Przetworniki analogowo-cyfrowe, cyfrowo-analogowe

1. Przetworniki analogowo-cyfrowe, cyfrowo-analogowe START Wykonał: Tomasz Szopa (kl. 4aE)

2. Strona tytułowa Przetworniki są urządzeniami, które dokonują przekształceń danej wielkości na inną wielkość według przyjętej zależności oraz z pewną dokładnością. Bardzo często ich zadaniem jest przekształcanie wielkości fizycznych na wielkości elektryczne tak jak w przypadku napięcia i natężenia prądu. Rozróżniamy wiele metod przetwarzania sygnałów w zależności od przewidywanej klasy zastosowań. Własnościami obecnych przetworników są małe gabaryty, mały pobór mocy czy też szeroki i bezinwazyjny zakres pomiaru. Najpowszechniejsze z nich to przetworniki analogowo-cyfrowe oraz cyfrowo-analogowe. Analogowo-cyfrowe Cyfrowo-analogowe Zakończ

3. Przetworniki analogowo-cyfrowe Przetwornik analogowo-cyfrowy A/C 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 A/C tworzą 3 etapy: próbkowanie, kwantyzacja (dyskretyzacja) i kodowanie. Działanie przeciwne do wyżej wymienionego wykonuje przetwornik cyfrowo-analogowy C/A. Strona startowa

4. Rozdzielczość przetworników • Rozdzielczość przetwornika określa liczbę dyskretnych wartości jakie może on wytworzyć. Zwykle wyraża się ją w bitach. Przykładowo, przetwornik A/C, który potrafi przetworzyć próbkę sygnału na jedną z 256 wartości liczbowych posiada rozdzielczość równą 8 bitów, ponieważ 28 = 256. • Rozdzielczość może być również wyrażona w woltach. Rozdzielczość napięcia przetwornika A/C jest równa jego całkowitej skali pomiaru podzielonej przez liczbą poziomów kwantyzacji: • Przykład 1 • Pełna skala pomiaru = od 0 do 10 woltów • Rozdzielczość przetwornika jest równa 12 bitów, czyli 212 = 4096 poziomów kwantyzacji • Rozdzielczość napięciowa wynosi: (10-0)/4096 = 0,00244 wolta = 2,44 mV. • Przykład 2 • Pełna skala pomiaru = od -10 do +10 woltów • Rozdzielczość przetwornika jest równa 14 bitów, czyli 214 = 16384 poziomów kwantyzacji • Rozdzielczość napięciowa wynosi: (10-(-10))/16384 = 20/16384 = 0,00122 wolta = 1,22 mV • W praktyce, duży wpływ na rozdzielczość ma szum, a dokładniej stosunek sygnału do szumu. Strona startowa

5. Częstotliwość próbkowania Analogowy sygnał jest ciągły w czasie, więc konieczne jest przetworzenie go na ciąg liczb. To, jak często sygnał jest sprawdzany i - zależnie od jego poziomu - zamieniany na liczbę, określane jest mianem częstotliwości próbkowania. Innymi słowy można powiedzieć, że częstotliwość próbkowania jest odwrotnością różnicy czasu pomiędzy dwiema kolejnymi próbkami. Zwykle, nie jest możliwe odtworzenie dokładnie takiego samego sygnału na podstawie wartości liczbowych, ponieważ dokładność jest ograniczona przez błąd kwantyzacji. Jednak wiarygodne odwzorowanie sygnału jest możliwe do osiągnięcia, gdy częstotliwość próbkowania jest większa niż podwojona, najwyższa składowa częstotliwość sygnału (twierdzenie Nyquista-Shannona). Strona startowa

6. Rodzaje przetworników A/C i zasady działania Ze względu na metodę działania wyróżnia się dwie podstawowe metody pracy: * metoda bezpośrednia * metoda kompensacyjna Dowolny rodzaj przetworników stosuje jedną z powyższych metod. Przykładem przetwarzania analogowo-cyfrowego jest wczytanie obrazu przez skaner do postaci bitmapy, gdzie powierzchnia obrazu zostaje podzielona na odpowiednią ilość jednolitych wewnętrznie pikseli, a różnice barw pomiędzy pikselami są ujęte w postaci skokowo zmieniających się wartości w określonej w urządzeniu rozdzielczości próbkowania. Podobnie wygląda kwantyzacja dźwięku, polegająca na zapisaniu zmian w czasie w postaci wartości zmieniających się skokowo, oraz skokowym przedstawieniu obwiedni widma. Strona startowa

