Каналы ацп что это
Как выбрать преобразователь аудиосигнала
АЦП, ЦАП: зачем нужен преобразователь аудиосигнала?
ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь – нужен для преобразования аудиосигнала из цифрого формата в аналоговый; обычно, для передачи в усилитель или немедленного озвучивания.
Все современные форматы записи аудио используют цифровое представление. И треки на CD или blu-ray дисках, и mp3-файлы, и музыка с iTunes – все они хранятся в цифровом формате. И для того, чтобы воспроизвести эту запись, её надо преобразовать в аналоговый сигнал – эту функцию и выполняет цифро-аналоговый преобразователь. Встроенный ЦАП присутствует в любом устройстве, воспроизводящем музыку. Но часто бывает, что качество проигрывания одних и тех же аудиофайлов (или треков с одного и того же диска) на разных плеерах заметно отличается. Если при этом используются одинаковые усилители и наушники, значит, проблема в ЦАП плеера.
Аудиосигнал, прошедший через низкокачественный ЦАП
ЦАПы бывают разные: дешевые преобразователи с низким энергопотреблением (часто используемые производителями в мобильных устройствах) имеют низкое быстродействие и малую разрядность, что сильно сказывается на качестве звука.
Кроме того, внешний ЦАП может оказаться очень полезным при прослушивании музыки, записанной в loseless-форматах (форматах записи аудио без потерь качества) с высокой дискретизацией, обеспечивающей максимальное подобие записи и оригинала. Поскольку распространяются такие записи, в основном, через Интернет, часто их прослушивают прямо с компьютера. Но качественная звуковая карта редко встречается на ноутбуках и планшетах, да и встроенные в материнскую плату десктопного компьютера звуковые карты не отличаются высоким качеством. И в этом случае весь смысл прослушивания loseless музыки теряется абсолютно. Ситуацию можно исправить, если на компьютере есть цифровой аудиовыход, например, S/PDIF. Подключив к нему ЦАП с частотой дискретизации и разрядностью не меньшей, чем у прослушиваемой записи, можно получить аналоговый сигнал высокого качества.
Еще один приятный бонус можно получить, приобретя ЦАП с поддержкой Bluetooth. Это позволит слушать отличную музыку на подключенных к преобразователю динамиках, не будучи «привязанным» к нему проводами. Для мобильного компьютера (планшета или ноутбука) это может оказаться очень удобным. Кроме того, с таким преобразователем вы сможете проигрывать музыку с других устройств, поддерживающих Bluetooth и легко переключаться между ними.
АЦП – аналого-цифровой преобразователь – нужен, наоборот, для преобразования аналогового аудиосигнала в цифровой формат. АЦП будет незаменим при оцифровке (переводе в цифровой формат) старых аналоговых записей: на грампластинках, аудио и видеокассетах. Также АЦП потребуется при записи в цифровом виде «живого» звука с микрофона. Плееры с функцией записи и компьютерные звуковые карты имеют встроенный АЦП, но если вам важно качество оцифровки, лучше доверить эту задачу специализированному устройству.
Несмотря на совершенно противоположные задачи, АЦП и ЦАП обладают некоторыми общими характеристиками, оказывающими большое влияние на качество преобразования.
Характеристики преобразователей аудиосигнала.
Для АЦП частота дискретизации определяет, с какой частотой преобразователь будет измерять амплитуду аналогового сигнала и передавать её в цифровом виде. Для ЦАП – наоборот, с какой частотой цифровые данные будут конвертироваться в аналоговый сигнал.
