Материал: Лекции

Ошибки аналогово-цифрового преобразования

Компромиссы при выборе архитектуры АЦП

Методы цифро-аналогового преобразования

1) ЦАП взвешивающего типа

2) ЦАП лестничного типа

ЦАП взвешивающего типа

ЦАП лестничного типа

Характеристики цифро-аналогового преобразования

1) Разрешение – обратно пропорционально количеству дискретных шагов в выходных данных. Общее количество дискретных шагов равно

(2ⁿ – 1), где n – количество битов

Разрешение =

2) Точность – путем сравнения фактического выхода ЦАП с ожидаемым выходным сигналом. В процентах от полного или максимального выходного напряжения.

3) Линейная ошибка – отклонение от идеального выхода ЦАП

# Ошибка смещения – величина выходного напряжения, когда все входные биты равны нулю

4) Монотонность – при увеличении кода, значение аналогового сигнала так же увеличивается

5) Время установления – время, требуемое ЦАП для установления в пределах 1/2 МЗР от его окончательного значения при изменении во входном коде

Ошибки цифро-аналогового преобразования

Реконструирующий фильтр

Выходной сигнал ЦАП – аппроксимация ступенчатого исходного аналогового сигнала после его обработки процессором цифровых сигналов (DSP), который обрабатывает данные в режиме реального времени.

Реконструирующий фильтр (постфильтр) – сглаживание выходного сигнала ЦАП путем исключения высокочастотного содержимого, которое возникает в результате быстрых переходов «ступенек».

Лекция 12 Светочувствительные матрицы

Светочувствительная матрица – интегральная микросхема (ИМС), предназначенная для преобразования оптического изображения в аналоговый электрический сигнал или в цифровой поток данных. Два типа матриц: ПЗС-матрица, КМОП-матрица.

1. ПЗС-матрица

(ПЗС – прибор с зарядовой связью, CCD – charge-coupled device)

Структура ПЗС – интегральный полупроводниковый прибор, в основе работы которого лежит принцип создания, передачи и хранения локализованного зарядового пакета в потенциальных ямах, образуемых в полупроводнике под действием внешнего электрического поля.

Texas Instruments / Fairchild Semiconductor, 1960 г. – планарная технология

У. Бойл и Г. Смит, Bell Laboratories, 1969 г. – аналоговый регистр сдвига ПЗС.

МОП-коденсатор – единица ПЗС.

М ОП-конденсатор – полупроводник p-типа (дырок >> электронов). На затворе (З) + => электрическое поле, проникая в Si сквозь диэлектрик, отталкивает подвижные дырки, возникает обедненная область, свободная от основных носителей (размер около 5 мкм).

Электроны при фотогенерации притягиваются к З и сваливаются в потенциальную яму, нейтрализуя электрическое поле З. Если на З рядом подан положительный заряд больше, чем на первый З, их потенциальные ямы объединяются и электроны перемещаются в соседнюю яму. Таким образом происходит передача зарядового пакета в цепи З.

Архитектура ПЗС

Свойство самосканирования ПЗС-матрицы – для управления цепочкой затворов любой длины достаточно всего трех тактовых шин (элемент регистра).

Для передачи зарядовых пакетов необходимо и достаточно трех электродов переноса: передающего, принимающего и изолирующего, разделяющего пары принимающих и передающих. => Трехфазный регистр сдвига на ПЗС – единая тактовая шина, требующая одного внешнего вывода.

(См. картинки слева направо, сверху вниз)

Трехфазный регистр сдвига на ПЗС

В каждый момент времени на одной тактовой шине должен присутствовать высокий потенциал, и на другой – низкий потенциал (потенциал барьера).

При повышении потенциала на одной шине и его снижении на другой (предыдущей) происходит одновременная передача всех зарядовых пакетов под соседние З.

За полный цикл = такт на каждой фазной шине происходит передача/сдвиг зарядовых пакетов на один элемент регистра.

(На рисунке выше – как подаются напряжения на затвор в соответствии с фазой)

СТОП-каналы

СТОП-каналы – узкие полоски с повышенной концентрацией основной легирующей примеси, идущие вдоль канала переноса – для локализации зарядовых пакетов в поперечном направлении.

От концентрации легирующей примеси зависит, при каком конкретно напряжении на затворе под ним образуется обедненная область = пороговое напряжение МОП-структуры:

Чем больше концентрация примеси, то есть чем больше дырок в полупроводнике (труднее их отогнать вглубь), тем выше пороговое напряжение / ниже потенциал в потенциальной яме.