7. Parametry przetwornika A/C Najważniejszymi właściwościami przetworników A/C są parametry określające ich dokładność i szybkość przetwarzania. Dokładność przetwarzania jest ograniczona przez błędy powstające w procesie przetwarzania, które można ogólnie podzielić na błędy cyfrowe i analogowe, co wynika z charakteru samego przetwornika, mającego cechy zarówno układu analogowego, jak i cyfrowego. Do parametrów określających błąd analogowy należą: 1. Nieliniowość całkowa jest określana jako maksymalne względne odchylenie (∆UI)max rzeczywistej charakterystyki przetwarzania N = f(UI) od charakterystyki idealnej, będącej prostą łączącą skrajne punkty zakresu przetwarzania. Charakterystykę rzeczywistą wyznacza się jako linię łączącą środki przedziałów napięcia UI, odpowiadających kolejnym wartościom cyfrowym na wyjściu przetwornika. 2. Nieliniowość różniczkowa określa się przez wyznaczenie różnic między sąsiednimi wartościami napięcia wejściowego, powodującymi zmianę słowa wyjściowego o wartość najmniej znaczącego bitu. Nieliniowość różniczkowa jest podawana w procentach jako maksymalne względne odchylenie tej różnicy od jej wartości średniej w całym zakresie przetwarzania. Jest szczególnie ważna w przetwornikach służących do zdejmowania histogramów – np. w technice jądrowej w analizatorach amplitudy impulsów, które służą do zdejmowania widm energetycznych promieniowania jądrowego. Błąd nieliniowości różniczkowej może w tym przypadku powodować zniekształcenia uzyskanego widma, utrudniające jego obróbkę i interpretację. Strona startowa

8. 3. Błąd przesunięcia zera (błąd niezrównoważenia) jest określany przez wartość napięcia wejściowego potrzebną do przejścia od zerowej wartości słowa wyjściowego do następnej większej wartości. Błąd ten jest mierzony jako przesunięcie w stosunku do charakterystyki idealnej. Należy podkreślić, że wartość błędu przesunięcia zera jest rzadko podawana w katalogach, gdyż jest możliwa całkowita kompensacja tego błędu w większości nowoczesnych przetworników. 4. Współczynnik zmian cieplnych napięcia przesunięcia zera wyrażany w μV/°C lub w %/°C (w odniesieniu do pełnego zakresu przetwarzania). 5. Błąd skalowania (błąd wzmocnienia, błąd kwantyzacji) wynika ze zmiany nachylenia charakterystyki przetwarzania N – f(UI) w stosunku do charakterystyki idealnej i jest określony przez odchylenie rzeczywistej wartości napięcia UI, odpowiadającej maksymalnej wartości słowa wyjściowego, od wartości idealnej. 6. Szybkość przetwarzania przetwornika a/c może być określana przez: * czas przetwarzania, czyli czas, w którym zachodzi pełny cykl przetwarzania; * częstotliwość przetwarzania, będąca odwrotnością czasu przetwarzania, * tzw. szybkość bitową, określoną przez liczbę bitów wyniku przetwarzania, uzyskanych w jednostce czasu (bitów/s). Strona startowa

9. 4-kanałowy stereofoniczny przetwornik analogowo-cyfrowy WM8775SEDS firmy Wolfson Microelectronics na karcie dźwiękowej X-Fi Fatal1ty Pro Strona startowa

10. Przetworniki cyfrowo-analogowe Przetwornik cyfrowo-analogowy, przetwornik C/A lub DAC (z ang. Digital to Analog Converter, DAC) przyrząd elektroniczny przetwarzający sygnał cyfrowy (zazwyczaj liczbę binarną w postaci danych cyfrowych) na sygnał analogowy w postaci prądu elektrycznego lub napięcia o wartości proporcjonalnej do tej liczby. Innymi słowy jest to układ przetwarzający dyskretny sygnał cyfrowy na równoważny mu sygnał analogowy. Taki przetwornik ma n wejść i jedno wyjście. Przetworniki C/A pracują w oparciu o jedną z trzech metod przetwarzania: * równoległą * wagową * zliczania Strona startowa

11. Budowa przetwornika C/A Do elementów przetwornika zalicza się obwody wejściowe układu. Ze względu na sposób pracy obwodów wejściowych wyróżnia się przetworniki równolegle, w których wszystkie bity sygnału są doprowadzane jednocześnie, oraz przetworniki szeregowe, w których sygnał wyjściowy jest wytwarzany dopiero po sekwencyjnym przyjęciu wszystkich bitów wejściowych, co sprawia, że są wolniejsze od przetworników połączonych równolegle. Zasadnicza część przetwarzająca sygnał cyfrowy na analogowy składa się z: * rejestr stanu, będący oddzielną częścią, może być zintegrowany z zespołem przełączników, a w przetwornikach równoległych może nie występować; * zespół przełączników elektronicznych, sterowanych wejściowymi sygnałami cyfrowymi, każdemu bitowi odpowiada jeden przełącznik; * sieć rezystorów; * precyzyjne źródło napięcia odniesienia lub wejście do podłączenia takiego źródła. Strona startowa

