Pozrime sa na hlavný okruh problémov, ktoré možno pripísať princípu fungovania analógovo-digitálnych prevodníkov (ADC) rôznych typov. Sekvenčné počítanie, bitové vyvažovanie – čo sa skrýva za týmito slovami? Aký je princíp činnosti mikrokontroléra ADC? Tieto, ako aj množstvo ďalších otázok, zvážime v rámci článku. Prvé tri časti budeme venovať všeobecnej teórii a od štvrtého podnadpisu budeme študovať princíp ich práce. S pojmami ADC a DAC sa môžete stretnúť v rôznej literatúre. Princíp fungovania týchto zariadení je mierne odlišný, takže si ich nezamieňajte. Článok sa teda bude zaoberať konverziou signálov z analógovej do digitálnej formy, zatiaľ čo DAC funguje naopak.
Definícia
Skôr ako zvážime princíp fungovania ADC, poďme zistiť, o aký druh zariadenia ide. Analógovo-digitálne prevodníky sú zariadenia, ktoré premieňajú fyzikálnu veličinu na zodpovedajúcu číselnú reprezentáciu. Ako počiatočný parameter môže pôsobiť takmer čokoľvek – prúd, napätie, kapacita,odpor, uhol hriadeľa, frekvencia impulzov atď. Ale pre istotu budeme pracovať len s jednou transformáciou. Toto je "napäťový kód". Výber tohto formátu práce nie je náhodný. Koniec koncov, ADC (princíp fungovania tohto zariadenia) a jeho vlastnosti do značnej miery závisia od toho, ktorý koncept merania sa používa. Toto sa chápe ako proces porovnávania určitej hodnoty s predtým zavedeným štandardom.
Špecifikácie ADC
Hlavné sú bitová hĺbka a frekvencia konverzie. Prvý je vyjadrený v bitoch a druhý v počtoch za sekundu. Moderné analógovo-digitálne prevodníky môžu mať šírku 24 bitov alebo až jednotky GSPS. Všimnite si, že ADC vám môže poskytnúť iba jednu zo svojich charakteristík naraz. Čím vyšší je ich výkon, tým je práca s prístrojom náročnejšia a aj samotná stojí viac. Výhodou však je, že môžete získať potrebné ukazovatele bitovej hĺbky obetovaním rýchlosti zariadenia.
typy ADC
Princíp činnosti sa líši pre rôzne skupiny zariadení. Pozrieme sa na tieto typy:
- S priamou konverziou.
- S postupným približovaním.
- S paralelnou konverziou.
- A/D prevodník s vyrovnávaním náboja (delta-sigma).
- Integrácia ADC.
Existuje mnoho ďalších typov potrubí a kombinácií, ktoré majú svoje vlastné špeciálne vlastnosti s odlišnou architektúrou. Ale tievzorky, ktoré sa budú posudzovať v rámci článku, sú zaujímavé vzhľadom na skutočnosť, že zohrávajú indikatívnu úlohu vo svojom výklenku zariadení tejto špecifickosti. Preto si preštudujme princíp ADC, ako aj jeho závislosť od fyzického zariadenia.
Priame A/D prevodníky
Veľmi populárne sa stali v 60. a 70. rokoch minulého storočia. Vo forme integrovaných obvodov sa vyrábajú už od 80. rokov. Ide o veľmi jednoduché, až primitívne zariadenia, ktoré sa nemôžu pochváliť výrazným výkonom. Ich bitová hĺbka je zvyčajne 6-8 bitov a rýchlosť zriedka prekračuje 1 GSPS.
Princíp činnosti tohto typu ADC je nasledovný: kladné vstupy komparátorov súčasne prijímajú vstupný signál. Na záporné póly sa privádza napätie určitej veľkosti. A potom zariadenie určí svoj režim prevádzky. Toto sa vykonáva pomocou referenčného napätia. Povedzme, že máme zariadenie s 8 porovnávačmi. Pri použití ½ referenčného napätia sa zapnú iba 4 z nich. Prioritný kódovač vygeneruje binárny kód, ktorý bude fixovaný výstupným registrom. Pokiaľ ide o výhody a nevýhody, môžeme povedať, že tento princíp fungovania vám umožňuje vytvárať vysokorýchlostné zariadenia. Aby ste však dosiahli požadovanú bitovú hĺbku, musíte sa poriadne zapotiť.
