Podívejme se na hlavní okruh problémů, které lze přičíst principu činnosti analogově-digitálních převodníků (ADC) různých typů. Sekvenční počítání, bitové vyvažování – co se skrývá za těmito slovy? Jaký je princip činnosti mikrokontroléru ADC? Tyto, stejně jako řadu dalších otázek, budeme zvažovat v rámci článku. První tři části budeme věnovat obecné teorii a od čtvrtého podnadpisu budeme studovat princip jejich práce. S pojmy ADC a DAC se můžete setkat v různé literatuře. Princip fungování těchto zařízení je mírně odlišný, proto je nezaměňujte. Článek se tedy bude zabývat převodem signálů z analogové do digitální formy, zatímco DAC funguje obráceně.
Definice
Než se budeme zabývat principem fungování ADC, pojďme zjistit, o jaký druh zařízení se jedná. Analogově-digitální převodníky jsou zařízení, která převádějí fyzikální veličinu na odpovídající číselnou reprezentaci. Jako výchozí parametr může fungovat téměř cokoli - proud, napětí, kapacita,odpor, úhel hřídele, frekvence pulzů a tak dále. Ale pro jistotu budeme pracovat pouze s jednou transformací. Toto je "napěťový kód". Volba tohoto formátu práce není náhodná. Koneckonců, ADC (princip činnosti tohoto zařízení) a jeho vlastnosti do značné míry závisí na tom, jaký koncept měření je použit. To je chápáno jako proces porovnávání určité hodnoty s dříve zavedeným standardem.
Specifikace ADC
Hlavní jsou bitová hloubka a frekvence konverze. První je vyjádřen v bitech a druhý v počtech za sekundu. Moderní analogově-digitální převodníky mohou mít šířku 24 bitů nebo až jednotky GSPS. Všimněte si, že ADC vám může poskytnout pouze jednu ze svých charakteristik najednou. Čím vyšší je jejich výkon, tím je práce se zařízením obtížnější a sama o sobě stojí více. Ale výhodou je, že můžete získat potřebné indikátory bitové hloubky tím, že obětujete rychlost zařízení.
typy ADC
Princip fungování se u různých skupin zařízení liší. Podíváme se na následující typy:
- S přímou konverzí.
- S postupným přibližováním.
- S paralelním převodem.
- A/D převodník s vyrovnáváním náboje (delta-sigma).
- Integrace ADC.
Existuje mnoho dalších typů potrubí a kombinací, které mají své vlastní speciální vlastnosti s odlišnou architekturou. Ale tyvzorky, které budou zvažovány v rámci článku, jsou zajímavé vzhledem k tomu, že hrají indikativní roli v jejich výklenku zařízení této specifičnosti. Pojďme si proto prostudovat princip ADC a také jeho závislost na fyzickém zařízení.
Přímé A/D převodníky
Velice populární se staly v 60. a 70. letech minulého století. Ve formě integrovaných obvodů se vyráběly již od 80. let. Jedná se o velmi jednoduchá, až primitivní zařízení, která se nemohou pochlubit výrazným výkonem. Jejich bitová hloubka je obvykle 6–8 bitů a rychlost zřídka přesahuje 1 GSPS.
Princip činnosti tohoto typu ADC je následující: kladné vstupy komparátorů současně přijímají vstupní signál. Na záporné póly je přivedeno napětí o určité velikosti. A pak zařízení určí svůj režim provozu. To se provádí pomocí referenčního napětí. Řekněme, že máme zařízení s 8 komparátory. Při použití ½ referenčního napětí se zapnou pouze 4 z nich. Prioritní kodér vygeneruje binární kód, který bude fixován výstupním registrem. Pokud jde o výhody a nevýhody, můžeme říci, že tento princip fungování umožňuje vytvářet vysokorychlostní zařízení. Ale abyste získali požadovanou bitovou hloubku, musíte se hodně zapotit.
