на что влияет разрядность ацп

Раскладываем по полочкам параметры АЦП

Привет, Хабр! Многие разработчики систем довольно часто сталкиваются с обработкой аналоговых сигналов. Не все манипуляции с сигналами можно осуществить в аналоговой форме, поэтому требуется переводить аналог в цифровой мир для дальнейшей постобработки. Возникает вопрос: на какие параметры стоит обратить внимание при выборе микроконтроллера или дискретного АЦП? Что все эти параметры означают? В этой статье постараемся детально рассмотреть основные характеристики АЦП и разобраться на что стоит обратить внимание при выборе преобразователя.

Введение

Рис. 1: Идеальная характеристика АЦП

Статические параметры

Рис. 4: Дифференциальная нелинейность

Рис. 5: Интегральная нелинейность

Динамические параметры

Наглядно данное выражение продемонстрированно на рисунке 7.

Рис. 7: Отношение сигнал/шум

Для оценки SNR АЦП при разработке системы можно воспользоваться следующей формулой:

Первые 2 слагаемых учитывают уровень сигнала и ошибку квантования (нужно понимать, что формула верна для сигнала размаха полной шкалы). Третье слагаемое учитывает эффект передискретизации (выигрыш по обработке или processing gain): если полоса обрабатываемого сигнала (BW Свойство переноса спектра при дискретизации

Рис 12: дискретизация непрерывного сигнала

По фильтрующему свойству дельта-функции:

После дискретизации :

где

С помощью формулы Релея вычислим спектр:

Из этого выражения следует что спектр сигнала будет повторяться во всех зонах Найквиста.

Итак, если есть хороший антиэлайзинговый фильтр, то соблюдая критерий Найквиста, можно оцифровывать сигнал с частотой дискретизации намного ниже полосы АЦП. Но использовать субдискретизацию нужно осторожно. Следует учитывать, что динамические параметры АЦП деградируют (иногда очень сильно) с ростом частоты входного сигнала, поэтому оцифровать сигнал из 6-й зоны так же «чисто», как из 1-й не получится.
Несмотря на это субдискритезация активно используется. Например, для обработки узкополосных сигналов, когда не хочется тратиться на дорогой широкополосный быстродействующий АЦП, который вдобавок имеет высокое потребление. Другой пример – выборка ПЧ (IF-sampling) в РЧ системах. Там благодаря undersampling можно исключить из радиоприемного тракта лишнее аналоговое звено — смеситель (который переносит сигнал на более низкую несущую или на 0).

Сравним архитектуры

На данный момент в мире существует множество различных архитектур АЦП. У каждой из них есть свои преимущества и недостатки. Не существует архитектуры, которая бы достигала максимальных значений всех, описанных выше параметров. Проанализируем какие максимальные параметры скорости и разрешения смогли достичь компании, выпускающие АЦП. Также оценим достоинства и недостатки каждой архитектуры (более подробно о различных архитектурах можно прочитать в статье на хабр).

Тип архитектуры	Преимущества	Недостатки	Максимальное разрешение	Максимальная частота дискретизации
flash	Быстрый преобразователь. Преобразование осуществляется в один такт.	Высокое энергопотребление. Ограниченное разрешение. Требует большой площади кристалла ( компараторов). Трудно согласовать большое количество элементов (как следствие низкий выход годных).	14 бит 128 КВыб/с AD679	3 бит 26 ГВыб/с HMCAD5831
folding-interpolated	Быстрый преобразователь. Преобразование осуществляется в один такт. Требует меньшее число компараторов благодаря предварительной «свёртке» всего диапазона обработки в некоторый более узкий диапазон. Занимает меньше площади.	Ошибки, связанные с нелинейностью блока свёртки. Задержка на установление уровней в блоке свёртки, которая уменьшает максимальную fs. Среднее разрешение.	12 бит 6.4 ГВыб/с ADC12DL3200	12 бит 6.4 ГВыб/с ADC12DL3200
SAR	Высокая точность. Низкое энергопотребление. Легка в использовании.	Ограниченная скорость.	32 бит 1 МВыб/с LTC2500	10 бит 40 МВыб/с XRD64L43
pipeline	Быстрый преобразователь. Самая высокая точность среди быстрых АЦП. Не занимает большую площадь. Имеет меньшее потребления, среди аналогичных быстрых преобразователей.	Конвейерная задержка.	24 бит 192 КВыб/с AK5386	12 бит 10.25 ГВыб/с AD9213
dual-slope	Средняя точность преобразования. Простота конструкции. Низкое потребление. Устойчивость к изменениям факторов внешней среды.	Обрабатывает низкочастотные Сигналы (низкая fs). Посредственное разрешение.	12+знаковый бит 10 Выб/с TC7109	5+знак бит 200 КВыб/с HI3-7159
∑-Δ	Самая высокая точность пре- Образования благодаря эффекту «Noise shaping» (специфическая фильтрация шума квантования) и передискретизации.	Не может работать с широкополосным сигналом.	32 бита 769 КВыб/с AK5554	12 бит 200МВыб/с ADRV9009

