Разрешение АЦП (англ. resolution) – это минимальное изменение аналогового (непрерывного) сигнала, которое способен зарегистрировать и обработать аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Разрешение определяется разрядностью АЦП.
Разрядность АЦП (англ. number of bits) – в свою очередь, определяет количество дискретных (прерывных) значений, которые может дать преобразователь на выходе.
Единицы измерения
- Разрешение измеряется в вольтах (В/V);
- Разрядность измеряется в битах (англ. bit).
Пояснение
При преобразовании аналогового сигнала в цифровой, происходит квантование – разбиение некоторый величины, в нашем случае – напряжения сигнала (амплитуда), на конечное число уровней, количество уровней определяет разрядность.
Для понимания можно представить линейку, которой мы хотим измерить исследуемый объект, чем больше делений на линейки (уровней), тем меньше единичный отрезок, и следовательно более точное измерение возможно провести. В контексте этого примера разрядность определяет количество штрихов на линейки, а разрешение – это расстояние между штрихами.
Чем больше разрядность электроэнцефалографа, тем меньшие изменения он может зарегистрировать, часто в контексте характеристик электроэнцефалографа разрешение и разрядность представляют тождественными понятиями.
Например, как мы видим на рис. 1, где 3-битный АЦП разделяет диапазон измерения электроэнцефалографа на 8 уровней (23). Каждому уровню присваивается свое обозначение согласно принципам двоичного кода (каждый уровень будет обозначаться трехзначным числом из двух цифр 0 и 1, например, 001 и 010). Если сигнал пересек уровень, то компьютер “записывает” обозначение этого уровня, если нет, то компьютер пишет обозначение предыдущего уровня. Таким образом, АЦП преобразует сигнал из аналогового в цифровой.
Также, на рис. 1 видно, что 3-битный АЦП преобразует сигнал очень грубо (серая линия), такой сигнал будет бесполезен для последующего анализа, поскольку на нем трудно дифференцировать сигнал. В то же время при увеличении разрядности до 16 бит (синяя линия), как на рисунке, когда диапазон измерения поделен на 65536 уровней, восстановленный сигнал уже более плавный и менее “ступенчатый”. Таким образом, чем больше разрядность АЦП электроэнцефалографа, тем более точно будет преобразован аналоговый сигнал в цифровой.
Как правило в современных электроэнцефалографах используются АЦП разрядность 24 бита1, однако в нейрогарнитурах или старых электроэнцефалографах разрядность АЦП может составлять 16 и менее бит.
Согласование разрядности и частоты дискретизации
По мере увеличения разрядности и частоты дискретизации АЦП формирует больше данных, что позволяет записывать более качественный сигнал
Если мы представим разложение сигнала по осям двухмерной системы координат, то по оси абсцисс (по горизонтали) будет происходить дискретизация сигнала, а по оси ординат (по вертикали) мы будем наблюдать разрядность сигнала, поскольку частота дискретизации – это разложение сигнала во времени, а разрядность – квантование сигнала по напряжению.
Необходимо уточнить, что термины дискретизация и квантование имеют широкое значение. Так квантование в электронике подразумевает под собой разложение некоторой величины на уровни, а дискретизация в контексте обработки сигналов, представляет собой непрерывный сигнал совокупностью его значений, что необходимо для представления аналогового сигнала в цифровой.
Таким образом, в научной или технической литературе можно встретить “взаимозамену” терминов квантование и дискретизация, так как их значения пересекаются между собой.
Footnotes
- Aitor Ortiz. Main features of the EEG amplifier explained. April 3, 2020 [Электронный ресурс]