ник, однако представляет собой достаточно образную картину. Хороший цифровой эквивалент звукового колебания получается, если частота выборки равна удвоенной частоте наивысшей гармоники.

В системе КД частота выборки составляет 44,1 кГц, что соответствует наивысшей частоте звукового колебания 22 кГц. Эта частота выбрана с учетом ряда дополнительных обстоятельств, в том числе частоты тактирующих импульсов, и составляет именно 44,1, а не 44 кГц. Эта частота также в известной степени отражает стремление инженеров к совершенствованию системы записи на КД, а не просто желание получить не худшие результаты, чем при обычном способе звукозаписи.

процесс выборки

Процесс выборки осуществляется с помощью схем выборки и памяти. Производится выборка мгновенного значения напряжения, которое хранится в памяти в течение времени, необходимого для преобразования аналоговой величины в цифровую форму. Процесс поясняется рис. 3.5, на котором показана соответствующая схема. Операция

Рис. 3.5. Выборка и запоминание с КЛЮЧ

помощью переключателя и конденсатора. На конденсаторе некоторое время поддерживается напряжение, по-скольку сопротивление следующего .JSaJf.IJltV

буфера велико 4г коноенсото;)

Вход \ I Выход

запоминания осуществляется с помощью конденсатора. При замкнутом ключе напряжение на конденсаторе, соответствующее напряжению звукового сигнала, подается с выхода буферного усипителя, имеющего низкое выходное сопротивление. Преобразования сигнала в цифровую форму в это Время не происходит. В момент размыкания ключа напряжение на конденсаторе равно напряжению звукового сигнала. Это напряжение подается на второй буферный усилитель; сигнал, снимаемый с его выхода, преобразуется в цифровую форму. Временной интервал, в течение которого производится выборка, может быть очень мал, а время между двумя импульсами, осуществляющими выборку, соответствует времени, в течение которого надо преобразовать сигнал в цифровую форму. В качестве реального ключа можно использовать полупроводниковую ключевую схему, а функции конденсатора может выполнять полупроводниковая схема памяти, хотя на частоте 44,1 кГц может успешно работать и конденсатор при условии, что он нагружен только входным сопротивлением буферного усилителя на МОП-транзисторе. Частоте выборки 44,1 кГц соответствует временной интервал около 22 мкс - время, достаточное для преобразования сигнала в цифровую форму при использовании современной элементной базы.

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ

Амплитудно-цифровое преобразование является основным циклом во всем процессе записи. Известно несколько методов осуществления такого преобразования, но не все из них легко применимы к задачам звукозаписи. Важно понять принципы, положенные в основу двух главных методов. Сначала рассмотрим интегратор, подобный используемому в цифровых вольтметрах. Принцип действия его достаточно прост. Основным узлом схемы (рис. 3.6) является компаратор, имеющий два входа и один выход. Пока напряжение на одном входе ниже, чем на другом, на выходе поддерживается один логический уровень. Этот уровень изменяется при изменении соотношения уровней на входах; можно считать, что выход компаратора переключается при равенстве Входных уровней напряжения (практически при очень малой разнице порядка нескольвсих милливольт).

Уровень сигнала, подлежащего преобразованию на одном из входов, следует поддерживать неизменным в течеше времени, необходимого для преобразования. Тактирующие импульсы подаются на счетчик и на интегрирующую схему. Напряжение на выходе интегрирующей цепи представляет собой последовательность равных ступенек напряжения (одна ступенька на один тактирующий импульс); это напряжение подается на другой вход компаратора. Когда напряжение па обоих входах окажется одинаковым (или почти равным), компаратор переключается; при этом посылки тактирующих импульсов прекращаются, а на выходе счетчика появляется число сосчитанных и.мпульсов.

Предположим, что ступенька напряжения составляет 1 мВ, а напряжение выборки 3,145 В. Чтобы достичь равенства напряжений, необ-

УроВеиь

напряжения Компаратор

Интегратор

TuKmupywuiUe импумьсы

Затвор

Счеттк

Выход

\(в-16линий)

Триггер сброса

Рис. 3.6. Принципиалшая схема АЦП с интегратором и компаратором. Тактирующие импульсы, проходяище через затвор, считываются и интегрируются. Когда проинтегрированный сигнал становится равным амплитуде входного сигнала, компаратор закрывает затвор. Содержимое счетчика считывается. Затем триггер сбрасывает схему в исходное состояние. Амплитуда на входе в течение счета предполагается постоянной, так что частота тактирующих импульсов должна быть высокой

ходимо 3145 ступенек по 1 мВ; и подсчитанное число составит 3145 -число в двоичной форме, отображающее амплитуду напряжения выборки. При переключении компаратора и остановке счетчика это число посылается в регастр. Затем первый тактирующий импульс сбрасывает напряжение на выходе интегратора до нуля и схема готова к обработке новой выборки. Приведенный пример является условным, но он показывает, как уровень сигнала преобразуется в числовую форму по этому методу.

Качество преобразования по этому методу жестко связано с совер-щенством интегратора. Интегратор - одно из устройств для Щ1фро-аналогового преобразования (ЦАП), а мы его используем как основной узел в системе АЦП (парадокс, напоминающий ситуацию с яйцом и курицей). Простейщая схема интегратора, например схема заряда конденсатора через резистор, для рещения нащих задач непригодна из-за неудовлетворительной линейности. Ступеньки по высоте должны быть строго одинаковы, а в случае с конденсатором высота каждой последующей ступеньки меньще предыдущей. Ниже мы рассмотрим принцип действия ЦАП в интегральной форме.

Рассматривая проблему соверщенного интегрирования с помощью ЦАП, следует остановиться на быстродействии схем. Скорость зависит от Времени между двумя выборками и числа щагов преобразования. Если мы имеем 20 мкс для работы с максимальным числом шагов 65 536, то частота тактирующих импульсов должна составлять

-3,3 ГГЦ,

20-10~*

что значительно превышает возможности обычных цифровых устройств и прочего цифрового оборудования (за исключением спутниковых систем). Это обстоятельство исключает возможность использования относительно простых интеграторов для преобразования со скоростями выборки и числом бит, необходимыми для звукозаписи, и заставляет искать другие пути рещения задачи.

Если есть желание сохранить интегрирующий тип преобразователя, то один из возможных вариантов состоит в использовании двух преобразователей, каждый из которых работает с определенным интервалом напряжений. Идея состоит в том, что один счетчик работает в интервале от О до 255 единиц, а другой - с единицами, которые в 256 раз превышают первые. Напряжение измеряется в виде двух 8-битовых цифр, каждая из которых соответствует 255 ступенькам, так что скорость может быть существенно снижена. Так как счетчики работают последовательно и младший счетчик работает только после окончания укрупненного счета (рис. 3.7), полное вдело щагов составляет 2-255 = = 510, и частота тактирующих импульсов при интервале 20 мкс составляет

- = 25,5 МГц.

20 10 *