Как называется преобразование аналогового сигнала в цифровой код

Как называется преобразование аналогового сигнала в цифровой код

Главная Статьи Теория диагностики Преобразование аналогового сигнала в цифровой

Преобразование аналогового сигнала в цифровой

В данной статье рассмотрено:
Принцип работы осциллографа;
Преобразование аналогового сигнала в цифровой;
Основные характеристики цифрового сигнала.

Мотор-тестер является одним из важнейших приборов в диагностике современного автомобиля также, как и осциллограф является одним из важнейших приборов в радиоэлектронике. Поэтому понимание основных принципов функционирования осциллографа является ключевым фактором для максимально эффективной эксплуатации комплекса мотор-тестера в целом.

Осциллограф – это прибор, предназначенный для исследования амплитудных и временных параметров электрического сигнала.

По способу обработки информации все осциллографы можно разделить на две категории: цифровые и аналоговые.

В отличие от аналогового, цифровой осциллограф имеет очень важные преимущества: он обладает возможностью записи сигнала и его последующей обработки, причем если осциллограф позволяет передавать информацию в компьютер, то это дает возможность использовать все ресурсы компьютера для обработки и анализа сигналов. Именно поэтому основой всех современных мотор-тестеров является цифровой осциллограф, принцип работы которого и будет рассматрен.

Под сигналом понимается какой-либо физический процесс, отображающий некоторую информацию или сообщение, например, изменение температуры в течении суток. При анализе сигнала, его удобно отобразить на графике, горизонтальная ось которого является временем, а вертикальная ось – непосредственно значением сигнала, в нашем случае температура в градусах Цельсия. По сути, это и есть основная задача осциллографа – отображать изменение какого-либо параметра во времени.

Но осциллограф может отображать только изменение напряжения, поданного на его вход, поэтому, для преобразования температуры в напряжение используются разнообразные датчики температуры. При использовании соответствующих датчиков, таким же способом происходит преобразование и других физических параметров в электрический сигнал, например давление, расход воздуха, скорость.

Все эти сигналы являются непрерывной функцией времени, это значит, что любому моменту времени соответствует определенное значение амплитуды сигнала. Такие сигналы называются аналоговыми.

Как уже отмечалось выше, рассматривать мы будем именно цифровой осциллограф, поэтому в первую очередь разберемся, как происходит преобразование аналогового сигнала в цифровой.

Рассмотрим произвольный сигнал, например сигнал напряжения на выходе какого-либо датчика.

Принцип действия цифрового осциллографа основан на преобразовании входного аналогового сигнала в соответствующий дискретный код. Непрерывный сигнал заменяется последовательностью дискретных отсчетов, величина которых равна значению сигнала в данный момент времени. Как правило, отсчеты берутся через равные промежутки времени Т, называемыми периодом дискретизации или шагом дискретизации.

Также необходимо понимать, что измерять амплитуду сигнала мы можем только с определенной точностью, точность измерения можно представить в виде фиксированных величин, которые называются уровнями квантования. Изобразим эти величины в виде горизонтальной сетки с равными промежутками между делениями. Высота каждой ячейки будет соответствовать цене деления нашего цифрового осциллографа.

После дискретизации сигнала по времени, значение каждого отсчета заменяется ближайшим значением уровня квантования, т.е. происходит округление сигнала. В результате получаем вместо непрерывного сигнала массив точек.

Соединив эти точки прямыми, мы получаем кривую, которая с определенной точностью повторяет исходный аналоговый сигнал.

И точность будет тем выше, чем больше частота следования дискретных отсчетов и чем больше доступное количество уровней квантования. Величина, обратная периоду дискретизации, называется частотой дискретизации f = 1/T. На приведенном выше рисунке частота следования дискретных отсчетов равна 6-ти отсчетам в течение 1 миллисекунды, или 6000 отсчетов за 1 сек., что соответствует частоте дискретизации 6000 Гц или 6 кГц.

Высота каждой ячейки будет соответствовать разности уровней квантования, или цене деления нашего цифрового осциллографа. Величина, обратная периоду дискретизации, называется частотой дискретизации, и, соответственно рассчитывается по формуле 1/Т. Необходимо обратить особое внимание на этот параметр, так как в будущем придется с ним сталкиваться при настройке осциллографа.

Теперь увеличим частоту дискретизации в два раза. Это приведет к увеличению количества отсчетов на заданном промежутке также в два раза. Новые точки отсчетов будут располагаться между существующими, в точках пересечения вертикальной и горизонтальной сетки. Объединим все точки в новую кривую.

Очевидно, что новая кривая с большей точностью повторяет исходный график. Из этого можно сделать вывод, что выбор частоты дискретизации основывается на необходимости отображения участков сигнала с наименьшей длительностью.

Например, в сигнале может присутствовать помеха. Если она попадает между отсчетами дискретизации, то мы ее попросту не увидим. С одной стороны – это плюс, т.к. на экране осциллографа мы увидим чистый, незашумленный сигнал, который проще анализировать, с другой же стороны, если помеха влияет на работу исследуемой системы, то, не видя ее на экране, мы невозможно найти закономерность появления помехи с реакцией исследуемой системы.

