CAN

De la Wikipedia, enciclopedia liberă

CAN sau Convertor Analogic Numeric reprezintă un bloc sau un circuit care poate accepta o mărime analogică (curent, tensiune) la intrare, furnizând la ieşire un număr care constituie o aproximare (mai mult sau mai puţin exactă) a valorii analogice a semnalului de la intrare.

Spre deosebire de o mărime analogică ale cărei valori se pot găsi în orice punct din domeniul său de variaţie, mărimea numerică (sau digitală) posedă numai o variaţie în trepte. Astfel, întreg domeniul de variaţie este divizat într-un număr finit de „cuante" (trepte elementare) de mărime determinată de rezoluţia sistemului, în acest mod, diferenţa între cele mai apropiate valori numerice nu poate fi făcută mai mică decât această treaptă elementară, ceea ce face ca, principial, reprezentarea informaţiei sub forma numerică să fie legată de introducerea unei erori, numită de „ eroare cuantificare".

Cu toate că un sistem pur analogic este capabil (cel puţin în mod teoretic) de o acurateţe mai bună decât un sistem hibrid (analog/numeric) această acurateţe este rar folosită în mod complet. Acest lucru se datorează formei analogice a semnalului care nu permite o citire, înregistrare sau interpretare de mare exactitate. Pe de-altă parte, datele sub formă numerică reprezintă deja o formă în care se face manipularea, prelucrarea sau memorarea lor, teoretic fără nici o eroare sau practic, cu erori extrem de mici. Odată transformate în forma numerică, datele pot fi prelucrate matematic, sortate, analizate sau folosite pentru diverse funcţii de control mult mai precis, rapid şi flexibil decât sub formă analogică, în plus, dacă după achiziţia lor este nevoie de un volum mare de prelucrare, forma numerică prezintă din nou avantaj deoarece posibilitatea de acumulare a unor erori prin manipulări succesive este extrem de mică. De asemenea, forma numerică prezintă un avantaj considerabil în cazul păstrării datelor pentru durate mari, prin posibilitatea stocării lor în memorii nevolatile de mare capacitate.

Orice mărime electrică, având o formă analogică trebuie transformată în prealabil, într-o formă numerică pentru a putea fi prelucrată sub o formă sau alta de un astfel de sistem de prelucrare.

Este evident că un convertor A/N care prelucrează un semnal provenind de la un traductor de temperatură nu poate fi folosit la codificarea unui semnal video produs de o cameră de luat vederi. Cerinţele impuse de fiecare dintre cazurile de mai sus sunt extrem de diferite, ele fiind determinate de caracteristicile diferite de frecvenţă (lăţimea de bandă) ale semnalelor supuse conversiei, precum şi de exactitatea cu care este necesară codificarea numerică a informaţiei analogice. Din acest punct de vedere există o serie întreagă de sisteme de conversie analog/numerică, începând cu cele mai lente, destinate conversiei semnalelor statice, de bandă foarte joasă si ajungând până la sistemele de conversie ultra rapide, folosite la conversia semnalelor de bandă foarte largă (radar, TV etc.). De cele mai multe ori, datele obţinute în urma achiziţiei şi prelucrării numerice trebuie să fie utilizate tot sub forma analogică. Această cerinţă impune transformarea formei lor numerice în formă analogică, proces care se realizează cu convertorul numeric/analogic (CNA).

Terminologie şi parametri caracteristici convertoarelor analog-numerice

---

• Bit

Denumirea din limba engleză a cifrei binare, „bit", se foloseşte în primul rând în legătură cu sistemul de numeraţie binar, cu sensul ei propriu, în conversia de date analog-numerică si numeric-analogică ea este folosită într-un sens mai larg pentru a exprima tot ceea ce este legat de producerea sau conversia unui bit. Astfel se folosesc noţiunile „curent de bit", „tensiune de bit" sau „reţea rezistivă. de N biţi", etc. în fiecare din aceste cazuri această noţiune poartă cu sine proprietăţile cifrei binare - cele două stări, corespunzătoare valorilor binare „0" şi „1" şi ponderea dată de poziţia în număr.

• Bit de semnificaţie maximă (BSMax, MSB)

În sistemul de numeraţie binar, bitul de semnificaţie maximă este cifra poziţionată (de obicei) la scriere în partea de extremă stângă şi care are ponderea maximă în număr.

• Bit de semnificaţie minimă(BSMin, LSB)

În sistemul de numeraţie binar, cifra cea mai puţin semnificativă este bitul de semnificaţie minimă, amplasat de regulă în extrema dreaptă a numărului. Acest bit poartă într-un sistem numeric cea mai mică informaţie care are sens, reprezentând deci rezoluţia sistemului respectiv. Din această cauză toate erorile analogice trebuie să reprezinte fracţiuni din valoarea (curent sau tensiune) asociată acestui bit.

• Codificator

În conversia de date un circuit de codificare (ENCODER) reprezintă un convertor analog/numeric. El mai este denumit digitizor sau cuantificator.