Чем выше частота дискретизации, тем результат преобразования ближе к исходному сигналу. Казалось бы, чем выше этот показатель, тем лучше. Но, согласно теореме Котельникова, для передачи сигнала любой частоты достаточно частоты дискретизации, вдвое большей частоты самого сигнала. С учетом того, что самая высокая частота, различимая на слух – 20 кГц (у большинства людей верхняя граница слышимого звука вообще проходит в районе 15-18 кГц), частоты дискретизации в 40 кГц должно быть достаточно для качественной оцифровки любого звука. Частота дискретизации audio CD: 44.1 кГц, и максимальная частота дискретизации mp-3 файлов: 48 кГц, выбраны как раз исходя из этого критерия. Соответственно, ЦАП, проигрывающий аудиотреки и mp3-файлы, должен иметь частоту дискретизации не менее 48 кГц, иначе звук будет искажаться.
Зеленым цветом показан исходный аудиосигнал, состоящий из нескольких гармоник, близких к 20 кГц. Малиновым цветом обозначен цифровой сигнал, дискретизированный с частотой 44.1 кГц. Синим цветом обозначен аналоговый сигнал, восстановленный из цифрового. Хорошо заметны потери в начале и конце отрезка.
Теоретически, такой частоты дискретизации должно быть достаточно, но практически иногда возникает надобность в большей частоте: реальный аудиосигнал не полностью отвечает требованиям теоремы Котельникова и при определенных условиях сигнал может искажаться. Поэтому у ценителей чистого звука популярны записи с частотой дискретизации 96 кГц.
Частота дискретизации ЦАП выше, чем у исходного файла, на качество звука не влияет, поэтому приобретать ЦАП с частотой дискретизации выше 48 кГц имеет смысл, только если вы собираетесь прослушивать с его помощью blu-ray и DVD-аудио или loseless музыку с частотой дискретизации, большей 48 кГц.
Если вы твердо нацелились на приобретение преобразователя с частотой дискретизации выше 48 кГц, то экономить на покупке не стоит. ЦАП, как и любое другое аудиоустройство, добавляет в сигнал собственный шум. У недорогих моделей шумность может быть довольно высокой, а с учетом высокой частоты дискретизации, на выходе такого преобразователя может появиться опасный для динамиков ультразвуковой шум. Да и в слышимом диапазоне шумность может оказаться настолько высокой, что это затмит весь выигрыш от повышения частоты дискретизации.
Чем выше разрядность, тем выше точность измерения или восстановления амплитуды сигнала
Разрядность – вторая характеристика, непосредственно влияющая на качество преобразования.
Разрядность ЦАП должна соответствовать разрядности аудиофайла. Если разрядность ЦАП будет ниже, он, скорее всего, просто не сможет преобразовать этот файл.
Треки audio CD имеют разрядность 16 бит. Это подразумевает 65536 градаций амплитуды – в большинстве случаев этого достаточно. Но теоретически, в идеальных условиях, человеческое ухо способно обеспечить большее разрешение. И если о разнице между записями с дискретизацией 96 кГц и 48 кГц можно спорить, то отличить 16-битный звук от 24-битного при отсутствии фонового шума могут многие люди с хорошим слухом. Поэтому, если ЦАП предполагается использовать для прослушивания DVD и Blu-ray аудио, следует выбирать модель с разрядностью 24.
Чем выше разрядность АЦП, тем с большей точностью измеряется амплитуда звукового сигнала.
При выборе АЦП следует исходить из того, какие задачи с его помощью предполагается решать: для оцифровывания «шумных» аудиозаписей со старых магнитофонных лент высокая разрядность АЦП не нужна. Если же вы планируете получить качественную цифровую запись со студийного микрофона, имеет смысл воспользоваться 24-битным АЦП.
Количество каналов определяет, какой звук сможет преобразовывать устройство. Двухканальный преобразователь сможет обрабатывать стерео и моно звук. Но для преобразования сигнала формата Dolby Digital или Dolby TrueHD понадобится, соответственно, шести- или восьмиканальный преобразователь.
Соотношение сигнал/шум определяет уровень шума, добавляемого в сигнал преобразователем. Чем выше этот показатель, тем более чистым остается сигнал, проходящий через преобразователь. Для прослушивания музыки нежелательно, чтобы этот показатель был ниже 75 дБ. Hi-Fi аппаратура обеспечивает минимум 90 дБ, а высококачественные Hi-End устройства способны обеспечить отношение сигнал/шум в 110-120 дБ и выше.