Теперь рассмотрим ситуацию, когда момент появления помехи совпадет с моментом дискретного отсчета.

В этом случае цифровой сигнал будет иметь значительные отличия от исходного аналогового сигнала. Можно сделать вывод, что представление сигнала набором дискретных отсчетов всегда приводит к потере информации, т.к. мы ничего не знаем о поведении сигнала в промежутках между отсчетами.

Поэтому становится очевидным, что чем выше частота дискретизации, тем точнее воспроизводится сигнал. Как правило, частота дискретизации в цифровых осциллографах является настраиваемой величиной. Либо можно задать ее непосредственно, либо частота подбирается автоматически при настройке развертки для оптимального отображения сигнала на экране.

Увеличение количества уровней квантования также приведет к увеличению точности отображения сигнала, т.к. будет уменьшаться ошибка при округлении сигнала. Количество уровней определяется разрядностью используемого в осциллографе аналого-цифрового преобразователя. Как правило, эта характеристика предоставляется в битах, например 8 бит. Чтобы перейти от битов к количеству уровней, необходимо воспользоваться следующей формулой N=2 n . Что соответствует 256.

В рассмотренном случае, количество уровней было равно 8, чтобы узнать разрядность придуманного АЦП необходимо совершить обратное преобразование, в результате получаем 3 бита. Теперь перейдем от количества уровней к погрешности измерения напряжения. Пусть весь наш сигнал находится в диапазоне от 0 до 5 вольт. Соответственно, чтобы определить шаг сетки, необходимо всю шкалу разделить на количество делений, в результате получаем 5/8 = 0,625 вольта.

Аналого-цифровое преобразование сигнала для начинающих

Темы аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразований являются достаточно важными в курсе электроники, поскольку большинство устройств, взаимодействующих с компьютером, имеют аналоговый вход/выход, а компьютер умеет обрабатывать исключительно цифровые сигналы. В этой статье я хочу поделиться с вами самыми основами таких преобразований.

Типы сигналов

• Аналоговые
• Дискретные
• Цифровые

Для того, что бы компьютер мог выполнить обработку сигнала необходимо выполнить преобразование сигнала из аналоговой формы в цифровую.
После обработки выполняется обратное преобразование, поскольку большинство бытовых устройств управляются аналоговыми сигналами.

Структурная схема цифровой обработки сигнала в общем виде выглядит следующим образом:

Аналого-цифровое преобразование сигнала

1. Дискретизация сигнала (во времени или пространстве)
2. Квантование по уровню

Процесс получения отсчёта входного сигнала должен занимать очень малую часть периода дискретизации, что бы снизить динамические ошибки преобразования, обусловленные изменением сигнала за время снятия отсчёта.

Частота дискретизации выбирается из теоремы Котельникова. В ней утверждается, что для того что бы по отсчётам сигнала можно было бы сколь угодно точно восстановить непрерывный сигнал необходимо что бы частота дискретизации не менее чем в два раза превосходила верхнюю частоту спектра дискретизируемого сигнала.

Любой сигнал имеет своё спектральное представление. Любое представление сигнала – это представление в виде суммы (или интеграла) гармонических составляющих (синусоид и косинусоид), различных частот взятых с определёнными весовыми коэффициентами (имеющими определённую амплитуду)
Для периодических сигналов это сумма, для непериодический – интеграл.
Переход к спектру сигнала осуществляется с помощью прямого преобразования Фурье.

Рассмотрим переход к спектральному представлению в виде периодической функции:

Как известно периодическая функция удовлетворяющая условию Дирихле может быть представлена рядом гармонических функций.

По формуле Эйлера любое выражение можно представить в виде
— частота первой гармоники

— частота n-ой гармоники

— круговая частота n-ой гармоники

— комплексная амплитуда гармоники, где — фазовый спектр.

Совокупность амплитуд гармоник ряда Фурье называется амплитудным спектром, а совокупность их фаз называется фазовым спектром.

Для непериодический функции , а тогда заменяется непрерывно изменяющейся частотой => сумма заменяется интегралом.

Прямое преобразование Фурье для непериодического сигнала

Таким образом спектр непериодической функции представляется суммой бесконечного количества гармонических колебаний, частоты которых расположены бесконечно близко друг к другу.

Квантование сигнала по уровню

Количество уровней квантования определяется по формуле
n — количество разрядов
N — уровень квантования

Выбор количества уровней квантования сигналов производится на основе компромиссного подхода, учитывающего с одной стороны необходимость достаточно точного представления сигнала, что требует большого числа уровней квантования, а с другой стороны количество уровней квантования должно быть меньше, что бы разрядность кода была минимальной.

На этом я закончу свою статью, что бы не перегружать читателя лишней информацией. Удачи в начинаниях!

Как называется «Преобразование входящего и исходящего звуковых сигналов. » ??

