Analogciparu pārveidotājs

Analogciparu pārveidotājs jeb ACP (angļu: Analog-to-Digital Converter jeb ADC) ir ierīce, kas pārveido ieejas analogo signālu diskrētajā kodā (ciparu signālā). Atpakaļ pārveidošana notiek ar ciparanalogu pārveidotāju (CAP, DAC). Parasti, ACP ir elektroniskā ierīce, kas pārveido spriegumu binārajā ciparu signālā. Tomēr arī dažus ne-elektroniskus aparātus, tādus kā leņķa-koda pārveidotāji jāuzskata par ACP. Elektroniskais ACP ir viens no svarīgākajiem elektroniskajiem komponentiem mūsdienu mēraparātos.

Pastāv tikai daži ACP uzbūves pamata tipi, tomēr katra tipa ietvaros ir vairākas variācijas. Dažādi mēraparatūras tipi izmanto dažādus ACP tipus. Piemēram, ciparu oscilogrāfos pielieto ACP ar augstu diskretizācijas frekvenci, bet nelielu izšķirtspēju; turpretī ciparu multimetros vajadzīga lielāka izšķirtspēja, bet ne tik augsta diskretizācijas frekvence. ACP pamata tipu iespējas parādītas sekojošā zīmējumā:

Zīm. 1: ACP izšķirtspēja atkarībā no diskretizācijas frekvences.

Analogciparu pārveidotāju parametri

Izšķirtspēja ACP izšķirtspēja raksturo diskrēto vērtību (jeb līmeņu) skaitu, kuru pārveidotājs var dot izejā. To mēra bitos, tāpēc diskrēto vērtību skaits ir 2ⁿ , kur n — ACP izšķirtspēja. Piemēram, ACP, kurš ir spējīgs dot izejā 256 diskrētās vērtības (0...255) izšķirtspēja ir 8 biti, jo 2⁸ = 256. Izšķirtspēja var būt definēta un izteikta arī ieejas signāla mērvienībās, piemērām, voltos. Sprieguma izšķirtspēja ir vienāda ar maksimālā un minimālā izejas koda atbilstošajai spriegumu starpībai dalītai ar izejas diskrēto vērtību skaitu:

$Q={\dfrac {E_{FSR}}{2^{M}}}={\dfrac {E_{FSR}}{N}}$

kur Q — izšķirtspēja voltos uz soli (uz vienu izejas vērtību), EFSR — maksimālā un minimālā spriegumu starpība, M — ACP izšķirtspēja bitos, N — izejas vērtību (līmeņu) skaits.

Piemērs

Ieejas vērtību diapazons = no 0 līdz 10 volti

ACP izšķirtspēja 12 biti: 212 =4096 kvantēšanas līmeņi

Sprieguma izšķirtspēja: (10-0)/4096 = 0,00244V = 2,44 mV

vai

Ieejas vērtību diapazons = no -10 līdz +10 volti

ACP izšķirtspēja 14 biti: 214 =16384 kvantēšanas līmeņi

Sprieguma izšķirtspēja: (10-(-10))/16384 = 0,00122V = 1,22 mV

Praksē ACP izšķirtspēja ir ierobežota ar ieejas signāla attiecību signāls/troksnis. Pie lielās trokšņu intensitātes ACP ieejā paliek neiespējama blakus ejošo signāla līmeņu atdalīšana, t.i. pasliktinās izšķirtspēja. Turklāt reāli sasniedzama izšķirtspēja aprakstāma ar efektīvo pozicionalitāti (Effective Number Of Bits — ENOB), kas ir mazāka nekā ACP reālā izšķirtspēja. Pie ļoti trokšņaina signāla pārveidošanas izejas koda zemākās kārtas praktiski nav derīgas, jo satur troksni. Lai sasniegt pieteikto kategorialitāti, signālā/trokšņa attiecībai jābūt aptuveni 6 dB uz katru kategorialitātes bitu.

Pārveidošanas tipi

Lineārie ACP

Vairākums ACP tiek uzskatīti par lineāriem, kaut arī analogu-ciparu pārveidošana pēc būtības nav lineārs process (jo nepārtrauktās telpas diskrētā attēlošana nav lineārā operācija). Termins „lineārais” attiecībā uz ACP nozīmē, ka ieejas vērtību diapazons, attēlojams uz izejas ciparu vērtībām, ir saistīts ar šo izejas vērtību lineāri. Tas ir, izejas vērtība k sasniedzama pie ieejas vērtību diapazona no

$m(k+b)$ līdz $m(k+1+b)$

kur m un b — konstantes. Konstante b parasti ir vienāda ar 0 vai -0,5. Ja b=0, ACP sauc par kvantētāju ar nenulles pakāpi (mid-rise), bet ja b=-0,5 — to sauc par kvantētāju ar nulli kvantēšanas soļa centrā (mid-thread).