Преобразователи аудиосигнала скорее относятся к студийному и домашнему оборудованию, поэтому питание большинства преобразователей производится от сети 220В. Но существуют и преобразователи, которые питаются от аккумуляторов и могут быть использованы автономно. Это может оказаться удобным при использовании преобразователя с мобильным устройством – ноутбуком, планшетом, смартфоном или плеером.
Некоторые преобразователи получают питание через разъем micro-USB, при этом получать (или передавать) аудиосигнал через этот разъем они не могут. Если вам важно, чтобы ЦАП мог читать аудиофайлы на USB-носителях, перед покупкой убедитесь, что USB на устройстве используется не только для питания.
Варианты выбора.
Если вам нужно устройство, с помощью которого можно будет оцифровать старые магнитофонные записи или записать на компьютер звук с микрофона, вам нужен аналогово-цифровой преобразователь. Цены на них начинаются от 1100 рублей.
Если вы желаете получить устройство для качественного проигрывания аудифайлов со смартфона с возможностью беспроводного соединения, выбирайте среди ЦАП с поддержкой Bluetooth. Такое устройство обойдется вам в 1400-1800 рублей.
Если же вы желаете услышать все богатство звука, записанного в loseless-формате с высокой частотой дискретизации и битностью 24, вам понадобится соответствующий ЦАП. Стоить он будет от 1700 рублей.
25.4. Каналы АЦП
Чтобы упростить использование модуля АЦП, у него предусмотрено четыре отдельных регистра управления мультиплексорами, каждому из которых соответствует свой регистр результата. Регистровая пара мультиплексора/результата называется каналом АЦП (см. рисунок 25.1). Каждый канал АЦП раздельно настраивается на измерение различных входных источников, использует различные условия запуска преобразования, события и прерывания. Результат преобразования запоминается в разных регистрах результата.
Вот один из вариантов использования каналов АЦП: одна пара регистров мультиплексора/результата настроена на выполнение несимметричных измерений, запускаемых сигналом события, другая пара регистров мультиплексора/результата отвечает за дифференциальное измерение, инициированное другим сигналом события и, наконец, две оставшихся пары регистров измеряют еще два входных источника под управлением программы.
Все каналы АЦП для выполнения преобразования используют один и тот же АЦП, однако, благодаря его конвейерной архитектуре, новое преобразование можно запускать по каждому циклу синхронизации АЦП. Это означает, что одновременно и независимо, не требуя изменений настроек мультиплексора, могут прогрессировать несколько преобразований.
Результат преобразований каждого канала сберегается в отдельном регистре. По мере выполнения очередных преобразований в этом канале, обновляться будет именно его регистр результата, не затрагивая прочие регистры результата. Благодаря такому механизму преобразований, снижается сложность программы, а различные программные модули получают возможность начать преобразования и считать их результат полностью независимого друг от друга.
25.5. Выбор опорного напряжения
В качестве опорного напряжения АЦП (VREF) можно выбрать следующие напряжения:
Рисунок 25.8. Выбор опорного напряжения АЦП
25.6. Результат преобразования
АЦП можно настроить на работу в знаковом или беззнаковом режиме. Данная настройка является глобальной и, таким образом, распространяется на весь модуль АЦП и на все его каналы.
Если какой-либо из входов АЦП настроен на дифференциальное измерение, необходимо использовать знаковый режим. В беззнаковом режиме возможно измерение только внешних или внутренних несимметричных сигналов.
Результат аналогово-цифрового преобразования (RES) записывается в один из регистров результата. Передаточная функция АЦП имеет следующий вид:
Программно можно задать разрешающую способность результата 8 или 12 бит. Преобразование с более низкой разрешающей способностью выполняется быстрее. О том, как рассчитать задержку распространения см. в 25.9 «Синхронизация и временная диаграмма преобразования АЦП».