Информацию для таблицы брал на сайте arrow, поэтому если что-то упустил поправляйте в комментариях.

Источник

Разнообразие аналогово-цифровых преобразователей вырождается?

Первый АЦП

Самым первым упоминанием АЦП в истории является патент США 1 608 527 под названием «Facsimile Telegraph System», который был подан 20 июля 1921 года Полом М. Рейни, работником компании Western Electric. Патент был получен спустя 6 лет, 30 ноября 1926 года.

Рисунок 1 – Патент «Facsimile Telegraph System»

Изображенное в патенте устройство фактически является 5-битным АЦП прямого преобразования (flash ADC, direct-conversion ADC). Принцип действия полностью параллельного АЦП прямого преобразования заключается в том, что все параллельные компараторы с напряжением сравнения меньшим, чем уровень входного сигнала переключаются в «1», а все параллельные компараторы с напряжением сравнения бо́льшим, чем уровень входного сигнала остаются в состоянии «0». Шифратор перекодирует полученный двоично кодированный унарный код (Binary Coded Unary, BCU) в код для передачи дальнейшим устройствам.

Типы существующих АЦП

АЦП имеет множество характеристик, которые условно можно разделить на статические:

Скорость преобразования и разрядность связаны друг с другом определенным образом, и мы можем повысить эффективную разрядность преобразования, пожертвовав скоростью.
На рисунке 2 показан график зависимости разрядности различных типов АЦП от частоты преобразования.

Рисунок 2 – График зависимости разрядности различных типов АЦП от частоты преобразования

Наибольшим быстродействием и самой низкой разрядностью обладают АЦП прямого (параллельного) преобразования. Например, АЦП параллельного преобразования TLC5540 фирмы Texas Instruments обладает быстродействием 40 MSPS при разрядности всего 8 бит. АЦП данного типа могут иметь скорость преобразования до 1 GSPS. Среднюю нишу в ряду разрядность-скорость занимают АЦП последовательного приближения. Типичными значениями является разрядность 12-18 бит при частоте преобразования 100 kSPS — 1 MSPS. Наибольшей точности достигают сигма-дельта АЦП, имеющие разрядность до 24 бит включительно и скорость от единиц SPS до десятков kSPS. Интегрирующие АЦП в настоящее время практически полностью вытеснены другими типами АЦП, но могут встретиться в измерительных приборах.

Сигма-дельта АЦП

На хабре была статья 2011 года, где упоминались разные типы АЦП, но в данной статье смысл совсем другой.

Структура любого сигма-дельта АЦП содержит сигма-дельта модулятор, который преобразует входной аналоговый сигнал в последовательность нулей и единиц, и цифровой фильтр-дециматор. Эта последовательность нулей и единиц в иностранной литературе называется PDM (pulse density modulation), что принципиально отличает ее от ШИМ (широтно импульсной модуляции).

