Podział na sygnały analogowe i cyfrowe

Sygnały analogowe, które są najczęściej przetwarzane, to napięcie prąd, przesunięcie liniowe, przesunięcie kątowe, przedział czasu. Sygnały cyfrowe wyrażane są przy użyciu ciągów kodowych, operujących najczęściej na dwójkowej reprezentacji liczb. Stosowane są również systemy decymalne lub heksagonalne. Ciąg kodowy może mieć postać równoległą, bądź szeregową. Często przekształca się sygnały zarówno cyfrowe jak i analogowe na inne sygnały analogowe, bądź cyfrowe, co ma na celu uproszczenie procesu przetwarzania. Przykładowo zamienia się ciśnienie na przesunięcie, przedział czasowy na napięcie itd. Dla każdego przedziału analogowego możemy wyznaczyć pewne granice w których może się zawierać, a więc poziom maksymalny oraz minimalny. Zakres ten wyznaczamy więc przy użyciu wzoru Azakres = Amax - Amin, gdzie A jest badanym sygnałem. Zakres zmian danego sygnału jest bardzo ważny, jeżeli weźmiemy pod uwagę sposób liczenia, dokładność oraz liczbę pozycji danego kodu.

Współpraca z maszynami cyfrowymi oraz pojemność pamięci

Współpraca przetwornika analogowo - cyfrowego z różnymi rodzajami maszyn cyfrowych jest ograniczana maksymalną częstotliwością wprowadzania oraz wyprowadzania danych z tych drugich. Częstotliwość z jaką możliwe jest próbkowanie może być więc ograniczane przez szybkość pracy maszyny cyfrowej. Łączenie przetworników analogowo - cyfrowych z maszynami cyfrowymi może być realizowane na wiele sposobów. Przekazując informację z przetwornika do maszyny cyfrowej, najprostszym możliwym sposobem ich połączenia jest podawanie każdej wielkości analogowej na wejścia przetworników, natomiast sygnały z ich wyjść podłącza się do maszyny cyfrowej. Z powodu niemożliwości jednoczesnego wprowadzania i wyprowadzania informacji z pamięci, w czasie gdy wprowadzane są z przetworników informacje maszyna cyfrowa nie pracuje. Jeżeli możliwość wprowadzania danych jest związana z kolejnymi uruchomieniami przetworników, to przedział czasowy przestoju danej maszyny cyfrowej wyniesie: Tp = mtp, gdzie m jest liczbą wielkości wejściowych. Jeżeli używane przetworniki są odpowiednio przystosowane do zapamiętywania wielkości w przeciągu pewnej chwili czasowej, to poprzez ich jednoczesne uruchomienie, a potem dzięki szeregowemu wprowadzaniu wyników do maszyny zmniejszeniu ulegnie czas przestoju i będzie wynosił: Tp = tp + mtw, gdzie tw jest czasem wprowadzania danych z przetwornika do maszyny cyfrowej. Stosując przetwarzanie wielokanałowe, bezpośrednie przekształcanie i wprowadzanie danych do maszyny na ogół nie wchodzi w rachubę, głównie ze względu na dosyć duży czas przetwarzania. Czas przestoju, jaki charakteryzuje maszynę cyfrową, może być skracany dzięki stosowaniu pamięci buforowej, do której wprowadzane są dane z przetworników w pojedynczym cyklu przekształcania, natomiast wszystkie zapamiętane wartości wprowadzane są do pamięci maszyny cyfrowej podczas kolejnego cyklu przetwarzania. W tym wypadku czas przestoju ulega znacznemu skróceniu i wynosi Tpmtd, gdzie td jest czasem dostępu do pamięci buforowej. Wymagane jest jednak stosowanie pamięci o względnie dużych pojemnościach. Innym sposobem połączenia przetworników z maszyną cyfrową jest wykorzystanie małych pamięci, osobnych dla każdego kanału. Dzięki takiej budowie układu wielkość pamięci wymaganej do poprawnego działania ulega znacznemu zmniejszeniu. Zazwyczaj nie wymaga się oddzielnego wykonywania pamięci, gdyż występuje ona w niemal każdym przetworniku, jako rejestr, bądź licznik. Na zakończenie każdego cyklu przetwarzania wartość wejściowego sygnału analogowego jest przesyłana do pamięci maszyny cyfrowej, a przetwornik przełącza się na kolejny kanał. Czas przestoju w tym wypadku wynosi Tp = mtw.