Регистры результата являются 16-битными. 8-битный результат всегда представляется в 16-битном регистре результата с правым выравниванием. Правое выравнивание означает, что 8 младших бит результата помешаются в младший байт регистра результата. 12-битный результат может быть представлен как с левым, так и с правым выравниванием. Левое выравнивание означает, что 8 старших бит результата помещаются в старший байт регистра результата.
Когда АЦП работает в знаковом режиме, старший бит результата является битом знака. В 12-битном режиме с правым выравниванием, бит знака (бит 11) копируется во все неиспользуемые старшие биты, т.е. биты 12…15. Это необходимо для того, чтобы хранящееся в регистре результата 16-битное значение автоматически воспринималось в программе, как 16-битное знаковое значение. Аналогичным образом, в 8-битном режиме бит знака (бит7) копируется во все биты старшего байта.
На рисунках 25.9…25.11 представлены входные диапазоны и представление 12-битного результата с правым выравниванием для различных входов.
Рисунок 25.9. Знаковый дифференциальный вход с усилением: входной диапазон и представление результата
Рисунок 25.10. Знаковый несимметричный внешний или внутренний вход: входной диапазон и представление результата
Рисунок 25.11. Беззнаковый несимметричный внешний или внутренний вход: входной диапазон и представление результата
25.7. Функция сравнения
Модуль ADC поддерживает функцию 12-битного сравнения. Для хранения 12-битного значения, которое соответствует аналоговому пороговому напряжению, предусмотрен регистр сравнения модуля ADC. Каждый из каналов ADC можно настроить на автоматическое выполнение сравнения результата преобразования с заданным 12-битным значением и генерацию прерывания или события в случае, если результат преобразования больше или меньше порога.
Все четыре канала ADC работают с одним и тем же регистром сравнения.
25.8. Запуск преобразования
Перед тем как запустить преобразование, необходимо выбрать требуемые входные источники для одного или более каналов ADC. Запустить преобразование в канале ADC можно либо программной записью единицы в бит запуска преобразования канала ADC, либо событием системы событий. Допускается одновременная запись бит запуска преобразования нескольких каналов ADC или использование одного и того же события для одновременного запуска преобразований в нескольких каналах ADC. Используя эту возможность, можно добиться сканирования нескольких или всех каналов ADC под управлением одного события.
25.9. Синхронизация и временная диаграмма преобразования АЦП
Рисунок 25.12. Предделитель АЦП
Максимальная частота преобразований АЦП равна частоте его синхронизации (fADC). АЦП может инициировать новое преобразование по каждому циклу синхронизации АЦП.
Частота преобразования = fADC
Задержка распространения АЦП определяется по выражению:
Задержка распространения = (1 + 0.5·RES + GAIN)/fADC,
Несмотря на то, что задержка распространения составляет более одного цикла синхронизации АЦП, конвейерная архитектура исключает любые ограничения на соотношение частоты преобразования и задержки распространения.
25.9.1. Одиночное преобразование без усиления
На рисунке 25.13 показана временная диаграммы работы АЦП при выполнении одиночного преобразования без усиления. Для фактического запуска преобразования АЦП необходимо, чтобы записанный бит запуска преобразования или событие запуска преобразования (START), удерживалось в активном состоянии минимум один цикл синхронизации УВВ перед началом цикла синхронизации АЦП (см. залитую серым цветом наклонную область на графике START).
Выборка источника аналогового входа выполняется за первую половину первого цикла и, таким образом, время выборки всегда равно половине периода синхронизации АЦП. Снижение или увеличение частоты синхронизации АЦП оказывает прямое влияние на величину времени выборки.