Рисунок 3 структура сигма-дельта АЦП

Входной сигнал поступает на блок вычитания полученного битового кода, далее на интегратор, компаратор и триггер (элемент задержки по времени), выход триггера — последовательность битового кода PDM. Данная последовательность поступает на усредняющий ФНЧ, дециматор, и на выходе получается оцифрованный сигнал высокой разрядности (разрядность повышается внутри фильтра). Надо заметить, что частота следования нулей и единиц в потоке PDM должна быть существенно выше, чем частота построения выходного кода высокой разрядности. В простейшем случае для получения 8-битного АЦП необходимо повышение частоты PDM в 256 раз. Это неудобно и нерационально.

Поэтому сигма-дельта модуляторы собирают последовательно в количестве 2..3..7 штук, возникает эффект модуляции шума, перенос энергии шума на высокие частоты, и как следствие в рабочей низкочастотной области шумов оказывается меньше. Это позволяет получить «эффективную» разрядность существенно выше, что у PDM первого порядка, как показано на рисунке 4.

Рисунок 4 Формирование спектра шума сигма-дельта модуляторов разного порядка

Таким образом, при повышении частоты дискретизации в 64 раза и использовании сигма-дельта модулятора 4 порядка можно получить разрядность 12 бит вместо 6. При повышении порядка до 7 и той же частоте дискретизации разрядность можно поднять уже до 16. Таким образом, оказывается возможным создавать сигма-дельта АЦП не только до единиц-десятков kSPS, но и существенно больше. Например, если производить цифровую фильтрацию PDM в ПЛИС Xilinx на частоте 400 МГц (что вполне реализуемо с использованием аппаратных умножителей и дифференциальных входов), коэффициенте передискретизации 64 можно получить 16-битный АЦП на частоте 6.250 MSPS. При меньшей разрядности можно увеличить частоту дискретизации. Данный тип АЦП можно использовать для синхронной обработки большого числа АЦП, особенно если всю цифровую обработку всех потоков PDM поместить внутри одной ПЛИС.
Классический рисунок областей применения различных АЦП можно изменить так:

Рисунок 5 Современное состояние различных типов АЦП

Сигма-дельта АЦП могут заменить собой практически все другие типы АЦП кроме наиболее быстродействующих параллельных. И по большинству параметров окажутся лучше старых аналогов других типов.

Источник

Разрядность АЦП

Помню тот день, как сейчас. Мне дали ответственное задание: надо было написать программу для трубообточного станка на плк SIEMENS S1200. И так как это была моя первая программа, то у меня возникли трудности, о которых я расскажу в данной статье. В данной статье речь пойдёт о таком понятии, как Разрядность АЦП.

Что такое АЦП

Это аналого-цифровой преобразователь.

Контроллеры воспринимают информацию в двоичной системе. Т.е. всю информацию он переводит в комбинации, которые состоят из двух цифр 0 и 1 (цифровой сигнал).

Если с дискретными входами всё понятно. Пришёл сигнал +24 Вольта (как пример) на вход контроллера, и он его пометил как единица; не пришёл, то как 0.

А как же нам преобразовать аналоговый сигнал в цифровой двоичный код? Ведь там значение колеблется от 0 до 10 Вольт. Т.е. этот сигнал имеет очень много значений. И поэтому нам надо разбить измеряемый диапазон на определённое количество значений.

Разрядность АЦП

Разрядность АЦП – это количество битов в числе на выходе аналого-цифрового преобразователя. (Разрядность выходного значения).

Чем больше разрядность, тем точнее измеряемое значение.

Настало время моих любимых примеров:

К аналоговому входу (0-10 В) подключен датчик давления. Предел измеряемых значений датчика от 0 до 10 Бар.

Разрядность АЦП= 1111111111111111. (16-разрядный). Если мы воспользуемся калькулятором и переведём двоичное значение 1111111111111111 в десятичное, то получим следующее число:

Что это за число? Это количество значений, которое может выдать наш АЦП.

Т.е если у нас датчик давления, у которого предел измерения от 0 до 10 бар, будет выдавать 10 бар (10 вольт) – это максимальное значение выдаваемое датчиком, то уже в программе мы получим значение равное 65535. А если будет приходить 0 вольт, то и получим 0 в программе.

