В статье рассмотрены принцип работы и основные параметры цифро-аналоговых преобразователей. Даны рекомендации по выбору и проектированию ЦАП.
Цифро-аналоговый преобразователь — устройство для перевода цифровых данных в аналоговый сигнал. Это своеобразный мост между аналоговой и цифровой частями схемы. Сфера применения ЦАП очень широка. Это — усилители звука, аудиокодеки, обработка видео, устройства отображения, системы распознавания данных, калибровка датчиков и других измерительных устройств, схемы управления двигателями, системы распределения данных, цифровые потенциометры, программируемое радио (SDR) и т.д.
Принцип работы
Принцип работы ЦАП заключается в суммировании аналоговых сигналов (ток или напряжение). Суммирование производится с коэффициентами, равными нулю или единице в зависимости от значения соответствующего разряда кода. Выходной сигнал ЦАП может иметь форму тока, напряжения или заряда. Преобразователи с токовым выходом используются в основном в прецизионных и высокочастотных схемах. Для определенности мы будем рассматривать ЦАП с выходным напряжением, как наиболее распространенные. Из таблицы 1 видно, что максимальное выходное напряжение на 1 МЗР (младший значащий разряд входного кода) ниже напряжения полной шкалы (ПШ). Некоторые ЦАП позволяют использовать всю шкалу.
Выходное напряжение, В
Основные типы сигналов
Проблемы аналого-цифровых (АЦП) и цифро-аналоговых (ЦАП) преобразователей считаются достаточно важными в электротехнике, так как практически все устройства, взаимодействующие с компьютерным оборудованием, имеют аналоговый вход/выход, а компьютер способен осуществлять обработку только цифровых сигналов.
Известны следующие основные типы сигналов:
- Аналоговый тип сигналов.
- Дискретный тип сигналов.
- Цифровой тип сигналов.
Получи помощь с рефератом от ИИ-шки
ИИ ответит за 2 минуты
Аналоговыми являются сигналы, которые являются непрерывными во времени, то есть, они определены в каждый момент времени. Дискретными считаются сигналы, которые представлены последовательностью отсчётов, то есть значениями сигналов в каждый дискретный момент времени.
Цифровыми являются сигналы, которые дискретны во времени (или в пространстве) и, при этом, квантованы по уровню. Вычислительные операции в компьютерах реализуются именно с цифровыми сигналами.
Устройства для преобразования данных из цифрового формата в аналоговый и обратно.
Для того, чтобы компьютер смог осуществить обработку сигналов, требуется сначала реализовать преобразование сигнала из аналоговой формы в цифровую. А по завершении обработки необходимо выполнить обратное преобразование, так как практически все бытовые устройства управляются при помощи аналоговых сигналов.
Блок-схема цифровой обработки сигнала в общем виде может быть представлена следующим образом:
Аналоговые дискретные и цифровые сигналы
Рисунок 1. Блок-схема цифровой обработки сигнала. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Начинай год правильно
Выигрывай призы на сумму 400 000 ₽
Аналого-цифровое преобразование сигналов состоит из следующих этапов:
- Процесс дискретизации сигнала (во времени или пространстве).
- Процесс квантования сигнала по уровню.
На этапе дискретизации следует брать отсчёты сигнала с определённым периодом дискретизации (Т). Частота дискретизации может быть определена по следующей формуле:
Процесс считывания отсчёта входного сигнала необходимо выполнить так, чтобы он занимал сравнительно небольшую часть периода дискретизации. Это позволяет уменьшить динамические ошибки преобразования, которые обусловлены изменениями сигнала за время снятия отсчёта.
Частота дискретизации должна выбираться согласно теореме Котельникова. А именно, для того чтобы по отсчётам сигнала имелась возможность достаточно точного восстановления непрерывного сигнала, необходимо чтобы частота дискретизации была по крайней мере в два раза больше верхней частоты спектра сигнала, подлежащего дискретизации.
Каждый сигнал обладает своим спектральным представлением. Каждое представление сигнала является представлением в формате суммы (или интеграла) гармонических составляющих, то есть набора синусоид и косинусоид, различных частот, которые взяты с определёнными весовыми коэффициентами, то есть, обладающими определённой амплитудой. Для периодических сигналов это будет сумма, а для непериодических сигналов, это будет интеграл. Переход к спектру сигнала может быть осуществлён при помощи прямого преобразования Фурье.
А принцип действия ЦАП состоит в нахождении суммы аналоговых сигналов (тока или напряжения). Вычисление суммы выполняется с коэффициентами, которые могут быть равны нулю или единице в зависимости от значения соответствующего разряда кода. Выходной сигнал ЦАП может иметь формат тока, напряжения или заряда. ЦАП с токовыми выходами применяются в основном в прецизионных и высокочастотных схемах.
ЦАП с выходным напряжением являются самыми распространенными. Следует отметить, что максимальное выходное напряжение на один МЗР (младший значащий разряд входного кода) ниже напряжения полной шкалы (ПШ). Отдельные ЦАП предоставляют возможность использования всей шкалы.
