Digitální měřící přístroje - II

Z názvu těchto přístrojů by se mohlo zdát, že digitální měřicí přístroje jsou plně digitální. Opak je pravda – snímače jsou analogové a k digitalizaci dochází až v analogově digitálním převodníku. Tento převodník je srdcem digitálního měřicího přístroje a nejvyšší měrou se podílí na kvalitě poskytovaných informací.
Převodník
Analogově digitální převodník (A/D) je elektronická součástka určená pro převod spojitého (neboli analogového) signálu na signál diskrétní (digitální). Důvodem tohoto převodu je umožnění zpracování původně analogového signálu na číslicových počítačích. Na první pohled jde o velmi jednoduchou činnost – transformovat signál na vstupu do množství nul a jedniček na výstupu. Nic však není tak jednoduché, jak to vypadá na první pohled. Jedním ze základních problémů převodu je množství dat. Digitalizovaná data vstupní signál pouze popisují – nejsou stejná jako signál na vstupu. Při potenciální rekonstrukci digitalizovaného signálu nebude zrekonstruovaný signál stejný, pouze podobný. To se děje v kaž dém současném hudebním nebo obrazovém přehrávači, ať je v podobě samostatného zařízení (přehrávače CD, BR, USB přehrávače, televize), nebo v podobě softwaru (VLC, Media Player a mnoho dalších programů). Výjimkou jsou gramofony a páskové magnetofony. Čím přesnější je třeba data mít, tím větší množství jich je zapotřebí. To klade velké požadavky na velikost pamětí. Zde problém ani není v ceně za megabyt, ale ve spolehlivosti. Paměti v přístrojích musí fungovat mnoho let po mnoha milionech zapisovacích a čtecích cyklů. Takové paměti zase tak levné nejsou. Čím přesnější je třeba data mít, tím častěji je nutné měřit. Procesory, které převod řídí, musí být tedy rychlejší. Rychlejší znamená odolné proti vyšší zátěži, s vyšší spotřebou, s nutností lepšího chlazení, s větší časovou stabilitou a vyšší frekvencí. K tomu je zapotřebí sběrnice s vyšší propustností. Všechny další komponenty v řetězci zpracování musí být také odpovídajícím způsobem výkonnější. U měřicích přístrojů je výstupem měřená hodnota nebo její průběh. Převodník A/D se ale také používá k záznamu kontinuálního analogového signálu, který má být někdy v budoucnosti zase rekonstruován do analogové podoby. Jde o všechny dobře známé typy zvukových a obrazových záznamů. Převodník A/D je pravděpodobně nejdůležitější komponenta, která určuje kvalitu celého řetězce – jak kvalitní bude poslouchaná hudba nebo obraz sledovaného filmu.
Princip převodu
Analogový signál je převáděn ve dvou krocích. Nejprve se provede vzorkování signálu a potom následuje kvantování (kvantizace) signálu.
Vzorkování Úsek spojitého signálu sice lze donekonečna zvětšovat a pozorovat tak jeho nekonečně malé detaily, ale protože počítače mají pouze konečnou kapacitu paměti a nejsou nekonečně rychlé, je třeba se u reálného vzorkování při A/D převodu omezit pouze na nezbytně nutné množství vzorků, které budou dále zpracovávány. Vzorkování se provede tak, že se rozdělí vodorovná osa signálu (v popisovaném příkladu je na této ose čas) na rovnoměrné úseky a z každého úseku se odebere jeden vzorek (na obrázku jsou tyto vzorky znázorněny červenými kolečky). Je zřejmé, že se tak z původního signálu ztratí mnoho detailů, protože namísto spojité čáry, kterou lze donekonečna zvětšovat, se získává pouze množina diskrétních bodů s intervalem odpovídajícím použité vzorkovací frekvenci.

Celý článek naleznete v časopise Elektro str. 58