Операції аналого-цифрового перетворення

Аналого-цифрове перетворення передбачає виконання трьох операцій: дискретизацію, квантування і цифрове кодування вимірюваної величини або функціонально з нею зв’язаного сигналу вимірювальної інформації (далі просто сигналу). Пояснимо суть цих операцій.

Операція дискретизації зводиться до подання безперервного протягом часу T сигналу x(t) (рис.7.1, а) низкою його миттєвих значень xq = x(tq), , взятих у задані, строго фіксовані моменти часу tq, які називають моментами дискретизації.

Дискретизований сигнал xд(t) у вигляді n миттєвих значень xq сигналу x(t) подано на рис.7.1, б. Тільки за цією скінченною множиною миттєвих значень xq сигналу x(t) визначають результат вимірювання, а останні значення сигналу не враховуються. При дискретизації змінного сигналу x(t) протягом часу T частина інформації про нього втрачається, що призводить до методичної похибки вимірювання; її називають похибкою дискретизації. Очевидно, вона буде тим меншою, чим більше число миттєвих значень сигналу xq бере участь в одержанні результату вимірювання. Інтервал часу між двома суміжними моментами дискретизації і називають інтервалом або кроком дискретизації.

Рис. 1. Часові діаграми операцій АЦП:

а – вихідний сигнал ; б – дискретизований сигнал ;

в – квантований сигнал ; г – кодовий сигнал

Він може бути постійним Dt = const (рівномірна дискретизація) або змінним (нерівномірна дискретизація). У ЦВП звичайно використовують рівномірну дискретизацію як більш просту для апаратурної реалізації, в цьому разі називають також періодом дискретизації.

Квантування полягає в поданні безперервної за значенням (не за часом) величини у вигляді скінченого числа фіксованих рівнів квантування , де , що створюють шкалу квантування (рис.7.1, в).

У ЦВП квантування виконується шляхом порівняння вимірюваної величини з сіткою (шкалою) рівнів квантування , , які в даному процесі задаються рівномірно або нерівномірно з інтервалом квантування

.

Кінцевий результат квантування вимірюваної величини xq подається як число Nq мінімальних (найменших) інтервалів квантування , тобто

,

де називають номінальною ціною одиниці найменшого розряду вихідного коду, або дискретністю чи ціною поділки ЦВП, або інтервалом квантування.

Для наочності шкала квантування на рис.7.1, в взята рівномірною, а значення квантованого сигналу xк(t) (згідно з одним із варіантів квантування, що пояснюються нижче, дискретизовані значення хq замінюються найближчим нижнім рівнем квантування) показані умовним знаком х. Ці значення в ЦВП кодуються частіш за все двійковим або двійково-десятковим кодом. Проте для наочності на рис.7.1, г вони представлені в одиничному коді Nq. Тому числу рівнів квантування Nq, яким приблизно зображено миттєве значення сигналу xq, відповідає така ж кількість імпульсів у його кодовій групі.

Найчастіше в ЦВП аналого-цифрового перетворення зазнає постійна фізична величина X. Перетворення виконується в одній точці (в один момент часу) або в кількох точках (моментах часу) для статистичної обробки результатів вимірювання з метою зменшення випадкової складової похибки вимірювань. У цьому випадку результат одного перетворення

,

деNx - ціле число інтервалів квантування DХк, що відповідає значенню фізичної величини Х.

Аналого-цифрове перетворення сигналів здійснюється в діапазоні від 0 до (уніполярні АЦП) або в діапазоні від до (біполярні АЦП). Надалі для конкретності і деякого спрощення часових діаграм обмежимося уніполярними АЦП, що не впливає на спільність викладених положень. У разі уніполярного АЦП кожне значення вимірюваної величини X у діапазоні від 0 до можна розглядати як елемент нескінченної множини значень вхідного сигналу, яка за допомогою АЦП відбивається скінченною множиною значень його вихідного сигналу.

Загальна кількість рівнів квантування, рівномірно розміщених у робочому діапазоні ЦВП, визначається числом потрібних значень результату вимірювання, що може бути відображено на цифровому відліковому пристрої ЦВП, і визначає розрядність або ємність останнього. Так, у ЦВП з чотирирозрядним десятковим відліковим пристроєм (максимальне показання 9999) нескінченна множина значень безперервної вимірюваної величини, які знаходяться в діапазоні його вимірювань, зводиться до 10000 (з урахуванням нульового показу) можливих значень результату вимірювань. Це означає, що в даному ЦВП шкала квантування має 10000 рівномірно розташованих рівнів, одному з яких може бути надане будь-яке значення вимірюваної величини X. При квантуванні довільне миттєве значення вимірюваної величини xq, що знаходиться між двома рівнями квантування, наприклад між і , автоматично округлюється, тобто замінюється одним з цих рівнів: або верхнім , або нижнім (рис.7.1, в), або найближчим - верхнім чи нижнім. Округлення результату вимірювання при квантуванні призводить до методичної похибки, так званої похибки квантування або дискретності. Очевидно, похибка квантування відсутня тільки в одному ідеальному випадку, коли значення xq точно дорівнює одному з рівнів квантування .

