Să ne uităm la gama principală de probleme care pot fi atribuite principiului de funcționare a convertoarelor analog-digitale (ADC) de diferite tipuri. Numărătoare secvențială, echilibrare pe biți - ce se ascunde în spatele acestor cuvinte? Care este principiul de funcționare al microcontrolerului ADC? Acestea, precum și o serie de alte întrebări, le vom lua în considerare în cadrul articolului. Primele trei părți le vom dedica teoriei generale, iar din a patra subtitlu vom studia principiul muncii lor. Puteți întâlni termenii ADC și DAC în diferite literaturi. Principiul de funcționare al acestor dispozitive este ușor diferit, așa că nu le confundați. Deci, articolul va lua în considerare conversia semnalelor din formă analogică în formă digitală, în timp ce DAC-ul funcționează invers.
Definiție
Înainte de a lua în considerare principiul de funcționare al ADC, haideți să aflăm ce fel de dispozitiv este acesta. Convertoarele analog-digitale sunt dispozitive care convertesc o cantitate fizică într-o reprezentare numerică corespunzătoare. Aproape orice poate acționa ca un parametru inițial - curent, tensiune, capacitate,rezistență, unghiul arborelui, frecvența pulsului și așa mai departe. Dar pentru a fi sigur, vom lucra cu o singură transformare. Acesta este "codul de tensiune". Alegerea acestui format de lucru nu este întâmplătoare. La urma urmei, ADC (principiul de funcționare al acestui dispozitiv) și caracteristicile sale depind în mare măsură de conceptul de măsurare utilizat. Acesta este înțeles ca procesul de comparare a unei anumite valori cu un standard stabilit anterior.
Specificații ADC
Principalele sunt adâncimea de biți și frecvența de conversie. Primul este exprimat în biți, iar cel din urmă în numărătoare pe secundă. Convertoarele moderne analog-digitale pot avea o lățime de 24 de biți sau până la unități GSPS. Rețineți că un ADC vă poate oferi doar una dintre caracteristicile sale la un moment dat. Cu cât performanța lor este mai mare, cu atât este mai dificil să lucrezi cu dispozitivul și costă mai mult. Dar avantajul este că puteți obține indicatorii necesari pentru adâncimea de biți sacrificând viteza dispozitivului.
tipuri ADC
Principiul de funcționare variază pentru diferite grupuri de dispozitive. Ne vom uita la următoarele tipuri:
- Cu conversie directă.
- Cu aproximări succesive.
- Cu conversie paralelă.
- Convertor A/D cu echilibrare a încărcăturii (delta-sigma).
- Integrarea ADC-urilor.
Există multe alte tipuri de conducte și combinații care au propriile lor caracteristici speciale cu arhitectură diferită. Dar aceleamostrele care vor fi luate în considerare în cadrul articolului prezintă interes datorită faptului că joacă un rol indicativ în nișa lor de dispozitive cu acest specific. Prin urmare, să studiem principiul ADC, precum și dependența acestuia de dispozitivul fizic.
Convertoare directe A/D
Au devenit foarte populare în anii 60 și 70 ai secolului trecut. Sub formă de circuite integrate, acestea sunt produse încă din anii 80. Acestea sunt dispozitive foarte simple, chiar și primitive, care nu se pot lăuda cu performanțe semnificative. Adâncimea lor de biți este de obicei de 6-8 biți, iar viteza depășește rar 1 GSPS.
Principiul de funcționare al acestui tip de ADC este următorul: intrările pozitive ale comparatoarelor primesc simultan un semnal de intrare. La bornele negative se aplică o tensiune de o anumită mărime. Și apoi dispozitivul își determină modul de funcționare. Acest lucru se face cu tensiune de referință. Să presupunem că avem un dispozitiv cu 8 comparatoare. Când se aplică ½ tensiune de referință, doar 4 dintre ele vor fi pornite. Codificatorul prioritar va genera un cod binar, care va fi fixat de registrul de ieșire. În ceea ce privește avantajele și dezavantajele, putem spune că acest principiu de funcționare vă permite să creați dispozitive de mare viteză. Dar pentru a obține adâncimea de biți necesară, trebuie să transpirați mult.
