Analog-til-digital konverter [1] [2] [3] ( ADC , engelsk Analog-til-digital konverter, ADC ) er en enhed, der konverterer det analoge inputsignal til en diskret kode ( digitalt signal ).
Den omvendte konvertering udføres ved hjælp af en digital-til-analog konverter (DAC, DAC).
Typisk er en ADC en elektronisk enhed, der konverterer spænding til en binær digital kode. Nogle ikke-elektroniske enheder med en digital udgang bør dog også klassificeres som en ADC, såsom nogle typer vinkel-til-kode-konvertere . Den enkleste single-bit binære ADC er komparatoren .
ADC-opløsning - den mindste ændring i størrelsen af et analogt signal, der kan konverteres af en given ADC - er relateret til dets bitdybde. I tilfælde af en enkelt måling uden hensyntagen til støj, er opløsningen direkte bestemt af ADC -bitdybden .
Bitdybden af ADC'en karakteriserer antallet af diskrete værdier, som konverteren kan producere ved udgangen. I binære ADC'er måles det i bits , i ternære ADC'er måles det i trits . For eksempel er en binær 8-bit ADC i stand til at udsende 256 diskrete værdier (0…255) , fordi en ternær 8-bit ADC er i stand til at udsende 6561 diskrete værdier, da .
Spændingsopløsningen er lig med forskellen mellem spændingerne svarende til den maksimale og minimale udgangskode, divideret med antallet af udgangsdiskrete værdier. For eksempel:
I praksis er opløsningen af en ADC begrænset af signal-til-støj-forholdet for inputsignalet. Med en høj støjintensitet ved ADC-indgangen bliver det umuligt at skelne tilstødende niveauer af inputsignalet, det vil sige, at opløsningen forringes. I dette tilfælde beskrives den virkelig opnåelige opløsning ved det effektive antal bit ( ENOB ), som er mindre end den faktiske ADC-bitdybde. Ved konvertering af et stærkt støjende signal er de nederste bits af outputkoden praktisk talt ubrugelige, da de indeholder støj. For at opnå den angivne bitdybde skal indgangssignalets signal-støjforhold være ca. 6 dB for hver bit af bitbredden (6 dB svarer til en dobbelt ændring i signalniveau).
I henhold til metoden med anvendte algoritmer er ADC'er opdelt i:
ADC'er af de to første typer indebærer obligatorisk brug af en prøve- og holdenhed (SHA) i deres sammensætning. Denne enhed bruges til at gemme den analoge værdi af signalet i den tid, der kræves for at udføre konverteringen. Uden det vil resultatet af seriel type ADC-konvertering være upålidelig. Der produceres integrerede successive tilnærmelses-ADC'er, der både indeholder SHA og kræver en ekstern SHA .
De fleste ADC'er betragtes som lineære , selvom analog-til-digital konvertering i sagens natur er en ikke-lineær proces (fordi operationen med at konvertere kontinuerligt til diskret rum er en ikke-lineær operation).
Udtrykket lineær i forhold til ADC betyder, at området af inputværdier, der er afbildet til den digitale outputværdi, er lineært relateret til denne outputværdi, det vil sige, at outputværdien k opnås med et interval af inputværdier fra
m ( k + b )Før
m ( k + 1 + b ),hvor m og b er nogle konstanter. Konstanten b har normalt en værdi på 0 eller −0,5. Hvis b = 0, kaldes ADC'en en kvantizer med et ikke-nul-trin ( midt-stigning ), men hvis b = -0,5, så kaldes ADC'en en kvantizer med nul i midten af kvantiseringstrinnet ( midt-tread) ).