Самыми важными характеристиками ЦАП являются:
- Разрядность, шаг квантования (разрешающая способность) и уровень точности преобразования.
- Передаточная характеристика, то есть, зависимость выходного сигнала ЦАП от входной информации.
- Разрядность (N), то есть, количество бит во входном коде.
- Разрешением является выходное напряжение, которое соответствует одному МЗР. Оно зависит от числа разрядов и способно определять точность преобразования сигнала.
- Частота дискретизации или частота Найквиста, является максимальной частотой, на которой ЦАП способен работать, посылая на выход корректные результаты.
- Полная шкала, то есть весь диапазон значений выходного сигнала.
- Монотонность, то есть участок на передаточной характеристике, где наклон является постоянным. На данном участке ЦАП имеет линейную характеристику.
- Время установления, то есть, интервал времени от точки начала изменения входного кода до окончательного вхождения выходного сигнала в определённый диапазон отклонения.
- Выходным выбросом является переходный процесс, который возникает во время смены входных данных. Величина выброса может зависеть от числа переключаемых разрядов.
- Погрешность смещения нуля является разностью между фактическим и идеальным выходным сигналом, при нулевом сигнале на входе.
- Погрешностью полной шкалы считается разница между фактическим выходным напряжением и напряжением полной шкалы.
- Погрешностью усиления является отклонение наклона передаточной характеристики от идеального наклона.
- Дифференциальной нелинейностью является разность приращений выходных сигналов, которые соответствуют смежным соседним кодам.
- Интегральной нелинейностью является максимальное отклонение реальной передаточной характеристики от прямой линии.
- Цифро-аналоговые преобразователи подразделяются по виду входных данных на последовательные и параллельные. По количеству разрядов следует выделить ЦАП, имеющие повышенную точность, то есть с большой разрядностью, N≥14, а также ЦАП, которые имеют высокое быстродействие при разрядности от шести до восьми.
Факторы, которые следует учитывать при выборе преобразователей сигналов
При выборе преобразователей сигналов для конкретного приложения следует учесть несколько факторов:
Разрешение
Разрешение преобразователя сигналов определяет его способность точно представлять входной сигнал. Конвертеры с более высоким разрешением обеспечивают более точное представление сигнала и повышенную точность измерений.
Скорость
Скорость преобразователя сигналов важна при работе с быстро меняющимися сигналами. Высокие частоты выборки и скорости преобразования требуются для захвата и обработки быстро изменяющихся сигналов.
Точность
Точность преобразователя сигналов имеет большое значение, особенно в приложениях, где требуется точное измерение. Она зависит от различных факторов, включая разрешение, линейность и показатели шума.
Совместимость интерфейса
Преобразователи сигналов должны быть совместимы с интерфейсами и протоколами коммуникации, используемыми в целевой системе. Следует учитывать такие факторы, как уровни напряжения, форматы данных и электрические интерфейсы.
Резюмируя
Преобразователи сигналов являются неотъемлемыми компонентами современной технологии, обеспечивая безупречную коммуникацию и совместимость между различными системами. Они позволяют преобразовывать сигналы из одной формы в другую, например, аналоговые в цифровые, напряжения в ток или ток в напряжение. Понимая их принципы работы и учитывая соответствующие факторы, можно выбрать правильный Преобразователь сигналов для конкретных приложений.
Нужны ли Преобразователи сигналов для каждой электронной системы?
Преобразователи сигналов не являются необходимыми для каждой электронной системы. Они используются преимущественно тогда, когда необходимо преобразование сигналов между различными форматами или для взаимодействия несовместимых систем.
Могут ли Преобразователи сигналов вызывать задержку или задержку в сигнале?
Преобразователи сигналов могут вызывать некоторую задержку, прежде всего из-за процессов выборки и преобразования. Однако современные Преобразователи сигналов разработаны с минимальной задержкой, обеспечивая практически мгновенное преобразование сигнала в режиме реального времени или близком к нему.
Могут ли Преобразователи сигналов улучшить качество аудио- или видеосигналов?
Сам по себе Преобразователь сигналов не может напрямую улучшить качество аудио- или видеосигналов. Однако он позволяет преобразовывать сигналы между различными форматами, что может быть необходимо для обеспечения совместимости или интеграции.
Какова роль разрешения в преобразователей сигналов?
Разрешение в преобразователей сигналов определяет количество бит, используемых для представления аналогового сигнала в цифровой области. Более высокое разрешение позволяет более точно представлять сигнал и обеспечивает повышенную точность измерений или восстановления.
Где можно найти Преобразователи сигналов для моего конкретного приложения?
Преобразователи сигналов предлагаются различными поставщиками электронных компонентов, специализированными производителями и онлайн-маркетплейсами. Важно учитывать конкретные требования вашего приложения и проконсультироваться с экспертами или поставщиками, чтобы выбрать наиболее подходящий Преобразователь сигналов.