Formula generală pentru numărul de comparatori arată astfel: 2^N. Sub N trebuie să puneți numărul de cifre. Exemplul considerat mai devreme poate fi folosit din nou: 2^3=8. În total, pentru a obține a treia categorie, este necesar8 comparatoare. Acesta este principiul de funcționare al ADC-urilor, care au fost create mai întâi. Nu foarte convenabil, așa că mai târziu au apărut alte arhitecturi.
Convertoare succesive de aproximare analog-digital
Aici se folosește algoritmul de „ponderare”. Pe scurt, dispozitivele care funcționează conform acestei tehnici sunt numite pur și simplu ADC-uri de numărare în serie. Principiul de funcționare este următorul: dispozitivul măsoară valoarea semnalului de intrare și apoi este comparat cu numere care sunt generate după o anumită metodă:
- Setează jumătate din tensiunea de referință posibilă.
- Dacă semnalul a depășit limita valorii de la punctul 1, atunci este comparat cu numărul care se află la mijloc între valoarea rămasă. Deci, în cazul nostru, va fi ¾ din tensiunea de referință. Dacă semnalul de referință nu atinge acest indicator, atunci comparația va fi efectuată cu ceal altă parte a intervalului conform aceluiași principiu. În acest exemplu, aceasta este ¼ din tensiunea de referință.
- Pasul 2 trebuie repetat de N ori, ceea ce ne va oferi N biți din rezultat. Acest lucru se datorează efectuării unui număr H de comparații.
Acest principiu de funcționare face posibilă obținerea de dispozitive cu o rată de conversie relativ mare, care sunt ADC-uri succesive de aproximare. Principiul de funcționare, după cum puteți vedea, este simplu, iar aceste dispozitive sunt grozave pentru diverse ocazii.
Convertoare paralele analog-digitale
Funcționează ca dispozitive seriale. Formula de calcul este (2 ^ H) -1. PentruÎn cazul precedent, avem nevoie de (2^3)-1 comparatori. Pentru funcționare, este utilizată o anumită matrice a acestor dispozitive, fiecare dintre acestea putând compara tensiunea de intrare și de referință individuală. Convertoarele paralele analog-digitale sunt dispozitive destul de rapide. Dar principiul construcției acestor dispozitive este de așa natură încât este necesară o putere semnificativă pentru a le susține performanța. Prin urmare, nu este practic să le folosiți pe baterie.
Convertor A/D echilibrat pe biți
Funcționează în mod similar cu dispozitivul anterior. Prin urmare, pentru a explica funcționarea unui ADC de echilibrare bit cu bit, principiul de funcționare pentru începători va fi luat în considerare literalmente pe degete. În centrul acestor dispozitive se află fenomenul dihotomiei. Cu alte cuvinte, se realizează o comparație consistentă a valorii măsurate cu o anumită parte a valorii maxime. Pot fi luate valori în ½, 1/8, 1/16 și așa mai departe. Prin urmare, convertorul analog-digital poate finaliza întregul proces în N iterații (pași consecutivi). Mai mult, H este egal cu adâncimea de biți a ADC (uitați-vă la formulele date anterior). Astfel, avem un câștig semnificativ în timp, dacă viteza tehnicii este deosebit de importantă. În ciuda vitezei lor considerabile, aceste dispozitive au și o precizie statică scăzută.
Convertoare A/D cu echilibrare a încărcăturii (delta-sigma)
Acesta este cel mai interesant tip de dispozitiv, nu în ultimul rânddatorită principiului său de funcționare. Constă în faptul că tensiunea de intrare este comparată cu ceea ce a fost acumulat de integrator. Impulsurile cu polaritate negativă sau pozitivă sunt alimentate la intrare (totul depinde de rezultatul operației anterioare). Astfel, putem spune că un astfel de convertor analog-digital este un sistem servo simplu. Dar acesta este doar un exemplu pentru comparație, astfel încât să puteți înțelege ce este un ADC delta-sigma. Principiul de funcționare este sistemic, dar pentru funcționarea eficientă a acestui convertor analog-digital nu este suficient. Rezultatul final este un flux nesfârșit de 1s și 0s prin filtrul digital trece-jos. Din ele se formează o anumită secvență de biți. Se face o distincție între convertoarele ADC de ordinul întâi și al doilea.
