Аналага-лічбавы пераўтваральнік

Чатырохканальны аналага-лічбавы пераўтваральнік

Аналага-лічбавы пераўтваральнік (АЛП, англ.: Analog-to-digital converter, ADC) — прылада, якая пераўтварае ўваходны аналагавы сігнал у дыскрэтны код (лічбавы сігнал). Адваротнае пераўтварэнне ажыццяўляецца з дапамогай ЛАП (лічба-аналагавага пераўтваральніка).

Звычайна АЛП — электронная прылада, якая пераўтварае напружанне ў двайковы лічбавы код. Найпрасцейшым аднаразрадным двайковым АЛП з’яўляецца кампаратар.

Разрозненне

Разрозненне АЛП — мінімальнае змяненне велічыні аналагавага сігналу, якое можа быць пераўтворана дадзеным АЛП. Разрозненне звязана з ягонай разраднасцю. У выпадку адзінкавага змянення без уліку шумоў разрозненне наўпрост вызначаецца разраднасцю АЛП.

Разраднасць АЛП характарызуе колькасць дыскрэтных значэнняў, якія пераўтваральнік можа выдаць на выхадзе. У двайковых АЛП вымяраецца ў бітах, у трайковых — у трытах. Напрыклад, двайковы васьміразрадны АЛП здольны выдаць 256 дыскрэтных значэнняў (0…255), таму што $2^{8}=256$, трайковы васьміразрадны АЛП здольны выдаць 6561 дыскрэтнае значэнне, таму што $3^{8}=6561$.

Разрозненне паводле напружання роўнае рознасці напружанняў, якія адпавядаюць максімальнаму і мінімальнаму выхадному коду, падзеленай на колькасць выхадных дыскрэтных значэнняў. Напрыклад:

• Прыклад 1
  • Дыяпазон уваходных значэнняў = ад 0 да 10 вольт
  • Разраднасць двайковага АЛП 12 біт: 2¹² = 4096 узроўняў квантавання
  • Разрозненне двайковага АЛП па напружанні: (10-0)/4096 = 0,00244 вольт = 2,44 мВ
  • Разраднасць трайковага АЛП 12 трыт: 3¹² = 531 441 узровень квантавання
  • Разрозненне трайковага АЛП па напружанні: (10-0)/531441 = 0,0188 мВ = 18,8 мкВ

• Прыклад 2
  • Дыяпазон уваходных значэнняў = ад −10 да +10 вольт
  • Разраднасць двайковага АЛП 14 біт: 2¹⁴ = 16384 узроўні квантавання
  • Разрозненне двайковага АЛП па напружанні: (10-(-10))/16384 = 20/16384 = 0,00122 вольт = 1,22 мВ
  • Разраднасць трайковага АЛП 14 трыт: 3¹⁴ = 4 782 969 узроўняў квантавання
  • Разрозненне трайковага АЛП па напружанні: (10-(-10))/4782969 = 0,00418 мВ = 4,18 мкВ

Тыпы пераўтварэння

Паводле тыпу скарыстаных алгарытмаў АЛП падзяляюць на:

• Паслядоўныя прамога перабору
• Паслядоўнага набліжэння
• Паслядоўныя з сігма-дэльта мадуляцыяй
• Паралельныя аднапрыступкавыя
• Паралельныя двух- і больш прыступкавыя (канвеерныя)

Перадаткавая характарыстыка АЛП — залежнасць лікавага эквіваленту выхаднога двайковага кода ад велічыні ўваходнага аналагавага сігналу.

Лінейныя АЛП

Большасць АЛП лічацца лінейнымі, хоць аналага-лічбавае пераўтварэнне па сутнасці з’яўляецца нелінейным працэсам (паколькі аперацыя адлюстравання непарыўнай прасторы ў дыскрэтную — аперацыя нелінейная).

Тэрмін лінейны азначае, што дыяпазон уваходных значэнняў, які адпавядае выходнаму лічбаваму значэнню, звязаны па лінейным законе з гэтым выхадным значэннем, то бок выхадное значэнне k дасягаецца пры дыяпазоне ўвахадных значэнняў ад

m(k + b)

да

m(k + 1 + b),

дзе m і b — некаторыя канстанты. Канстанта b зазвычай мае значэнне 0 ці −0.5. Калі b = 0, АЛП называюць квантавальнікам з ненулявой ступенню (mid-rise), калі ж b = −0,5, АЛП называюць квантавальнікам з нулём у цэнтры кроку квантавання (mid-tread).

Нелінейныя АЛП

Калі б шчыльнасць імавернасці амплітуды ўваходнага сігналу мела раўнамернае размеркаванне, то адносіны сігнал / шум былі б максімальна магчымымі. З гэтай прычыны звычайна перад квантаваннем па амплітудзе сігнал прапускаюць цераз безінэрцыйны пераўтваральнік, перадаткавая характарыстыка якога паўтарае функцыю размеркавання самога сігналу. Гэта паляпшае трапнасць перадачы сігналу, бо найбольш важныя вобласці амплітуды сігналу квантуюцца з лепшым разрозненнем. Адпаведна, пры лічба-аналагавым пераўтварэнні трэба апрацаваць сігнал функцыяй, адваротнай функцыі размеркавання зыходнага сігналу.

Дакладнасць

Ёсць некалькі крыніц хіб АЛП. Памылкі квантавання і (калі лічыць, што АЛП мае быць лінейным) нелінейнасці ўласцівыя любому аналага-лічбаваму пераўтваральніку. Акрамя гэтага, існуюць так званыя апертурныя памылкі, якія з’яўляюцца вынікам джытэра тактавага генератара, яны праяўляюцца пры пераўтварэнні сігналу цалкам (а не аднаго адліку).

Гэтыя памылкі вымяраюцца ў адзінках, званых МЗР — малодшы вартасны разрад. У прыведзеным вышэй прыкладзе 8-бітнага двайковага АЛП памылка ў 1 МЗР складае 1/256 ад поўнага дыяпазону сігналу, то бок 0,4 %, у 5-трытным трайковым АЛП памылка ў 1 МЗР складае 1/243 ад поўнага дыяпазону сігналу, то бок 0,412 %, у 8-трытным трайковым АЛП памылка ў 1 МЗР складае 1/6561, то бок 0,015 %.

Памылкі квантавання

Памылкі квантавання з’яўляюцца вынікам абмежаванага разрознення АЛП. Гэтага недахопу немагчыма пазбавіцца ні пры якім тыпе аналага-лічбавага пераўтварэння. Абсалютная велічыня памылкі квантавання пры кожным адліку знаходзіцца ў межах ад нуля да паловы МЗР.