Nelineārie ACP

Ja ieejas signāla amplitūdas varbūtības blīvums būtu vienmērīgi izkliedēts, tad attiecība signāls/troksnis pie kvantēšanas būtu maksimāli iespējama. Šī iemesla dēļ pirms amplitūdas kvantēšanas signālu izlaiž caur bezinercijas pārveidotāju, kura pārnesumfunkcija atkārto dotā signāla izkārtojuma funkciju. Tas uzlabo signāla pārraidi, jo vissvarīgākie amplitūdas apgabali kvantējas ar labāku izšķirtspēju. Attiecīgi, pie ciparu-analogu pārveidošanas būs nepieciešama signāla apstrāde ar funkciju, kas ir apgriezta pamatsignāla izkārtojuma funkcijai. Tāds pats princips izmantojams kompaunderos, kas tiek lietoti magnetofonos un dažādās komunikāciju sistēmās, tas ir domāts entropijas maksimizēšanai. Piemēram, balss signālam ir laplasa amplitūdas izkārtojums. Tas nozīmē, ka nulles apgabals pēc amplitūdas nes vairāk informācijas nekā apgabali ar lielāku amplitūdu. Tāpēc logaritmiskie ACP bieži tiek lietoti balss pārraides sistēmās, lai palielinātu pārraidāmo vērtību dinamisko diapazonu, signāla pārraides kvalitāti mazo amplitūdu apgabalā atstājot nemainīgu. Astoņu bitu logaritmiskie ACP ar a-likumu vai mi-likumu nodrošina plašu dinamisko diapazonu un augstu izšķirtspēju viskritiskākajā mazo amplitūdu diapazonā; lineārajam ACP ar līdzīgu pārraides kvalitāti vajadzētu būt jau 12 bitu.

Precizitāte

Ir vairāki ACP neprecizitāšu iemesli. Nelineāritātes un kvantēšanas kļūdas vienmēr pastāv pie analogu-ciparu pārveidošanas. Bez tām, pastāv arī apertūras kļūdas, kas ir takts ģeneratora džitera (jitter) sekas. Īpaši tās izpaužas pie vesela signāla, nevis vienas nolases pārveidošanā. Šīs kļūdas mēra vienībās, kuras sauc par LSB (least significant bit) — jaunākā zīmīgā pozīcija. Iepriekš minētajā piemērā 8-bitu ACP kļūda par 1 LSB ir vienāda ar 1/256 no pilna signāla diapazona, tas ir 0,4%.

Džiters

ACP diskretizācijas frekvence parasti tiek formēta ar kvarca ģeneratora palīdzību, bet katram kvarca ģeneratoram (lētam īpaši) ir nenulles fāzes trokšņi. Tādēļ sanāk, ka signāla atskaišu (diskrētu) saņemšanas laika momenti ir sadalīti uz laika ass ne visai vienmērīgi. Tas izraisa signāla spektra izskalošanu un signāla/trokšņa attiecības pasliktināšanos. Turklāt, džiters var izraisīt signāla augstfrekvences komponenšu amplitūdes pulsācijas.

Kvantēšanas kļūdas

Kvantēšanas kļūdas izraisa ACP ierobežota izšķirtspēja. Šo trūkumu nevar novērst neviens no analogciparu pārveidošanas paņēmieniem. Absolūtā kvantēšanas kļūdas vērtība pie katras nolases iekļauta diapazonā no 0 līdz ½ LSB. Ieejas signāla amplitūde parasti ir daudz lielāka par LSB. Šajā gadījumā kvantēšanas kļūda nav korelēta ar signālu un sadalās vienmērīgi. Tās vidējā kvadrātīgā vērtība ir vienāda ar vidējo kvadrātīgo sadales novirzi, kas savukārt vienāda ar 1/√12≈0,289 LSB. 8-bitu ACP gadījumā tā sasniegs 0,113% no signāla pilnā diapazona.

Nelinearitāte

Visiem ACP ir raksturīgas nelinearitātes izraisītās kļūdas, kas izriet no neiespējamības radīt fizikāli ideālu pārveidotāju. Tas izraisa pārnesuma raksturlīknes atšķirību no vēlamās. Svarīgie nelinearitāti aprakstošie parametri ir integrālā nelinearitāte (INL) un diferenciālā nelineāritāte (DNL). Nelinearitātes kļūdas var mazināt ar kalibrēšanas palīdzību.

Apertūras kļūda

Pieņemsim, ka mums jāpārveido ciparu formā sinusoidāls signāls x(t)= Asin2πf₀t . Ideālā gadījumā nolases notiek vienādos laika intervālos. Taču reāli nolases momenta laiks var fluktuēt sinhrosignāla frontes trīcēšanas dēļ (clock jitter). Pieņemot, ka nolases momenta neprecizitāte ir Δt kārtas, iegūstam, ka kopējo kļūdu var vērtēt kā

$E_{ap}\leq |x'(t)\Delta t|\leq 2A\pi f_{0}\Delta t$.