Obecný vzorec pro počet komparátorů vypadá takto: 2^N. Pod N musíte zadat počet číslic. Lze znovu použít příklad zvažovaný dříve: 2^3=8. Celkově je pro získání třetí kategorie nutné8 srovnávačů. To je princip fungování ADC, které byly vytvořeny jako první. Není to příliš pohodlné, takže se později objevily další architektury.
Analogově-digitální postupné aproximační převodníky
Zde je použit algoritmus "vážení". Stručně řečeno, zařízení, která pracují podle této techniky, se jednoduše nazývají sériové počítací ADC. Princip činnosti je následující: zařízení změří hodnotu vstupního signálu a poté jej porovná s čísly, která jsou vygenerována podle určité metody:
- Nastavuje polovinu možného referenčního napětí.
- Pokud signál překonal limit hodnoty z bodu 1, pak je porovnán s číslem, které leží uprostřed mezi zbývající hodnotou. Takže v našem případě to bude ¾ referenčního napětí. Pokud referenční signál nedosáhne tohoto indikátoru, bude srovnání provedeno s druhou částí intervalu podle stejného principu. V tomto příkladu se jedná o ¼ referenčního napětí.
- Krok 2 je třeba Nkrát opakovat, což nám dá N bitů výsledku. To je způsobeno tím, že provádíte H-počet srovnání.
Tento princip fungování umožňuje získat zařízení s relativně vysokým konverzním poměrem, což jsou ADC postupné aproximace. Princip fungování, jak vidíte, je jednoduchý a tato zařízení jsou skvělá pro různé příležitosti.
Paralelní analogově-digitální převodníky
Fungují jako sériová zařízení. Výpočtový vzorec je (2 ^ H) -1. ProV předchozím případě potřebujeme (2^3)-1 komparátory. Pro provoz se používá určité pole těchto zařízení, z nichž každé může porovnávat vstupní a jednotlivé referenční napětí. Paralelní analogově-digitální převodníky jsou poměrně rychlá zařízení. Princip konstrukce těchto zařízení je však takový, že k podpoře jejich výkonu je zapotřebí značný výkon. Proto není praktické je používat na baterie.
Bitově vyvážený A/D převodník
Funguje podobným způsobem jako předchozí zařízení. Proto, abychom vysvětlili fungování bit-by-bit vyvažujícího ADC, bude princip fungování pro začátečníky zvažován doslova na prstech. Jádrem těchto zařízení je fenomén dichotomie. Jinými slovy, je provedeno konzistentní porovnání naměřené hodnoty s určitou částí maximální hodnoty. Lze použít hodnoty v ½, 1/8, 1/16 atd. Proto může analogově-digitální převodník dokončit celý proces v N iteracích (po sobě jdoucích krocích). Navíc H se rovná bitové hloubce ADC (podívejte se na výše uvedené vzorce). Máme tedy značný zisk v čase, pokud je důležitá především rychlost techniky. Navzdory své značné rychlosti mají tato zařízení také nízkou statickou přesnost.
A/D převodníky s vyrovnáváním náboje (delta-sigma)
Toto je nejzajímavější typ zařízení, v neposlední řadědíky svému principu fungování. Spočívá v tom, že se vstupní napětí porovnává s tím, co bylo naakumulováno integrátorem. Na vstup jsou přiváděny pulsy se zápornou nebo kladnou polaritou (vše závisí na výsledku předchozí operace). Můžeme tedy říci, že takový analogově-digitální převodník je jednoduchý servosystém. Ale toto je jen příklad pro srovnání, abyste pochopili, co je delta-sigma ADC. Princip činnosti je systémový, ale pro efektivní fungování tohoto analogově-digitálního převodníku nestačí. Konečným výsledkem je nekonečný proud 1 s a 0 s přes digitální dolní propust. Z nich se vytvoří určitá bitová sekvence. Rozlišuje se mezi převodníky ADC prvního a druhého řádu.
