Convertoarele Analog Numerice

5.1 Generalităţi

Convertorul analog numeric este un circuit care transformă o mărime cu variaţie analogică aplicată la intrare într-o mărime numerică la ieşire. Într-un sens mai larg procesul de conversie analog numerică poate fi considerat ca o plasare a mărimii de intrare într-un interval de cuantizare obţinut prin divizarea intervalului de variaţii a mărimii de intrare într-un număr egal de clase. Operaţiile ce duc la conversia analog numerică sunt eşantionarea şi cuantizarea. Eşantionarea defineşte aspectul temporal al conversiei şi modul de prelevare al eşantioanelor în timp ce cuantizarea defineşte chiar modul de obţinere al echivalentului numeric al mărimii analogice.

Astfel schema de principiu a convertorului numeric analogic este cea prezentată figura 5.1.

- circuitul de prefiltrare are rolul de a limita banda de frecvenţă a semnalului de intrare pentru a putea fi îndeplinită condiţia teoremei eşantionării

- circuitul de eşantionare şi memorare are rolul de a menţine constant semnalul analogic pe toată durata conversiei

- circuitul de eşantionare găseşte valoarea clasei care îi corespunde eşantionului analogic de intrare

- circuitul de codare – obţine valoarea numerică clasei determinate de circuitul de eşantionare în conformitate cu codul numeric de ieşire utilizat.

5.1.1 Frecvenţa Nyquist a convertoarelor numeric analogice.

Eşantionarea unui semnal constă în prelevarea valorilor semnalului la momente de timp echidistante t0 denumite şi perioadă de eşantionare.

Spectrul semnalului eşantionat XS(ω) constă în repetări periodice axate faţă de kω0 ale spectrului original denumite spectre secundare. Pentru a reface semnalul iniţial este necesar ca aceste spectre secundare să poată fi eliminate Acest lucru este posibil doar dacă ω0 >2ωm în caz contrar semnalul original nu poate fi reconstituit în întregime.

Acest rezultat este cunoscut sub numele de teorema eşantionării (Shannon) care precizează că pentru reconstrucţia unui semnal de bandă limitată la fB din eşantioanele sale, preluate cu o frecvenţă de eşantionare fs este necesar ca frecvenţa de eşantionare să fie cel puţin dublă faţă de frecvenţa maximă fB, din spectrul semnalului. Frecvenţa fs/2 se numeşte frecvenţă Nyquist.

5.2 Principii de funcţionare. Clase de convertoare analog numerice. Caracteristici.

Deşi scopul lor este de a transforma o mărime analogică într-una numerică, convertoarele analog numerice sunt realizate pe baza unor soluţii principiale extrem de diverse fiecare dintre acestea prezentând atât avantaje cât şi dezavantaje. Nu s-a găsit un principiu de funcţionare care să asigure simultan rezoluţii mari, viteze ridicate, erori de liniaritate foarte reduse.

De aceea alegerea unui anumit tip de convertor numeric analogic se face în funcţie de cerinţele aplicaţiei urmărind obţinerea performanţelor dorite cu un efort material minim. Clasificarea convertoarelor analog numerice se poate face în funcţie de metoda de realizare sau de utilizare a acestora.

După modul de prelevare a eşantioanelor avem:

- convertoare analog numerice cu eşantionare, la care mărimea de intrare este prelevată în conformitate cu teorema eşantionării, mărimea de ieşire reprezentând o măsură a intrării în momentul începerii procesului de conversie;

- convertoare analog numerice cu supraeşantionare şi decimare în timp la care mărimea de intrare este prelevată la viteze foarte ridicate (mult peste condţiile impuse de teorema eşantionării) dar la rezoluţii mici (la limită, doar un bit) realizându-se apoi pe cale numerică (filtre de decimare) o împachetare a inflamaţiei în timp, pentru a realiza rezoluţii ridicate.

- convertoare analog numerice cu integrare la care mărimea de intrare este integrată (acumulată) pe toată durata conversiei iar mărimea de ieşire reprezintă o măsură a suprafeţei din semnalul de intrare delimitată de momentul de început şi cel de sfârşit al procesului de conversie.

După modul de prelucrare a mărimii de intrare:

- metode directe ce folosesc semnalul de intrare (tensiune sau curent) într-un proces de comparare cu o mărime de referinţă divizată foarte precis;

- metode indirecte ce folosesc una sau mai multe transformări intermediare ale semnalului de intrare în alte mărimi mai uşor de trecut în formă numerică (frecvenţă sau timp);