Различают две формы представления информации – непрерывную (аналоговую) и прерывистую (цифровую, дискретную). Непрерывная форма характеризует процесс, который не имеет перерывов и может изменяться в любой момент времени и теоретически на любую величину. Цифровой сигнал может изменяться лишь в определенные моменты времени и принимать лишь заранее обусловленные значения (например, только значения напряжений 0 и 3,5 В). Моменты возможного изменения уровня цифрового сигнала задает тактовый генератор конкретного цифрового устройства.
Для преобразования аналогового сигнала в цифровой сигнал требуется провести дискретизацию во времени, квантование по уровню и кодирование.
Дискретизация - замена непрерывного (аналогового) сигнала последовательностью отдельных во времени отсчетов этого сигнала.
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.
При цифровой аудиозаписи используется процесс выборки, заключающийся в периодическом измерении уровня аналогового звукового сигнала и превращении полученного значения в последовательность двоичных чисел. Для преобразования аналогового сигнала в цифровой используется специальный конвертор, называемый аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Сигнал на выходе АЦП представляет собой последовательность двоичных чисел, которая может быть записана на лазерный диск или обработана компьютером. Обратная конверсия цифрового сигнала в непрерывный сигнал осуществляется с помощью цифроаналогового преобразователя (ЦАП).
Качество аналого-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.
Еще один показатель качества трансформации непрерывного сигнала в цифровой сигнал - это частота дискретизации - количество преобразований аналог-цифра (выборок), производимое устройством в одну секунду.
При исследовании ЦАП на взвешивающих резисторах (задание 1) напряжение должно возрастать с увеличением значения двоичного кода. Отличие соседних значений должно составлять одну и ту же величину, равную минимальной ступеньке ЦАП.
При исследовании микросхемы ЦАП (задание 2) цифровой сигнал формируется с помощью генератора слов (Word Generator). В каждом варианте цифровые сигналы разные и определяются буквами фамилии и имени студента. Преобразование букв в десятичные числа производится с помощью кодовой таблицы (Приложение 2). Порядок работы с генератором слов описан в Приложении 1.
Напряжение восьмиразрядного ЦАП рассчитывается по формуле:
Up = D×[(+Uop) + (-Uop)]/256 ,
где D - десятичный код цифрового сигнала.
Если Uop = 17 В, то приведенная формула будет иметь вид:
Up = D×34/256 .
При измерении аналогового сигнала с помощью осциллографа целесообразно изображение осциллографа развернуть на весь экран (кнопка ZOOM), а считывание показаний производить с помощью красного (1) и желтого (2) маркеров.
Рассмотрим назначение элементов в задании 3. На вход АЦП SOC подается сигнал от генератора, который определяет частоту дискретизации. Так как в данном случае входное напряжение Uin постоянное, то не имеет значение, на какой частоте работает генератор. Источник Ue служит для формирования сигнала, разрешающего работу АЦП. В штатном режиме на вход ОЕ должна поступать логическая единица.
К выходам АЦП подключены индикаторы, которые обозначены в соответствии с их весовыми коэффициентами. Это делает удобным процедуру определения цифрового сигнала D, выраженного в десятичной системе счисления.
Выходной код АЦП рассчитывается по формуле:
D = 128 + Uin×256/34,
где Uin - входное аналоговое напряжение; D - выходное число, представленное в десятичной системе счисления.
Следует обратить внимание, что при Uin = 0 выходной код D = 128, при Uin > 0 выходной код D > 128, а при Uin < 0 выходной код D < 128.
Для смены полярности входного напряжения Uin необходимо отсоединить источник Uin и подключить его другим полюсом к АЦП.
В последнем задании входное напряжение Uin вначале с помощью АЦП превращается в поток цифр. Затем цифры с помощью ЦАП конвертируются в аналоговое напряжение. Таким образом, в идеале после двойного преобразования выходное напряжение ЦАП должно полностью совпадать с входным напряжением Uin. Однако качество трансформации во многом определяется частотой дискретизации и разрядностью преобразователей.
В процессе исследований нужно дать качественную оценку точности преобразований в зависимости от частоты дискретизации и разрядности АЦП и ЦАП.
