CAD notiuni generale
Un convertor analog-digital transformă o mărime analogică aplicată la intrare (de obicei tensiune de V sau V) într-un semnal electric interpretabil în tehnica digitală (interval de timp, frecvenţă sau cod numeric).

După tehnica de conversie utilizată, convertoarele A/D se clasifică astfel:

- convertoare A/D directe, care convertesc nemijlocit tensiunea aplicată la intrare în cod numeric (de tip paralel, paralel serie, cu aproximaţii succesive, sigma-delta);

- convertoare A/D indirecte care convertesc tensiunea în interval de timp sau frecvenţa unor impulsuri (tensiune-frecvenţă, cu simplă rampă, dublă rampă, cu multiplă rampă);

- convertoare A/D hibride, care combină cele două tehnici de conversie.

 

Semnalele purtătoare/носитель/ de informaţii care provin /от/. de la traductoare sunt de cele mai multe ori analogice, iar calculatoarele acceptă informaţii sub formă digitală. Pentru a realiza procesarea digitală a semnalelor, după condiţionarea acestora este necesară conversia analog-digitală. Conversia analog-digitală este procesul prin care unui semnal analogic i se asociază o secvenţă de coduri numerice, compatibile / совместимый/cu structura internă a calculatoarelor.

• Pentru ca un semnal analogic sa poata fi acceptat pt. prelucrare de un sistem digital, el trebuie convertit de la format analogic la format digital (CAD);

• Conversia A/D este un proces care implica:

–Esantionarea : transforma semnalul analogic x(t) intr-un semnal analogic esantionat x(nT), caracterizat prin variatii la momente discrete de timp;

–Cuantizarea: operatia prin care semnalul analogic esantionat este cuantizat in amplitudine, alocandu-i-se o valoare dintr-un set finit de valori discrete; este un process ireversibil;

–Codarea: atribuirea unui cod binar fiecarui esantion din semnalul cuantizat.

      Esantionarea

-Transforma semnalul analogic x(t) intr-un semnal analogic esantionat x(nT), caracterizat prin variatii la momente discrete de timp;

• Circuitul de esantionare poate contine un:

–        comutator , care se deschide pt. un timp f. scurt la dif.momente de esantionare;– element de memorare(condensator), care pastreaza valoarea inregistrata la un anumit moment pana la momentul urmator de esantionare.

Vom presupune pentru început că discretizarea timpului se efectuează cu pas constant T (eşantionare periodică sau uniformă) şi că eşantioanele sunt reprezentate exact.

Reprezentarea semnalului x(t) doar prin valori ale sale la momente discrete de timp implică riscul ca evenimente care apar între două momente consecutive de eşantionare să fie pierdute.

Ca urmare a operaţiei de eşantionare apare ca evidentă necesitatea /очевидна необходимость/stabilirii condiţiilor în care un semnal continuu poate fi complet definit ./полнлстью определены/.prin eşantioanele sale, cu alte cuvinte, condiţiile în care acesta poate fi refăcut fără nici o pierdere de informaţii din aceste eşantioane.

În acest sens, există teorema eşantionării a lui Shannon, care stabileşte că o funcţie s(t) de bandă limitată F (nu conţine componente spectrale peste frecvenţa F hertzi), este complet definită de eşantioanele sale echidistante, prelevate cu o frecvenţă de cel puţin W=2F hertzi.

Cuantizarea

• Este un proces de aproximare a unui domeniu de valori continue (sau a unui set de valori) cu un set de valori pe intervale finite;

Pentru pasul de eşantionare s-a considerat până acum că eşantioanele pot fi reprezentate exact, indiferent de valoarea acestora. Având în vedere însă scopul primordial ..--./основная цель/al operaţiei de conversie analog-digitală, şi anume acela de a introduce semnalul într-un sistem de prelucrare digital, această presupunere nu este tocmai conformă cu realitatea, sistemele digitale neputând prelucra semnale cu valori într-un domeniu continuu.