Hvis sandsynlighedstætheden af inputsignalamplituden havde en ensartet fordeling , ville signal-til-støj-forholdet (som anvendt på kvantiseringsstøj) være det maksimalt mulige. Af denne grund føres signalet før amplitudekvantisering sædvanligvis gennem en inertifri konverter, hvis overførselsfunktion gentager fordelingsfunktionen for selve signalet. Dette forbedrer pålideligheden af signaltransmissionen, da de vigtigste områder af signalamplituden kvantiseres med bedre opløsning. I overensstemmelse hermed vil det under digital-til-analog konvertering være nødvendigt at behandle signalet med en funktion, der er omvendt til fordelingsfunktionen af det oprindelige signal.
Dette er det samme princip, der bruges i compandere , der bruges i båndoptagere og forskellige kommunikationssystemer, det sigter mod at maksimere entropien . (Forveksle ikke en compander med en kompressor !)
For eksempel har et stemmesignal en Laplacian amplitudefordeling. Dette betyder, at amplitudeområdet på nul bærer mere information end områder med en større amplitude. Af denne grund bruges logaritmiske ADC'er ofte i taletransmissionssystemer til at øge det dynamiske område af transmitterede værdier uden at ændre kvaliteten af signaltransmission i lavamplitudeområdet.
8-bit a-lov eller μ-lov logaritmiske ADC'er giver et bredt dynamisk område og høj opløsning i det mest kritiske område med lav amplitude; en lineær ADC med en lignende transmissionskvalitet skal være omkring 12 bit bred.
Overførselskarakteristikken for ADC'en er afhængigheden af den numeriske ækvivalent af den binære udgangskode af værdien af det analoge inputsignal. Tal om lineære og ikke-lineære ADC'er. Denne opdeling er betinget. Begge overførselskarakteristika er trinvise. Men for "lineære" ADC'er er det altid muligt at tegne en sådan lige linje, så alle punkter i overførselskarakteristikken svarende til inputværdierne (hvor er prøvetagningstrinnet, k ligger i området 0..N , hvor N er ADC-bitdybden) er lige langt fra den.
Der er flere kilder til ADC-fejl. Kvantiseringsfejl og (forudsat at ADC'en skal være lineær) ikke-lineariteter er iboende i enhver analog-til-digital konvertering. Derudover er der såkaldte blændefejl , som er resultatet af jitter ( eng. jitter ) fra clockgeneratoren, de opstår ved konvertering af signalet som helhed (og ikke én sample).
Disse fejl måles i enheder kaldet LSD ( Least DigitI det 8-bit binære ADC-eksempel ovenfor er fejlen i 1 LSB 1/256 af signalets fulde område, dvs. 0,4 %, i den 5-trit ternære ADC er fejlen i 1 LSB 1/243 af fulde område af signalet, dvs. 0,412%, i en 8-trit ternær ADC, er fejlen i 1 MZR 1/6561, det vil sige 0,015%.
Kvantiseringsfejl er en konsekvens af den begrænsede opløsning af ADC. Denne mangel kan ikke elimineres ved nogen form for analog-til-digital konvertering. Den absolutte værdi af kvantiseringsfejlen for hver prøve er i området fra nul til halvdelen af LSM.
Som regel er amplituden af indgangssignalet meget større end LSM. I dette tilfælde er kvantiseringsfejlen ikke korreleret med signalet og har en ensartet fordeling . Dens gennemsnitlige kvadratværdi falder sammen med standardafvigelsen af fordelingen, som er lig med . I tilfælde af en 8-bit ADC vil dette være 0,113 % af det fulde signalområde.
Alle ADC'er lider af ikke-linearitetsfejl, som er resultatet af fysiske ufuldkommenheder i ADC'en. Dette bevirker, at overførselskarakteristikken (i ovenstående betydning) er forskellig fra lineær (mere præcist fra den ønskede funktion, da den ikke nødvendigvis er lineær). Fejl kan reduceres ved kalibrering [4] .
En vigtig parameter, der beskriver ikke-lineariteten, er den integrale ikke-linearitet (INL) og den differentielle ikke-linearitet (DNL).