Если на аналоговый вход приходит 5 бар (5 вольт), то в программе будет 32767.Мы поделили максимальное значение пополам.

В результате у нас получается следующее:

Диапазон измеряемых значений от 0 до 10 бар (0-10 вольт) переносится на диапазон от 0 до 65535 (в программе).

Из этих данных мы можем определить шаг измерения показаний. Т.е полный диапазон датчика надо разделить на разрядность. Получим минимальный шаг измеряемой величины.

0-10 бар-это 11 значений. 11/65535=0,000167 Вольт – это точность измерений.

Сейчас приведу пример расчёта по вычислению значения на выходе АЦП.

У нашего датчика предел измерений от 0 до 10. Из максимального значения вычитаем минимальное и получаем число 10. Разрядность нашего АЦП равна 65535. Делим это число на 10 и получаем 6553,5. И теперь это число умножаем на показание нашего датчика. Т.е.в данный момент датчик у нас показывает 3 бара. 3 умножаем на 6553,5 и получаем число на выходе ацп 19660,5. Всё легко и просто. Поехали дальше…

Увидели, допустим, мы следующее число, которое пришло к нам в контроллер 23565. Нам надо перевести это число на понятный нам диапазон 0-10 бар. Что надо сделать?

Воспользуемся формулой линейной интерполяции:

f(X) = f(X1)+( f(X2) — f(X1) )*(X — X1)/(X2 — X1)

Х1 — это минимальное число из диапазона от 0 до 65535 (0)

Х – это число в данный момент (23565)

Х2 – это максимальноечисло из диапазона от 0 до 65535 (65535)

f(X1) – это минимальное число из нашего диапазона давлений 0-10 бар (0 бар)

f(X2) – это максимальное число из нашего диапазона давлений 0-10 бар (10 бар)

f(X)- это число которое мы ищем.

Подставляем всё в формулу и получаем следующее:

f(X) = f(X1)+( f(X2) — f(X1) )*(X — X1)/(X2 — X1) = 0 + (10 — 0)*(23565 — 0)/(65535 — 0) = 3.5958

Т.е. значение в контроллере 23565 при пересчёте на наш диапазон 0-10 бар будет равно 3.5958 Бар.

Характеристика АЦП

Основная характеристика АЦП – это разрядность. Также не малое значение имеет вид аналогового сигнала, подаваемого на АЦП. Токовый сигнал на АЦП не подают. Сначала он преобразовывается в напряжение, а потом идёт на АЦП. Обычно это просто резистор 500 Ом, который преобразовывает 4-20 ма в 2-10 вольт.

Часто последний бит разрядности занимает знак, и тогда разрядность надо делить пополам. Т.е у нас получается разрядность не 2 в степени 8, а два в степени 7. Плюс иногда ограничивают диапазон значений под диагностику, т.е. на программном уровне уменьшают разрядность АЦП.

Не забываем ещё про наименьшее входное напряжение (LSB-Least significant bit), которое видит АЦП. Для того, чтобы его найти надо опорное напряжение поделить на разрядность нашего АЦП (опорное напряжение указывается в документации).Также у АЦП имеется погрешность измерения, которая измеряется в LSB.

Источник

В чем разница между точностью и разрядностью АЦП?

Очень часто разрядность АЦП отождествляют с его точностью. Это не всегда верно. В статье объясняется, в чем состоит разница между этими параметрами.

В технической документации производители указывают характеристики АЦП по-разному, и это сбивает с толку инженеров. Самые большие споры вызывают два параметра: разрешение и точность. Попробуем разобраться, чем они отличаются, как соотносятся с другими характеристиками, такими как динамический диапазон или порог шума, и как их применять.

