Nézzük meg a különböző típusú analóg-digitális konverterek (ADC) működési elvének tulajdonítható problémák fő körét. Szekvenciális számlálás, bitenkénti kiegyensúlyozás – mit rejtenek ezek a szavak? Mi az ADC mikrokontroller működési elve? Ezeket, valamint számos más kérdést a cikk keretében megvizsgálunk. Az első három részt az általános elméletnek szenteljük, a negyedik alcímtől pedig munkájuk elvét tanulmányozzuk. Különféle szakirodalomban találkozhat az ADC és DAC kifejezésekkel. Ezeknek az eszközöknek a működési elve kissé eltér, ezért ne keverje össze őket. Tehát a cikk megvizsgálja a jelek analógból digitális formába történő átalakítását, míg a DAC fordítva működik.
Definíció
Mielőtt megvizsgálnánk az ADC működési elvét, nézzük meg, milyen eszközről van szó. Az analóg-digitális konverterek olyan eszközök, amelyek egy fizikai mennyiséget a megfelelő numerikus ábrázolássá alakítanak át. Szinte bármi működhet kezdeti paraméterként - áram, feszültség, kapacitás,ellenállás, tengelyszög, impulzusfrekvencia és így tovább. De az biztos, hogy csak egyetlen átalakítással fogunk dolgozni. Ez a "feszültség kód". Ezt a munkaformát nem véletlenül választották. Végül is az ADC (az eszköz működési elve) és jellemzői nagymértékben függenek attól, hogy melyik mérési koncepciót használják. Ez egy bizonyos érték és egy korábban megállapított szabvány összehasonlításának folyamata.
ADC-specifikációk
A legfontosabbak a bitmélység és a konverziós frekvencia. Az előbbit bitben, az utóbbit pedig másodpercenkénti számban fejezzük ki. A modern analóg-digitális konverterek 24 bit szélesek vagy akár GSPS egységekig is lehetnek. Vegye figyelembe, hogy az ADC egyszerre csak az egyik jellemzőjét tudja biztosítani. Minél nagyobb a teljesítményük, annál nehezebb az eszközzel dolgozni, és maga is többe kerül. Az előny azonban az, hogy az eszköz sebességének feláldozásával megkaphatja a szükséges bitmélység-jelzőket.
ADC-típusok
A működés elve a különböző eszközcsoportoknál eltérő. A következő típusokat fogjuk megvizsgálni:
- Közvetlen konvertálással.
- Egymás utáni közelítéssel.
- Párhuzamos konverzióval.
- A/D konverter töltéskiegyenlítéssel (delta-szigma).
- ADC-k integrálása.
Sok más folyamat- és kombinációtípus létezik, amelyek sajátos jellemzőkkel rendelkeznek, eltérő architektúrával. De azoka cikk keretein belül megvizsgálandó minták azért érdekesek, mert jelzésértékű szerepet töltenek be az ilyen jellegű készülékek résében. Ezért tanulmányozzuk az ADC elvét, valamint a fizikai eszköztől való függését.
Közvetlen A/D konverterek
Nagyon népszerűek lettek a múlt század 60-as és 70-es éveiben. Integrált áramkörök formájában a 80-as évektől gyártják. Nagyon egyszerű, sőt primitív eszközökről van szó, amelyek nem dicsekedhetnek jelentős teljesítménnyel. Bitmélységük általában 6-8 bit, és a sebesség ritkán haladja meg az 1 GSPS-t.
Az ilyen típusú ADC működési elve a következő: a komparátorok pozitív bemenetei egyidejűleg kapnak bemeneti jelet. A negatív kapcsokra egy bizonyos nagyságú feszültség kerül. Ezután a készülék meghatározza a működési módját. Ez referenciafeszültséggel történik. Tegyük fel, hogy van egy 8 komparátoros készülékünk. ½ referenciafeszültség alkalmazásakor csak 4 kapcsol be. A prioritási kódoló bináris kódot generál, amelyet a kimeneti regiszter rögzít. Az előnyök és hátrányok tekintetében elmondhatjuk, hogy ez a működési elv lehetővé teszi nagy sebességű eszközök létrehozását. De a szükséges bitmélység eléréséhez sokat kell izzadni.
