Информатика, вычислительная техника и управление
Системный анализ, управление и обработка
информации
Бондарь М.С., старший преподаватель
Мастепаненко М.А.
(Ставропольский государственный аграрный университет)
РОЛЬ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ В СИСТЕМАХ ЦИФРОВОЙ
ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ И СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ИХ ЭФФЕКТИВНОСТИ
Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) находят широкое применение в различных областях: в измерительной и вычислительной технике, в системах обработки информации, в цифровой связи, в радиолокации и телевидении.
С чем же связано такое широкое применение аналого-цифровых преобразователей? Конечно же с выполняемыми ими функциями. На вопрос зачем нужны АЦП легко ответить, исходя из их названия: для преобразования аналогового сигнала в цифровой код, с которым работают микропроцессоры и другие цифровые устройства.
На самом деле такое определение АЦП не в полной мере раскрывает их значимость, особенно если рассматривать их с точки зрения теории цифровой обработки сигналов. Сущность цифровой обработки сигналов состоит в том, что физический сигнал (напряжение, ток и т. д.) преобразуется в последовательность чисел, которая затем подвергается математическим преобразованиям в вычислительном устройстве. Трансформированный цифровой сигнал (последовательность чисел) при необходимости может быть преобразован обратно в напряжение или ток.
К основным типам сигналов, используемым в системах цифровой обработки, относятся аналоговый, дискретный и цифровой [1]. Аналоговым называется сигнал, определенный во все моменты времени, то есть непрерывный во времени и по состоянию.
Рис. 1. Аналоговый сигнал
Такой сигнал, как показано на рисунке 1, описывается непрерывной функцией х(1). Дискретным называется сигнал, дискретный во времени и непрерывный по состоянию. Он показан на рисунке 2 и описывается решетчатой функцией х(пТ), где п - номер отсчета.
х(пТ)
пТ
Рис. 2. Дискретный сигнал
Отсчетами называют значения решетчатой функции, и соответственно, дискретного сигнала в момент времени пТ. Как правило, отсчеты берутся за равные промежутки времени Т, называемые периодом дискретизации.
Процесс преобразования аналогового сигнала в последовательность отсчетов называется дискретизацией.
Цифровым называется сигнал дискретный как во времени, так и по состоянию (рисунок
Сигналы этого типа также описываются решетчатой функцией хц(пТ), которая, однако, может принимать только конечное число значений.
Эти значения называются уровнями квантования. Они образуют горизонтальную сетку и сдвинуты относительно друг друга на шаг квантования.
Каждому дискретному отсчету присваивается значение одного из ближайших уровней квантования. Такая процедура называется квантованием. Уровни квантования кодируются двоичными числами, поэтому в результате получается последовательность двоичных чисел хц(Ы), а это уже процедура кодирования.
Таким образом, цифровым сигналом называют сигнал, дискретный во времени и квантованный по уровню.
Все эти три операции: дискретизации по времени, квантования отсчетов по уровням и кодирования, реализуется в аналого-цифровых преобразователях.
Вычислительные устройства, например, цифровой процессор, предназначенные для обработки сигналов, могут оперировать только цифровыми сигналами. Отсюда следует вывод об огромной значимости аналого-цифровых преобразователей в системах цифровой обработки сигналов: вычислительные устройства, работая только с цифровыми сигналами, не могут обеспечить преобразование входного аналогового сигнала в цифровой. Эту функцию, а именно переход от аналогового сигнала, через дискретный, к цифровому, выполняет АЦП.
3).
х/пТ)
Рис. 3. Цифровой сигнал
Таким образом, аналого-цифровые преобразователи являются обязательным элементом систем цифровой обработки сигналов.
Но в таком преобразовании есть одна проблема: как видно из рисунка 4, входные аналоговые сигналы, как правило, двухполярные, и при согласовании размаха амплитуды входного сигнала с диапазоном входных значений АЦП, амплитуда входного сигнала приводится к
2И 1 уровням АЦП. То есть, фактически, при 2И уровнях квантования АЦП, вес знака по-
тИ-1
лярности входного сигнала составит 2 уровней квантования, что несомненно является крайне расточительным с технической точки зрения.
Рис. 4. Двухполярный аналоговый сигнал
Рис. 5. Однополярный положительный сигнал после инвертирования
Проведенные авторами исследования показали, что для повышения эффективности аналого-цифровых преобразователей, используемых для преобразования двухполярных сигналов, целесообразно использовать в составе схемы АЦП блок определения знака и инвертирования отрицательных напряжений. Научная новизна этого технического решения подтверждается полученными авторами положительными решениями на выдачу патентов № 2006120991/22(020759) от 16.06.2006; № 2006119107/22(020759) от 03.07.2006; № 2006129976/22(032585) от 01.09.2006;
Блок определения знака и инвертирования отрицательных напряжений:
1) формирует код знака полярности напряжения входного сигнала;
2) формирует модуль напряжения входного сигнала (рисунок 5);
3) транслирует модуль входного сигнала с единичным коэффициентом передачи на вход аналого-цифрового преобразователя.
В результате этого аналого-цифровой преобразователь становится однополярным, то есть работает только с сигналами положительной полярности. Для параллельных АЦП это способствует упрощению их устройства за счет снижения разрядности АЦП с п до (п-1), а значит уменьшению вдвое числа компараторов, с сохранением той же величины разрешающей способности. А для последовательно-параллельных АЦП - увеличению их быстродействия. Причем для всех видов АЦП, введение в состав их схемы блока определения знака и инвертирования отрицательных напряжений, эквивалентно увеличению выходной кодограммы на один разряд за счет появления дополнительного разряда (кода знака полярности), а значит, повышению точности аналого-цифрового преобразования.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Основы цифровой обработки сигналов: Курс лекций/ А.И.Солонина, А. Д. Улахович, С И. Арбузов. - СПБ.: БХВ-Петербург, 2003.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.