No kā izriet, ka pie zemām frekvencēm kļūda ir ļoti maza, bet pie augstākām tā var nozīmīgi palielināties. Apertūras neprecizitātes efektu var neņemt vērā, ja tā vērtība ir neliela salīdzinot ar kvantēšanas kļūdu. Tādā veidā var noteikt prasības sinhronizācijas signāla frontes džiteram:

$\Delta t<{\frac {1}{2^{q}\pi f_{0}}}$

kur q ir ACP izšķirtspēja.

ACP izšķirtspēja uz bitu	Maksimālā ieejas signāla frekvence
	1 Hz	44.1 kHz	192 kHz	1 MHz	10 MHz	100 MHz	1 GHz
8	1243 µs	28.2 ns	6.48 ns	1.24 ns	124 ps	12.4 ps	1.24 ps
10	311 µs	7.05 ns	1.62 ns	311 ps	31.1 ps	3.11 ps	0.31 ps
12	77.7 µs	1.76 ns	405 ps	77.7 ps	7.77 ps	0.78 ps	0.08 ps
14	19.4 µs	441 ps	101 ps	19.4 ps	1.94 ps	0.19 ps	0.02 ps
16	4.86 µs	110 ps	25.3 ps	4.86 ps	0.49 ps	0.05 ps	—
18	1.21 µs	27.5 ps	6.32 ps	1.21 ps	0.12 ps	—	—
20	304 ns	6.88 ps	1.58 ps	0.16 ps	—	—	—
24	19.0 ns	0.43 ps	0.10 ps	—	—	—	—
32	74.1 ps	—	—	—	—	—	—

No tabulas var secināt, ka ir lietderīgi izmantot ACP ar noteiktu izšķirtspēju, ievērojot clock jitter izraisītos ierobežojumus. Piemēram, nav lietderīgi izmantot precīzu 24-bitu ACP skaņas ierakstīšanai, ja sinhrosignāla sadalīšanas sistēma nespēj nodrošināt pietiekamu precizitāti.

Diskretizācijas frekvence

Analogais signāls ir laikā nepārtrauktā funkcija, bet ACP to pārveido ciparu vērtību secībā. Līdz ar to ir jānosaka ciparu vērtības izstrādāšanas biežums. Frekvence, ar kuru ciparu vērtības tiek veidotas, tiek saukta par ACP diskretizācijas frekvenci. Nepārtraukti mainīgs signāls ar ierobežotu spektrālo joslu tiek ciparots (tas ir, signāla vērtības tiek mērītas ar noteiktu laika intervālu T — diskretizācijas intervālu) un vēlāk sākotnējs signāls var tikt precīzi atjaunots no diskrētām vērtībām ar interpolācijas palīdzību. Atjaunošanas precizitāte ir ierobežota ar kvantēšanas kļūdu. Taču saskaņā ar Koteļņikova teorēmu, pavisam precīza atjaunošana ir iespējama tikai ja diskretizācijas frekvence ir augstāka par divkāršotu maksimālo frekvenci no signāla spektra. Dēļ tā, ka reāli esošie ACP nespēj veikt analogciparu pārveidošanu momentāni, ieejas analogai vērtībai jāpaliek konstantai vismaz uz tādu laiku, kāds ir nepieciešams pārveidošanai (šo laiku sauc par pārveidošanas laiku). Tas tiek paveikts ar speciālās shēmas izmantošanu ACP ieejā — nolasīšanas-glabāšanas ierīces (angl. Sample-and-hold circuit).

Sample-and-hold ierīces darbības ilustrācija

Nolasīšanas-glabāšanas ierīce parasti glabā ieejas signāla spriegumu kondensatorā, kas ir savienots ar ieeju caur analogo atslēgu: kad atslēga saslēdzas, tiek nolasīta signāla vērtība, kad atslēdzas — vērtība tiek glabāta. Daudziem ACP, kuri veidoti kā integrālā shēma, ir iebūvēta nolasīšanas-glabāšanas ierīce.

