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:

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.

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.

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.