Elettronica pratica/Conversione A/D e D/A

Convertitori A/D e D/A

I segnali nel mondo reale tendono ad essere analogici. Per esempio, il livello dell'acqua in una tanica o la velocità di un'automobile qualora siano misurate con un generatore techimetrico. Al fine di processarle con un circuito digitale, è necessario convertirle in segnali digitali. Per contro, una volta che i segnali digitali siano stati processati, devono spesso venire riconvertiti in segnali analogici. Un esempio sarebbe di processare digitalmente un segnale audio ed inviarlo all'altoparlante. L'altoparlante richiede un segnale analogico.

Conversione Analogico a Digitale

Un convertitore Analogico a Digitale (CAD) prende un segnale analogico d'ingresso e lo converte, tramite una funzione matematica, in un segnale d'uscita digitale. Mentre ci sono parecchi modi per realizzare un CAD, ci sono tre passi concettuali che si ripresentano..

1. Il segnale viene campionato
2. Il segnale campionato viene quantizzato
3. Il segnale quantizzato viene codificato numericamente.

Campionatura

Con la campionatura si trasforma una funzione continua nel tempo che può assumere infinitamente molti valori in tempi differenti in una funzione numerica che può assumere infinitamente molti valori in indici discreti differenti.

La campionatura viene fatta generalmente con un circuito "Sample-Hold" (campiona -mantieni)(semplici esperimenti possono esse effettuati usando un condensatore ed un interruttore). Per poter ricostruire il segnale si deve considerare il teorema della campionatura il quale asserisce che è necessaria una frequenza di campionatura doppia della frequenza più elevata che ci si attende.

Quantizzazione

La quantizzazione è il processo di prendere un segnale a tensione continua e mapparlo in un numero dicreto di livelli di tensione. Il numero di livelli di tensione influisce sul rumore di quantizzazione che si genera. Dato che i computer digitali sono binari in natura, il numero dei livelli di quatizzazione è comunemente una potenza di 2, cioè

$N=2^{n}$

in cui n è il numero dei bit di quantizzazione.

Il segnale può venire amplificato od attenuato prima di entrare nel CDA, affinché i livelli di tensione minimo e massimo diano il migliore compromesso tra la risoluzione dei livelli dei segnali e la minimizzazione della limitazione dei segnali medesimi.

Codificazione

La codificazione è il processo di convertire i segnali quantizzati in una rappresentazione digitale. Questa codificazione viene effettuata assegnando a ciascun livello quantizzato una etichetta unica. Per esempio, se vengono usati quattro bit, il livello più basso potrebbe essere 0000 (in binario), ed il successivo livello più elevato 0001, e così di seguito.

Conversione Digitale ad Analogico

Il Convertitore Digitale/Analogico (CDA) prende un segnale digitale e lo converte, tramite una funzione matematica, in un segnale analogico. Nuovamente, un CDA può venire realizzato in un numero di modi, ma concettualmente racchiude due passi.

1. Convertire ogni intervallo temporale di un segnale digitale in un "impulso" con energia appropriata. In un sistema reale, ciò potrebbe essere realizzato creando dei brevi impulsi che abbiano la stessa tensione, ma la cui potenza sia modificata variando la lunghezza dell'impulso. Questo treno di impulsi produce un segnale la cui risposta di frequenza è periodica ( teoricamente si estende all'infinito).
2. Applicare un filtro passa basso alla sequenza temporale di impulsi. Ciò rimuove tutte le periodicità delle frequenze elevate, lasciando solo il segnale originale.