12. Parametry przetwornika • Najważniejszymi parametrami przetwornika C/A są: • rozdzielczość - najmniejsza zmiana sygnału wyjścia • błąd bezwzględny - największa różnica między zmierzonym napięciem wyjściowym a wynikającym z założeń jakie ma wytwarzać idealny przetwornika na wyjściu przy danym wejściu. Dla przetwornika liniowego określone wzorem: • ΔU = U − Uodn / 2n • błąd względny - jest to stosunek błędu bezwzględnego (patrz wyżej) do napięcia odniesienia przetwornika Strona startowa

13. Parametry przetwornika C/A Parametry można podzielić ze względu na właściwości statyczne, częstotliwościowe oraz czasowe. Najważniejsze to te określające dokładność oraz szybkość przetwarzania sygnału przez przetwornik C/A. Zaliczamy do nich m.in: * Nieliniowość całkowa (z ang. integral nonlinearity (INL)) * Nieliniowość różniczkowa (z ang. differential nonlinearity (DNL)) * Szybkość przetwarzania * Błąd skalowania * Błąd przesunięcia zera (błąd niezrównoważenia) * Współczynnik zmian cieplnych napięcia przesunięcia zera * Wejściowe sygnały cyfrowe * Wyjściowe sygnał analogowy * Czas ustalania * Szybkość zmian napięcia wyjściowego * Zakłócenia przy przełączaniu Strona startowa

14. Podział przetworników C/A • Biorąc pod uwagę cechy użytkowe oraz różnice konstrukcyjne przetworniki C/A można podzielić na: • uśredniające przetworniki C/A • mnożące przetworniki C/A • z przełączaniem prądów • z napięciowymi źródłami odniesienia • inne przetworniki. Strona startowa

15. Właściwości przetworników C/A * Rozdzielczość Określa maksymalną liczbę możliwych dyskretnych wartości jakie może on wytworzyć. Zwykle rozdzielczość określona jest jako liczba bitów, która jest podstawą z 2 logarytmów z wartości liczbowej. Przykładowo 1bit'owy przetwornik C/A jest zaprojektowany do reprodukcji dwóch (21) wartości, z kolei 8bit'owy już 256 (28). Rozdzielczość jest powiązana z Efektywną Liczbą Bitów (ENOB - z ang. Effective Number of Bits) która jest pomiarem aktualnej rozdzielczości przetwornika. Rozdzielczość może być również wyrażona w woltach. * Maksymalna częstotliwość próbkowania Określa maksymalną prędkość dla której obwód przetwornika C/A jest w stanie pracować i produkować stały poprawny sygnał na wyjściu. W praktyce nie jest możliwe dokładne odtworzenie samego sygnału na podstawie wygenerowanych wartości liczbowych ze względu na błąd kwantyzacji. Wiarygodne odwzorowanie sygnału jest możliwe wtedy gdy częstotliwość próbkowania jest dwukrotnie większa od najwyższej częstotliwości składowej sygnału. Zgodnie z twierdzeniem Katielnikova-Shannona. Strona startowa

16. * Monotoniczność Określa zdolność wyjścia analogowego przetwornika C/A do wzrostu wraz ze wzrostem w kodzie cyfrowym lub odwrotnie. Ta właściwość jest ważna dla przetwornika ze względu na możliwość zastosowania go wraz z słabej częstotliwości sygnałem na wejściu. * THD+N ( Współczynnik zawartości harmonicznych z ang. Total harmonic distortion ) Określa stosunek wartości skutecznej wyższych harmonicznych sygnału, do wartości skutecznej składowej podstawowej. Współczynnik zawartości harmonicznych często podaje się w procentach. * Skala dynamiki Określa wartość w dB jako różnica największego i najmniejszego sygnału jaki przetwornik C/A jest w stanie wytworzyć. Innymi słowy jest to stosunek sygnału do szumu. Strona startowa

17. 8-kanałowy przetwornik cyfrowo-analogowy Cirrus Logic CS4382 na karcie muzycznej Sound Blaster X-Fi Fatal1ty Odtwarzacz CD wraz z zewnętrznym przetwornikiem C/A. Strona startowa

18. Źródła: Internet: • http://pl.wikipedia.org/wiki/Przetwornik_analogowo-cyfrowy • http://pl.wikipedia.org/wiki/Przetwornik_cyfrowo-analogowy • http://www-users.mat.uni.torun.pl/~bala/sem_mgr_2000/przetworniki_ac/przetwornik_ac.html • http://wwwnt.if.pwr.wroc.pl/up/przewodnikSPD/SPD10_2.HTM • http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/c-a.htm Literatura: • Stanisław Bolkowski „Elektrotechnika” WSiP– wydanie ósme; Warszawa 1998

19. Dziękuje za uwagę.