• Cuantificare

Divizarea intervalului de variaţie (tensiune, curent) al unei mărimi analogice într-un număr determinat de trepte („cuante") de amplitudine egală, în scopul exprimării valorii analogice sub formă de număr, constituie procesul de cuantificare al unui semnal analogic. Mărimea treptelor rezultate în urma cuantificării este egală cu raportul dintre valoarea intervalului maxim de variaţie şi numărul lor, fiecare astfel de „cuantă" fiind delimitată de două nivele de cuantificare succesive.

• Caracteristica de transfer

Dependenţa dintre mărimea de ieşire a unui convertor şi mărimea sa de intrare reprezintă caracteristica de transfer a convertorului. Deoarece una dintre cele două mărimi are întotdeauna o variaţie analogică iar cealaltă o variaţie numerică, caracteristica de transfer atât a unui CAN cât si a unul CNA are o variaţie în trepte.

• Rezoluţia

Rezoluţia unui convertor este parametrul care caracterizează numărul de stări (nivele) distincte care pot fi deosebite de convertor. De obicei, rezoluţia se exprimă în biţi, în procente din valoarea diapazonului de ieşire sau intrare sau în număr de nivele de cuantificare (CAN). Rezoluţia unui CAN determină numărul nivelelor (treptelor) de cuantificare ale mărimii analogice de intrare. Deoarece domeniul de intrare are o valoare determinată, rezoluţia unui CAN caracterizează capacitatea acestuia de a „rezolva" (deosebi) două nivele apropiate ca valoare, fiind definită de mărimea variaţiei de intrare necesară pentru a produce la ieşire a convertorului două schimbări de coduri consecutive. Această variaţie este măsurată de la nivelul de intrare la care se face trecerea între treptele ÷ şi până la nivelul care produce schimbarea treptelor ÷ .

Pentru un convertor având domeniul de intrare V_max, o rezoluţie de n biţi este echivalentă cu o variaţie a tensiunii de intrare egală cu raportul . Se observa că în acest mod ea este practic aceeaşi cu lăţimea canalului sau treptei de cuantificare a CAN. Spre exemplu, un CAN cu o rezoluţie de 12 biţi, care are deci 4096 de trepte de cuantificare, poate „rezolva" (discrimina) din valoarea domeniului de intrare. Pentru un domeniu de 10 V această rezoluţie înseamnă = 2,45 mV, valoarea treptei de cuantificare. În aplicaţiile CAN la multimetrele numerice ce obişnuieşte ca rezoluţia să se exprime în cifre zecimale, în acest caz se foloseşte terminologia , , etc., cifre zecimale (digiţi). Semnificaţia acestei exprimări este: rezoluţia digiţi corespunde numărului 1999 (respectiv sub formă de raport l:2000; rezoluţia digiţi corespunde numărului 19999 (respectiv raportul l: 20.000) etc. Rezoluţia constituie un parametru de proiectare şi nu o performanţă specifică. Această afirmaţie trebuie înţeleasă în sensul că „un anumit convertor a fost proiectat să aibă o rezoluţie de n biţi" şi nu că „un anumit convertor a fost măsurat şi a rezultat că are o rezoluţie de n biţi". In mod normal rezoluţia se consideră a fi limitată numai de numărul biţilor care a fost prevăzut la proiectare. Practic ea este însă limitată de zgomotul din diverse circuite analogice sau numerice sau deriva componentelor. Datorită acestora este posibilă omiterea anumitor trepte de cuantificare de la intrarea CAN.

• Lăţime de cod sau precizia de măsurare este variaţia minimă detectabilă a semnalului măsurat şi corespunde variaţiei bitului cel mai puţin semnificativ (LSB) din numărul binar generat de către convertorul analog – digital în urma măsurării. Lăţimea de cod poate fi calculată cu formula:

Spre exemplu pentru o placă de achiziţie cu rezoluţia de 12 biţi cu un interval de intrare de la 0 la 10V va detecta o modificare de 2,4 mV în timp ce aceeaşi placă cu un interval de intrare de la –10 la 10V va detecta o modificare de 4,8 mV

Un convertor A/D cu o rezoluţie mai mare (in exemplu de 16 biti) va furniza o lăţime de cod mai mică pentru cele 2 intervale menţionate mai sus:

• Eroare de cuantificare

Pentru un convertor cu N biţi domeniul maxim de variaţie este divizat în 2N intervale (canale) discrete. Toate semnalele care au nivelele cuprinse între valorile care delimitează un astfel de canal vor fi codificate în acelaşi mod (prin acelaşi număr). Principial deci, există o incertitudine (eroare) de cuantificare egală cu ± 1/2 BSMin, care depinde de rezoluţia convertorului. Această eroare apare foarte clar în următoarea figură, care reprezintă funcţia de transfer a CAN, ea fiind diferenţa intre caracteristica ideală de transfer a CAN şi dreapta dusă prin origine si maximul diapazonului. Intuitiv se constată că pe măsură ce rezoluţia creşte, lăţimea unui canal scade, determinând reducerea corespunzătoare a maximului acestei erori. Evident, un CAN cu o rezoluţie infinită va prezenta o eroare de cuantificare nulă.