Lad os digitalisere et sinusformet signal . Ideelt set foretages aflæsninger med jævne mellemrum. I virkeligheden er tidspunktet for aflæsningstidspunktet imidlertid udsat for udsving på grund af jitteren på forsiden af ursignalet ( clock jitter ). Forudsat at usikkerheden på tidspunktet for aflæsning af ordren , opnår vi, at fejlen forårsaget af dette fænomen kan estimeres som
.Fejlen er relativt lille ved lave frekvenser, men ved høje frekvenser kan den stige betydeligt.
Effekten af blændefejlen kan ignoreres, hvis dens værdi er relativt lille sammenlignet med kvantiseringsfejlen. Således kan du indstille følgende jitterkrav til kanten af ursignalet:
,hvor er bitdybden af ADC'en.
ADC bitdybde | Maksimal indgangsfrekvens | ||||
---|---|---|---|---|---|
44,1 kHz | 192 kHz | 1 MHz | 10 MHz | 100 MHz | |
otte | 28,2 ns | 6,48 ns | 1,24 ns | 124 s | 12,4 ps |
ti | 7,05 ns | 1,62 ns | 311 ps | 31,1 ps | 3.11 ps |
12 | 1,76 ns | 405 ps | 77,7 ps | 7,77 ps | 777 fs |
fjorten | 441 s | 101 ps | 19,4 ps | 1,94 ps | 194 fs |
16 | 110 ps | 25,3 ps | 4,86 ps | 486 fs | 48,6 fs |
atten | 27,5 ps | 6.32 ps | 1,21 ps | 121 fs | 12,1 fs |
24 | 430 fs | 98,8 fs | 19,0 fs | 1,9 fs | 190 ac |
Fra denne tabel kan vi konkludere, at det er tilrådeligt at bruge en ADC med en vis kapacitet, under hensyntagen til de begrænsninger, der pålægges af jitteren på synkroniseringsfronten ( clock jitter ). For eksempel er det meningsløst at bruge en præcis 24-bit ADC til lydoptagelse, hvis urdistributionssystemet ikke kan give ultralav usikkerhed.
Generelt er kvaliteten af ursignalet ekstremt vigtig, ikke kun af denne grund. For eksempel fra beskrivelsen af AD9218- chippen (analoge enheder):
Enhver højhastigheds-ADC er ekstremt følsom over for kvaliteten af sampling-uret, der leveres af brugeren. Et track-and-hold-kredsløb er i bund og grund en mixer. Enhver støj, forvrængning eller timing-jitter på uret kombineres med det ønskede signal ved den analog-til-digitale udgang.
Det vil sige, at enhver højhastigheds-ADC er ekstremt følsom over for kvaliteten af det digitaliserede ur, der leveres af brugeren. Sample-og-hold-kredsløbet er i det væsentlige en mixer (multiplikator). Enhver støj, forvrængning eller clock-jitter blandes med det ønskede signal og sendes til den digitale udgang.
Et analogt signal er en kontinuerlig funktion af tid og konverteres til en sekvens af digitale værdier i en ADC. Derfor er det nødvendigt at bestemme samplingshastigheden af digitale værdier fra et analogt signal. Den hastighed, hvormed digitale værdier produceres, kaldes ADC - samplinghastigheden .
Et kontinuerligt varierende båndbreddebegrænset signal digitaliseres (det vil sige, signalværdier måles over et tidsinterval T - samplingsperioden), og det originale signal kan nøjagtigt rekonstrueres ud fra tidsdiskrete værdier ved interpolation . Gendannelsesnøjagtigheden er begrænset af kvantiseringsfejlen. Men ifølge Kotelnikov-Shannon-sætningen er nøjagtig amplitude-rekonstruktion kun mulig, hvis samplingsfrekvensen er højere end det dobbelte af den maksimale frekvens i signalspektret.