Spektru pārklājums (aliasing)

Visi ACP strādā pēc viena un tā paša principa: ieejas signāla vērtību nolasīšana fiksētos laika intervālos. Līdz ar to, izejas vērtības neatspoguļo ieejas signālu pilnīgi. Skatoties uz izejas vērtībām, nevar viennozīmīgi noteikt kā izskatījās ieejas signāls starp nolasījumiem. Ja ir zināms, ka ieejas signāls mainās pietiekami lēni salīdzinot ar diskretizācijas frekvenci, var pieņemt, ka tā vērtība starp nolasījumiem atrodas arī kaut kur starp nolasījumu vērtībām. Taču ja ieejas signāls mainās ātrāk nekā nolasījumi tiek veikti, par signāla vērtībām nolasījumu atstarpēs nevar zināt neko, tas nozīmē vēlāk nevar arī atjaunot sākotnējā analogā signāla formu. Ja ciparu vērtību virkne, ko veido ACP, tālāk kaut kur tiek pārveidota atpakaļ analogā formā ar ciparanalogu pārveidotāju, ir vēlams lai iegūtais analogais signāls pēc iespējas mazāk atšķirtos no oriģināla. Bet ja ieejas signāla izmaiņas ir ātrākas par nolasījumu frekvenci, precīza signāla atjaunošana no diskrētām vērtībām nav iespējama un CAP izejā parādīsies maldu signāls. Šīs maldu komponentes (kuru ieejas signāla spektrā nebija) tiek saukti par alias (maldu frekvence, zemfrekvences blakus-komponente). Blakus-komponenšu frekvence ir atkarīga no signāla un diskretizācijas frekvenču starpības. Piemēram, ja sinusoidāls signāls ar frekvenci 2 kHz ir diskretizēts ar frekvenci 1,5 kHz, to atveidojot iegūsim sinusoīdu ar frekvenci 500 Hz. Šī problēma tika nosaukta par frekvenču pārklājumu (aliasing). Lai novērst spektru pārklāšanos, signāls, kas tiek padots uz ACP ieeju, vispirms jānofiltrē ar zemo frekvenču filtru, lai izdzēst no tā spektrālās komponentes, kuru frekvence pārsniedz pusi no diskretizācijas frekvences. Šo filtru sauc par anti-aliasing filtru, tā izmantošana ir ļoti nepieciešama pie reālo ACP konstruēšanas.

Pseido-nejaušā signāla piemaisīšana (dither)

Dažus ACP raksturlielumus var labot izmantojot pseido-nejauša signāla piemaisīšanas metodi (angl. dither). Tās pamatā ir baltā trokšņa ar nelielu amplitūdu pievienošana ieejas analogam signālam. Trokšņa amplitūda parasti tiek izvēlēta kā ½ no LSB līmeņa. Šīs operācijas efekts ir tāds, ka LSB stāvoklis gadījuma veidā pāriet 0 un 1 stāvokļos pie ļoti maza ieejas signāla līmeņa (nepievienojot troksni, LSB atrastos 0 vai 1 stāvokļos ilgstoši). Signālam ar pievienoto troksni notiek nejauša apaļošana uz augšu—uz leju, nevis vienkārša apaļošana pie tuvākās pozīcijas. Turklāt vidējais laiks, kurā signāls tiek noapaļots pie 0 vai 1 ir atkarīgs no tā, cik tuvu signāla amplitūda bija šīm līmenim. Tādā veidā ciparots signāls veidojās ar labāku izšķirtspēju, tas nozīmē, ka pieaug ACP efektīvā izšķirtspēja. Metodes mīnuss ir trokšņa palielināšanos izejas signālā. Faktiski, kvantēšanas kļūda tiek sadalīta („izrīvēta”) starp vairākiem nolasījumiem. Tāds risinājums ir vēlamāks par vienkāršo noapaļošanu tuvākajam diskrētajam līmenim, jo rezultātā var iegūt precīzāku signāla atveidošanu laikā. Nelielas signāla izmaiņas var atjaunot no pseido-nejaušiem LSB lēcieniem ar filtrācijas palīdzību. Vēl vairāk, ja troksnis ir determinēts (t.i. tā amplitūda ir stingri noteikta jebkurā laika momentā), tad to var atņemt no ciparota signāla, tādā veidā gandrīz pavisam attīrot signālu. Ja skaņas signāli ar ļoti mazu amplitūdu tiek ciparoti bez pseido-nejauša signāla, tos atskaņojot var dzirdēt nepatīkamus kropļojumus. Taču piemaisot psiedo-nejaušo signālu, ieejas signāla īstais līmenis tiek reproducēts ar nolasījumu secības vidējo vērtību. Ļoti līdzīgs process, kas arī tiek saukts par dither vai kļūdu difūzija, tiek lietots pustoņu attēlošanai datorgrafikā, ja bitu skaits uz vienu pikselu ir neliels. Līdz ar tā pielietošanu attēls kļūst trokšņaināks, bet izskatās reālistiskāks nekā ja tas būtu iegūts ar vienkāršo kvantēšanu.

