Аналогово цифровые преобразователи

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство  по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования  «СИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ  АКАДЕМИЯ»

 

 

Кафедра метрологии, стандартизации и сертификации

 

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ  РАБОТА

 

Аналого-цифровые преобразователи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:Ст. гр. ОМ-41                                                     Проверил:

Р.Х. Каримуллин                                                                   Г.В. Шувалов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Новосибирск 2008

 

Содержание

 

 

1. Введение…………………………………………………………….…2

 

2. Формы представления переменных и их преобразование………….3

 

3. Аналого-цифровые преобразователи в приборах регистрации биопотенциалов………………………………………………………..7

 

4. Литература…………………………………………………………….16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Кроме чисто «цифрового»  сопряжения (ключи, лампы и т. п.), часто требуется преобразовать аналоговый сигнал в число, пропорциональное амплитуде сигнала и наоборот. Это играет важную роль в тех случаях, когда компьютер или процессор регистрируют или контролируют ход эксперимента или технологического процесса, или всякий раз, когда цифровая техника используется для выполнения традиционно аналоговой работы. Аналого-цифровое преобразование следует использовать в областях, где для обеспечения помехоустойчивой и шумозащищенной передачи аналоговая информация преобразуется в промежуточную цифровую форму (например, «цифровая звукотехника» или импульсно-кодовая модуляция). Это требуется в самых разнообразных измерительных средствах (включая обычные настольные приборы типа цифровых универсальных измерительных прибором и более экзотические приборы, такие, как усреднители переходных процессов, «ловушки для выбросов» и осциллографы с цифровой памятью), а также в устройствах генерации и обработки сигналов, таких, как цифровые синтезаторы колебаний и устройства шифрования данных.

 

Техника преобразования является существенной составляющей способов формирования аналоговых изображений с помощью цифровых средств, например, показаний измерительных приборов или двух координатных изображений, создаваемых компьютером. Даже в относительно простой электронной аппаратуре существует масса возможностей для применения аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования.

 

В работе рассмотрены  основные методы аналого-цифрового  преобразования. Проведена сравнительная  оценка характеристик аналого-цифровых преобразователей (АЦП) применительно  к приборам регистрации биопотенциалов. Отмечены альтернативные варианты применения АЦП, в зависимости от конкретных задач медицинского мониторирования.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ФОРМЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ  ПЕРЕМЕННЫХ

И ИХ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ

 

Современные вычислительные системы не являются чисто

аналоговыми или чисто  цифровыми. Все с большим основанием

их можно считать  комбинированными аналого-цифровыми (гибридными). В аналоговую технику проникают  цифровые методы управления процессами ввода-вывода данных, моделирования вычислительных и логических операторов. Цифровые вычислительные машины используются совместно с входными и выходными графическими устройствами, измерительными датчиками и другими источниками аналоговой информации. Значительное распространение нашли вычислительные системы, в которых осуществляется совместная работа аналоговых и цифровых вычислительных машин I

I при решении задач  обработки информации, математического  моделирования или управления объектом в реальном времени. В связи с этим понятен интерес, который в последнее время проявляется к теории и средствам преобразования форм представления информации в вычислительных системах.

В вычислительной системе  информация о значениях переменных, характеризующих ее состояние, может по-разному кодироваться в сигнале, т. е. по-разному распределяться во времени и пространстве.

Различают две формы представления (кодирования) переменных в пространстве: аналоговую и цифровую, и две формы представления переменных во времени: непрерывную и дискретную. Переход от одной формы представления переменной к другой будем называть ее преобразованием.

Под аналоговой формой представления понимается изображение переменной с помощью физической величины, которая получается как результат некоторого явления. Примером этому может служить представление переменной с помощью электрического напряжения, возникающего в электрической цепи во время переходного процесса.

 

Среди аналоговых форм представления  наибольшее распространение получили также способы изображения переменной вели

чиной относительной  длительности импульса, изображения  переменной величиной угла поворота вала и др.

При цифровом представлении  величина переменной изображается цифровым кодом числа.

Переход от непрерывной  или кусочно-непрерывной функции  времени к решетчатой функции  называется квантованием по времени, или  дискретизацией. Преобразование, обратное квантованию по времени, называется восстановлением огибающей решетчатой функции.

 

 

 

 

Квантование непрерывной функции  по времени является линейной операцией, математическое описание которой имеет вид

 

                          Х* (t) = Х (t)  Δ* (t), (1)

 

где

            Х (t)  - кусочно-непрерывная функция времени;

Х* (t) - импульсная решетчатая функция;

Δ* (t) - функция квантования по времени.

Функция Δ* (t) представляет собой последовательность единичных импульсов, следующих с интервалом Т. На форму импульса накладываются два условия: его длительность должна стремиться к нулю, а площадь равняться единице, т. е. импульс может быть описан функцией Дирака δ (t - nТ), где п = 0, 1, 2, . . . - номер импульса.

Функция квантования  по времени Δ* (t) может быть также выражена с помощью функции Дирака:

 

 

                                      +∞

               Δ* (t)= T Σ (t - nT) ,

                            n=-∞

 

где

                                             +∞

                  δ (t - nТ) = 1/ 2π  ∫ e ^{j ω(t - nТ) dω}  .                                                                                                                                                                                                   

                           -∞

 

Функция Х* (t) представляет последовательность импульсов,

 площадь каждого  из которых равна Х (nТ).

      Звено, осуществляющее  квантование переменной по времени  I указанным выше образом, называется  импульсным элементом.

