Przyjrzyjmy się głównemu zakresowi zagadnień, które można przypisać zasadzie działania przetworników analogowo-cyfrowych (ADC) różnych typów. Liczenie sekwencyjne, równoważenie bitowe – co kryje się za tymi słowami? Jaka jest zasada działania mikrokontrolera ADC? Te i szereg innych pytań rozważymy w ramach artykułu. Pierwsze trzy części poświęcimy ogólnej teorii, a od czwartego podrozdziału przestudiujemy zasadę ich pracy. Terminy ADC i DAC można spotkać w różnych publikacjach. Zasada działania tych urządzeń jest nieco inna, więc nie myl ich. W artykule rozważymy więc konwersję sygnałów z postaci analogowej na cyfrową, podczas gdy przetwornik cyfrowo-analogowy działa na odwrót.
Definicja
Zanim zajmiemy się zasadą działania ADC, dowiedzmy się, jakie to urządzenie. Przetworniki analogowo-cyfrowe to urządzenia, które konwertują wielkość fizyczną na odpowiednią reprezentację numeryczną. Parametrem początkowym może być prawie wszystko - prąd, napięcie, pojemność,rezystancja, kąt wału, częstotliwość impulsów i tak dalej. Ale żeby mieć pewność, będziemy pracować tylko z jedną transformacją. To jest „kod napięcia”. Wybór tego formatu pracy nie jest przypadkowy. W końcu ADC (zasada działania tego urządzenia) i jego funkcje w dużej mierze zależą od zastosowanej koncepcji pomiaru. Jest to rozumiane jako proces porównywania określonej wartości z wcześniej ustalonym standardem.
Specyfikacje ADC
Główne z nich to głębia bitowa i częstotliwość konwersji. Pierwsza jest wyrażona w bitach, a druga w liczbach na sekundę. Nowoczesne konwertery analogowo-cyfrowe mogą mieć szerokość 24 bity lub do jednostek GSPS. Pamiętaj, że ADC może dostarczyć tylko jedną ze swoich cech na raz. Im wyższa ich wydajność, tym trudniej pracować z urządzeniem, a samo to kosztuje więcej. Ale korzyścią jest to, że możesz uzyskać niezbędne wskaźniki głębokości bitowej, poświęcając prędkość urządzenia.
typy ADC
Zasada działania jest różna dla różnych grup urządzeń. Przyjrzymy się następującym typom:
- Z bezpośrednią konwersją.
- Z kolejnym przybliżeniem.
- Z konwersją równoległą.
- Konwerter A/C z równoważeniem ładowania (delta-sigma).
- Integracja ADC.
Istnieje wiele innych typów potoków i kombinacji, które mają swoje własne cechy charakterystyczne i różnią się architekturą. Ale tepróbki, które będą brane pod uwagę w ramach artykułu, są interesujące ze względu na to, że odgrywają one rolę wskaźnikową w swojej niszy urządzeń o tej specyfice. Dlatego przestudiujmy zasadę działania ADC, a także jego zależność od urządzenia fizycznego.
Bezpośrednie przetworniki A/D
Stały się bardzo popularne w latach 60. i 70. ubiegłego wieku. W postaci układów scalonych produkowane są od lat 80-tych. To bardzo proste, wręcz prymitywne urządzenia, które nie mogą pochwalić się znaczną wydajnością. Ich głębia bitowa wynosi zwykle 6-8 bitów, a prędkość rzadko przekracza 1 GSPS.
Zasada działania tego typu ADC jest następująca: dodatnie wejścia komparatorów jednocześnie odbierają sygnał wejściowy. Do zacisków ujemnych przykładane jest napięcie o określonej wartości. A następnie urządzenie określa swój tryb pracy. Odbywa się to za pomocą napięcia odniesienia. Załóżmy, że mamy urządzenie z 8 komparatorami. Przy zastosowaniu napięcia odniesienia ½ tylko 4 z nich zostaną włączone. Enkoder priorytetowy wygeneruje kod binarny, który zostanie ustalony przez rejestr wyjściowy. Odnosząc się do zalet i wad możemy powiedzieć, że ta zasada działania pozwala na tworzenie szybkich urządzeń. Ale aby uzyskać wymaganą głębię bitową, musisz się dużo pocić.
