В ходе разработки измерительных систем с аналого-цифровым преобразованием эта операция все более и более явно ассоциировалась с вводом систем. В измерительных системах текущего поколения аналого-цифровому преобразованию предшествует только предварительное аналого-аналоговое (АА) преобразование. Процесс измерения состоит из двух этапов: сбора данных (AA + AD) и оценки, которая представляет собой цифро-цифровое (DD) преобразование. Информация об измерениях извлекается посредством DD-преобразования полученных мгновенных значений сигнала. Естественно, желательно, чтобы после аналого-цифрового преобразования дискретная форма измерительного сигнала содержала, насколько это возможно, столько информации об измеряемой величине, сколько непрерывная форма. Поэтому точность измерения существенно зависит от качества этой операции.
Характеристики систем аналого-цифрового преобразования могут быть изменены с помощью аппаратного метода, программного метода и метода сигнала (с подмешиванием). Последний метод, использующий сигнал подмешивания, дает эффекты, которые не могут быть достигнуты другими методами.
Улучшенная реконструкция.
Квантование – это нелинейная операция, которая изменяет параметры сигнала, подвергающегося преобразованию. Модификация свойств измерительного сигнала, производимая путем изменения его формы с непрерывной на дискретную, влияет на оценку. Степень, в которой сигнал при квантовании сохраняет параметры сигнала, подвергающегося преобразованию, зависит, среди прочего, от того, подходит ли сигнал, подвергающийся преобразованию, для квантования с восстановлением.
Реконструкция применяется к функции плотности вероятности, моментов и спектра плотности мощности сигнала, подвергающегося квантованию, на основе, соответственно, функции плотности вероятности, моментов и спектра плотности мощности сигнала после квантования.
Реконструкция применяется к функции плотности вероятности, моментов и спектра плотности мощности сигнала, подвергающегося квантованию, на основе функции плотности вероятности, моментов и спектра мощности сигнала после квантования. Восстановление сигнала с квантованием происходит, если характеристическая функция сигнала удовлетворяет требованиям, установленным в теории Уидроу. В этом случае ошибка квантования имеет определенные специфические свойства, являясь белым шумом с прямоугольной функцией плотности вероятности, не коррелированной с сигналом, подвергающимся квантованию.
Сигнал подмешивания выбирается таким образом, чтобы его функция плотности вероятности была такой, чтобы функция удовлетворяла требованиям Уидроу. Преимуществом этой замены является улучшенная реконструкция и, следовательно, желаемая модификация характеристик ошибки квантования (побеление или отсутствие корреляции с сигналом, подвергающимся квантованию).
Уменьшение нелинейного искажения операции квантования.
Уменьшение нелинейных искажений достигается за счет применения случайного эффекта сигнала подмешивания на ошибку квантования. Случай, когда необходимо уменьшить нелинейные искажения – это квантование периодических сигналов. После квантования в спектре сигнала появляются дополнительные линии, которые не были видны в спектре сигнала, подвергающегося квантованию. Это результат нелинейного преобразования сигнала. Здесь ошибка квантования когерентная. После применения подходящего сигнала подмешивания ошибка квантования изменяется с когерентной на случайную и не проявляется в виде значительных гармонических искажений. Это означает уменьшение нелинейных искажений. В этой ситуации наиболее эффективным является случайное подмешивание. Чаще всего применяется псевдослучайный сигнал. Псевдослучайное подмешивание – это сигнал, имеющий характеристики шума, но его можно точно повторить.
Повышенное разрешение операции квантования
Чтобы обеспечить повышенное разрешение или уменьшить нелинейные искажения в системе, имеющей номинальную характеристику квантования и ошибку операции квантования, квантование с сигналом подмешивания и усреднение сигнала при квантовании не требуется. Этот режим преобразования идентичен квантованию в системе, имеющей номинальную характеристику квантования и ошибку операции квантования.
Уменьшение ошибок нелинейности реального АЦП
Ошибка DNL уменьшается за счет ее перераспределения в более широком диапазоне и одновременного сглаживания, что снижает ее величину. Из-за делокализации и рандомизации ошибки DNL ошибки для всех кодов становятся похожими или интегрируются и перестают быть регулярными. Эффекты уменьшения зависят от природы функции лишь в небольшой степени. Здесь более важно значение размаха подмешивания. В каждом случае существует предел этого значения, выше которого смежные ошибки полностью интегрируются и дальнейшее улучшение перестает быть значительным.
В отличие от ошибки DNL, ошибка интегральной нелинейности (INL) не является локальной. Из-за природы этой нелинейности аналого-цифровое преобразование с сигналом подмешивания не снижает ее эффективно. Более эффективный метод предполагает применение алгоритмов, корректирующих результаты квантования на основе информации об ошибке INL, полученной на этапе калибровки системы аналого-цифрового преобразования.
Кроме того, ошибка INL является значительным препятствием для увеличения разрешения или увеличения эффективного числа битов с помощью метода, применяющего подмешивание.
Изменение характеристик систем аналого-цифрового преобразования с помощью подмешивания сигнала.
Применение сигнала подмешивания снижает следующие величины: отношение сигнал/шум на выходе АЦП, динамический диапазон, скорость преобразования, ширину полосы входного сигнала, частоту дискретизации. Улучшения в разрешающей способности или линейности достигаются за счет потерь в эффективной полосе пропускания и времени отклика.
ВЗАИМОСВЯЗЬ МЕЖДУ ПРИРОДОЙ НЕЛИНЕЙНОСТИ ФУНКЦИИ И ЭФФЕКТИВНОСТЬЮ ЕЕ УМЕНЬШЕНИЯ СРЕДСТВАМИ ПРИМЕНЕНИЯ ДИТЕРА
Общим качеством характеристики операции квантования, ошибки операции квантования и ошибки DNL реального АЦП является то, что все они являются прерывистыми нелинейными функциями. И наоборот, ошибка INL – это гладкая нелинейная функция. Следовательно, аналого-цифровое преобразование с сигналом дизеринга и усреднение сигнала при квантовании заменяет преобразование, описываемое функциями и DNL, на преобразование, описываемое функциями и DNL. Функции и DNL сглаживаются, а величины последних двух уменьшаются.
Происходит фильтрация или нет, зависит от динамики изменения сигнала. Сигнал подмешивания может влиять на процесс или нет, в зависимости от масштаба нелинейности изменения значений функции. Чем более нелинейным является изменение, тем эффективнее метод сигнала подмешивания.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
АЦП с сигналом подмешивания имеет следующие цели:
- модифицировать вероятностную модель операции квантования, чтобы улучшить реконструкцию в целях квантования и уменьшить нелинейные искажения (эффект случайности на ошибку квантования),
- для изменения характеристик операции квантования, чтобы обеспечить повышенное разрешение, то есть улучшить линейность (эффект ослабления на ошибку операции квантования),
- для уменьшения ошибки DNL реального АЦП.
Следует отличать ошибку квантования от ошибки операции квантования.
Аналого-цифровое преобразование с сигналом подмешивания – эффективный метод уменьшения влияния величин, описываемых прерывистыми нелинейными функциями.