenia jest podanie poszczególnych wielkości analogowych na wejście przetworników, a sygnałów z ich wyjść do pamięci maszyny. Ponieważ na ogół jednoczesne wprowadzenie i wyprowadzenie z pamięci jest niemożliwe, podczas wprowadzania informacji z przetworników maszyna nie pracuje. Jeśli wprowadzanie danych jest związane z kolejnym uruchomieniem przetworników, to czas przestoju maszyny wyniesie: Tp = mtp, przy czym m – liczba wielkości wejściowych..
Jeśli przetworniki są przystosowane do zapamiętania wielkości na przeciąg pewnego czasu, to przez ich jednoczesne uruchomienie, a następnie szeregowe wprowadzanie wyników do maszyny, czas przestoju ulegnie skróceniu, Tp = tp + mtw, przy czym tw – czas wprowadzania danych z przetwornika maszyny.

Pojemność pamięci.
W przypadku przetwarzania wielokanałowego bezpośrednie przekształcenie i wprowadzenie do maszyny danych nie wchodzi na ogół w rachubę ze względu na duży czas przetwarzania. Czas przestoju maszyny może być wtedy skrócony przez zastosowanie pamięci buforowej, do której są wprowadzane dane z przetworników w jednym cyklu przekształcania, a zapamiętane wartości są wprowadzane wszystkie do pamięci maszyny podczas następnego cyklu przetwarzania. Czas przestoju maszyny jest wtedy bardzo krótki i równy mtd, przy czym td – czas dostępu do pamięci buforowej. Wymaga to jednak pamięci o stosunkowo dużej pojemności.

Inny sposób połączenia przetworników z maszyną cyfrową polega na wykorzystaniu małych pamięci dla każdego kanału, dzięki czemu wielkość wymaganej pamięci ulega zmniejszeniu. Na ogół nie jest wymagane wykonywanie oddzielnej pamięci, ponieważ w wielu przetwornikach występuje ona w postaci rejestru lub licznika. Po zakończeniu kolejnego cyklu przetwarzania wartość wielkości wejściowej jest przesyłana do pamięci maszyny, a przetwornik zostaje przyłączony do następnego kanału. Czas przestoju wynosi w tym przypadku Tp = mtw.

Metody przetwarzania A/C (analogowo-cyfrowego)

(ang. Analog-to-Digital Converter)

Metody przetwarzania A/C dzielimy na:

Metody pośrednie

metoda czasowo-impulsowa

• prosta (pojedynczego całkowania)

• z podwójnym całkowaniem

• z potrójnym całkowaniem

metoda częstotliwościowa

• prosta

• z podwójnym przetwarzaniem

• delta – sigma (∆ − Σ)

Metody bezpośrednie

metoda kompensacyjna

• kompensacji równomiernej

• kompensacji wagowej

metoda bezpośredniego porównania

• równoległego porównania

Metody kombinowane (dwustopniowe)(dwutaktowe)(kaskadowe)

• szeregowo-równoległego porównania

• częstotliwościowo-kompensacyjna

• częstotliwościowo-czasowa

Metoda czasowo-impulsowa

Metoda czasowo–impulsowa z podwójnym całkowaniem

Metody częstotliwościowe

Metoda delta-sigma