Prin cuantizare, fiecărui eşantion i se alocă o valoare dintr-un set finit de valori. Distanţa dintre două nivele consecutive de cuantizare este numit pas de cuantizare. Dacă pasul de cuantizare este constant, atunci cuantizarea este uniformă, în caz contrar cuantizarea fiind neuniformă. în cazul cuantizării uniforme, nivelul semnalului de la ieşiea cuantizorului este multiplu al pasului de cuantizare, în timp ce la cuantizarea neuniformă nivelul semnalului de ieşire este o funcţie monotonă de întregi care pot avea orice valoare. Majoritatea convertoarelor A/D lucrează cu cuantizare uniformă. Cele mai folosite două metode pentru cuantizarea uniformă sunt cuantizarea prin rotunjire respectiv cuantizarea prin trunchiere--../усечения

        Codarea

Codarea este etapa de alocare a unui număr finit de biţi fiecărui nivel de reprezentare, deci fiecărui eşantion al semnalului. Această operaţie se execută conform unui anumit cod binar folosit pentru reprezentarea digitală a datelor. Convertoarele A/D utilizează codarea simplă, considerând simbolurile echiprobabile. Ca atare, convertoarele A/D respectiv D/A folosesc coduri uniforme simple. Pentru mărimi pozitive se folosesc coduri unipolare (fără semn), iar pentru cele cu semn se folosesc coduri bipolare (cu semn).

Procesul invers, prin care unei secvenţe de coduri numerice i se asociază un semnal continuu, se numeşte conversie digital- analogică.

Atât conversia analog-digitală cât şi conversia digital-analogică se realizează cu dispozitive fizice specifice. Astfel, în circuitele de eşantionare-memorare se realizează eşantionarea iar convertoarele analog-digitale asigură cuantizarea şi codarea, separarea acestor două procese fiind posibilă şi necesară numai din punctul de vedere al analizei conceptuale.  

Un convertor analog-digital transformă o mărime analogică aplicată la intrare (de obicei tensiune de V sau V) într-un semnal electric interpretabil în tehnica digitală (interval de timp, frecvenţă sau cod numeric).

După tehnica de conversie utilizată, convertoarele A/D se clasifică astfel:

- convertoare A/D directe, care convertesc nemijlocit tensiunea aplicată la intrare în cod numeric (de tip paralel, paralel serie, cu aproximaţii succesive, sigma-delta);

- convertoare A/D indirecte care convertesc tensiunea în interval de timp sau frecvenţa unor impulsuri (tensiune-frecvenţă, cu simplă rampă, dublă rampă, cu multiplă rampă);

- convertoare A/D hibride, care combină cele două tehnici de conversie.

 

Convertor analogic-digital (CAD)

 

Procesul de contare a semnalelor de obicei are loc cu codarea lui când la ieşirea dispozitivului de transformare se obţine un semnal exprimat într-un oarecare cod.

CAD este acel dispozitiv care receptează (primeşte) semnale analogice la intrare şi emite semnale digitale adică codul paralel binar 8421. Matematic această procedură reprezintă transformarea  - unde n=0, 1, 2,… raportate la momente fixe de timp. Acest proces se împarte în două operaţii independente: discretizarea – U(t) _continÞ{U(t_n)}_cont; cuantarea: {U(t_n)}Þ{U_n(t_n)}. La baza discretizării semnalelor continue în timp stă posibilitatea principală de redare a lor prin sumele:  , unde a_n – coeficienţii care caracterizează semnalul iniţial în momente discrete de timp; f_n(t) – o colecţii de funcţii cu ajutorul cărora are loc restabilirea semnalului după coeficienţii lui.

Există discretizare adaptivă şi liniară. Utilizarea discritizării liniare asupra semnalelor cu un spectru limitat duce la apariţia deviaţiilor. Există două metode de micşorare a lor:

-         mărirea frecvenţei de discretizare;

-         folosirea înainte de CAD a unor filtre de frecvenţă joasă sau de o anumită bandă cu scopul de limitare cât mai exactă a spectrului semnalului iniţial.