Pārdiskretizācija

Parasti signāls tiek ciparots ar minimālo nepieciešamo diskretizācijas frekvenci pēc ekonomijas apsvērumiem, turklāt kvantēšanas troksnis ir balts, tas ir, tā spektrālais jaudas blīvums ir vienmērīgi sadalīts pa visu joslu. Taču ja ciparot signālu ar frekvenci daudz lielāku par Koteļņikova teorēmā noteikto, bet pēc tam pakļaut ciparu filtrācijai, lai apspiest spektru ārpus ieejas signāla spektrālās joslas, signāla/trokšņa attiecība būs labākā, nekā pie visas joslas lietošanas. Tādā veidā var sasniegt izšķirtspēju, lielāku nekā ACP izšķirtspēja.

Analogciparu pārveidotāju tipi

Tiešās pārveidošanas ACP vai paralēlais ACP

Tas satur pa vienam komparatoram uz katru ieejas signāla diskrēto līmeni. Jebkurā laika momentā tikai tie komparatori, kas atbilst līmeņiem, zemākiem par ieejas signāla līmeni, savās izejās dos pārsniegšanas signālu. Signāli no visiem komparatoriem atnāk uz loģisko shēmu, kura izveido ciparu kodu, kas ir atkarīgs no tā kādi un cik komparatori rādīja līmeņa pārsniegšanu. Paralēlie ACP ir ļoti ātri (standartā izpildē līdz 5x109 nolasījumi sekundē), bet parasti tiem ir ne lielāka par 8 bitiem (256 komparatori) izšķirtspēja, sakarā ar apjomīgu un dārgu shēmu, kā arī augstu energo-patēriņu.

Šī tipa ACP atšķiras ar lielu mikroshēmas kristālu, lielu ieejas kapacitāti, un var izdot īslaicīgas kļūdas. Bieži lietojami ātrajos oscilogrāfos, kā arī video un citiem augstfrekvences signāliem. Zīmējumā parādīta vienkāršota 3-pozīciju ACP struktūrshēma, taču uzbūves princips saglabājas arī apjomīgās konstrukcijās. Shēmā izmantots komparatoru masīvs, katrs no tiem salīdzina ieejas spriegumu ar individuālo balsta spriegumu, kas tiek padots katram komparatoram no iebūvēta precīza rezistora. Balsta spriegumi sākas ar ½ LSB un pieaug katram nākamajam komparatoram par Vref/23. Rezultātā 3-pozīciju ACP izbūvei nepieciešams 2³ -1=7 komparatori. Taču 8-pozīciju paralēlajam ACP vajadzēs jau 2⁸ -1 = 255 komparatori.

Secīga tuvinājuma ACP, vai ACP ar secīgu pozīciju līdzsvarošanu

Tas satur komparatoru, palīg-CAP un secīga tuvinājuma reģistru. ACP pārveido analogo signālu ciparu signālā N soļos, kur N — ACP izšķirtspēja. Katrā solī tiek aprēķināts pa 1 bitam no meklējamās ciparu vērtības, sākot ar vecāko zīmīgo pozīciju un beidzot ar jaunāko. Darbību kārtība nākamā bita atrašanai ir šāda: uz palīg-CAP tiek izlikta vērtība, kas ir aprēķināta no jau iepriekš iegūtiem bitiem; bits, kuru jānovērtē šajā solī tiek izlikts vieniniekā, jaunākie — nullēs. Iegūtā uz palīg-CAP analogā vērtība tiek salīdzināta ar ieejas signālu. Ja ieejas signāla vērtība ir lielāka par palīg-CAP izveidoto, tad novērtējamais bits iegūst vērtību „1”, ja otrādi — tad „0”. Tādā veidā, gala ciparu vērtības meklēšana atgādina bināro meklēšanu.

Taču ir nepieciešams lietot nolasīšanas-glabāšanas ierīci, jo citādi kļūda būs ļoti liela. Šī tipa ACP izmanto, ja nepieciešama 12, 14 vai 16 pozīciju izšķirtspēja, un noteicošie izvēles faktori ir zema cena un mazs energo-patēriņš. Visplašāk pielieto mēraparātos, datu vākšanas sistēmās. Trūkums ir diskretizācijas ātruma samazināšanās proporcionāli izšķirtspējai, kas saistīts ar pārejas procesiem palīg-CAP. Tas ir, 16-bitu pārveidotājs strādā vairāk kā 2 reizēs lēnāk par 8-bitu ACP. Mūsdienu šī tipa ACP spēj mērīt ieejas signālu ar precizitāti līdz 16 pozīcijām ar diskretizācijas ātrumu no 1K līdz 1M nolasījumiem sekundē.

