От чего зависит качество выходного сигнала АЦП?
Хм... Выходной сигнал АЦП - это нули и единицы, и вряд ли тут можно говорить о качестве выходного сигнала. Говорить можно о качестве преобразования, это да, и тут действительно можно говорить долго, потому что параметров у любого АЦП, в том числе и параметров, относящихся к качеству, до фига.
И самых главных три: разрешение, шум, частота преобразования.
Разрешение - это сколько бит выходных данных приходится на каждый отсчёт. По сути этот параметр показывает, насколько точно цифровой сигнал соответствует мгновенному значению аналогового сигнала. Ну взять хоть синус (для простоты 1+sin). Ясное дело, что он может принимать любые значения в диапазоне от 0 до +2. И если у нас одноразрядный АЦП, как предельный случай, то информация на выходе будет 0 и 1. Всё. А если это, как обычно и бывает, не чистый синус, а сложный сигнал? Звук, там, или видеосигнал? Ясное дело, что АЦП низкой разрядности выдаст код, лишь приближённо соответствующий входному сигналу. И чем больше разрядов на выходе, тем точнее это соответствие. Вот почему для высококачественной аудиотехники сейчас применяются АЦП с разрядностью до 24 бит. Поэтому же и в видеотехнике популярны системы HDR, с расширенным динамическим диапазоном, где тоже число бит больше привычных 8 (это не единственная причина и даже не главная, но тоже причина).
Но просто разрядность - это ещё не всё. Любая система, где есть аналоговые компоненты, генерирует шум, и АЦП не исключение. Так что даже если у нас есть АЦП на стопиццот разрядов, только "сто" из них будут честными. Остальные будут "дрожать", информация с самых младших разрядов - фактически набор случайных битов. И это не недостаток конструкции конкретной микросхемы - это проявление фундаментальных законов термодинамики. Поэтому наряду с разрядностью (число бит выходного кода), в АЦП существует и такой параметр, как "эффективное число бит" - сколько бит можно считать честными. Или же эквивалентный шум можно измерять тоже в битах - к примеру, "среднеквадратически
Частота дискретизации: этот параметр показывает, с каким темпом АЦП может генерировать цифровые отсчёты. И он же, по теореме Котельникова, показывает, сигнал какой максимальной частоты можно оцифровать без искажений, связанных с эффектом муара (aliasing). Согласно этой теореме, чтобы аналоговый сигнал можно было восстановить точно, частота дискретизации должна быть как минимум вдвое больше ширины спектра этого сигнала. То есть если у нас есть звуковой сигнал в полосе до 20 кГц, то частота дискретизации должна быть не менее 40 кГц. Для компакт-дисков был принят стандарт 44,1 кГц, для современных систем Hi-End нередко используется частота в 192 или даже 284 кГц. Это связано с тем, что теорема Котельникова молчаливо предполагает точное цифровое представление сигнала в точках дискретизации. Меж тем точное представление - это утопия. Во-первых, разрядность АЦП всегда ограничена (попробуйте восстановить сигнал, полученный одноразрядным АЦП, даже если частота преобразования в сто раз больше, чем ширина спектра сигнала...), а во-вторых - всегда есть шум. Вот как мера обхода этих ограничений и применяется повышенная частота дискретизации.
Ну и помимо этих основных, есть и масса дополнительных параметров.
Нелинейность: в идеале выходные коды должны точно соответствовать входному сигналу. Даже если есть шум - ну окей, усредним. То есть если на входе подается идеальное линейно-нарастающее напряжение, на выходе должен получиться равномерный натуральный ряд чисел. На практике это не так. Ряд чисел, да, натуральный, но вот где-то он идёт в ногу с напряжением, где-то отстаёт от него, где-тот опережает... То есть эти числа образуют не прямую линию (если отложить их аналоговый эквивалент), а слегка изогнутую. Нелинейность может быть как интегральная - отклонения на масштабе шкалы, - так и дифференциальная, то есть код меняется на 1, когда входной сигнал меняется не на 1 квант точно, а на 0,9 или 1,1 кванта, причём по шкале это то так, то так.
И с этим связан ещё один параметр: no missing codes (отсутствие пропущенных отсчётов). То есть если АЦП, к примеру, 12-разрядный, то на выходе должны присутствовать все варианты отсчётов от 0 до 4095.
Смещение: в идеале входному напряжению 0 В должен соответствовать код 00..000, или, в некоторых случаях, 100...00. На практике же это не всегда так, и нулевому входному сигналу соответствует какой-то ненулевой код, а нулевому коду - ненулевой сигнал. Это и есть смещение.
Если АЦП двухканальный, то появляется и ещё один параметр: согласованность смещений. В конце концов, смещение - это всего лишь вопрос выбора опорного уровня. Но вот если у нас два независимых канала, то как-то хочется, чтоб эти смещения не разбегались далеко друг от друга.
Нестабильность коэффициента преобразования: ну тоже примерно понятно. Выходной код в идеале не должен зависеть от температуры и от изменений питающих напряжений. Во многом стабильность АЦП определяется стабильностью источника опорного напряжения, но не только им.
Дрейф: даже если на входе строго постоянное напряжение, если у нас строго не изменяющаяся температура и абсолютно идеальные напряжения питания, выходной код может медленно изменяться (это не шум, это ме-едленное изменение среднего значения). Это и есть дрейф.
Фазовый шум (джиттер): это отдельная вещь, с собственно термодинамическим шумом не связанная. Чтобы сгенерировать отсчёт, входные схемы АЦП должны запомнить мгновенное значение сигнала, который может быть переменным (и всегда таковым и является). А на то, чтоб ухватить мгновенное значение изменяющегося сигнала, требуется какое-то время, в течение которого сигнал-то изменяется. Вот эта конечность времени выборки и приводит к появлению фазового шума, называемого так же апертурной неопределённостью. Ясное дело, что её величина зависит от скорости изменения входного сигнала, поэтому нормируется он всегда для какой-то конкретной скорости изменения, или для максимально допустимой.
Я вполне допускаю, что на самом деле любопытствующий отрок имел в виду качество выходного сигнала ЦАП, а не АЦП. Потому что в случае выходного сигнала ЦАП хотя бы появляется сам предмет обсуждения... Если это так - придётся задать новый вопрос.
модератор выбрал этот ответ лучшим