Ogólny wzór na liczbę komparatorów wygląda tak: 2^N. Pod N musisz umieścić liczbę cyfr. Przykład rozważany wcześniej może być użyty ponownie: 2^3=8. W sumie do uzyskania trzeciej kategorii konieczne jest8 komparatorów. Taka jest zasada działania przetworników ADC, które powstały jako pierwsze. Niezbyt wygodne, więc później pojawiły się inne architektury.
Konwertery analogowo-cyfrowe kolejnych przybliżeń
Tutaj używany jest algorytm „ważenia”. Krótko mówiąc, urządzenia działające zgodnie z tą techniką nazywane są po prostu przetwornikami ADC zliczającymi szereg. Zasada działania jest następująca: urządzenie mierzy wartość sygnału wejściowego, a następnie jest porównywane z liczbami generowanymi według określonej metody:
- Ustawia połowę możliwego napięcia odniesienia.
- Jeżeli sygnał przekroczył granicę wartości z punktu 1, to jest on porównywany z liczbą leżącą pośrodku między pozostałą wartością. Czyli w naszym przypadku będzie to ¾ napięcia odniesienia. Jeżeli sygnał odniesienia nie osiągnie tego wskaźnika, to porównanie zostanie przeprowadzone z drugą częścią przedziału według tej samej zasady. W tym przykładzie jest to ¼ napięcia odniesienia.
- Krok 2 należy powtórzyć N razy, co da nam N bitów wyniku. Wynika to z wykonania liczby porównań H.
Ta zasada działania umożliwia uzyskanie urządzeń o stosunkowo wysokim współczynniku konwersji, które są kolejnymi przybliżonymi przetwornikami ADC. Zasada działania jak widać jest prosta, a urządzenia te świetnie sprawdzają się na różne okazje.
Równoległe konwertery analogowo-cyfrowe
Dziają jak urządzenia szeregowe. Wzór obliczeniowy to (2 ^ H) -1. DoW poprzednim przypadku potrzebujemy komparatorów (2^3)-1. Do działania wykorzystywana jest pewna tablica tych urządzeń, z których każde może porównywać napięcie wejściowe i indywidualne napięcie odniesienia. Równoległe konwertery analogowo-cyfrowe są dość szybkimi urządzeniami. Jednak zasada budowy tych urządzeń jest taka, że do ich działania potrzebna jest znaczna moc. Dlatego używanie ich na zasilaniu bateryjnym nie jest praktyczne.
Zrównoważony bitowo przetwornik A/C
Działa podobnie jak poprzednie urządzenie. Dlatego, aby wyjaśnić działanie ADC równoważącego bit po bicie, zasada działania dla początkujących będzie rozpatrywana dosłownie na palcach. Sercem tych urządzeń jest zjawisko dychotomii. Innymi słowy, przeprowadza się spójne porównanie wartości zmierzonej z pewną częścią wartości maksymalnej. Można przyjąć wartości w ½, 1/8, 1/16 i tak dalej. Dlatego przetwornik analogowo-cyfrowy może zakończyć cały proces w N iteracjach (kolejne kroki). Co więcej, H jest równe głębokości bitowej ADC (spójrz na poprzednio podane formuły). W ten sposób uzyskujemy znaczną oszczędność czasu, jeśli szybkość techniki jest szczególnie ważna. Pomimo znacznej prędkości urządzenia te mają również niską dokładność statyczną.
Konwertery A/D z równoważeniem ładowania (delta-sigma)
To nie tylko najciekawszy typ urządzeniadzięki swojej zasadzie działania. Polega ona na tym, że napięcie wejściowe jest porównywane z tym, które zostało zgromadzone przez integrator. Na wejście podawane są impulsy o biegunowości ujemnej lub dodatniej (wszystko zależy od wyniku poprzedniej operacji). Można więc powiedzieć, że taki przetwornik analogowo-cyfrowy to prosty układ serwo. Ale to tylko przykład do porównania, więc możesz zrozumieć, czym jest przetwornik delta-sigma. Zasada działania jest systemowa, ale do efektywnego działania tego przetwornika analogowo-cyfrowego nie wystarczy. Efektem końcowym jest niekończący się strumień jedynek i zer przez cyfrowy filtr dolnoprzepustowy. Z nich tworzona jest pewna sekwencja bitowa. Rozróżnia się przetworniki ADC pierwszego i drugiego rzędu.