Da rigtige ADC'er ikke kan udføre A/D-konvertering øjeblikkeligt, skal den analoge inputværdi holdes konstant fra begyndelsen til slutningen af konverteringsprocessen (dette tidsinterval kaldes konverteringstiden ). Dette problem løses ved at bruge et specielt kredsløb ved indgangen til ADC'en - en sample-and-hold-enhed (SHA). SHA lagrer som regel indgangsspændingen på en kondensator , som er forbundet til indgangen gennem en analog switch: når kontakten er lukket, samples indgangssignalet (kondensatoren oplades til indgangsspændingen), når kontakten er åbnet, gemmes den. Mange ADC'er, lavet i form af integrerede kredsløb , indeholder en indbygget SHA.
Alle ADC'er fungerer ved at sample inputværdier med faste intervaller. Derfor er outputværdier et ufuldstændigt billede af, hvad der bliver inputtet. Ved at se på outputværdierne er der ingen måde at fortælle, hvordan inputsignalet opførte sig mellem prøverne. Hvis det er kendt, at inputsignalet ændrer sig langsomt nok i forhold til samplingshastigheden, kan det antages, at de mellemliggende værdier mellem prøverne er et sted mellem værdierne af disse prøver. Hvis inputsignalet ændrer sig hurtigt, kan der ikke foretages nogen antagelser om de mellemliggende værdier af inputsignalet, og derfor er det umuligt entydigt at gendanne formen af det originale signal.
Hvis sekvensen af digitale værdier produceret af ADC et eller andet sted konverteres tilbage til analog form af en digital-til-analog konverter , er det ønskeligt, at det resulterende analoge signal er så tæt som muligt på det originale signal. Hvis inputsignalet ændrer sig hurtigere, end dets samples er taget, kan signalet ikke gendannes nøjagtigt, og et falsk signal vil være til stede ved DAC-udgangen. Falske frekvenskomponenter af signalet (fraværende i spektret af det originale signal) kaldes alias (falsk frekvens, side lavfrekvent komponent). Aliashastigheden afhænger af forskellen mellem signalfrekvensen og samplehastigheden. For eksempel vil en 2 kHz sinusbølge samplet ved 1,5 kHz blive gengivet som en 500 Hz sinusbølge. Dette problem kaldes frekvensaliasing .
For at forhindre aliasing skal signalet, der tilføres ADC'ens indgang, føres gennem et lavpasfilter for at undertrykke spektrale komponenter, der overstiger halvdelen af samplingsfrekvensen. Dette filter kaldes anti-aliasing (anti-aliasing) filter, dets brug er ekstremt vigtigt, når man bygger rigtige ADC'er.
Generelt er brugen af et analogt inputfilter interessant, ikke kun af denne grund. Det ser ud til, at det digitale filter, som normalt anvendes efter digitalisering, har uforlignelig bedre parametre. Men hvis signalet indeholder komponenter, der er meget kraftigere end det nyttige signal, og langt nok væk fra det i frekvens til effektivt at blive undertrykt af det analoge filter, giver denne løsning dig mulighed for at gemme det dynamiske område af ADC: hvis støjen er 10 dB stærkere end signalet, vil det i gennemsnit være spildt tre bits kapacitet.
Selvom aliasing er en uønsket effekt i de fleste tilfælde, kan det bruges til din fordel. For eksempel eliminerer denne effekt behovet for nedkonvertering ved digitalisering af et smalbåndet højfrekvent signal (se mixer ). For at gøre dette skal ADC'ens analoge indgangstrin dog dimensioneres væsentligt højere end det, der kræves til standard grundlæggende (video eller lav) ADC-brug. Til dette er det også nødvendigt at sikre effektiv filtrering af out-of-band-frekvenser før ADC'en, da der efter digitalisering ikke er nogen måde at identificere og/eller filtrere de fleste af dem fra.