Поверхностный канал переноса ПЗС

Граница раздела – нарушение однородности кристалла => возникновение разрешенных энергетических уровней в запрещенной зоне:

• освобожденные электроны попадают в следующий зарядовый пакет;

• шум переноса при распределении зарядов по ячейкам;

• фиксированные потери при переносе малых зарядовых пакетов;

• генерация темнового тока (спонтанное образование электронно-дырочных пар).

На полную передачу заряда из одной ямы в другую требуется время (# для ТВ стандарта – 7…13 МГц).

Эффективность переноса ε – величина, показывающая, какая часть зарядового пакета передалась в следующий элемент ПЗС.

Величина неэффективности η = 1 – ε.

Скрытый канал переноса ПЗС

Philips, 1972 г. – ПЗС с объемным каналом.

В приповерхностной области Si-подложки тонкий (0,3…0,5 мкм) слой с типом проводимости, противоположным подложке, с концентрацией примеси такой, чтобы он мог полностью обедняться при подаче управляющих напряжений на расположенные под ним поли-Si затворы.

Сигнальный заряд – в отдалении от границы раздела => резкое снижение влияние поверхностных состояний на процесс переноса заряда.

• Эффективность переноса = 0,999995 на частотах до 40…50 МГц.

Детектирование зарядов

В конце цепочки МОП-конденсаторов – выходное устройство детектирования по изменению плавающего потенциала:

• Выходные устройства с плавающим затвором – плавающий потенциал устанавливается на МОП-емкости;

• Выходные устройства с плавающей диффузионной областью – на p-n переходе.

Стандартный Ч/Б ТВ-СИГНАЛ (ГОСТ 7845-92)

Видеосигналы строк (уровень черного – 0,33 В, белого – 1,00 В) разделены интервалом обратного хода по строке 0,3 В (строчный гасящий интервал – возврат электронного луча к началу след. строки), во время которого подается строчный синхроимпульс 0 В. После передачи сигналы всех строк одного поля – формирование кадрового гасящего интервала. Строчные синхроимпульсы подаются, чтобы не сбивать схемы строчной развертки кинескопа. По окончании кадрового гасящего начинается прямой ход по кадры для следующего поля.

Цветной ТВ-СИГНАЛ

Стандарты цветного видеосигнала:

• SECAM (Франция, РФ, Греция, Индия);

• PAL (Западная Европа, Азия, Австралия);

• NTSC (США, Канада, Япония, Южная Корея, Тайвань).

В видеосигнал дополнительно включаются сигналы цветности и цветовой синхронизации – модуляция сигнала и цветовое матрицирование.

Исходные сигналы трех основных цветов E_r, E_g, E_b (красный, зеленый и синий) преобразуется в сигнал яркости E_y по формуле:

E_y = 0,299*E_r + 0,587*E_g + 0,114*E_b,

а также в два цветоразностных сигнала по формулам:

D_r = -1,9*(E_r – E_y);

D_b = 1,5*(E_b – E_y).

Система SECAM

В сигнале яркости с помощью режекторного фильтра освобождается часть спектра:

Сигналы цветности – посредством частотной модуляции с построчным чередованием. Сигнал яркости + один из сигналов цветности (накладывается на сигнал яркости методом частотного уплотнения). Два сигнала цветности передаются попеременно через строку. Второй цветоразностный сигнал получают из предыдущей строки с помощью линии задержки.

Квадратная амплитудная модуляция

Синхронизация генератора в виде сигнала-вспышки – периодов f_ЦП:

Изменяется фаза и амплитуда сигнала => повышается количество информации, передаваемой отсчетом сигнала.

Сигнал яркости:

E_y = 0,299*E_r + 0,587*E_g + 0,114*E_b.

Цветоразностные сигналы:

E_u = 0,493*(E_b– E_y);

E_v = 0,877*(E_r – E_y).

Полный видеосигнал:

E = E_y + E_u*sin(2nf_ЦП) ± E_v*cos(2nf_ЦП),

где f_ЦП = 4433618,75 Гц – частота цветовой поднесущей. => 575 активных строк в чересстрочном режиме.

Цифровой видеосигнал (рекомендация МСЭ-К ВТ.656)

Частота дискретизации = 13,5 МГц – удвоенная max частота в спектре аналогового видеосигнала (6,5 МГц).

864 цифровых отсчета за время одной строки (64 мкс):

• 144 отсчета – гасящий строчный импульс;

• 720 отсчетов – активная часть строки.