Language
Country/Area
No result found
Секрет идеального преобразования: какой АЦП идеальный?
В электронике аналого-цифровой преобразователь (АЦП) является ключевым компонентом, который преобразует аналоговые сигналы в цифровые. Эти сигналы могут исходить от звука, улавливаемого микрофоном, или от света в случае цифровой камеры. Функция АЦП не ограничивается преобразованием аналогового входного напряжения или тока в цифровые числа, но может также включать в себя отдельные измерения, что делает область его применения довольно широкой.
Обычно цифровой выход представляет собой число в дополнительном коде, пропорциональное входному сигналу, но существуют и другие возможности.
В зависимости от архитектуры конструкция АЦП становится все более сложной и предъявляет все более высокие требования к точному соответствию компонентов. Поэтому, за исключением нескольких специализированных АЦП, почти все АЦП реализованы в виде интегральных схем (ИС). Эти ИС обычно представляют собой интегральные схемы смешанного сигнала на основе металл-оксид-полупроводника (МОП), которые объединяют аналоговые и цифровые схемы.
Какой идеальный АЦП?
Идеальный АЦП должен обладать несколькими ключевыми характеристиками, включая широкую полосу пропускания и хорошее отношение сигнал/шум (SNDR). Эти характеристики обычно зависят от частоты дискретизации АЦП и его разрешения. Важной метрикой, используемой для количественной оценки этих характеристик, является эффективное число бит (ENOB), которое отражает число бит в цифровом выходе, на которые не влияет шум.
Идеальный АЦП имел бы ENOB, равный его разрешению.
При выборе АЦП первое, что необходимо сделать, — это согласовать полосу пропускания оцифровываемого сигнала и требуемый SNDR. Если частота дискретизации более чем в два раза превышает ширину полосы сигнала, то согласно теореме Найквиста-Шеннона можно добиться почти идеальной реконструкции сигнала. Однако, независимо от того, является ли это идеальным АЦП или другим типом, ошибка квантования всегда существует.
Разрешение и ошибка квантования
Разрешение АЦП определяет, сколько различных цифровых значений он может выдавать. Среди них, чем выше разрешение, тем меньше ошибка квантования и, в идеале, выше отношение сигнал/шум (SNR). Разрешение обычно выражается в битах и влияет на точность амплитуды аналогового сигнала, которую может представить АЦП.
Ошибка квантования — это ошибка, вызванная процессом оцифровки, которая приводит к возникновению определенного зазора между аналоговым входным напряжением и выходным оцифрованным значением. В идеальном АЦП ошибка квантования будет равномерно распределена между -1/2 LSB и +1/2 LSB, а сигнал будет равномерно охватывать все уровни квантования.
Ошибка квантования может быть существенным фактором, влияющим на производительность АЦП, особенно при оцифровке сигналов низкого уровня.
Применение антифактора и повышение производительности
В некоторых случаях для повышения производительности цифрового преобразования используется метод «дизеринга», который заключается в добавлении небольшого количества случайного шума к входному сигналу для рандомизации младшего значащего бита (LSB) цифрового выхода. . Это изменяет характеристики квантования сигнала, уменьшая искажения для сигналов низкого уровня и делая отчеты о данных более реалистичными.
Однако это также может привести к небольшому увеличению шума сигнала, поэтому при проектировании АЦП необходимо идти на этот компромисс.
Частота дискретизации и наложение спектров
АЦП преобразует непрерывный во времени сигнал в цифровые значения, производя его выборку в дискретные моменты времени. Выбор частоты дискретизации или частоты дискретизации имеет решающее значение и тесно связан с теоремой Найквиста, которая гласит, что исходный сигнал может быть точно восстановлен только в том случае, если частота дискретизации более чем в два раза превышает максимальную частоту сигнала.
Наложение спектров может привести к искажению сигнала, поэтому внедрение фильтра сглаживания является важным шагом в системе АЦП.
Кроме того, современные интегральные схемы АЦП обычно имеют встроенную схему выборки и хранения, которая поддерживает входное напряжение постоянным в процессе преобразования.
Заключение
Конструкция и производительность АЦП напрямую влияют на точность и надежность цифровых сигналов. С развитием технологий выбор АЦП становился все более сложным, менялись и требования к среде применения. Как в эту цифровую эпоху выбрать идеальный АЦП для достижения наилучшей эффективности преобразования и обработки сигнала?