Nogle egenskaber ved ADC kan forbedres ved at bruge dither- teknikken . Det består i at tilføje tilfældig støj ( hvid støj ) med lille amplitude til det analoge inputsignal. Amplituden af støjen vælges som regel på niveau med halvdelen af LSM . Effekten af denne tilføjelse er, at LSM-tilstanden tilfældigt skifter mellem tilstande 0 og 1 med et meget lille inputsignal (uden tilføjelse af støj ville LSM være i tilstand 0 eller 1 i lang tid). For et signal med blandet støj sker der i stedet for blot at runde signalet til nærmeste bit tilfældig afrunding op eller ned, og den gennemsnitlige tid, hvor signalet afrundes til et bestemt niveau, afhænger af, hvor tæt signalet er på dette niveau. Således indeholder det digitaliserede signal information om amplituden af signalet med en opløsning, der er bedre end LSM, det vil sige, at der er en stigning i den effektive bitdybde af ADC'en. Den negative side af teknikken er stigningen i støj i udgangssignalet. Faktisk er kvantiseringsfejlen spredt over flere tilstødende prøver. Denne fremgangsmåde er mere ønskværdig end blot at afrunde til nærmeste diskrete niveau. Som et resultat af at bruge teknikken til at blande et pseudo-tilfældigt signal, har vi en mere nøjagtig gengivelse af signalet i tid. Små signalændringer kan gendannes fra pseudo-tilfældige LSM-spring ved filtrering. Hvis støjen derudover er deterministisk (amplituden af den tilføjede støj er nøjagtigt kendt til enhver tid), så kan den trækkes fra det digitaliserede signal ved først at øge dets bitdybde og derved næsten helt slippe af med den tilføjede støj.
Lydsignaler med meget små amplituder, digitaliseret uden et pseudo-tilfældigt signal, opfattes af øret som meget forvrænget og ubehageligt. Når et pseudo-vilkårligt signal blandes, er det sande signalniveau repræsenteret af gennemsnitsværdien af flere på hinanden følgende samples.
Siden 2009, på grund af billiggørelsen af 24-bit ADC'er, som selv uden en dither har et dynamisk område på mere end 120 dB, hvilket er flere størrelsesordener højere end det fulde menneskelige høreområde, har denne teknologi mistet sin relevans i lydteknik. Samtidig bruges det i RF- og mikrobølgeteknologi, hvor bitdybden af ADC normalt er lille på grund af den høje samplinghastighed.
En lignende proces, også kaldet dither eller fejldiffusion , bruges til at repræsentere billedhalvtoner i computergrafik med et lavt antal bits pr. pixel. I dette tilfælde bliver billedet støjende, men det opfattes visuelt mere realistisk end det samme billede opnået ved simpel kvantisering.
Som regel digitaliseres signaler med den mindst nødvendige samplingshastighed af økonomiske årsager, mens kvantiseringsstøjen er hvid, dvs. dens spektrale effekttæthed er jævnt fordelt over hele båndbredden. Hvis et signal imidlertid digitaliseres med en samplingsfrekvens, der er meget højere end ifølge Kotelnikov-Shannon-sætningen , og derefter udsættes for digital filtrering for at undertrykke spektret uden for frekvensbåndet af det originale signal, så er signal-til-støj-forholdet vil være bedre end når du bruger hele båndet. Det er således muligt at opnå en effektiv opløsning, der er større end bitdybden af ADC'en.
Oversampling kan også bruges til at slappe af kravet til passbåndet til stopbåndets stejlhed for anti-aliasing-filteret. For at gøre dette digitaliseres signalet, for eksempel ved det dobbelte af frekvensen, derefter udføres digital filtrering, undertrykker frekvenskomponenter uden for det originale signals bånd, og til sidst reduceres samplingsfrekvensen ved decimering .
Følgende er de vigtigste måder at bygge elektroniske ADC'er på:
Ikke-elektroniske ADC'er er normalt bygget på de samme principper.
