Analoog-digitaalmuundur

AD-muunduri näide

Kiip ICL7107 avatult

Stereosignaali AD-muundur arvuti helikaardil

Analoog-digitaalmuundur ehk AD-muundur (inglise keeles analog-to-digital converter, lühend ADC) on elektroonikaseade või elektroonikakomponent (kiip) analoogsignaali digiteerimiseks, s.t teisendamiseks digitaalsignaaliks. mida saab siis digitaalkujul töödelda, salvestada, edastada ja talletada. Teisisõnu on ADC sild analoogsignaali allikate (näiteks mikrofon) ja digitaalsete süsteemide vahel.

Analoog-digitaalmuundur kuulub vältimatu koostisosana peaaegu kõigisse nüüdisaegse tarbeelektroonika seadmetesse (arvuti, telefon), samuti side- ja tööstuselektroonika seadmetesse.

Vastupidise funktsiooniga seadet nimetatakse digitaal-analoogmuunduriks (DAC).

Analoog-digitaalmuundamise protsess

Analoog-digitaalmuundur muundab analoogsignaali, s.o ajaliselt ja väärtuselt pideva elektrisignaali vastavaks ajapõhiselt diskreeditud ja väärtuspõhiselt kvanditud digitaalväärtuste (kahendkoodide) jadaks, mis koosneb kahendsüsteemi numbritest 0 ja 1.

Diskreetimine seisneb selles, et mõõdetakse lühikeste ajavahemike järel analoogsignaali pinget. Mõõtenäitude (lugemite) võtmise sagedust nimetatakse diskreetimissageduseks (hertsides). Need näiduvõtuväärtused – diskreedid – kvanditakse signaalitasemeteks. Kvantimistasemete maksimaalset arvu nimetatakse kvantimissügavuseks ja väljendatakse bittides.

Näiteks 8 biti sügavuselt kvanditud signaali suurim pinge on jaotatud 2⁸ ehk 256 tasemeks. Kvantimistasemete arvu bittides väljendatuna nimetatakse ka digitaalsignaali lahutusvõimeks ehk resolutsiooniks (inglise keeles resolution). Diskreetimine ja kvantimine toimub AD-muundamisel ühtse protsessina.

Siinussignaalist saadud diskreetsignaal. Pideva astmelise signaali saamiseks on kasutatud diskreeditaseme hoidelülitust (sample and hold)

Diskreetimise ja kvantimise tulemusena saadakse diskreetsignaal, mida saab graafiliselt kujutada aja-väärtuse diagrammil diskreetimis- ja kvantimisvahemike poolt määratud astmelise joonega.

Analoog-digitaalmuunduri parameetrid

AD-muunduri põhiparameetrid on diskreetimissagedus (hertsides) ja kvantimissügavus (bittides).

Et ära hoida diskreetimismoonutusi, peab diskreetimissagedus olema suurem kui sisendsignaali suurima võimaliku sageduse kahekordne väärtus (vt Nyquisti sagedus). Kui see tingimus pole täidetud, lisanduvad rekonstrueerimisel võõrad, nn peegeldunud sagedused, mis avalduvad taastatud analoogsignaali moonutusena.

Mida suurem on kvantimissügavus, seda täpsemalt jäljendab diskreetsignaal analoogsignaali ja seda väiksemate kvantimismoonutustega on diskreetsignaalist võimalik rekonstrueerida (taasluua) analoogsignaali.

Olulised parameetrid on samuti ribalaius (mis ulatuses sagedusi saab mõõta) ja see, kui täpselt muundur suudab eristada signaali mürast. Ribalaiuse paneb paika enamasti diskreetimissagedus ning vähemal määral ka see, kuidas suudetakse vähendada vigu, nagu näiteks sakkimine ehk aliasing. Mida suurem on kvantimissügavust väljendav bittide arv, seda avaram on ka rekonstrueeritud analoogsignaali dünaamikaulatus.

Kui analoog-digitaalmuunduri diskreetimissagedus on üle kahe korra suurem signaali ribalaiusest, siis on võimalik see signaal pärast analoogsignaaliks muundada ilma kadudeta, kui jätta kõrvale kvantimisviga. Kvantimisviga piirab muunduri dünaamikaulatust. Kui sisendsignaali ulatus jääb aga muunduri dünaamilise ulatuse piiridesse, siis võib kvantimisvea jätta arvestamata ning tulemuseks on ideaalne ADC.

Muundamisvead

Reaalse muundustunnusjoone erinevused võrdelisest (sirgjoonelisest) sõltuvusest
a) nullpunktiviga, b) võimendusviga, c) mittelineaarsusviga

Muundamisvead avalduvad rekonstrueeritud signaalis (taasloodud analoogsignaalis) mittelineaarmoonutuse ja mürana.