Аналого-цифровой преобразователь [1][2][3] (АЦП, англ. Analog-to-digital converter, ADC) — устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал) . Обратное преобразование осуществляется при помощи ЦАП (цифро-аналогового преобразователя, DAC).

Как правило, АЦП — электронное устройство, преобразующее напряжение в двоичный цифровой код. Тем не менее, некоторые неэлектронные устройства с цифровым выходом, следует также относить к АЦП, например, некоторые типы преобразователей угол-код. Простейшим одноразрядным двоичным АЦП является компаратор.

Остальные ответы

Что вы имеете ввиду под «звуковыми сигналами»?

Термин: АЦП

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП, Analog-to-digital converter, ADC) — устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в цифровой сигнал (в цифровой двоичный код). Для задач измерения значения сигнала в произвольный момент времени используют асинхронный режим работы с АЦП с жестко не привязанными по времени одиночными аналого-цифровыми преобразованиями. Для задач измерения функциональной зависимости изменения аналогового сигнала используют синхронный режим работы АЦП. Синхронный режим работы АЦП без пропусков данных на сколь угодно большом интервале времени называют также потоковым режимом. Синхронные АЦП, как правило, поддерживают покадровый принцип сбора данных, когда оцифрованные отчёты измерения образуют условные кадры с заданным количеством отсчётов, соответствующих заданным каналам измерения.

АЦП является неотъемлемой частью системы сбора данных.

Основные параметры АЦП:

• Входной диапазон сигнала (диапазон измерения).
• Частота преобразования [Гц] – частота следования аналого-цифровых преобразований. В терминологии ЦОС частота преобразования АЦП называется частотой дискретизации сигнала в его цифровом представлении.
• Период преобразования [c] = [1/Гц] – величина, обратная частоте преобразования. В терминологии ЦОС период преобразования АЦП является периодом преобразования сигнала в его цифровом представлении. Для асинхронных АЦП нормируется время преобразования.
• Полоса частот пропускания АЦП [Гц]…[Гц]. Это диапазон частот сигнала, который пропускает преобразователь по уровню сигнала -3 дБ.
• Разрядность АЦП – количество N двоичных разрядов преобразователя, при этом количество уровней квантования сигнала в цифровом представлении АЦП равно 2 N .
• Соотношение сигнал/шум канала преобразования АЦП [дБ]
• Технология АЦП. Типичные представители: АЦП последовательного приближения, сигма-дельта АЦП.
• Межканальное прохождение [дБ].

Верхняя частота полосы частот пропускания АЦП последовательного приближения может быть значительно больше частоты преобразования АЦП, а верхняя частота полосы частот пропускания сигма-дельта АЦП не превышает половины частота преобразования АЦП.

АЦП различаются типами входов. Чаще встречаются АЦП с входом напряжения, реже – с входом тока или входом заряда.

Многоканальные АЦП строятся по принципу независимых параллельных каналов АЦП или по принципу АЦП с коммутацией каналов.

АЦП с коммутацией каналов разделяются на АЦП с входным коммутатором каналов (у которых коммутационный процесс происходит непосредственно в измерительной цепи) и на АЦП с внутренним коммутатором, например, как у E20-10 (у которых коммутационный процесс происходит внутри и измерительную цепь не затрагивает).

Важной характеристикой АЦП является наличие гальванической изоляции входной сигнальной цепи. Для АЦП с входом напряжения важной характеристикой является тип входа напряжения: дифференциальный вход, вход с общей землёй.

По потребительским свойствам все АЦП можно разделить на АЦП общего применения и специализированные АЦП. Для общего применения больше всего подходят АЦП, имеющие дифференциальные входы напряжения и гальваноразвязку (LTR11, LTR24-1). К специализированным АЦП можно отнести преобразователи, имеющие специальный вход специфического датчика (например, тензометрического – LTR212, LTR216, или ICP-датчика – LTR25), либо предназначенные для выполнения специальных функций (например, измерение частоты – LTR51). В то же время, у АЦП общего применения могут присутствовать специализированные режимы (каналы) измерения (например, измерение сопротивления модулем LTR114).

В особую группу можно выделить АЦП на основе преобразователей «напряжение-частота» для измерения постоянного или медленно меняющегося напряжения или тока (например, H-27x).

Каналы АЦП, дополненные интерфейсом с ПК, входят в состав систем сбора данных – примеры характерных реализаций были упомянуты выше.

Читайте также по данной теме:

• Какая частота преобразования АЦП нужна для решения моей задачи?
• Повышенные помехи, шум АЦП — анализ причин
• Допустимо ли при выборе оборудования обобщать требования по разнородным каналам измерения?
• Dithering
• Тензодатчики — К какому АЦП подключать?
• Датчик с токовым выходом — К какому АЦП подключать?
• Термопары — К какому АЦП подключать?

Перейти к другим терминам	Cтатья создана:	05.07.2014
О разделе «Терминология»	Последняя редакция:	26.07.2019

Примеры использования термина