Динамический диапазон, точность и разрешение
Динамический диапазон (ДД) есть разница между максимальным и минимальным сигналами, которые может измерить преобразователь. В качестве максимального сигнала может быть взят размах, амплитуда или среднеквадратичное напряжение полной шкалы (ПШ). Эти величины разные. Например, для синусоидального сигнала с амплитудой 1 В размах составляет 2 В, а среднеквадратичное напряжение — 0,707 В. В качестве минимально различимого сигнала обычно берут среднеквадратичное напряжение шума на входе АЦП в отсутствие сигнала. Это значение зависит от полосы частот, на которой оно измеряется. При удвоении частоты шум увеличивается в 1,41 раза или на 3 дБ. Важно понимать, что ДД — величина, относящаяся к какой-либо частотной полосе. Часто ДД и отношение сигнал-шум (SNR) устройства считают одной и той же величиной и измеряют в дБ:

Иногда производители берут не среднеквадратичное напряжение ПШ, а его амплитуду или размах, чтобы «увеличить» динамический диапазон на несколько дБ.
Разрешение и точность — параметры, которые часто путают, когда речь идет о производительности АЦП. Разрешение — это количество разрядов, используемых при оцифровке входного сигнала. Например, 16-разрядный АЦП разбивает шкалу на 216 (65536) позиций выходного кода. Минимальный сигнал, который устройство может измерить, равен 1 разряду (МЗР — младший значащий разряд) или 1/65536 доле напряжения ПШ.
Точность АЦП характеризует, насколько близко фактический выходной код совпадает с теоретическим для данного входного аналогового сигнала. Другими словами, это количество разрядов выходного кода, которые несут полезную информацию о входном сигнале.
Как уже говорилось, точность АЦП может оказаться намного ниже разрешения из-за внутренних и внешних источников шума. В этом случае 4 МЗР — это случайный шум АЦП. Часто ДД преобразователя и его точность — это одно и то же. На рисунке 1 приведена общая схема АЦП.

Идеальный преобразователь генерирует выходной код как функцию аналогового входного и опорного напряжений:

Каждый выходной код — это доля опорного напряжения.
Важно заметить, что ДД преобразователя должен соответствовать максимальной амплитуде преобразуемого сигнала, чтобы точность преобразования была наиболь-
шей.
Пусть входной сигнал меняется в пределах 0…2,5 В, а V_REF = 3,3 В, как показано на рисунке 2.

Как мы говорили, 16-разрядный АЦП генерирует 65536 кодовых позиций или шагов, МЗР = 3,3/65536 = 50,35 мкВ. Для идеального АЦП все коды будут иметь одинаковую ширину, равную 1 МЗР. Максимальное входное напряжение составляет 2,5 В, это 49652 выборки. Соответственно, 15884 кода не используются, поэтому эффективная разрядность (ENOB) или потеря в точности составят 0,4 разряда.
Потеря в ENOB оказывается тем больше, чем больше разница между максимальным входным сигналом и V_REF. Если максимальный входной сигнал равен, например, 1,2 В, а V_REF = 3,3 В, то ENOB уменьшится на 1,5 разряда. Именно поэтому важно согласовать динамический диапазон АЦП и максимальную амплитуду сигнала. Рассмотрим несколько примеров применения этих параметров.

Для простоты будем считать, что для цифровой камеры ДД — это диапазон от самого темного до самого яркого света, который можно обнаружить, выраженный в битах. Минимальная скорость передачи (разрешение) АЦП определяется динамическим диапазоном (точностью) датчика изображения. Например, если ДД равен 1000:1 (60 дБ), то АЦП должен иметь по крайней мере 10 разрядов (2 10 = 1024 уровня), чтобы информация не потерялась. На практике лучше сделать запас, например, использовать 12-разрядный преобразователь, чтобы свести к минимуму влияние помех.
Утверждать, что камера имеет точность 12 разрядов только потому, что такова разрядность АЦП бессмысленно, поскольку не приняты во внимание внешний шум и возможности пиксела.
Из сказанного выше становится ясно, что точность системы совпадает с разрядностью АЦП только в том случае, если датчик имеет достаточный ДД. Тоновый и динамический диапазоны системы не могут превышать ДД датчика. Понятия «12-разрядная камера» и «камера с 12-разрядным АЦП» — не одно и то же.