На рис. 1 изображена функция Х  (t). Функция квантования Δ* (t) и выходная величина импульсного элемента Х* и) на графике показаны условно вертикальными линиями, которые соответствуют импульсам       δ (t - nТ) и Х (nТ) δ(t - nТ). Если импульсный элемент подключить на время 'То ко входу интегрирующего звена 1, то на его выходе образуются импульсы прямоугольной формы длительностью 'То И высотой Х (nТ). При τо« T полученный таким образом сигнал будет иметь вид решетчатой функции, по

отношению к которой   X (t) является огибающей .

Устройство, содержащее импульсный элемент и интегратор и предназначенное для выполнения описанного выше преобразования, будем называть усилителем выборки 1,

Преобразователи, служащие для изменения  формы представления переменных в пространстве, делятся на аналого-цифровые и цифро-аналоговые по виду входного и выходного сигналов,. 1( числу аналого-цифровых относятся преобразователи напряжения в код, временного интервала в код, частоты в код, угла поворота в код и др.Примерами

цифро-аналоговых служат преобразователи код-напряжение, код-проводимость, код-интервал времени, код-угол и др.Преобразование формы

представления переменной аналоговой в цифровую или цифровой в аналоговую с ,математической точки зрения соответствует преобразованию множеств действительных чисел, на которых определены аргумент и функция. При аналого-цифровом преобразовании непрерывное множество действительных чисел, соответствующее области определения значений аналоговой величины Х, преобразуется в счетное множество действительных чисел Al, на котором определены значения функции У. Этому преобразованию соответствует ступенчатая(кусочно-постоянная) функция, представленная на рис. 2, а для случая, когда значения Х определены на отрезке             (-М, +М).

Цифро-аналоговое преобразование, являющееся' обратным по отношению к аналого-цифровому, может быть описано функцией, представленной' на рис. 2, б. Здесь счетное множество действительных чисел Al (i = О, :1: 1, :1:2, . . .) преобразуются в непрерывное множество чисел на отрезке- (-М, +М). В вычислительной системе процесс преобразования переменной из аналоговой формы в цифровую, как правило, сопровождается квантованием непрерывной или кусочно-непрерывной функции по времени, а процесс обратного, цифр о-аналогового преобразования сочетается с процессом восстановления огибающей решетчатой функции.

Этим отчасти объясняется появление в технической литературе неудачного определения «непрерывно-дискретное преобразование», которое нередко употребляется в смысле понятия «аналого-цифровое преобразование».

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Аналого-цифровые преобразователи  в приборах регистрации биопотенциалов

 

В результате анализа  схемотехнических решений приборов регистрации биопотенциалов (ПРБ) была построена обобщённая структура, позволяющая  оценивать возможные функциональные варианты построения приборов в зависимости от поставленных задач. Независимо от класса и функционального назначения устройств, их можно представить в виде блоков, показанных на   

рис. 1.

 

Рисунок 1. Обобщённая структура ПРБ

Детализацию блоков обобщённой структуры  можно отобразить в виде блок-схемы, представленной на рис. 2, характерной для типичных случаев реализации ПРБ.

 

 

Рисунок 2. Блок-схема ПРБ

 

 

Входные устройства и  устройства преобразования информации относятся к устройствам первичной  обработки биопотенциалов. Одной  из самых важных операций, осуществляемых в устройствах первичной обработки ПРБ, является аналого-цифровое преобразование. Для получения высоких разрешающих способностей, при широком входном диапазоне, необходим АЦП с эффективной разрядностью при преобразовании не менее 12 бит и частотой преобразования f_дискр 2f_max, где, например, при регистрации электрокардиосигнала (ЭКС) f_max = 120 Гц - верхняя граница наиболее информативной части спектра ЭКС.

 

Необходимое число уровней квантования - N при заданном входном диапазоне U_вх и эффективной разрешающей способности r_эфф определяется как:

Шум квантования АЦП  определяется ошибками округления исходного  сигнала (ошибками квантования). Поскольку  предсказуемой взаимосвязи между  ошибками квантования не существует (статическая независимость), то приближенно можно считать, что плотность спектра мощности шума квантования распределена от -f_дискр/2 до f_дискр/2. В рабочей полосе частот от -f_max до f_max отношение сигнал/шум - SNR при равномерном квантовании зависит от длины кодовых слов n (бит) и частоты дискретизации f_дискр следующим образом:

, [дБ].

 

Видно, что с увеличением f_дискр (передискретизация) на одну и ту же полосу частот f_max приходится всё меньшая мощность шума, причём при каждом удвоении частоты fдискр отношение сигнал/шум улучшается на 3 дБ. Постоянная C_S учитывает форму сигнала (для гармонических сигналов C_S = 1,7 дБ, для обычных звуковых - C_S = -15...+2 дБ) [1].

 

Далее приведём основные характеристики наиболее распространённых АЦП. На примере разработанных дифференциального  термометра и регистратора ЭКС рассмотрим типичные варианты применения АЦП интегрирующего типа.

 

В основу принципа работы параллельных АЦП положен метод непосредственного преобразования аналогового сигнала в цифровой код с помощью сравнения аналогового сигнала с уровнями квантования посредством компараторов, на входы которых подаётся напряжение уровня квантования и преобразуемый сигнал. В результате на выходах компараторов отображается результат сравнения сигнала с уровнями квантования. Затем полученный результат кодируется с помощью приоритетного шифратора. Достоинства метода заключаются в высоком быстродействии, достигающем десятков наносекунд, обусловленном быстродействием компараторов, тактовой частотой триггеров и временем шифрации. В то же время, метод имеет недостатки:

 

• для реализации n-разрядного АЦП необходимо 2n – 1 компараторов, то есть с ростом разрядности резко увеличиваются аппаратные затраты;