Tulenevalt AD-muundamise põhimõttest kaasneb muundamisega paratamatult kvantimisviga (kvantimismüra kujul), sest kvantimistasemete arv on piiratud (ei saa olla lõpmatult suur). Sõltuvalt muunduri ehitusest ja kvaliteeditasemest võib muundatud signaalile lisanduda mitut liiki vigu:

• nullpunktiviga – muundamistunnusjoon on nullpunkti suhtes nihutatud;
• tundlikkuse viga ehk võimenduse viga – digitaalne väärtus erineb õigest väärtusest mingi püsiva suuruse võrra;
• integraalne mittelineaarsus – muundamistunnusjoon pole päris sirgjooneline;
• diferentsiaalne mittelineaarsus – tingituna kvantimisastmete ebaühtlasest laiusest.;
• kvantimisviga – seda põhjustab kvantimistasemete väike arv;
• infolünk (missing code) – bitiväärtusest ülehüppamine diferentsiaalse mittelineaarsuse tõttu;
• reageerimisviivitus – tingituna sisendsignaali hilinemisest;
• ajaline värelus (clock jitter) – tingituna muunduri taktsageduse ebastabiilsusest on diskreetimispunktide vahemikud ebaühtlased ja seetõttu kvantimisastmed erineva laiusega.

Muundamisvigu võivad põhjustada ka sisendsignaali mittelineaarmoonutused, kõrge müratase ja piiratud dünaamikaulatus.

Tüübid

AD-muundureid realiseeritakse mitmesuguste tööpõhimõtete järgi. Sisendsuuruseks on kõigis muundurites pidev elektripinge ja väljundsuuruseks digitaalsignaal.

Üldise tööpõhimõtte alusel eristatakse integreerivaid, tagasisidestatud ja paralleelmuundureid, mis võivad omakorda olla ühe- või mitmeastmelised.

Kõige laiemalt on kasutusel

• integreeriv muundur (dual-slope ADC, multi-slope ADC) – kasutusel aeglaselt muutuva sisendsignaali jaoks, näiteks multimeetrites;
• järkjärgulise lähendusega muundur (successive-approximation ADC) – suure reageerimiskiirusega tagasisidestatud muundur;
• delta-sigma-muundur (delta-sigma-converter, sigma-delta ADC) ehk ühebitimuundur – tagasisidestusega järjestikune muundur; sisendpinge muutumist antakse edasi impulsside vahega, nii et mida suurem on signaalipinge amplituudimuutus (delta, ΔU), seda tihedamalt paiknevad impulsid ajateljel, muunduril on suur muundustäpsus mõõduka diskreetmissageduse juures, reageerimiskiirus väike;
• mitmeastmeline paralleelmuundur (pipelined ADC) – suur diskreetimissagedus: kuni 5 GSPS (Giga-Samples Per Second).

Välk-ADC

Välk-ADC skeem

Välk-ADC on teisisõnu otseteisendusega analoog-digitaalmuundur. Seda tüüpi ADC-del on paigutatud paralleelselt hulk komparaatoreid. Komparaator on komponent, mis võrdleb kahte sisendit ning väljastab "1" või "0", vastavalt sellele, kas üks sisend on teisest suurem või väiksem. Seega antakse igale komparaatorile ette erinevad referentspinged ning neid võrreldakse sisendpingega. Saadud andmetest saab põhimõtteliselt hetkega kätte digitaalse info sisendpingest. Seda tüüpi ADC on kõige kiirem. Diskreetimissagedus võib ulatuda gigahertsidesse. Samuti on välk-ADC oma ülesehituselt ja loogikalt kõige lihtsam. Kuid seda tüüpi ADC on ka kõige kallim, kuna vajab 2^n-1 komparaatorit n-bitise muundamise kohta. Välk-ADC suurus, voolutarve ja hind muudavad nad ebapraktiliseks, kui on vaja üle 8-bitist täpsust (255 komparaatorit).

Võrdlemismeetodil töötav ADC

Võrdlemismeetodiga ADC koosneb põhiliselt kahendloendurist, digitaal-analoogmuundurist ja komparaatorist. Teisendusprotsess on järgmine:

• Loendurisse tuleb impulss-signaal, iga impulsiga kasvab loendatud väärtus.
• Loendurist lähevad andmed D/A-muundurisse, kust liiguvad edasi komparaatorisse.
• Komparaator võrdleb D/A-st tulnud pinget ja sisendpinget.
• Loendur pannakse seisma, kui D/A-muundurist tulnud pinge saab suuremaks kui analoogpinge, ning see registreeritakse.

Selle komparaatori puhul tuleb halvimal juhul lugeda 2ⁿ impulssi, enne kui mingi väärtus registreeritakse, ning see muudab teisendamise ajakulukaks. Samuti lisanduvad ka D/A-muunduri vead. Sellise komparaatori eelisteks on lihtne ülesehitus, kuna see vajab vaid ühte komparaatorit, ning see on mõõtmetelt väike ja hinnalt odav.