Pentru semnalele cu o bandă destul de îngustă operaţia de discretizare poate fi îndeplinită cu ajutorul însăşi a CAD-ului şi să se combine astfel cu operaţia de cuantare. Legitatea de bază a unei astfel de discretizări este ceea că din contul timpului nedefinit a terminării lui nu se reuşeşte obţinerea unei coincidenţe între valorile selectărilor şi momentelor de timp la care ele trebuie să fie raportate. Aceasta duce la apariţia unor erori specifice a discretizării care sunt dinamice după natura sa, pentru evaluarea cărora este introdus parametrul nedefinirii temporare efectul căruia se exprimă ca eroare a valorii momentale a semnalului în momente date de timp sau invers.

 

CAD cu compensare dinamică 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Contorul asigură o creştere treptată a CDN-ului până când acest semnal nu va trece de nivelul semnalului de intrare. GIT – generator al impulsului de tact.

CNT (contorul) se resetează înainte de fiecare transformare, măreşte conţinutul său la trecerea fiecărui impuls.Semnalele de ieşire a CAD la fel se măresc la mărirea echivalentului, analog nivelului mai inferior. Concentratorul opreşte contorul când semnalul de ieşire de la CAD atinge nivelul semnalului de intrare.

Starea contorului este semnalul de ieşire a CAD, prin reţinerea dt, contorul se resetează. Principalul neajuns: dependenţa timpului de îndeplinire de tensiune, în care poate să se schimbe de la 1 la 2n, n – este numărul de nivele a contorului.

CAD cu transformarea tensiunei in frecventa

 

 

           

 

 

 

 

 

 

 

Greutatea de bază la crearea convertorului U_xÞf_x liniar şi stabil, cei mai buni convertori de aş tip au foarte rar eroarea de <0.2%. astfel de convertori se folosesc cu prioritate în sistemele cu numărare la distanţă a datelor în condiţii de influenţe (perturbaţii) externe. Convertorul U_xÞf_x este amplasat nemijlocit lângă dispozitivul de măsurare.

 

 

 

 

 

Succesiunea de impulsuri din conv. tensiune-frecvenţă este transmisă prin linia de comunicare la dispozitivul de control unde se transformă în semnal digital de ieşire.

 

CAD cu generator de tensiune de compensare

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U_k – tensiune de intrare

GTC – generator de tensiune de compensare

EC – element de comparare

BR – bloc de resetare

GI – generator de impulsuri

C – contor

U_k – tensiune de compensare

 

La începutul fiecărui ciclu de transformare se porneşte generatorul de tensiune de compensare (schimbare lineară a U_k). Generatorul mmăreşte tensiunea până când se egalează cu tensiunea de intrare – schema începe a lucra. În acelaşi moment semnalul cu element de comparare deschide schema de coincidenţă şi impulsurile generatorului stabil încep a veni la contor. În momentul de compensare când tensiunea de transformare U_x se egalează cu tensiunea de compensare U_k starea elementului de comparare se schimbă şi accesul impulsurilor la contor se termină. La ieşirea contorului se scoate digital Z care e echivalent U_x. Exactitatea depinde de cât de liniar este generatorul de tensiune de compensare. Minusurile – dependenţa timpului de transformare de U_x.

 

 

 

 

CAD paralel

Prin conversia analog-numerică tip paralel se determină simultan toţi biţii reprezentării numerice. Este cea mai rapidă metodă, dar necesită pentru punerea în aplicare un număr mare de circuite electronice. Practic, semnalul de intrare este comparat cu un set de nivele de referinţă prin intermediul unui anasamblu de circuite comparatoare.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U_bx se dă la un potenţiometru pe rezistor la matricea 2R. La fiecare comparator are loc compararea tensiunii U_bx cu Uc_.. la intrarea codificatorului se dă tensiunea “0” sau “1” logic în dependenţă de ceea dacă U_c intrece tensiunile U_bx. Acest curent se transformă ca în exemplul dat de un codificator 8-3 în cod binar care corespunde amplitudinii U_c.

Plusuri: cea mai rapidă funcţionare, timpul de transformare aproape egal cu timpul de reţinere a comparatorului plus timpul de reţinere a codificatorului (3-20 ns).

Neajunsuri: cheltuieli de aparataj, pentru un CAD de ordinul n e necesar 2ⁿ camparatoare.