A komparátorok számának általános képlete így néz ki: 2^N. Az N alatt meg kell adni a számjegyek számát. A korábban tárgy alt példa ismét használható: 2^3=8. Összességében a harmadik kategória megszerzéséhez szükséges8 összehasonlító. Ez az elsőként létrejött ADC-k működési elve. Nem túl kényelmes, ezért később más architektúrák is megjelentek.
Analóg-digitális egymás utáni közelítő konverterek
Itt a "súlyozási" algoritmus használatos. Röviden, azokat az eszközöket, amelyek ennek a technikának megfelelően működnek, egyszerűen soros számláló ADC-knek nevezik. A működés elve a következő: a készülék megméri a bemenő jel értékét, majd összehasonlítja azt egy bizonyos módszer szerint előállított számokkal:
- Beállítja a lehetséges referenciafeszültség felét.
- Ha a jel az 1. ponttól átlépte az értékhatárt, akkor a rendszer összehasonlítja a fennmaradó érték között középen lévő számmal. Tehát esetünkben ez a referenciafeszültség ¾-e lesz. Ha a referenciajel nem éri el ezt a mutatót, akkor az összehasonlítás az intervallum másik részével ugyanazon elv szerint történik. Ebben a példában ez a referenciafeszültség ¼-e.
- A 2. lépést N-szer meg kell ismételni, így N bitet kapunk az eredményből. Ennek oka a H számú összehasonlítás.
Ez a működési elv lehetővé teszi viszonylag magas konverziós arányú eszközök beszerzését, amelyek egymás utáni közelítésű ADC-k. A működési elve, amint láthatja, egyszerű, és ezek az eszközök nagyszerűek különféle alkalmakra.
Párhuzamos analóg-digitális átalakítók
Úgy működnek, mint a soros eszközök. A számítási képlet: (2 ^ H) -1. MertAz előző esetben (2^3)-1 komparátorra van szükségünk. A működéshez ezeknek az eszközöknek egy bizonyos tömbjét használják, amelyek mindegyike összehasonlíthatja a bemeneti és az egyedi referenciafeszültséget. A párhuzamos analóg-digitális átalakítók meglehetősen gyors eszközök. De ezen eszközök felépítésének elve olyan, hogy jelentős teljesítményre van szükség a teljesítményük támogatásához. Ezért nem praktikus akkumulátorról használni őket.
Bitenkénti kiegyensúlyozott A/D konverter
Hasonlóan működik, mint az előző készülék. Ezért a bitről bitre kiegyensúlyozó ADC működésének magyarázata érdekében a kezdők működési elvét szó szerint az ujjakon kell figyelembe venni. Ezen eszközök középpontjában a dichotómia jelensége áll. Más szavakkal, a mért érték következetes összehasonlítása a maximális érték egy bizonyos részével történik. ½, 1/8, 1/16 és így tovább értékek vehetők fel. Ezért az analóg-digitális átalakító a teljes folyamatot N iterációban (egymást követő lépésben) tudja végrehajtani. Ráadásul H egyenlő az ADC bitmélységével (nézd meg a korábban megadott képleteket). Így jelentős időnyereségünk van, ha a technika gyorsasága különösen fontos. Jelentős sebességük ellenére ezeknek az eszközöknek alacsony a statikus pontossága is.
A/D konverterek töltéskiegyenlítéssel (delta-szigma)
Nem utolsósorban ez a legérdekesebb eszköztípusműködési elvének köszönhetően. Ez abban rejlik, hogy a bemeneti feszültséget összehasonlítják az integrátor által felhalmozott feszültséggel. A negatív vagy pozitív polaritású impulzusok a bemenetre kerülnek (minden az előző művelet eredményétől függ). Így elmondhatjuk, hogy egy ilyen analóg-digitális átalakító egy egyszerű szervorendszer. De ez csak egy példa összehasonlításra, így megértheti, mi az a delta-sigma ADC. A működési elve rendszerszintű, de ennek az analóg-digitális átalakítónak a hatékony működéséhez ez nem elegendő. A végeredmény egy véget nem érő 1-es és 0-ás folyam a digitális aluláteresztő szűrőn keresztül. Egy bizonyos bitsorozat alakul ki belőlük. Különbséget teszünk az első és másodrendű ADC konverterek között.