Järgiva muunduriga ADC

Järgiv ADC

Töökäik selle ADC puhul on väga sarnane tavalise võrdlemismeetodiga ADC-ga. Ainsaks erinevuseks on see, et loendur loeb kas üles või alla vastavalt sellele, kas DA-muunduri signaal on suurem või väiksem kui registreeritav signaal. See ADC on kuni kaks korda kiirem kui tavaline võrdlemismeetodiga ADC, kuna loendur jõuab õige pingeni tõenäoliselt kiiremini. See on nii vaid aeglaselt muutuva signaali puhul, kiirema signaali puhul tulevad sisse suuremad vead. Seadme põhiosad on komparaator, DA-muundur ja kontroll-loogika. Ka selle ADC puhul võrdleb komparaator sisendpinget ja D/A-muundurist tulnud väärtust. DAC-sse tulevad väärtused aga kontroll-loogikast. Kontroll-loogika annab DA-muundurile kahendarve järgmise loogikaga (eeldades, et sisendpinge on 7,2 V ja muundur on 4-bitine):

• Kõige tähtsam bitt (MSB) seatakse kõrgeks ehk kahendväärtuseks on 1000 (kümnendsüsteemis 8).
• Kontroll-loogika saab tagasi vastuse, et sisendväärtus on väiksem.
• MSB pannakse tagasi madalaks ning kõrgeks tehakse järgmine bitt ja kahendväärtuseks, mis DA-muundurini jõuab, on nüüd 0100 (kümnendsüsteemis 4).
• Kontroll-loogika saab komparaatorilt vastuse, et 4 on väiksem ning see jäetakse kõrgeks.
• Niimoodi võrreldakse läbi väärtused kõigi bittidega.
• Lõpuks arv registreeritakse.

Selle ADC töötamise eelduseks on, et taktsagedus peab olema N korda suurem kui diskreetimissagedus. Järjestikuse lähenemise meetod võimaldab teha üsna suure resolutsiooniga ja laia tööpiirkonnaga muundureid. ADC diskreetimissageduse saab viia üsna kõrgeks, kuna maksimaalne võrdlemiste arv ühe väärtuse registreerimise kohta on võrdne AD-muunduri resolutsiooniga. Puuduseks on keerukus, kuna muundur vajab eraldi kontroll-loogikat.

Kasutusalade näiteid

Muusika salvestamine

Analoog-digitaalmuundurid on lahutamatu osa tänapäeva muusikatööstuse juures. Enamik modernset muusikat toodetakse just arvuteid ja analoogsalvestust kasutades. Kuna muusikat on vaja töödelda ja CD-plaadile kirjutada, on see vaja muuta digitaalseks. Praeguste muusika tegemiseks kasutatavate analoog-digitaalmuundurite diskreetimissagedus küündib kuni 192 kilohertsini, see on 192 tuhat muundamist sekundis. Enamik stuudioid salvestab muusikat 24-bitise ja 192–176,4 kilohertsise ADC-ga ning hiljem teisendatakse see 44,1 kHz-ks CD-de jaoks või 48 kHz-ks raadio ja televisiooni jaoks.

Digitaalne signaalitöötlus

Et ükskõik millist signaali töödelda, hoiustada või transportida, tuleb see kõigepealt muundada digitaalsesse vormi. AD-muundur on teleris, et muundada teleantenni kinnipeetav analoogsignaal digitaalseks. Mikrokontrollerites, mida kasutatakse tänapäeval põhimõtteliselt igas elektroonikaseadmes, on suhteliselt aeglased 8-, 10-, 12- või 16-bitised muundurid.

Ajalugu

Ei ole täpselt teada, millal esimene ADC tehti ja milline see oli. Kuid kõige varasem teadaolev andmete muundur ei olnudki elektrooniline, vaid hoopis hüdrauliline. See asus Türgis 18. sajandil ning valmistati täpsemaks vee koguste mõõtmiseks. Kuni 1950. aastate keskpaigani kasutati andmete muundureid ainult kindla funktsiooniga seadmetes, näiteks sõnumite dekrüptimisel Teise maailmasõja ajal, kuna kasutusel oli kohmakas ja kallis elektronlampidel põhinev tehnoloogia. Firma nimega Epsco Engineering tuli välja esimese avalikult kättesaadava analoog-digitaalmuunduriga aastal 1954. See oli 11-bitine, 500 W võimsustarbega, suurte mõõtmetega (0,5 m × 0,4 m × 0,66 m) ning maksis 9000 dollarit. Kui 1960. aastatel tuli kasutusele transistorloogika, siis hakkas elektroonika järk-järgult muutuma väiksemaks ja odavamaks, sealhulgas ka ADC-d.