Резистивный датчик температуры
Обычно датчики этого вида изготавливаются из платины и имеют следующие характеристики: сопротивление при температуре 0°С = 100 Ом, изменение сопротивления на 1°С = 0,385 Ом, ток включения 1 мА, температурный диапазон 0…500°С.
Резистивные датчики работают при малом токе порядка 1 мА. При изменении температуры на 1°С сопротивление изменится на 0,385 Ом, поэтому малейшая погрешность измерения сопротивления приведет к большой ошибке в измерении температуры.
Резистивные датчики температуры регистрируют изменение температуры на 0,1°С. Это значение 1 МЗР в диапазоне 0…500°С. Соответствующее изменение сопротивления составляет 192,5 Ом. Отсюда напряжение в данном диапазоне будет равно 192,5 мВ, а ДД = V_ПШ/МЗР = 192,5 / 38,5 = 5000. Следовательно, для рассматриваемой системы подойдет 13-разрядный АЦП.
Поскольку напряжение на термометре варьируется в диапазоне 100…292,5 мВ с очень небольшим МЗР, чтобы его различил АЦП, то следует усилить сигнал. Пусть усилитель имеет постоянный коэффициент усиления 17. Тогда входное напряжение будет находиться в пределах 1,7…4,92 В. Как говорилось ранее (см рис. 2), при таком диапазоне входных напряжений АЦП используется не в полную силу. Принимая, что напряжение ПШ = 5 В, получаем, что ENOB = 1,44 ln [V_ПШ/МЗР] = 1,44 ln[5 В/ 38,5 мкВ] ≈ 17 разрядов. Для этой задачи лучше взять хороший сигма-дельта преобразователь.

Источник

Что такое АЦП и чем оно отличается от ЦАП

Разбираемся с АЦП и ЦАП, какие задачи они решают, в чем их достоинства и недостатки.

Аналого-цифровой преобразователь

Аналого-цифровой преобразователь или АЦП — это устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный цифровой код. АЦП осуществляет операции дискретизации и квантования. Напомню, при дискретизации, отсчеты непрерывного сигнала берутся только в определенные моменты или дискреты времени, а при квантовании значение сигнала в эти моменты времени округляется до одного из фиксированных уровней, квантованные уровни затем представляются в двоичном виде. Таким образом, мы получаем цифровой сигнал из аналогового.

Как устроен АЦП

В большинстве АЦП есть устройство выборки и хранения, которые фиксируют и сохраняют значение напряжения на своем входе, в моменты замыкания ключа, а моменты замыкания ключа определяется задающим генератором, именно его частота и определяет частоту дискретизации выходного сигнала. Сигнал на выходе устройства выборки и хранения затем, округляется до одного из уровней квантования.

Как же АЦП понимает, с каким уровней квантования проассоциировать значение сигнала?

Рассмотрим простейший одноразрядный АЦП, компаратор. Он принимает на свой вход два значения напряжения, в том случае, если напряжение на первом входе больше чем на втором, он выдает логическую единицу, в противном случае 0.

Допустим, мы зафиксировали значение на втором ходе, это наш пороговый уровень, и когда изменяющейся во времени сигнал на первом входе больше этого уровня, устройство показывает 1, когда меньше 0.

Теперь представим, что компараторов несколько, когда входной сигнал превышает определённый уровень, срабатывает соответствующий компаратор, выходы всех компараторов затем преобразуется схемой приоритетного кодера в двоичное представление. АЦП в которых каждом из уровней квантования соответствует компаратор называются АЦП прямого преобразования или флеш АЦП.

Характеристики АЦП

Во-первых, АЦП отличаются по частоте дискретизации, она определяется задающим генератором. В зависимости от назначения частота дискретизации может измеряться в килогерцах, мегагерцах и даже гигагерц.

Далее идет разрядность, то есть количество бит в коде, которыми мы представляем отсчеты сигнала. От количества бит, зависит количество уровней квантования, оно определяется, как 2 в степени количество бит, если у нас 3 бита, то это 8 возможных уровней квантования, если у нас 8 бит это 256 уровней.

Диапазон входного сигнала это минимальные и максимальные значения напряжения на входе АЦП при которых устройство работает корректно. Слишком маленький сигнал АЦП может не различить и принять за нулевой уровень, слишком большие могут вызвать искажения, которые приведут к потере информации. Обычно АЦП оперируют единицами вольт.