Похибка квантування є випадковою величиною, яка підпорядковується рівномірному закону розподілу. Розташування кривих щільності розподілу похибки квантування та її числові характеристики (максимальне значення, математичне сподівання і середнє квадратичне відхилення) визначаються вибраним варіантом квантування (округлення). На рис.7.2, а, б, в приведені криві щільності розподілу похибок квантування для варіантів округлення миттєвого значення (рис.7.1, в) відповідно до верхнього, нижнього і найближчого рівнів квантування, для яких визначається рівностями

або/і

Рис. 2. Графіки щільності розподілу похибки квантування р(Dк)

Числові характеристики похибки квантування для цих варіантів зведені в табл.7.1.

Таблиця 1.

З приведених у табл. 1 оцінок похибки квантування виходить, що відносно точності має перевагу округлення результату вимірювання до найближчого рівня, оскільки в цьому випадку максимальне значення похибки квантування зменшується в два рази і її математичне сподівання дорівнює нулю, тобто немає систематичної складової похибки квантування. Водночас два інших варіанти округлення обумовлюють більш просту апаратурну реалізацію ЦВП і тому знаходять переважне застосування.

Похибка квантування може бути зменшена вибором досить малого інтервалу квантування , проте його мінімальне значення обмежується рівнем шумів АЦП, приведених до входу АЦП.

Операції дискретизації та квантування сигналів в АЦП виконуються практично одночасно, або паралельно, але в окремих випадках спочатку одержують дискретизовані миттєві значення сигналу x(t) в моменти дискретизації tq. Ці миттєві значення спочатку запам’ятовуються за допомогою аналогових запам’ятовуючих пристроїв, що мають назву пристроїв вибірки та збереження, а потім підлягають квантуванню. Інтервал дискретизації і частота дискретизації обмежуються швидкодією АЦП при заданій тривалості безперервного сигналу x(t), що піддається дискретизації.

Під цифровим кодуванням розуміють умовне подання числового значення величини певним цифровим кодом - послідовністю цифр (сигналів) відповідно до прийнятої системи числення.

У цифровій вимірювальній техніці найбільш розповсюджені десятковий, двійковий і двійково-десятковий коди, іноді використовується одиничний, або унітарний, код. Двійковий код, поряд зі значними перевагами, має суттєві для ЦВП недоліки. Він незручний для цифрового відліку, а для переходу від двійкового коду до десяткового необхідні складні дешифратори, або перетворювачі кодів. Усунути цей недолік і значною мірою зберегти перевагу двійкового коду дозволяють двійково-десяткові коди, які є комбінацією двійкового і десяткового кодів. При двійково-десятковому кодуванні зберігається розташування десяткових розрядів, але кожен з них (цифри від 0 до 9) подається двійковим кодом - комбінацією з чотирьох двійкових символів (“1” і “0”), названою тетрадою. Кількість різних комбінацій, які можуть бути утворені з чотирьох символів, дорівнює 16. Водночас для зображення розрядних коефіцієнтів (цифр) десяткової системи потрібно лише десять комбінацій, а останні шість можливих комбінацій зайві. Оскільки для кодування можуть бути використані будь-які 10 із 16 комбінацій, то це призводить до багатозначності розв’язання задачі двійково-десяткового кодування.

В цифровій вимірювальній техніці найчастіше використовуються самодоповнюючі, або інверсні, двійково-десяткові коди. До них належать коди, у яких сума “ваг” розрядних коефіцієнтів однієї тетради дорівнює 9, наприклад, коди 2-4-2-1, 4-2-2-1, 5-2-1-1 та ін. Така назва кодів викликана їх характерною особливістю, яка полягає в тому, що при заміні двійкового коду будь-якої десяткової цифри інверсним двійковим кодом одержимо код доповнення даної цифри до 9. Наприклад, якщо в коді 2-4-2-1 записати цифру 6, тобто 0110 (або 1100), а потім перейти до інверсного коду 1001 (або 0011), то одержимо цифру 3, яка дійсно є доповненням числа 6 до 9. Ефективність самодоповнюючих кодів зв’язана з тим, що окремі з них володіють найменшою кількістю неоднозначних комбінацій. Справа в тому, що деякі числа в одному і тому самому коді можуть виражатися не однією, а кількома різними комбінаціями його розрядних символів. Наприклад, у коді 2-4-2-1 двома комбінаціями можуть бути виражені цифри 2, 3, 4, 5, 6, 7, у коді 4-2-2-1 - цифри 2,3,4,5,6,7, у коді 5-2-1-1 - цифри 1,2,3,6,7,8. Очевидно, чим більше двійково-десятковий код має неоднозначних комбінацій для відображення одного і того самого числа, тим нижче його захищеність від завад.

На різних етапах обробки інформації в ЦВП є доцільним використання різних кодів з урахуванням можливості тієї чи іншої вимоги. Наприклад, двійковий код близький до оптимального як за кількістю елементів, що використовуються для подання двійкових чисел, так і за часом виконання різних логіко-обчислювальних операцій. Тому він має переважне застосування в цифрових процесорах. Двійково-десяткові коди використовуються, як правило, в блоках індикації для керування цифровими відліковими пристроями, а іноді і в цифроаналогових перетворювачах, які беруть участь в одержанні результату вимірювання, наприклад у цифрових мостах.