Przetwarzanie analogowo-cyfrowe sygnałów

Transkrypt

1 Przetwarzanie analogowo-cyfrowe sygnałów A/C

2 Po co przekształcać sygnał do postaci cyfrowej? Można stosować komputerowe metody rejestracji, przetwarzania i analizy sygnałów parametry systemów cyfrowych nie podlegają zmianom w czasie są m.in. niezależnie od zmian temperatury można stosować złożone procedury przetwarzania i analizy sygnałów, które dzięki programowej realizacji można łatwo modyfikować sygnał w postaci cyfrowej łatwo zapamiętać w postaci elektronicznej i przesyłać 2

3 Przykład elektronicznego układu analogowego R T R L Gen 3

4 Przykład elektronicznego układu cyfrowego (Hi) V (Lo) -.8 V t 4

5 Sygnał dyskretny a sygnał cyfrowy Sygnał dyskretny, którego próbki skwantowano do wartości dyskretnych nazywamy sygnałem cyfrowym x c (nt) Cztery poziomy kwantowania T n 5

6 Sygnał cyfrowy Kwantyzacja amplitudy próbek jest działaniem nieodwracalnym, np. round(4.3)=4 x c (nt) T n 6

7 Szum kwantyzacji 2Q Q -Q -2Q Q Q/2 -Q/

8 Szum kwantyzacji (ang. quantization noise) 15 Sygnal i sygnal skwantowany Odstęp kwantyzacji: q B A 2 1 q SNR q 24 db Szum kwantyzacji A.5 q Szum kwantyzacji: A SNRq 2 log1 2 log1 q 1 6 B B log 2 B db np. dla B=8, SNR q 48 db

9 Kodowanie cyfrowe a odstęp sygnału od szumu kwantowania Praktyczny wzór do zapamiętania:! SNR db 6B [ db] np. 11 bitów próbkowania sygnału EKG w bazie MIT-BIH zapewnia dynamikę sygnału ~65 db Wniosek: parametr SNR zwiększa się o 6dB z powiększeniem o 1 bit długości słowa kodującego próbki sygnału. 9

10 Sygnał cyfrowy przykład EKG Dane: W bazie sygnałów EKG MIT-BIH Arrhythmia Database do przetworzenia sygnału do postaci cyfrowej zastosowano częstotliwość próbkowania f s =36 Hz oraz 11 bitowy przetwornik A/C przetwarzający zakres napięć wejściowych +- 5 mv. Szukane: Wyznaczyć rzeczywiste wartości amplitud w mv oraz chwile czasowe w sek. odpowiadające kolejnym próbkom sygnału EKG 18? ?? 1

11 Sygnał cyfrowy przykład EKG Zadanie: W bazie danych MIT/BIH Arrhythmia Database próbki sygnałów EKG są kodowane słowami 11-bitowymi. Zakres przetwarzania przetwornika A/C wynosi -5mV - +5mV. Jak przeliczyć skwantowane wartości na wartości napięć? + 5mV 247 V t 123-5mV T=1/36 11

12 Amplituda [mv] Sygnał cyfrowy przykład EKG 1.2 plot(t,ekg); Czas [s] 12

13 Zakres przetwarzania przetwornika AC + 5mV Jaki zakres napięć? 247 max=1228 V t 123-5mV min=12 T 13

14 Cyfrowy system akwizycji sygnałów sygnał analogowy sygnał cyfrowy Sonda zakłócenie > + tor pomiarowy A/C Przetwarzanie i analiza cyfrowa - procesor sygnałowy - program komputerowy Wynik (sygnał, parametr, diagnoza) filtr antyaliasingowy 14

15 Cyfrowy system przetwarzania sygnałów sygnał analogowy x t A/C przetwarzanie w czasie rzeczywistym Przetwarzanie i analiza cyfrowa C/A sygnał analogowy xˆ t x t xˆ t 15

16 Konstrukcje przetworników AC sygnał analogowy x t Układ próbujący z pamięcią Przetwornik napięcia stałego na słowo binarne ciąg słów binarnych Przetwornik analogowo-cyfrowy 16

17 Układ próbkujący z pamięcią _ x t sygnał analogowy xˆ t C + xˆ t 17

18 Przetwornik A/C typu flash U maks U we R R R R 1 1 Enkoder N n MSB 1 LSB komparatory napięcia N=2 n -1 18

19 Działanie komparatora V in V O V ref V O ={V H,V O } V O ={,1} V ref from: 19

20 Przetwornik C/A z sumowaniem prądów LSB 1 1 8R 4R 2R R s MSB R _ W + U wy 2

21 Przetworniki A/C i C/A Obecnie przetworniki A/C i C/A są dostępne w postaci układów scalonych (m.in. są elementami procesorów jednoukładowych). Ich podstawowe parametry to: zakres napięć wejściowych/wyjściowych liczba bitów czas przetwarzania, np. 2 us błąd nieliniowości np. ½ LSB Analog Devices 21

22 Podsumowanie Cyfryzacja sygnału- po co? Kwantyzacja SNR szum kwantyzacji Przetworniki A/C i C/A 22