Отношение сигнал-шум об этом параметре есть подробная статья.

Передаточная характеристика — это по определению зависимость числового эквивалента выходного кода от величины входного аналогового сигнала, она имеет вид ступенчатой функции.

Посмотрим на рисунок выше, окрестность значения входного напряжения 0,5 вольт будет приравнено к четвертому уровню квантования, то есть значение к примеру 0,52 или 0,47 также будут представлены кодом 100.

Если мы рассматриваем АЦП с равномерным квантованием, то длина всех ступенек будет одинаковой, в некоторых АЦП специально используются неравномерное квантование, но их мы пока не рассматриваем. Неравномерность ступенек в АЦП с равномерным квантование это одна из характеристик неидеальности, мы называем ее нелинейностью.

Нелинейность АЦП

Нелинейность АЦП — это отличие реальной передаточной характеристики от линейной.

Линейная система передает входной сигнал на выход, без изменения его формы, возможно усиление или аттенюация.

Нелинейная система искажает форму выходного сигнала. В том случае, когда характеристика отличается от прямой линии, форма пиков сигнала изменяется это называется нелинейным искажением, крайне нежелательно явление. При искажениях мы безвозвратно теряем информацию.

Для АЦП, желательно, чтобы в рабочем диапазоне входных сигналов формы передаточных характеристик аппроксимировались прямой, но на практике небольшие отклонения все же присутствуют, поэтому для всех АЦП производитель указывает параметры интегральной и дифференциальной нелинейности.

Шум квантования

В АЦП происходит округление реального значения аналогового сигнала. Точность представления, то насколько близок уровень квантования к реальному значению зависит от разрядности АЦП, количества бит.

Сигнал ошибки или разницы мы называем шумом квантования, хотя шумом его можно считать только в рамках математической модели, так как он зависит от сигнала.

Если мы квантуем непрерывный сигнал, то и шум квантования будет непрерывным. Если мы говорим о квантовании дискретного сигнала, то и на ошибки также будет дискретным. Понятно, что для того чтобы уменьшить шум квантования надо повышать разрядность АЦП, но из-за этого увеличивается стоимость, энергопотребление, могут понизиться другие характеристики.

Существует техника уменьшения влияния шума квантования без увеличения разрядности, и с ними вы можете ознакомиться самостоятельно при желании.

Джиттер

Джиттер это фазовый шум вызванный нестабильностью задающего генератора. Когда мы рассматриваем идеальный процесс дискретизации непрерывного сигнала, шаг временной сетке или период дискретизации неизменен, но в реальности импульсы задающего генератора могут идти не через равные промежутки времени, это приводит к тому что мы передаем устройству выборки и хранения не совсем то значение, которое должны были бы передать в случае идеально ровной временной сетки.

Эти отклонения, от так называемых реальных значений, также можно представить в виде дискретного шума. Нестабильность генераторов обычно измеряется в пика и фемпто секундах, поэтому на медленный АЦП она особо не влияет.

Шум квантования вносит гораздо больший вклад, но если сам сигнал изменяется очень быстро, если мы говорим о частотах дискретизации в сотни мегагерц и единицах гигагерц, то в этом случае уже джиттер может стать главной проблемой.

Цифро-аналоговый преобразователь

Цифро-аналоговый преобразователь — это устройство преобразующее входной цифровой сигнал в аналоговый.

На вход устройства поступают дискретные отсчеты в виде цифрового кода, которые затем преобразуются в напряжение. Напряжение это соответствует набору уровней, как и случае с АЦП, многие ЦАП, используют равномерный уровни при преобразовании.

Уровень напряжения остается неизменным до момента прихода следующего отсчета на вход, таким образом формируется ступенчатый непрерывный сигнал, который в дальнейшем может быть сглажен фильтром нижних частот.

Один из простейших видов ЦАП широтно-импульсный модулятор (ШИМ) он часто используется для управления скоростью электромоторов.

Источник