Integrace analogově-digitálních převodníků
Toto je poslední zvláštní případ, který bude v článku zvažován. Dále si popíšeme princip fungování těchto zařízení, ale na obecné úrovni. Tento ADC je push-pull analogově-digitální převodník. S podobným zařízením se můžete setkat v digitálním multimetru. A to není překvapivé, protože poskytují vysokou přesnost a zároveň dobře potlačují rušení.
Nyní se zaměřme na to, jak to funguje. Spočívá v tom, že vstupní signál nabíjí kondenzátor po pevně stanovenou dobu. Tato perioda je zpravidla jednotkou frekvence sítě, která napájí zařízení (50 Hz nebo 60 Hz). Může být i vícenásobný. Vysoké frekvence jsou tedy potlačeny.rušení. Zároveň se vyrovnává vliv nestabilního napětí síťového zdroje výroby elektřiny na přesnost výsledku.
Když skončí doba nabíjení analogově-digitálního převodníku, kondenzátor se začne vybíjet určitou pevnou rychlostí. Interní čítač zařízení počítá počet hodinových impulzů, které jsou během tohoto procesu generovány. Čím delší je tedy časové období, tím významnější jsou ukazatele.
Integrace push-pull ADC má vysokou přesnost a rozlišení. Díky tomu, stejně jako relativně jednoduché konstrukční struktuře, jsou realizovány jako mikroobvody. Hlavní nevýhodou tohoto principu fungování je závislost na indikátoru sítě. Pamatujte, že jeho schopnosti jsou svázány s periodou frekvence napájecího zdroje.
Takto funguje dvojitá integrace ADC. Princip fungování tohoto zařízení, i když je poměrně komplikovaný, poskytuje ukazatele kvality. V některých případech je to prostě nutné.
Vyberte si APC s principem fungování, který potřebujeme
Řekněme, že máme před sebou určitý úkol. Jaké zařízení zvolit, aby uspokojilo všechny naše požadavky? Nejprve si povíme něco o rozlišení a přesnosti. Velmi často jsou zmatení, i když v praxi na sobě velmi málo závisí. Uvědomte si, že 12bitový A/D převodník může být méně přesný než 8bitový A/D převodník. V tomtoV tomto případě je rozlišení mírou toho, kolik segmentů lze extrahovat ze vstupního rozsahu měřeného signálu. Takže 8bitové ADC mají 28=256 takových jednotek.
Přesnost je celková odchylka získaného výsledku převodu od ideální hodnoty, která by měla být při daném vstupním napětí. To znamená, že první parametr charakterizuje potenciální schopnosti, které ADC má, a druhý ukazuje, co máme v praxi. Proto pro nás může být vhodný jednodušší typ (např. přímé analogově-digitální převodníky), který uspokojí potřeby díky vysoké přesnosti.
Abyste měli představu o tom, co je potřeba, musíte nejprve vypočítat fyzické parametry a vytvořit matematický vzorec pro interakci. Důležité v nich jsou statické a dynamické chyby, protože při použití různých komponent a principů stavby zařízení ovlivní různým způsobem jeho vlastnosti. Podrobnější informace naleznete v technické dokumentaci nabízené výrobcem každého konkrétního zařízení.
Příklad
Pojďme se podívat na SC9711 ADC. Princip fungování tohoto zařízení je komplikovaný vzhledem k jeho velikosti a možnostem. Mimochodem, když už mluvíme o tom druhém, je třeba poznamenat, že jsou skutečně rozmanité. Takže například frekvence možného provozu se pohybuje od 10 Hz do 10 MHz. Jinými slovy, může odebrat 10 milionů vzorků za sekundu! A samotné zařízení není něco pevného, alemá modulární konstrukci. Používá se ale zpravidla ve složité technice, kde je potřeba pracovat s velkým množstvím signálů.
Závěr
Jak můžete vidět, ADC mají v zásadě různé principy fungování. To nám umožňuje vybrat zařízení, která uspokojí vzniklé potřeby, a zároveň nám to umožňuje rozumně spravovat naše dostupné prostředky.