Diferenciālās kodēšanas ACP (angl. Delta-encoded ADC)

Tas satur reversīvo skaitītāju, no kura kods iet uz palīg-CAP. Ieejas signāls un signāls no palīg-CAP tiek salīdzināti uz komparatora. Ar atgriezeniskās saites palīdzību starp komparatoru un skaitītāju, kods uz skaitītāja pastāvīgi mainās tā, lai signāls no palīg-CAP cik vien iespējams mazāk atšķirtos no ieejas signāla. Pēc kāda laika paiešanas, signālu starpība kļūst mazāka par LSB, tad skaitītāja kods tiek nolasīts kā visa ACP izejas signāls. Šī tipa pārveidotājiem ir ļoti liels ieejas signāla diapazons un izšķirtspēja, bet pārveidošanas ātrums atkarīgs no ieejas signāla, kaut arī ierobežots ar skaitītāja takts ģeneratoru. Sliktākā gadījumā pārveidošanas laiks ir Tmax=(2q)/fс kur q — ACP izšķirtspēja, fc — skaitītāja takts ģeneratora frekvence. Diferenciālās kodēšanas ACP noderīgi reālās pasaules signālu kodēšanai, jo vairākums signālu fiziskajās sistēmas nemainās lēcienveidā. Dažreiz ACP lieto kombinētu metodi: diferenciālā kodēšana + secīgs tuvinājums. Īpaši labi šāda kombinācija darbojas, ja ieejas signālā nav augstfrekvences komponenšu.

Salīdzināšanas ar zāģveida signālu ACP

Dažus no tiem sauc par Integrējošiem ACP un šie satur zāģveida sprieguma ģeneratoru, komparatoru un laika skaitītāju. Zāģveida signāls lineāri pieaug līdz noteiktam līmenim, tad ātri nokrīt līdz nullei. Momentā, kad sākas sprieguma pieaugums, ieslēdzas laika skaitītājs. Kad zāģveida signāls sasniedz ieejas signāla līmeni, nostrādā komparators. Tas aptur skaitītāju un no skaitītāja nolasītā vērtība tiek padota uz ACP izeju. Šis ACP tips ir visvienkāršākais pēc struktūras un satur vismazāk elementu. Līdz ar to vienkāršākie šī tipa ACP ir diezgan neprecīzi un jūtīgi pret temperatūru un citiem ārējiem parametriem. Precizitātes palielināšanai, zāģveida signāla ģeneratoru var izbūvēt uz skaitītāja un palīg-CAP bāze, taču tādai struktūrai nav nekādu priekšrocību salīdzinot ar Secīga tuvinājuma ACP vai Diferenciālās kodēšanas ACP.

ACP ar lādiņa izlīdzināšanu

(Pie šī tipa pieder arī ACP ar divtaktu integrēšanu, daudztaktu integrēšanu un daži citi) Tie satur stabilās strāvas ģeneratoru, komparatoru, strāvas integratoru, takts ģeneratoru un impulsu skaitītāju. Pārveidošana notiek divos posmos (divstadiju integrēšana). Pirmajā posmā ieejas sprieguma vērtība pārveidojas tai proporcionālajā strāvā, kas tiek padota uz strāvas integratoru, kura sākuma lādiņš ir 0. Šis process notiek T*N ilgu laiku, kur T — takts ģeneratora periods, N — konstante (vesels skaitlis, norāda lādiņa uzkrāšanās ilgumu). Kad šis laiks paiet, integratora ieeja atslēdzas no ACP ieejas un pieslēdzas stabilās strāvas ģeneratoram. Ģeneratora polaritāte ir tāda, ka tas samazina integratora sakrāto lādiņu. Process notiek līdz integratora lādiņš paliek vienāds ar nulli. Izlādes laiks tiek novērtēts ar takts impulsu daudzumu, kuru saskaita sākot ar izlādes sākumu un beidzot ar momentu, kad integratora ieejā ir 0. Saskaitīts impulsu daudzums arī būs ACP izejas kods. Var uzrakstīt, ka saskaitītais impulsu daudzums izlādes laikā ir n=UieN(RI0)-1 kur Uie - ieejas spriegums uz ACP, N — I posma impulsu skaits, R — pretestība rezistoram, kas pārveido spriegumu strāvā, I0 — stabilas strāvas ģeneratora strāva. Kā redzams, potenciāli nestabilie shēmas parametri (galvenais no tiem — integratora kondensatora kapacitāte) neietekmē gala rezultātu. Tas tiek panākts ar procesa 2-stadiju norisi: neprecizitātes, ieviestas procesa I un II posmos savstarpēji iznīcinās. Pat takts ģeneratoram un komparatora nobīdes spriegumam nav jābūt ilgstoši stabiliem; pietiek, ja tie būs stabili tikai katras pārveidošanas laikā (ne vairāk ka 2T*N). Faktiski, divstadiju integrēšanas princips atļauj tieši pārveidot divu analogo vērtību attiecību (ieejas un etalona strāvu) skaitļu kodu attiecībā (n un N iepriekš minētajās formulās) gandrīz bez kļūdu ieviešanas. Šī ACP tipa izšķirtspēja parasti ir 10 līdz 18 bināro pozīciju. Tiem ir samērā vienkārša struktūra, kas ļauj izveidot visu ACP integrālās mikroshēmas veidā. Papildus priekšrocība ir iespēja izbūvēt pārveidotāju, kas nebūs jutīgs pret periodiskiem traucējumiem (piem. tīkla barošanas traucējumi), pateicoties precīzai ieejas signāla integrēšanai fiksētajā laika intervālā.

