Принцип аналого-цифрового преобразования информации

Аналого-цифровое преобразование информации

Перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства

Перепрограммируемые ПЗУ обладают всеми достоинствами ПЗУ, храня записанную в них информацию неопределенно долго и при отключении питания. В то же время они допускают стирание записанной информации и запись новой информации. Однако если чтение осуществляется за доли микросекунды, то время записи на много порядков больше.

Рассмотрим принцип работы элемента памяти с электрической записью информации и стиранием ультрафиолетовым светом (рисунок 2.2.4.6.)

Рисунок 2.2.4.6.

Транзистор VT1 служит для выборки элемента памяти. Хранение информации осуществляется в транзисторе VT2. Особенность транзистора VT2 состоит в том, что он имеет изолированный затвор.

При подаче достаточно большого напряжения к p-n - переходу истока либо стока происходит инжекция электронов в затвор, после чего этот заряд может удерживаться на затворе длительное время. Отрицательный заряд на затворе, притягивая дырки, создает в области проводящей p -канал между истоком и стоком.

Транзистор оказывается в состоянии 0. Если же к p-n -переходу не прикладывалось повышенного напряжения, заряд на затворе отсутствует, транзистор оказывается в непроводящем состоянии (состоянии 1).

Стирание информации в одних микросхемах производится путём подачи соответствующих напряжений, в других – путём подачи ультрафиолетового излучения через прозрачную кварцевую крышку в корпусе микросхемы.

Под действием напряжений либо светового излучения, действующего примерно в течение 10 минут, снимается заряд с затворов транзисторов, и все транзисторы накопителя оказываются установленными в непроводящее состояние. Обычное комнатное освещение практически не оказывает влияния на состояние транзистора.

В большинстве случаев получаемый непосредственно от источника информации сигнал представлен в форме непрерывно меняющегося по значению напряжения либо тока (рисунок 2.2.5.1.). Таков, в частности, харак­тер электрического сигнала, соответствующего телефонным, телевизи­онным и другим видам сообщений. Для передачи таких сообщений по линии связи или для их обработки (например, при фильтрации помех) могут быть использованы две формы: аналоговая или цифровая.

Аналоговая форма предусматривает оперирование всеми значениями сигнала, цифровая форма — отдельными его значениями, представлен­ными в форме кодовых комбинаций.

Преобразование сигналов из аналоговой формы в цифровую выпол­няется в устройстве, называемом аналого-цифровым преобразователем (АЦП). В преобразователе сигналов из аналоговой формы в цифровую можно выделить следующие процессы: дискретизацию, квантование, кодирование.

Рисунок 2.2.5.1.

Рассмотрим сущность этих процессов. При этом для опре­деленности в последующем изложении будем считать, что преобразование в цифровую форму осуществляет­ся над сигналом, представленным в форме меняющегося во времени на­пряжения.

Дискретизация непрерывных сиг­налов. Процесс дискретизации заклю­чается в том, что из непрерывного во времени сигнала выбираются отдель­ные его значения, соответствующие моментам времени, следующим через определенный временной интервал Т (на рисунке 2.2.5.1. моменты t₀ , t_1, t₂, …t_n). Интервал Т называется тактовым интервалом времени, а моменты t₀ , t_1, t₂, …t_n, в которые берутся отсчеты, — тактовыми моментами времени.

Дискретные значения сигнала следует отсчитывать с таким малым тактовым интервалом Т, чтобы по ним можно было бы восстановить сигнал в аналоговой форме с требуемой точностью. Тактовый интервал определяется потеореме Котельникова из условия

Частота F_max – это максимальная частота из спектра преобразуемого сигнала.

Квантование и кодирование. Сущность этих операций заключается в следующем. Создается сетка так называемых уровней квантования (рисунок 2.2.5.1.), сдвинутых друг относительно друга на величину Δ, назы­ваемую шагом квантования. Каждому уровню квантования можно приписать порядковый номер (0,1, 2,3,4 и т.д.). Далее полученные в результате дискретизации значения исходного аналогового напряже­ния заменяются ближайшими к ним уровнями квантования. Так, на диаграмме рисунок 2.2.5.1. значение напряжения в момент t₀ заменяется ближайшим к нему уровнем квантования с номером 3, в тактовый момент t₁, значение напряжения ближе к уровню 6 и заменяется этим уровнем и т.д.

Описанный процесс носит название операции квантования, смысл которой состоит в округлении значений аналогового напряжения, выбранных в тактовые моменты времени. Как и всякое округление, процесс квантования приводит к погрешности (к ошибкам квантова­ния) в представлении дискретных значений напряжения, создавая так называемый шум квантования. При проектировании АЦП стремятся снизить шум квантования до такого уровня, при котором он еще обеспечивает требуемую точность. Подробнее шум квантования будет рассмотрен далее.

Следующая операция, выполняемая при аналого-цифровом преоб­разовании сигналов, — кодирование. Смысл ее состоит в следующем. Округленные значения напряжения, получаемые при операции кван­тования, можно представлять числами — номерами соответствующих уровней квантования. На этапе кодирования номера уровней квантования можно представить в виде двоичных кодов. Для диаграммы, представлен­ной на рисунке 2.2.5.1., образуется последовательность чисел: 3,6,7,4,1,2 и т.д. Получаемая таким образом последовательность чисел представля­ется двоичными кодами: 011, 110, 111, 100, 001, 010.

Вернемся к искажениям, связанным с процессом квантования, на­званным шумом квантования. При телефонной связи шум квантования воспринимается ухом человека действительно в виде шума, сопровож­дающего речь.

Так как в процессе квантования значение напряжения в каждый тактовый момент округляется до ближайшего уровня квантования, ошибка в представлении значений напряжения оказывается в пределах. Следовательно, чем больше шаг квантования, тем больше ошибки квантования. Считая, что в указанных пределах любые значения равновероятны, можно получить выражение сред­неквадратичного значения ошибки квантования).

Уменьшение шума квантования достигается только уменьшением шага квантования. Так как — промежуток между соседними уров­нями квантования, то с уменьшением, очевидно, должно возрасти число уровней квантования в заданном диапазоне значений напряже­ния. Пусть А = Umax - Umin — ширина диапазона изменений напряже­ния. Тогда требуемое число уровней квантования N = А/ +1. Обычно и. Отсюда видно, что уменьшение шума квантова­ния путем уменьшения приводит к увеличению числа уровней кван­тования N. Это увеличивает число разрядов при представлении номеров уровней квантования двоичными кодами. При организации телефонной связи номера уровней квантования обычно выражаются семи- восьмиразрядными двоичными числами, а число уровней кван­тования N= 2⁷...2⁸ = 128...256.

Наряду с рассмотренными выше погрешностями квантования при аналого-цифровом преобразовании возникают аппаратурные погреш­ности, связанные с неточностью работы отдельных узлов АЦП. Эти погрешности будут выявляться при рассмотрении различных схемных построений АЦП (рисунок 2.2.5.2.)

Рисунок 2.2.5.2.