Analóg-digitális konverterek integrálása
Ez az utolsó speciális eset, amellyel a cikk foglalkozik. Ezután leírjuk ezeknek az eszközöknek a működési elvét, de általános szinten. Ez az ADC egy push-pull analóg-digitális átalakító. Hasonló eszközzel találkozhat egy digitális multiméterben. És ez nem meglepő, mert nagy pontosságot biztosítanak, ugyanakkor jól elnyomják az interferenciát.
Most koncentráljunk a működésére. Ez abban rejlik, hogy a bemeneti jel meghatározott ideig tölti a kondenzátort. Ez az időszak általában az eszközt tápláló hálózat frekvenciájának egysége (50 Hz vagy 60 Hz). Lehet több is. Így a magas frekvenciákat elnyomják.interferencia. Ugyanakkor a villamosenergia-termelés hálózati forrásának instabil feszültségének az eredmény pontosságára gyakorolt hatása kiegyenlítődik.
Amikor az analóg-digitális átalakító töltési ideje lejár, a kondenzátor bizonyos rögzített sebességgel kezd lemerülni. A készülék belső számlálója számolja a folyamat során generált óraimpulzusok számát. Így minél hosszabb az időtartam, annál jelentősebbek a mutatók.
Az ADC push-pull integráció nagy pontossággal és felbontással rendelkezik. Ennek, valamint a viszonylag egyszerű felépítésnek köszönhetően mikroáramkörökként valósulnak meg. Ennek a működési elvnek a fő hátránya a hálózati indikátortól való függés. Ne feledje, hogy képességei a tápegység frekvenciaperiódusához vannak kötve.
Így működik a kettős integrációs ADC. Ennek az eszköznek a működési elve, bár meglehetősen bonyolult, de minőségi mutatókat biztosít. Bizonyos esetekben ez egyszerűen szükséges.
Válassza ki az APC-t a szükséges működési elv szerint
Tegyük fel, hogy egy bizonyos feladat vár ránk. Melyik készüléket válasszuk, hogy minden igényünket kielégítse? Először is beszéljünk a felbontásról és a pontosságról. Nagyon gyakran össze vannak zavarodva, bár a gyakorlatban nagyon kevéssé függnek egymástól. Ne feledje, hogy a 12 bites A/D konverter kevésbé pontos lehet, mint a 8 bites A/D konverter. AbbanEbben az esetben a felbontás annak mértéke, hogy a mért jel bemeneti tartományából hány szegmens nyerhető ki. Tehát a 8 bites ADC-kben 28=256 ilyen egység van.
A pontosság a kapott konverziós eredmény teljes eltérése az ideális értéktől, amelynek egy adott bemeneti feszültségnél meg kell lennie. Vagyis az első paraméter az ADC potenciális képességeit jellemzi, a második pedig azt mutatja meg, hogy mi van a gyakorlatban. Ezért egy egyszerűbb típus (pl. direkt analóg-digitális átalakítók) megfelelő lehet számunkra, amely a nagy pontosság miatt kielégíti az igényeket.
Ahhoz, hogy elképzelése legyen arról, mire van szükség, először ki kell számítania a fizikai paramétereket, és létre kell hoznia egy matematikai képletet az interakcióhoz. Fontosak bennük a statikus és dinamikus hibák, mivel az eszköz különböző összetevőinek és építési elveinek használatakor ezek különböző módon befolyásolják a jellemzőit. Részletesebb információkat az egyes eszközök gyártója által kínált műszaki dokumentációban talál.
Példa
Vegyünk egy pillantást az SC9711 ADC-re. Ennek az eszköznek a működési elve mérete és képességei miatt bonyolult. Egyébként, ha az utóbbiról beszélünk, meg kell jegyezni, hogy valóban sokfélék. Így például a lehetséges működési frekvencia 10 Hz és 10 MHz között van. Más szavakkal, másodpercenként 10 millió mintát vehet fel! És maga a készülék nem valami szilárd, hanemmoduláris felépítésű. De általában összetett technológiában használják, ahol sok jellel kell dolgozni.
Következtetés
Amint látja, az ADC-k alapvetően eltérő működési elvekkel rendelkeznek. Ez lehetővé teszi számunkra, hogy olyan eszközöket válasszunk, amelyek kielégítik a felmerülő igényeket, ugyanakkor lehetővé teszi a rendelkezésre álló pénzeszközök okos kezelését is.