Šī tipa pārveidotāju trūkums ir zems pārveidošanas ātrums, kas ir piesaistīts barošanas avota frekvencei. Piemēram, ja barošana nāk no maiņstrāvas tīkla ar frekvenci 50 Hz, ACP divtakts integrēšanas ātrums nepārsniedz 25 nolas./sek., jo pie lielākas diskretizācijas frekvences krītas darbības stabilitāte. ACP ar lādiņa izlīdzināšanu pielieto lielas precizitātes mēraparātos, kur galvenās prasības ir lielas izšķirtspējas savienojums ar stabilitāti.

Konveijeru ACP

Tie izmanto divus vai vairākus pārveidošanas soļus: pirmajā solī tiek veikta „rupja” pārveidošana (ar zemu izšķiršanu). Tālāk tiek novērtēta atšķirība starp ieejas signālu un „rupjo” signālu, izlaistu caur palīg-CAP. Otrajā solī atrastā atšķirība tiek pārveidota, un iegūtais kods apvienojas ar „rupjo” kodu, lai iegūt pilnu ciparu vērtību. Šī tipa ACP ir ātri, ar lielu izšķirtspēju un mazu korpusu.

Sigma-Delta ACP

Tie veic pārveidošanu ar ātrumu, kas vairākās reizēs pārsniedz nepieciešamo, tad ar filtrācijas palīdzību izšķir vajadzīgu spektrālu joslu. Tā uzbūve ir diezgan sarežģīta, bet ļoti svarīga priekšrocība ir tā, ka visus ACP iekšējos mezglus var izveidot ar integrālo metodi uz viena silīcija kristāla. Tas novērojami samazina ACP gala cenu un paaugstina tā darbības stabilitāti.

Pastāv arī neelektroniskie ACP, kuru darbības principi ir līdzīgi aprakstītajiem.

Komerciālie ACP

Tiek izgatavoti mikroshēmu veidā. Vairākumam komerciālo ACP izšķirtspēja ir no 6 līdz 24 biti, diskretizācijas frekvence līdz 1 MHz. No 2002g. pieejami arī ACP ar frekvenci līdz 1 GHz. Tie ir nepieciešami ciparu videokameru, TV-tūneru un video-ieciparošanas ierīču izgatavošanai. Komerciāliem ACP parasti ir izejas kļūda no ±0.5 līdz ±1.5 LSB. Viens no faktoriem, kas palielina mikroshēmas cenu, ir izvadu skaits, jo tie piespiež mikroshēmas korpusu izveidot lielāku, un katram izvadam jābūt pievienotam pie kristāla. Izvadu skaita samazināšanai, ACP, kuri strādā uz zemām diskretizācijas frekvencēm, izbūvē ar virknes interfeisu. ACP ar virknes interfeisu izmantošana bieži atļauj palielināt montāžas blīvumu un izveidot mazāka izmēra plati. Bieži ACP izveido kā mikroshēmu ar vairākām analogām ieejām, kuri mikroshēmā pievienoti pie vienīgā ACP ar analogā multipleksora palīdzību. Dažādi ACP modeļi var apvienot sevī nolasīšanas-glabāšanas ierīces, instrumentālus pastiprinātājus vai augstsprieguma diferenciālu ieeju, kā arī vairākas citas ķēdes.

ACP pielietošana skaņas ierakstīšanas procesā

ACP ir iebūvēti mūsdienu skāņas ierakstīšanas aparatūras lielākā daļā, jo ierakstītās skaņas apstrāde tiek veikta ar datora palīdzību. Pat ja lieto analogu tehniku, ACP ir nepieciešams lai pārvērst signālu PCM-plūsmā, kuru pēc tam ieraksta kompaktdiskā. Mūsdienīgie ACP, kurus lieto skaņas ierakstīšanā, var strādāt ar diskretizācijas frekvenci līdz 192 kHz. Lielāka daļa šajā jomā strādājošo cilvēku uzskata, ka šis rādītājs ir pārlieks un izmantojams tikai marketinga nolūkos (ko var pierādīt arī ar Koteļņikova teorēmu). Var teikt, ka analogais skaņas signāls nesatur tik daudz informācijas, cik var saglabāt ciparu signālā ar tik augstu diskretizācijas frekvenci, un parasti Hi-Fi klases audioaparatūrā pielieto 44.1 kHz diskretizācijas frekvenci (CD standarts). Taču plata frekvenču josla padara vienkāršāku un lētāku anti-aliasing filtru realizāciju. Nopietni ACP, domāti skaņas ierakstīšanai, maksā no 100$ līdz 10000$ u pat vairāk par vienu divkanālu ierīci.