Częstotliwość kwantowania sygnału w czasie

Chcąc przedstawić ciągłą informację analogową w postaci cyfrowej, konieczne jest pobieranie próbek danego sygnału w pewnych ściśle określonych momentach czasu. Proces ten nazywany jest próbkowaniem i jest pierwszym działaniem jakie musimy podjąć chcąc otrzymać sygnał cyfrowy. Częstotliwość próbkowanie jest odwrotnością odstępu czasu, pomiędzy dwoma następującymi po sobie pomiarami wartości chwilowych sygnału. Częstotliwość próbkowania musi być stała, można ja wyrazić za pomocą wzoru fk = 1/Dt, gdzie Dt jest okresem z jakim próbkujemy dany sygnał.

Proces próbkowania jest nazywany kwantowaniem w czasie. Mając na uwadze, że sygnał cyfrowy ma pewną, czasami bardzo dużą, ale jednak skończoną liczbę reprezentacji sygnału analogowego, konieczne jest zastosowanie kwantowania w poziomie. Kwantowanie w czasie to operacja ściśle liniowa. Wywołuje ono jednak pewne uchybienia dynamiczne, a przy bardzo małych częstotliwościach kwantowania znacznie ogranicza pasmo przenoszonego sygnału. Jeżeli analogowa wielkość wejściowa jest stała, to uchybienie kwantowania w czasie jest równe zeru. Kwantowanie w poziomie z kolei jest operacją z założenia nieliniową, chociaż możemy ją przyjąć za liniową w pewnych określonych warunkach. Kwantowanie w poziomie powoduje uchybienia statyczne. Dokładność przetwarzania jest zatem ściśle powiązana z wspomnianym okresem kwantowania Dt, a także z odległością pomiędzy kolejnymi poziomami reprezentacji danego sygnału w cyfrowej formie. Ta odległość jest zwana rozdzielczością przetwornika i oznaczamy ja literą q. Procesy kwantyzacji i próbkowania są niezależne od siebie.

Czas przetwarzania analogowo - cyfrowego

Czas przetwarzania jest ilością czasu niezbędną do przetworzenia jednej pobranej próbki sygnału analogowego. Aby cały proces przetwarzania mógł działać poprawnie, czas przetwarzania powinien być mniejszy od okresu próbkowania Dt. Dążymy więc do tego, żeby zmiana wejściowego sygnału nie była większa od cechy przetwornika zwaną zdolnością rozdzielczą, w tym przedziale czasowym. Czas przetwarzania zależy s sposób ścisły od przyjętego w układzie sposobu przetwarzania, a także od rodzaju kodowania, który użyto. Dopuszczalna szybkość zmian wejściowej wartości możemy wyznaczyć z poniższego wzoru:

U = p(Amax - Amin) / (2n-1)tp

We wzorze tym n - oznacza liczbę pozycji użytego ciągu kodowego, p - jest założoną częścią zdolności rozdzielczej, o jaką możliwa jest zmiana wielkości wejściowej w czasie przetwarzania tp, Amax oraz Amin są maksymalną i minimalną wartością sygnału analogowego, których różnica stanowi zakres zmian danego sygnału. Jeżeli szybkość zmian sygnału wejściowego będzie większa od wartości U określonej powyższym równaniem, należy zastosowań odpowiednie układy pamiętające wprowadzaną wartość analogową, na czas jej przetwarzania na wartość cyfrową. Wykorzystując przetwarzanie wielokanałowe, możliwym jest wykorzystanie pojedynczego przetwornika do przetwarzania kilku wejściowych wielkości. Jest to możliwe dzięki wykorzystaniu wielokanałowego przełącznika, który przyłącza przetwornik po kolei do każdego z kanałów wejściowych. Następuje więc m - krotne zmniejszenie częstotliwości próbkowania, która wynosi teraz: fk = 1/mDt, gdzie m jest liczbą kanałów.