Przetwarzanie analogowo-cyfrowe

1. Rodzaje sygnałów i zakres zmian.
Do sygnałów analogowych podlegających najczęściej procesowi przetwarzania można zaliczyć napięcie, prąd, przedział czasu, przesunięcie liniowe lub kątowe. Sygnały cyfrowe są wyrażone za pomocą ciągów kodowych w systemie dwójkowym, dziesiętnym lub dwójkowo – dziesiętnym. Ponadto ciąg kodowy może być szeregowy lub równoległy. Bardzo często zarówno sygnały analogowe jak i cyfrowe są przekształcane w inne sygnały analogowe lub cyfrowe w celu uproszczenia przetwarzania (np. ciśnienie w przesunięcie, napięcie w przedział czasowy itp.). Sygnały analogowe zmieniają się w pewnych granicach A = Amax – Amin. Zakres zmian sygnałów jest bardzo istotny ze względu na dokładność, sposób liczenia i liczbę pozycji kodu.

2. Częstotliwość kwantowania w czasie.
Aby przedstawić wielkość analogową w postaci cyfrowej, należy w pewnych określonych odstępach czasu pobierać próbki, tj. mierzyć chwilowe wartości sygnału analogowego. Przez częstotliwość próbkowania należy rozumieć odwrotność odstępu czasu między dwoma kolejnymi pomiarami , przy czym t – okres próbkowania.
Proces próbkowania jest kwantowaniem w czasie. Ponieważ kolejne wartości w sygnale kodowanym zmieniają się w sposób dyskretny, więc przy przetwarzaniu sygnału analogowego w sygnał cyfrowy występuje również zjawisko kwantowania w poziomie.
Kwantowanie w czasie jest operacją liniową. Kwantowanie w czasie wywołuje uchyby dynamiczne i przy zbyt małej częstotliwości kwantowania powoduje ograniczenie pasma przenoszonego. Przy stałej wielkości wejściowej uchyb kwantowania jest równy zeru. Kwantowanie w poziomie jest operacją w zasadzie nieliniową, chociaż w pewnych warunkach może być uważane za liniowe. Wywołuje ono uchyby statyczne. W ten sposób dokładność przetwarzania jest ściśle związana z okresem kwantowania  (częstotliwością kwantowania fk) oraz odległością między sąsiednimi poziomami kwantowania q, tzw. Zdolnością rozdzielczą przetwornika. Procesy próbkowania i kwantyzacji są procesami niezależnymi.




3. Czas przetwarzania.
Czas przetwarzania, a więc ilość czasu niezbędna do przetworzenia jednej wartości, musi być krótszy niż okres próbkowania . W zasadzie dąży się do tego, aby zmiana sygnału wejściowego w tym czasie nie była większa od zdolności rozdzielczej przetwornika. Czas przetwarzania zależy w znacznym stopniu od przyjętego sposobu przetwarzania oraz sposobu kodowania. Dopuszczalną szybkość U zmian wielkości wejściowej można wyznaczyć ze wzoru:

w którym: n – liczba pozycji ciągu kodowego; p – założona część zdolności rozdzielczej o jaką może się zmienić wielkość wejściowa w czasie przetwarzania tp; Amax, Amin – maksymalna i minimalna wartości sygnału analogowego.
Jeśli szybkość zmian wielkości wejściowej jest większa od określonej powyższym równaniem, to należy stosować układy pamięciowe, które zachowują wielkość analogową w czasie przetwarzania.
Przetwarzanie wielokanałowe umożliwia wykorzystanie jednego przetwornika do przetworzenia kilku wielkości wejściowych, dzięki wykorzystaniu przełącznika wielokanałowego przyłączającego przetwornik kolejno do wszystkich kanałów wejściowych. Maksymalna częstotliwość próbkowania ulega zmniejszeniu m – krotnie:

przy czym: m – liczba kanałów.

4. Zasady współpracy z maszynami cyfrowymi.
Przy współpracy przetwornika analogowo – cyfrowego z maszyną cyfrową częstotliwość wprowadzania i wyprowadzania danych, a więc częstotliwość próbkowania może być ograniczona szybkością pracy maszyny cyfrowej.
Połączenie przetworników z maszyną cyfrową może być zrealizowane w różny sposób. Przy przekazywaniu informacji z przetwornika analogowo – cyfrowego do maszyny najprostszym sposobem połączenia jest podanie poszczególnych wielkości analogowych na wejście przetworników, a sygnałów z ich wyjść do pamięci maszyny. Ponieważ na ogół jednoczesne wprowadzenie i wyprowadzenie z pamięci jest niemożliwe, podczas wprowadzania informacji z przetworników maszyna nie pracuje. Jeśli wprowadzanie danych jest związane z kolejnym uruchomieniem przetworników, to czas przestoju maszyny wyniesie: Tp = mtp, przy czym m – liczba wielkości wejściowych..
Jeśli przetworniki są przystosowane do zapamiętania wielkości na przeciąg pewnego czasu, to przez ich jednoczesne uruchomienie, a następnie szeregowe wprowadzanie wyników do maszyny, czas przestoju ulegnie skróceniu, Tp = tp + mtw, przy czym tw – czas wprowadzania danych z przetwornika maszyny.

5. Pojemność pamięci.
W przypadku przetwarzania wielokanałowego bezpośrednie przekształcenie i wprowadzenie do maszyny danych nie wchodzi na ogół w rachubę ze względu na duży czas przetwarzania. Czas przestoju maszyny może być wtedy skrócony przez zastosowanie pamięci buforowej, do której są wprowadzane dane z przetworników w jednym cyklu przekształcania, a zapamiętane wartości są wprowadzane wszystkie do pamięci maszyny podczas następnego cyklu przetwarzania. Czas przestoju maszyny jest wtedy bardzo krótki i równy mtd, przy czym td – czas dostępu do pamięci buforowej. Wymaga to jednak pamięci o stosunkowo dużej pojemności.
Inny sposób połączenia przetworników z maszyną cyfrową polega na wykorzystaniu małych pamięci dla każdego kanału, dzięki czemu wielkość wymaganej pamięci ulega zmniejszeniu. Na ogół nie jest wymagane wykonywanie oddzielnej pamięci, ponieważ w wielu przetwornikach występuje ona w postaci rejestru lub licznika. Po zakończeniu kolejnego cyklu przetwarzania wartość wielkości wejściowej jest przesyłana do pamięci maszyny, a przetwornik zostaje przyłączony do następnego kanału. Czas przestoju wynosi w tym przypadku Tp = mtw.