Citi ACP pielietojumi

Analogciparu pārveidotāji pielietojami visur, kur nepieciešams apstrādāt, glabāt vai pārsūtīt signālu ciparu formā. Ātrie ACP izmantoti, piemēram, TV-tūneros. Lēnie ACP ar 8,10 vai 16 bitu izšķirtspēju tiek iebūvēti mikrokontroleros. Ļoti ātrie ACP nepieciešami ciparu oscilogrāfos. Mūsdienīgie ciparu svari arī izmanto ACP ar izšķirtspēju līdz 24 bitiem, kuri pārveido signālu tieši no tenzometriska devēja.

Pasaules lielākie ACP izgatavotāji

• AKM Semiconductor (Audio ADCs/DAC IC Manufacturer)
• Analog Devices (Analog-to-Digital Converters/Digital-to-Analog Converter ICs)
• Cirrus Logic (Audio A/D and D/A converters, CODEC Manufacturer)
• Fairchild Semiconductor (ADCs/DAC IC Manufacturer)
• Holtek Semiconductor Inc. (DAC/ADC ICs)
• Intersil (ADCs/DAC IC Manufacturer)
• Intronics Inc. (ADC-DAC-V/C ICs)
• Linear Technology (ADCs/DAC IC Manufacturer)
• Maxim Integrated Products (ADCs/DAC IC Manufacturer)
• Micro Networks Integrated Products (ADC-DAC-V/F-F/V ICs)
• Microchip (Delta-Sigma/Dual Slope/Binary/BCD ADC ICs)
• Mitsubishi Semiconductor
• National Semiconductor (ADCs/DAC IC Manufacturer)
• NEC (D/A Converter for Audio System)
• NJR Corporation (ADC-DAC-V/F-F/V Converter ICs)
• Renesas Technology America, Inc (D/A R2R, Multiplying, A/D Converter)
• Sony (A/D Converter 1:2 De-Multiplex, TTL Output, SampleHold, D/A Converter)
• Thaler Corp. (A/D Converter Manufacturer. ADC 18-26 bits)
• Texas Instruments 'TI' (ADC-DAC-Voltage/Freq Converter IC Manufacturers)
• Wavefront Semiconductor (48kHz 24-bit stereo audio ADC, low-cost 24-bit DAC IC Manufacturer)
• Wolfson Microelectronics (ADCs/DAC IC Manufacturer)

Vēsture

Elektrisko signālu analogciparu pārveidošana ir līdzīga nosvēršanai uz sviras svariem. Itāļu matemātiķis Fibonači (1170-1250) formulēja uzdevumu, kurā bija jāatrod vismazākais atsvaru skaits vislielākā kravu diapazona nosvēršanai. Atrisinot šo uzdevumu, Fibonači konstatēja, ka vismazākais atsvaru skaits sanāk, ja tos izvēlas pozicionālajā simetriskajā trijnieku skaitīšanas sistēmā.(Simetriskā pozicionālā sistēma ir tāda, kur jebkurš skaitlis tiek attēlots ar cipariem -1;0;1). Tas, savukārt, nozīmē, ka visoptimālākie ACP ir tādi, kas strādā tieši pozicionālajā simetriskajā trijnieku skaitīšanas sistēmā. No tā arī var secināt, ka „elektroniska nosvēršana” daudz atpaliek no mehāniskās nosvēršanas, kur pozicionālā simetriska trijnieku sistēma tiek izmantota jau kopš XII gadsimta. Tas ir, „elektroniskas nosvēršanas” matemātika ir pakāpi zemāk par XII gadsimta mehānisku nosvēršanu. Uzskatāms arī fakts, ka Fibonači savā uzdevumā neuzskaitīja nosvēršanas reizes. Ja saskaitīt nosvēršanas(iterācijas, ja runā par „elektronisko nosvēršanu”), tad sanāk, ka vismazākajam nosvēršanu (jeb iterāciju) skaitam atbilst pozicionālā simetriska trijnieku skaitīšanas sistēma.

Izmantotās literatūras saraksts

1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники Мир, 1993.
2. Вольфганг Райс (Wolfgang Reis, WBC GmbH) Журнал "Компоненты и технологии", № 3'2005
3. S. Norsworthy, R. Schreier, G. Temes, Delta-Sigma Data Converters.
4. Mingliang Liu, Demystifying Switched-Capacitor Circuits.
5. Behzad Razavi, Principles of Data Conversion System Design.
6. David Johns, Ken Martin, Analog Integrated Circuit Design.
7. Phillip E. Allen, Douglas R. Holberg, CMOS Analog Circuit Design.