Integracja przetworników analogowo-cyfrowych
To ostatni przypadek szczególny, który zostanie omówiony w artykule. Następnie opiszemy zasadę działania tych urządzeń, ale na poziomie ogólnym. Ten ADC jest przetwornikiem analogowo-cyfrowym typu push-pull. Podobne urządzenie można spotkać w multimetrze cyfrowym. I nie jest to zaskakujące, ponieważ zapewniają wysoką celność, a jednocześnie dobrze tłumią zakłócenia.
Skupmy się teraz na tym, jak to działa. Polega na tym, że sygnał wejściowy ładuje kondensator przez określony czas. Z reguły okres ten jest jednostką częstotliwości sieci zasilającej urządzenie (50 Hz lub 60 Hz). Może być również wielokrotny. W ten sposób tłumione są wysokie częstotliwości.ingerencja. Jednocześnie niwelowany jest wpływ niestabilnego napięcia sieciowego źródła wytwarzania energii elektrycznej na dokładność wyniku.
Kiedy kończy się czas ładowania konwertera analogowo-cyfrowego, kondensator zaczyna się rozładowywać z pewną stałą szybkością. Wewnętrzny licznik urządzenia zlicza liczbę impulsów zegarowych, które są generowane podczas tego procesu. Zatem im dłuższy okres, tym bardziej znaczące są wskaźniki.
Integracja push-pull ADC zapewnia wysoką dokładność i rozdzielczość. Dzięki temu, a także stosunkowo prostej konstrukcji konstrukcyjnej, są one realizowane jako mikroukłady. Główną wadą tej zasady działania jest zależność od wskaźnika sieci. Pamiętaj, że jego możliwości są związane z okresem częstotliwości zasilania.
Tak działa ADC z podwójną integracją. Zasada działania tego urządzenia, choć jest dość skomplikowana, ale zapewnia wskaźniki jakości. W niektórych przypadkach jest to po prostu konieczne.
Wybierz APC z zasadą działania jakiej potrzebujemy
Powiedzmy, że mamy przed sobą pewne zadanie. Jakie urządzenie wybrać, aby spełniało wszystkie nasze prośby? Najpierw porozmawiajmy o rozdzielczości i dokładności. Bardzo często są zdezorientowani, chociaż w praktyce bardzo mało od siebie zależą. Należy pamiętać, że 12-bitowy konwerter A/D może być mniej dokładny niż 8-bitowy konwerter A/D. W tymW tym przypadku rozdzielczość jest miarą tego, ile segmentów można wyodrębnić z zakresu wejściowego mierzonego sygnału. Tak więc 8-bitowe przetworniki ADC mają 28=256 takich jednostek.
Dokładność to całkowite odchylenie otrzymanego wyniku konwersji od idealnej wartości, która powinna być przy danym napięciu wejściowym. Oznacza to, że pierwszy parametr charakteryzuje potencjalne możliwości, jakie ma ADC, a drugi pokazuje, jakie mamy w praktyce. Dlatego prostszy typ (np. bezpośrednie przetworniki analogowo-cyfrowe) może być dla nas odpowiedni, który zaspokoi potrzeby dzięki wysokiej dokładności.
Aby mieć pojęcie o tym, co jest potrzebne, najpierw musisz obliczyć parametry fizyczne i zbudować wzór matematyczny interakcji. Ważne są w nich błędy statyczne i dynamiczne, ponieważ przy użyciu różnych komponentów i zasad budowy urządzenia będą one w różny sposób wpływać na jego charakterystykę. Bardziej szczegółowe informacje można znaleźć w dokumentacji technicznej oferowanej przez producenta każdego konkretnego urządzenia.
Przykład
Przyjrzyjmy się przetwornikowi SC9711 ADC. Zasada działania tego urządzenia jest skomplikowana ze względu na jego wielkość i możliwości. Przy okazji, mówiąc o tych ostatnich, należy zauważyć, że są one naprawdę różnorodne. Na przykład częstotliwość możliwej pracy waha się od 10 Hz do 10 MHz. Innymi słowy, może pobrać 10 milionów próbek na sekundę! A samo urządzenie nie jest czymś solidnym, alema konstrukcję modułową. Ale z reguły jest używany w złożonej technologii, gdzie konieczna jest praca z dużą liczbą sygnałów.
Wniosek
Jak widać, przetworniki ADC zasadniczo mają różne zasady działania. Pozwala nam to wybrać urządzenia, które zaspokoją pojawiające się potrzeby, a jednocześnie pozwoli nam mądrze zarządzać dostępnymi środkami.
