Аналоговые и цифровые сигналы

1. Аналоговые и цифровые сигналы

Кафедра «Автоматизированные станочные системы»
Dept. of Automated Manufacturing Systems
Аналоговые и цифровые
сигналы
Лекция 4
Троицкий Д.И. Информатика САПР 1 семестр
1

2.

Аналоговые и цифровые сигналы
Аналоговый сигнал является непрерывным
Троицкий Д.И. Информатика САПР 1 семестр
2

3.

Компьютер напрямую может обрабатывать
только цифровые сигналы
Цифровой сигнал является дискретным, разделенным на равные
промежутки
Троицкий Д.И. Информатика САПР 1 семестр
3

4.

Цифровое представление различных видов информации
Изображение
цвет
яркость
Аналоговый сигнал – световая волна с разной длиной (цвет)
и амплитудой (яркость)
Троицкий Д.И. Информатика САПР 1 семестр
4

5.

Два вида компьютерных
изображений:
Векторные
(vector)
Растровые
(raster)
Троицкий Д.И. Информатика САПР 1 семестр
5

6.

Векторные
состоят из базовых геометрических
изображения
элементов двух видов:
отрезков и дуг.
Растровые изображения
Пиксел (picture element)
Для каждого пиксела в цифровом
виде записывается его
цвет или яркость
Троицкий Д.И. Информатика САПР 1 семестр
6

7.

Звук
Звук – аналоговый сигнал с разной длиной волны (тон звука) и
амплитудой (громкость)
Троицкий Д.И. Информатика САПР 1 семестр
7

8.

Текст и числа
Двоичный код: «А»=6410=10000002
Существует множество кодировок
символов:
CP866, Win1251, Unicode, KOИ…
-?¬ ЎR<ми? ЄR¤ЁаRўRЄ,
Чем больше
в?¬ ЎR<ми? ЇаRЎ<?¬
кодировок, тем
больше проблем
Unicode – двухбайтная кодировка, 65535
символов
всех алфавитов Земли
Троицкий Д.И. Информатика САПР 1 семестр
8

9.

Аналого-цифровое преобразование (АЦП)
Сигнал дискретизируется
(разбивается на равные
участки
–
семплы,
sample) и для каждого
участка
в
память
компьютера
заносится
средняя
амплитуда
сигнала в семпле.
АЦП неизбежно ухудшает
качество сигнала
Чем меньше семпл, тем качественнее преобразование
Битрейт – число семплов в единицу времени.
Обычно меряется в Кбит/с
(объем данных, извлекаемых из секунды сигнала)
Троицкий Д.И. Информатика САПР 1 семестр
9

10.

Дискретизация по времени - это процесс получения мгновенных
значений преобразуемого аналогового сигнала с определенным
временным шагом, называемым шагом дискретизации
Как выбрать частоту
дискретизации?
Теорема Котельникова
Аналоговый сигнал может быть точно описан дискретной
последовательностью значений его амплитуды, если эти
значения следуют с частотой, как минимум вдвое превышающей
наивысшую частоту спектра сигнала.
Пример для звука: чтобы оцифрованный сигнал содержал информацию
о всем диапазоне слышимых человеком частот исходного аналогового
сигнала (0…20 кГц), необходимо, чтобы выбранное значение частоты
дискретизации при оцифровке составляло не менее 40 кГц (40000
семплов в секунду).
Троицкий Д.И. Информатика САПР 1 семестр
10

11.

Линейное квантование сигнала
Диапазон изменения амплитуды сигнала делится на 2N равных
промежутков – квантов (N бит на одно измерение)
Импульсно-кодовая модуляция, ИКМ (Pulse Code Modulation – PCM)
Стандартный аудио компакт-диск хранит информацию в формате
PCM с частотой дискретизации 44.1 кГц и разрядностью квантования
16 бит (216=65536 интервалов).
Троицкий Д.И. Информатика САПР 1 семестр
11

12. Преобразователи АЦП и ЦАП

Аналогово-цифровой преобразователь (ADC, Analog-Digital
Converter)
Цифро-аналоговый преобразователь (DAC, Digital-Analog
Converter)
Троицкий Д.И. Информатика САПР 1 семестр
12

13. Цифроаналоговое преобразование

ЦАП принимает цифровое слово и преобразует его в
эквивалентное напряжение. Основными узлами этого
преобразователя
являются
запоминающий
регистр,
стабилизированный источник опорного напряжения и
цифроаналоговый декодер, содержащий аналоговую цепочку
прецизионных резисторов.
Троицкий Д.И. Информатика САПР 1 семестр
13

14. Основные типы ЦАП

В настоящее время подавляющее большинство ЦАП
построены по двум основным схемам: в виде цепочки
взвешенных резисторов и типа R—2R. Оба названия
определяют
тип
резистивной
многозвенной
цепочки,
используемой в преобразователе.
ЦАП со взвешенными резисторами
Преобразователи со взвешенными резисторами содержат
источник опорного напряжения, набор ключей, набор двоичновзвешенных прецизионных резисторов и операционный
усилитель. Каждый двоичный разряд входного цифрового
слова управляет своим ключом.
Если разрядная цифра «1» - ключ замыкается.
Если разрядная цифра «0» - ключ остается разомкнутым.
Троицкий Д.И. Информатика САПР 1 семестр
14

15.

ЦАП, основанный на суммировании взвешенных токов
Троицкий Д.И. Информатика САПР 1 семестр
15

16. ЦАП с цепочкой резисторов типа R—2R

ЦАП с цепочкой резисторов типа R —2R также содержат источник
опорного напряжения, набор ключей и операционный усилитель.
Однако вместо набора двоично-взвешенных резисторов они содержат
по два резистора на разряд. Один включен последовательно с
разрядным ключом, а другой, сопротивление которого равно
половине сопротивления последовательно включенного резистора,
включен в суммирующую шину таким образом что это соединение в
сочетании с последующими каскадами образует П-образную цепочку.
Троицкий Д.И. Информатика САПР 1 семестр
16

17. Аналогоцифровые преобразователи

По существу аналогоцифровые преобразователи либо
преобразуют аналоговый входной сигнал (напряжение или
ток) в частоту или последовательность импульсов,
длительность
которой
измеряют
для
обеспечения
отображающего цифрового выходного сигнала, либо, чтобы
получить цифровой выходной сигнал, сравнивают входной
сигнал с переменным опорным сигналом, используя
внутренний ЦАП.
Существует
три ведущих способа преобразования,
основанных на принципе измерения временного интервала:
преобразование
напряжения
в
частоту,
метод
с
пилообразным
напряжением
и
метод
линейного
интегрирования.
Троицкий Д.И. Информатика САПР 1 семестр
17