Der er optiske metoder konverterer et elektrisk signal til en kode. De er baseret på nogle stoffers evne til at ændre brydningsindekset under påvirkning af et elektrisk felt. I dette tilfælde ændrer en lysstråle, der passerer gennem et stof, sin hastighed eller afbøjningsvinkel ved grænsen af dette stof i overensstemmelse med ændringen i brydningsindekset. Der er flere måder at registrere disse ændringer på. For eksempel registrerer en linje af fotodetektorer strålens afvigelse og oversætter den til en diskret kode. Forskellige interferensskemaer, der involverer en forsinket stråle, gør det muligt at evaluere signalændringer eller bygge komparatorer af elektriske størrelser.
Optiske ADC'er kan være meget hurtige.
For de fleste ADC'er er bitdybden fra 6 til 24 bit , samplingshastigheden er op til 1 MHz. Mega- og GHz ADC'er er også tilgængelige (AD9234 12-bit 2-kanal 1 GSPS ADC var $238 i december 2015). Megahertz ADC'er er påkrævet i digitale videokameraer , videooptagelsesenheder og digitale tv-tunere for at digitalisere det sammensatte videosignal. Kommercielle ADC'er har typisk en udgangsfejl på ±0,5 til ±1,5 LSM.
En af de faktorer, der øger omkostningerne ved mikrokredsløb , er antallet af ben , da de tvinger chippakken til at blive større, og hver pin skal forbindes til en chip. For at reducere antallet af ben har ADC'er, der opererer ved lave samplingshastigheder, ofte et serielt interface . Brugen af en ADC med en seriel grænseflade giver dig ofte mulighed for at øge monteringstætheden og skabe et kort med et mindre område.
Ofte har ADC-chips flere analoge indgange forbundet internt til en enkelt ADC gennem en analog multiplekser . Forskellige modeller af ADC'er kan omfatte sample-hold-enheder, instrumenteringsforstærkere eller en højspændingsdifferentiel indgang og andre sådanne kredsløb.
ADC'er er indbygget i det meste moderne optageudstyr, da lydbehandling normalt udføres på computere; selv når der bruges analog optagelse, er en ADC nødvendig for at oversætte signalet til en PCM -strøm, som vil blive optaget på informationsbæreren.
Moderne ADC'er, der bruges til lydoptagelse, kan fungere ved samplingshastigheder op til 192 kHz . Mange mennesker involveret i dette område mener, at denne indikator er overflødig og bruges af rent markedsføringsmæssige årsager (dette er bevist af Kotelnikov-Shannon-sætningen ). Man kan sige, at et analogt lydsignal ikke indeholder så meget information, som der kan lagres i et digitalt signal ved så høj en samplinghastighed, og ofte bruger hi-fi lydudstyr en samplinghastighed på 44,1 kHz (standard for CD'er) eller 48 kHz (typisk for gengivelse af lyd i computere). En bred båndbredde er dog nyttig i det følgende, og jo bredere (større end den mindst nødvendige) båndbredde, jo stærkere er den tilsvarende effekt:
Analog-til-digital-konvertere til lydoptagelse varierer i pris fra $5.000 til $10.000 eller mere for en to-kanals ADC.
ADC'er til lydoptagelse, der bruges i computere, er interne og eksterne. Der er også en gratis PulseAudio - softwarepakke til Linux, der giver dig mulighed for at bruge hjælpecomputere som eksterne DAC'er / ADC'er til hovedcomputeren med garanteret latenstid.
A/D-konvertering bruges overalt, hvor et analogt signal skal modtages og behandles digitalt.
![]() | |
---|---|
I bibliografiske kataloger |
Mikrocontrollere | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Arkitektur |
| |||||||
Producenter |
| |||||||
Komponenter | ||||||||
Periferi |
| |||||||
Grænseflader | ||||||||
OS | ||||||||
Programmering |
|