Старший бит результата преобразования оцифровывается первым, а на оцифровку остальных бит затрачивается 3 (8-битное преобразование) или 5 (12-битное преобразование) циклов синхронизации АЦП. На преобразование одного бита затрачивается половина периода синхронизации АЦП. По ходу последнего цикла выполняется подготовка результата преобразования, а затем устанавливается флаг прерывания. Результат доступен для считывания в регистре результата.
Рисунок 25.13. Временная диаграмма одиночного преобразования без усиления
25.9.2. Одиночное преобразование с усилением
На рисунке 25.14 показана временная диаграмма работы АЦП при выполнении одиночного преобразования с усилением. Как было показано в 25.2 «Обзор» усилительный каскад расположен перед АЦП. Это означает, что вначале выполняются выборка и усиление источника аналогового входа в усилительном каскаде, а уже затем АЦП выполняет преобразование выборки усиленного аналогового напряжения. По сравнению с одиночным преобразованием без усиления здесь требуется один дополнительный цикл синхронизации АЦП (между START и выборкой АЦП) для выборки и усиления в усилительном каскаде. Время выборки в усилительном каскаде равно половине цикла синхронизации АЦП.
Рисунок 25.14. Временная диаграмма одиночного преобразования с усилением
25.9.3. Одиночные преобразования в двух каналах АЦП
На рисунке 25.15 показана временная диаграмма работы АЦП при выполнении одиночных преобразований в двух каналах АЦП. Благодаря конвейерной архитектуре АЦП, второе преобразование можно запустить в следующем цикле синхронизации АЦП после запуска первого преобразования. В этом примере оба преобразования запускаются одновременно, но фактически канал 1 АЦП (CH1) не запускается, пока не завершится выборка и преобразование старшего бита в канале 0 (CH0).
Рисунок 25.15
25.9.4. Одиночные преобразования в двух каналах АЦП и с усилением в канале 0
На рисунке 25.16 показана временная диаграмма преобразований в двух каналах АЦП и с усилением в канале 0. Поскольку усилительный каскад добавляет один цикл на выборку и усиление, выборка канала 1 также задерживается на один цикл синхронизации АЦП вплоть до завершения выборки и преобразования старшего бита в канале 0.
Рисунок 25.16. Временная диаграмма одиночных преобразований в двух каналах АЦП с усилением в канале 0
25.9.5. Одиночные преобразования в двух каналах АЦП и с усилением в канале 1
Временная диаграмма преобразований в двух каналах АЦП и с усилением в канале 1 показана на рисунке 25.17.
Рисунок 25.17. Временная диаграмма преобразований в двух каналах АЦП
25.9.6. Автоматический режим с усилением в двух каналах АЦП
Рисунок 25.18. Временная диаграмма АЦП в автоматическом режиме
Раскладываем по полочкам параметры АЦП
Привет, Хабр! Многие разработчики систем довольно часто сталкиваются с обработкой аналоговых сигналов. Не все манипуляции с сигналами можно осуществить в аналоговой форме, поэтому требуется переводить аналог в цифровой мир для дальнейшей постобработки. Возникает вопрос: на какие параметры стоит обратить внимание при выборе микроконтроллера или дискретного АЦП? Что все эти параметры означают? В этой статье постараемся детально рассмотреть основные характеристики АЦП и разобраться на что стоит обратить внимание при выборе преобразователя.
Введение
Рис. 1: Идеальная характеристика АЦП
Статические параметры
Рис. 4: Дифференциальная нелинейность
Рис. 5: Интегральная нелинейность
Динамические параметры
Наглядно данное выражение продемонстрированно на рисунке 7.
Рис. 7: Отношение сигнал/шум
Для оценки SNR АЦП при разработке системы можно воспользоваться следующей формулой:
Первые 2 слагаемых учитывают уровень сигнала и ошибку квантования (нужно понимать, что формула верна для сигнала размаха полной шкалы). Третье слагаемое учитывает эффект передискретизации (выигрыш по обработке или processing gain): если полоса обрабатываемого сигнала (BW Свойство переноса спектра при дискретизации
Рис 12: дискретизация непрерывного сигнала
По фильтрующему свойству дельта-функции:
После дискретизации 
:
где 
С помощью формулы Релея вычислим спектр:
Из этого выражения следует что спектр сигнала будет повторяться во всех зонах Найквиста.