Všeobecný vzorec pre počet porovnávačov vyzerá takto: 2^N. Pod N musíte zadať počet číslic. Príklad zvažovaný vyššie možno použiť znova: 2^3=8. Celkovo je potrebné získať tretiu kategóriu8 porovnávačov. Toto je princíp fungovania ADC, ktoré boli vytvorené ako prvé. Nie je to príliš pohodlné, takže sa neskôr objavili iné architektúry.
Analógovo-digitálne postupné aproximačné konvertory
Tu sa používa algoritmus "váženia". Stručne povedané, zariadenia, ktoré pracujú podľa tejto techniky, sa jednoducho nazývajú sériové počítacie ADC. Princíp činnosti je nasledovný: zariadenie zmeria hodnotu vstupného signálu a následne ho porovná s číslami, ktoré sa vygenerujú podľa určitej metódy:
- Nastavuje polovicu možného referenčného napätia.
- Ak signál prekonal hranicu hodnoty z bodu 1, potom sa porovná s číslom, ktoré leží v strede medzi zostávajúcou hodnotou. Takže v našom prípade to bude ¾ referenčného napätia. Ak referenčný signál nedosiahne tento indikátor, porovnanie sa vykoná s druhou časťou intervalu podľa rovnakého princípu. V tomto príklade je to ¼ referenčného napätia.
- Krok 2 je potrebné zopakovať N-krát, čím získame N bitov výsledku. Je to kvôli vykonaniu porovnania H.
Tento princíp fungovania umožňuje získať zariadenia s relatívne vysokým konverzným pomerom, ktoré sú postupnými aproximačnými ADC. Princíp fungovania, ako vidíte, je jednoduchý a tieto zariadenia sú skvelé na rôzne príležitosti.
Paralelné analógovo-digitálne prevodníky
Fungujú ako sériové zariadenia. Výpočtový vzorec je (2 ^ H) -1. PreV predchádzajúcom prípade potrebujeme (2^3)-1 komparátory. Na prevádzku sa používa určité pole týchto zariadení, z ktorých každé môže porovnávať vstupné a jednotlivé referenčné napätie. Paralelné analógovo-digitálne prevodníky sú pomerne rýchle zariadenia. Princíp konštrukcie týchto zariadení je však taký, že na podporu ich výkonu je potrebný značný výkon. Preto nie je praktické používať ich na batériu.
Bitový vyvážený A/D prevodník
Funguje podobným spôsobom ako predchádzajúce zariadenie. Preto, aby sme vysvetlili fungovanie bit-by-bit balancujúceho ADC, princíp fungovania pre začiatočníkov bude považovaný doslova na prstoch. Jadrom týchto zariadení je fenomén dichotómie. Inými slovami, vykoná sa konzistentné porovnanie nameranej hodnoty s určitou časťou maximálnej hodnoty. Je možné použiť hodnoty v ½, 1/8, 1/16 atď. Preto môže analógovo-digitálny prevodník dokončiť celý proces v N iteráciách (po sebe idúcich krokoch). Okrem toho sa H rovná bitovej hĺbke ADC (pozrite sa na vyššie uvedené vzorce). Máme teda výrazný časový náskok, ak je dôležitá najmä rýchlosť techniky. Napriek značnej rýchlosti majú tieto zariadenia tiež nízku statickú presnosť.
A/D prevodníky s vyrovnávaním náboja (delta-sigma)
Toto je v neposlednom rade najzaujímavejší typ zariadeniavďaka svojmu princípu fungovania. Spočíva v tom, že vstupné napätie sa porovnáva s tým, čo bolo naakumulované integrátorom. Na vstup sa privádzajú impulzy so zápornou alebo kladnou polaritou (všetko závisí od výsledku predchádzajúcej operácie). Môžeme teda povedať, že takýto analógovo-digitálny prevodník je jednoduchý servosystém. Ale toto je len príklad na porovnanie, aby ste pochopili, čo je delta-sigma ADC. Princíp činnosti je systémový, ale pre efektívne fungovanie tohto analógovo-digitálneho prevodníka nestačí. Konečným výsledkom je nekonečný prúd 1 s a 0 s cez digitálny dolnopriepustný filter. Z nich sa vytvorí určitá bitová sekvencia. Rozlišuje sa medzi prevodníkmi ADC prvého a druhého rádu.
