Общие сведения. Цифроаналоговые и аналого-цифровые

Цифроаналоговые и аналого-цифровые

Преобразователи

Цель работы

Освоить порядок моделирования цифроаналоговых и аналого-цифровых преобразователей с помощью программы Multisim 11.0.2.

Общие сведения

Различают две формы представления информации — непрерывную (аналоговую) и прерывистую (цифровую, дискретную). Непрерывная форма характеризует процесс, который не имеет перерывов и теоретически может изменяться в любой момент времени и на любую величину (например, крики животных, музыкальные произведения).

Все сигналы в живой и неживой природе существуют в аналоговой форме (влажность, давление, температура воздуха, освещённость, скорость ветра, нервные импульсы животных, речь человека и т.д.). Цифровые сигналы появились совсем недавно (середина прошлого века). Это искусственные сигналы, изобретённые людьми.

Цифровые сигналы могут изменяться лишь в определённые моменты времени и принимать лишь заранее обусловленные значения (например, только значения напряжений 0, 2 и 3, 5 В). Моменты времени возможного изменения уровня цифрового сигнала задаёт тактовый генератор конкретного цифрового устройства. Современные ЭВМ работают с цифровыми сигналами, поэтому необходимо уметь трансформировать аналоговые сигналы в цифровые (например, оцифровать изображение художественной картины, записать выступление музыкальной группы).

Для преобразования аналогового сигнала в цифровой сигнал требуется провести дискретизацию непрерывного сигнала во времени, квантование по уровню, а затем кодирование отобранных значений.

Дискретизация — замена непрерывного (аналогового) сигнала последовательностью отдельных во времени отсчётов (семплов) этого сигнала.

Квантование — разбиение диапазона уровней непрерывной величины на конечное число интервалов и округление входных уровней до разрешённых значений.

На рисунке схематично показан процесс преобразования аналогового сигнала в цифровой сигнал. Цифровой сигнал в данном случае может принимать лишь пять различных разрешённых уровней. Естественно, что качество такого преобразования невысокое. Из рисунка видно, что изменение цифрового сигнала происходит лишь в определённые моменты времени (в данном случае этих моментов одиннадцать).

Кодирование — представление результата измерения уровня в точке выборки (отсчта) двоичным числом.

При преобразовании непрерывный сигнал заменяют последовательностью чисел. Показанный на рисунке непрерывный сигнал заменяется числами 2-3-4-4-4-3-2-2-3-4-4. Десятичная система счисления в рассматриваемом примере использована лишь для большей наглядности. Фактически аналоговый сигнал преобразуют в последовательность единиц и нулей. Результаты данного преобразования можно представить в виде таблицы.

Таблица.

Здесь цифровые сигналы представлены четырьмя разрядами двоичных чисел. Очевидно, что, чем больше разрядов у двоичных чисел (то есть чем больше число уровней квантования) и чем чаще во времени осуществляются отсчёты (выборки), тем точнее будет преобразован непрерывный сигнал в цифровой.

Образное представление о качестве оцифрованного сигнала дают кинофильмы, снятые с разной скоростью. Первые немые фильмы были сняты с частотой 16 кадров в секунду. Из-за низкой частоты съёмки некоторые фазы движения объектов терялись, и перемещение персонажей на экране становилось комичным, дёрганным. Переход на частоту 24 кадров в секунду сняло эту проблему, движение стало плавным.

Предыдущий рисунок показывает, как влияет частота дискретизации аналого-цифрового преобразования на качество оцифрованного сигнала. В нижней части диаграмм показан исходный аналоговый сигнал (синусоида частотой 1 кГц). В верхней части рисунков изображён сигнал после двойного преобразования при разных значениях частоты дискретизации. В данном случае аналоговый сигнал был вначале преобразован в цифровой, а затем цифровой сигнал обратно конвертирован в аналоговый. Рисунки отличаются использованной частотой дискретизации. В первом случае частота дискретизации составляла 8 кГц, во втором – 32 кГц. Из рисунка видно, что с ростом частоты дискретизации качество преобразования улучшается. На качество цифрового сигнала сильно влияет также его разрядность.

Необходимая частота дискретизации (при заданной наибольшей частоте в спектре преобразуемого сигнала) определяется с помощью теоремы Котельникова (в англоязычное литературе её называют теоремой Найквиста — Шеннона или теоремой отсчётов) [2]. Теорема гласит: любой сигнал со спектром частот от 0 до можно передать с необходимой точностью при помощи чисел, следующих друг за другом через интервалы времени, равные .

Первое представление об аналоговом и цифровом способах хранения и распространения информации можно получить, рассматривая два способа записи звуковых сигналов: аналоговую и цифровую аудиозаписи.

При аналоговой аудиозаписи непрерывный электрический сигнал, формируемый источником звука на выходе микрофона, с помощью магнитной головки наносится на движущуюся магнитную ленту. Недостатком аналогового способа обработки информации является то, что копия бывает всегда хуже оригинала, причём с увеличением числа перезаписей качество фонограммы постоянно ухудшается. Длительное хранение магнитной ленты приводит к её размагничиванию и в итоге – к потере записи.

При цифровой аудиозаписи используется процесс выборки, заключающийся в периодическом измерении уровня (громкости, амплитуды) аналогового звукового сигнала (например, поступающего с выхода микрофона) и превращении полученного значения в последовательность двоичных чисел. Для преобразования аналогового сигнала в цифровой используется специальный конвертор, называемый аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). В англоязычной литературе используется термин Analog Digital Converter (ADC). Сигнал на выходе АЦП представляет собой последовательность двоичных чисел, которая может быть обработана компьютером. Обратная конверсия цифрового сигнала в непрерывный сигнал осуществляется с помощью цифроаналогового преобразователя (ЦАП, DAC).

Качество аналогово-цифрового преобразования характеризует параметр, называемый разрешением. Разрешение — это количество уровней квантования, используемых для замены непрерывного аналогового сигнала цифровым сигналом. Восьмиразрядная выборка позволяет получить только 256 различных уровней квантования цифрового сигнала, а шестнадцатиразрядная выборка — 65 536 уровней.

Ещё один показатель качества трансформации непрерывного сигнала в цифровой сигнал — это частота дискретизации — количество преобразований аналог-цифра (выборок), производимое устройством в одну секунду. Этот показатель измеряют килогерцами (килогерц — тысяча выборок в секунду). Типичное значение частоты дискретизации лазерных (оптических) аудиодисков — 44, 1 кГц.