Итак, если есть хороший антиэлайзинговый фильтр, то соблюдая критерий Найквиста, можно оцифровывать сигнал с частотой дискретизации намного ниже полосы АЦП. Но использовать субдискретизацию нужно осторожно. Следует учитывать, что динамические параметры АЦП деградируют (иногда очень сильно) с ростом частоты входного сигнала, поэтому оцифровать сигнал из 6-й зоны так же «чисто», как из 1-й не получится.
Несмотря на это субдискритезация активно используется. Например, для обработки узкополосных сигналов, когда не хочется тратиться на дорогой широкополосный быстродействующий АЦП, который вдобавок имеет высокое потребление. Другой пример – выборка ПЧ (IF-sampling) в РЧ системах. Там благодаря undersampling можно исключить из радиоприемного тракта лишнее аналоговое звено — смеситель (который переносит сигнал на более низкую несущую или на 0).
Сравним архитектуры
На данный момент в мире существует множество различных архитектур АЦП. У каждой из них есть свои преимущества и недостатки. Не существует архитектуры, которая бы достигала максимальных значений всех, описанных выше параметров. Проанализируем какие максимальные параметры скорости и разрешения смогли достичь компании, выпускающие АЦП. Также оценим достоинства и недостатки каждой архитектуры (более подробно о различных архитектурах можно прочитать в статье на хабр).
| Тип архитектуры | Преимущества | Недостатки | Максимальное разрешение | Максимальная частота дискретизации |
| flash | Быстрый преобразователь. Преобразование осуществляется в один такт. | Высокое энергопотребление. Ограниченное разрешение. Требует большой площади кристалла (  компараторов). Трудно согласовать большое количество элементов (как следствие низкий выход годных). | 14 бит 128 КВыб/с AD679 | 3 бит 26 ГВыб/с HMCAD5831 |
| folding-interpolated | Быстрый преобразователь. Преобразование осуществляется в один такт. Требует меньшее число компараторов благодаря предварительной «свёртке» всего диапазона обработки в некоторый более узкий диапазон. Занимает меньше площади. | Ошибки, связанные с нелинейностью блока свёртки. Задержка на установление уровней в блоке свёртки, которая уменьшает максимальную fs. Среднее разрешение. | 12 бит 6.4 ГВыб/с ADC12DL3200 | 12 бит 6.4 ГВыб/с ADC12DL3200 |
| SAR | Высокая точность. Низкое энергопотребление. Легка в использовании. | Ограниченная скорость. | 32 бит 1 МВыб/с LTC2500 | 10 бит 40 МВыб/с XRD64L43 |
| pipeline | Быстрый преобразователь. Самая высокая точность среди быстрых АЦП. Не занимает большую площадь. Имеет меньшее потребления, среди аналогичных быстрых преобразователей. | Конвейерная задержка. | 24 бит 192 КВыб/с AK5386 | 12 бит 10.25 ГВыб/с AD9213 |
| dual-slope | Средняя точность преобразования. Простота конструкции. Низкое потребление. Устойчивость к изменениям факторов внешней среды. | Обрабатывает низкочастотные Сигналы (низкая fs). Посредственное разрешение. | 12+знаковый бит 10 Выб/с TC7109 | 5+знак бит 200 КВыб/с HI3-7159 |
| ∑-Δ | Самая высокая точность пре- Образования благодаря эффекту «Noise shaping» (специфическая фильтрация шума квантования) и передискретизации. | Не может работать с широкополосным сигналом. | 32 бита 769 КВыб/с AK5554 | 12 бит 200МВыб/с ADRV9009 |
Информацию для таблицы брал на сайте arrow, поэтому если что-то упустил поправляйте в комментариях.