Integrácia analógovo-digitálnych prevodníkov
Toto je posledný špeciálny prípad, ktorým sa bude tento článok zaoberať. Ďalej popíšeme princíp fungovania týchto zariadení, ale na všeobecnej úrovni. Tento ADC je push-pull analógovo-digitálny prevodník. S podobným zariadením sa môžete stretnúť v digitálnom multimetri. A to nie je prekvapujúce, pretože poskytujú vysokú presnosť a zároveň dobre potláčajú rušenie.
Poďme sa teraz zamerať na to, ako to funguje. Spočíva v tom, že vstupný signál nabíja kondenzátor na pevnú dobu. Toto obdobie je spravidla jednotkou frekvencie siete, ktorá napája zariadenie (50 Hz alebo 60 Hz). Môže byť aj viacnásobný. Vysoké frekvencie sú teda potlačené.rušenie. Zároveň sa vyrovnáva vplyv nestabilného napätia sieťového zdroja výroby elektriny na presnosť výsledku.
Keď sa skončí doba nabíjania analógovo-digitálneho prevodníka, kondenzátor sa začne vybíjať určitou pevnou rýchlosťou. Interné počítadlo zariadenia počíta počet hodinových impulzov, ktoré sa vygenerujú počas tohto procesu. Čím dlhšie je teda časové obdobie, tým sú ukazovatele významnejšie.
Integrácia push-pull ADC má vysokú presnosť a rozlíšenie. Vďaka tomu, ako aj relatívne jednoduchej konštrukčnej štruktúre, sú realizované ako mikroobvody. Hlavnou nevýhodou tohto princípu fungovania je závislosť od indikátora siete. Pamätajte, že jeho schopnosti sú viazané na frekvenčnú periódu napájacieho zdroja.
Takto funguje dvojitá integrácia ADC. Princíp fungovania tohto zariadenia, aj keď je dosť komplikovaný, poskytuje ukazovatele kvality. V niektorých prípadoch je to jednoducho nevyhnutné.
Vyberte si APC s princípom fungovania, ktorý potrebujeme
Povedzme, že máme pred sebou určitú úlohu. Aké zariadenie si vybrať, aby uspokojilo všetky naše požiadavky? Najprv si povedzme o rozlíšení a presnosti. Veľmi často sú zmätení, hoci v praxi sú na sebe veľmi málo závislí. Uvedomte si, že 12-bitový A/D prevodník môže byť menej presný ako 8-bitový A/D prevodník. V tomV tomto prípade je rozlíšenie mierou toho, koľko segmentov možno extrahovať zo vstupného rozsahu meraného signálu. Takže 8-bitové ADC majú 28=256 takýchto jednotiek.
Presnosť je celková odchýlka získaného výsledku prevodu od ideálnej hodnoty, ktorá by mala byť pri danom vstupnom napätí. To znamená, že prvý parameter charakterizuje potenciálne schopnosti, ktoré má ADC, a druhý ukazuje, čo máme v praxi. Preto môže byť pre nás vhodný jednoduchší typ (napríklad priame analógovo-digitálne prevodníky), ktorý uspokojí potreby vďaka vysokej presnosti.
Ak chcete mať predstavu o tom, čo je potrebné, musíte najskôr vypočítať fyzikálne parametre a zostaviť matematický vzorec pre interakciu. Dôležité sú v nich statické a dynamické chyby, pretože pri použití rôznych komponentov a princípov stavby zariadenia rôznym spôsobom ovplyvnia jeho charakteristiky. Podrobnejšie informácie nájdete v technickej dokumentácii ponúkanej výrobcom každého konkrétneho zariadenia.
Príklad
Pozrime sa na SC9711 ADC. Princíp fungovania tohto zariadenia je komplikovaný vzhľadom na jeho veľkosť a možnosti. Mimochodom, keď už hovoríme o tom druhom, treba poznamenať, že sú skutočne rôznorodé. Takže napríklad frekvencia možnej prevádzky sa pohybuje od 10 Hz do 10 MHz. Inými slovami, môže odobrať 10 miliónov vzoriek za sekundu! A samotné zariadenie nie je niečo pevné, alemá modulárnu konštrukciu. Používa sa však spravidla v zložitých technológiách, kde je potrebné pracovať s veľkým počtom signálov.
Záver
Ako môžete vidieť, ADC majú v podstate odlišné princípy fungovania. To nám umožňuje vybrať zariadenia, ktoré uspokoja vzniknuté potreby, a zároveň nám to umožňuje rozumne spravovať naše dostupné prostriedky.
