3.6
A/D a D/A převodníky
Analogový signál je do digitální podoby převeden pomocí digitalizace. Jedná se o třífázový proces (jednotlivé fáze jsou znázorněny na animaci):
- Vzorkování – proces, kterým se rozdělí časová osa na rovnoměrné časové úseky (tzv. diskretizace v čase). Četnost vzorků charakterizuje vzorkovací kmitočet . Ve zvukové technice se využívají následující kmitočty:
- Kvantování – proces, kterým se úrovňová oblast rozdělí na konečný počet kvantizačních hladin (tzv. diskretizace v úrovních). Kvantování může být lineární (hladiny jsou stejně daleko od sebe) nebo nelineární (hladiny jsou od sebe různě daleko, což lze využít k zpřesnění slabých signálů poblíž nuly). S rostoucím počtem kvantizačních hladin se zvyšuje i přesnost následné rekonstrukce.
- Kódování – proces přiřazení kódových slov jednotlivým vzorkům. Každá kvantizační hladina je definována unikátním kódovým slovem, které se přiřazuje v binárním či hexadecimálním tvaru (jedná se o PCM (pulzně kódová modulace)). Bitová hloubka jednoznačně definuje, kolik bitů je možné využít pro popis kódových slov. Tím je definován i celkový počet kvantizačních hladin. Ve zvukové technice se využívají následující bitové hloubky:
3 Digitalizace signálu
Nežádoucími artefakty doprovázejícími digitalizaci, jsou:
- Aliasing – jde o podvzorkování, kdy vlivem vzorkování vzorkovacím kmitočtem menším, než je dvojnásobek nejvyššího kmitočtu vyskytujícího se ve vzorkovaném signálu, dochází ke vzniku nových kmitočtů, které se v původním signálu vůbec nevyskytují, viz červený průběh na obr. 39.
Obr. 39. Výsledek digitalizace signálu vzorkovacím kmitočtem nižším, než je polovina nejvyššího vzorkovaného kmitočtu způsobujícího aliasing
- Kvantizační šum – vzorek je v průběhu kvantování porovnáván s definovanými kvantizačními hladinami a je vybíráno, k jaké kvantizační hladině bude přiřazen. Vlivem zaokrouhlování mohou v signálu vzniknout na vyšších kmitočtech parazitní šumy.
V praxi proces kvantování a kódování probíhá v A/D převodníku. Na jeho výstupu se nachází číslo v binárním tvaru. Základní principy A/D a D/A převodníků jsou vysvětleny v následujících podkapitolách.
3.6.1
A/D převodník s postupnou aproximací
Základním prvkem tohoto převodníku je obvod „Sample & Hold“. Ten je tvořen ze vzorkovacího generátoru, který v pravidelných časových intervalech (daných vzorkovacím kmitočtem) střídavě spíná a rozepíná spínač. Při sepnutí dochází k nabití vzorkovacího kondenzátoru na vstupní napětí. Jeho kapacita musí být postačovat k udržení elektrického náboje od okamžiku rozepnutí do doby, kdy je na kondenzátor znovu přivedeno vstupní napětí pro další vzorek. V čase rozepnutého spínače kondenzátor udržuje stabilní napětí, které přivádí na vstup komparátoru. Ten porovnává tuto hodnotu s napětím na výstupu D/A převodníku. Do něj vstupuje zkusmo nastavené binární kódové slovo z aproximačního registru. Aproximační registr nastavuje postupně jednotlivé bity zleva (od nejvýznamnějšího bitu – MSB (Most Significant Bit)) do hodnoty logické 1. Tato hodnota je vždy D/A převodníkem převedena na elektrické napětí odpovídající danému kódovému slovu a komparátorem porovnána se vstupním napětím. Výstup komparátoru vstupuje do řídicí jednotky, která v případě, kdy je vstupní napětí nižší než odhadované, nastaví daný bit do hodnoty logické 0 a přikročí ke zkušebnímu nastavení dalšího bitu. Iteračně dochází k postupnému zpřesňování digitálního kódového slova.
+
Obr. 40. Blokové schéma (vlevo) a výstupní charakteristika (vpravo) A/D převodníku s postupnou aproximací
Mimo tohoto převodníku se pro zpracování AV signálů v praxi využívají také A/D převodník se Sigma-Delta modulací a paralelní (flash) převodník. Měřicí přístroje často využívají také integrační A/D převodníky, které mají vysokou absolutní přesnost, ale delší dobu převodu.
3.6.2
D/A převodník s rezistorovou sítí
Jeho úkolem je převod logických hodnot na odpovídající výstupní napětí. Jednotlivé bity jsou reprezentovány spínači. Při sepnutí vybraných spínačů dochází na jednotlivých rezistorech k úbytkům napětí. Výsledné napětí právě odpovídá napěťovým příspěvkům příslušných bitů a na výstupu se tyto příspěvky sčítají. Výhodou obvyklé konstrukce převodníku s rezistorovou sítí je využití rezistorů pouze o dvou hodnotách odporu.
+
Obr. 41. Obvod D/A převodníku s rezistorovou sítí