Integrarea convertoarelor analog-digitale
Acesta este ultimul caz special care va fi luat în considerare în articol. În continuare, vom descrie principiul de funcționare al acestor dispozitive, dar la nivel general. Acest ADC este un convertor push-pull analog-digital. Puteți întâlni un dispozitiv similar într-un multimetru digital. Și acest lucru nu este surprinzător, deoarece oferă o precizie ridicată și, în același timp, suprimă bine interferența.
Acum să ne concentrăm asupra modului în care funcționează. Constă în faptul că semnalul de intrare încarcă condensatorul pentru un timp fix. De regulă, această perioadă este o unitate a frecvenței rețelei care alimentează dispozitivul (50 Hz sau 60 Hz). Poate fi și multiplu. Astfel, frecvențele în alte sunt suprimate.interferență. În același timp, influența tensiunii instabile a sursei rețelei de producere a energiei electrice asupra preciziei rezultatului este nivelată.
Când timpul de încărcare a convertorului analog-digital se termină, condensatorul începe să se descarce la o anumită rată fixă. Contorul intern al dispozitivului numără numărul de impulsuri de ceas care sunt generate în timpul acestui proces. Astfel, cu cât perioada de timp este mai lungă, cu atât indicatorii sunt mai semnificativi.
Integrarea push-pull ADC are precizie și rezoluție ridicate. Datorită acestui fapt, precum și unei structuri de construcție relativ simple, acestea sunt implementate ca microcircuite. Principalul dezavantaj al acestui principiu de funcționare este dependența de indicatorul de rețea. Rețineți că capacitățile sale sunt legate de perioada de frecvență a sursei de alimentare.
Așa funcționează un ADC cu dublă integrare. Principiul de funcționare al acestui dispozitiv, deși este destul de complicat, oferă indicatori de calitate. În unele cazuri, acest lucru este pur și simplu necesar.
Alegeți APC-ul cu principiul de funcționare de care avem nevoie
Să spunem că avem o anumită sarcină în față. Ce dispozitiv să alegem pentru a ne satisface toate solicitările? Mai întâi, să vorbim despre rezoluție și acuratețe. Foarte des sunt confuzi, deși în practică depind foarte puțin unul de celăl alt. Rețineți că un convertor A/D pe 12 biți poate fi mai puțin precis decât un convertor A/D pe 8 biți. În aiaÎn acest caz, rezoluția este o măsură a câte segmente pot fi extrase din domeniul de intrare al semnalului măsurat. Deci, ADC-urile pe 8 biți au 28=256 de astfel de unități.
Precizia este abaterea totală a rezultatului conversiei obținut de la valoarea ideală, care ar trebui să fie la o anumită tensiune de intrare. Adică, primul parametru caracterizează capabilitățile potențiale pe care le are ADC-ul, iar al doilea arată ce avem în practică. Prin urmare, un tip mai simplu (cum ar fi convertoarele analog-digitale directe) poate fi potrivit pentru noi, care va satisface nevoile datorită preciziei ridicate.
Pentru a avea o idee despre ceea ce este necesar, mai întâi trebuie să calculați parametrii fizici și să construiți o formulă matematică pentru interacțiune. Importante în ele sunt erorile statice și dinamice, deoarece atunci când se utilizează diverse componente și principii de construire a unui dispozitiv, acestea vor afecta caracteristicile acestuia în moduri diferite. Informații mai detaliate pot fi găsite în documentația tehnică oferită de producătorul fiecărui dispozitiv specific.
Exemplu
Să aruncăm o privire la SC9711 ADC. Principiul de funcționare al acestui dispozitiv este complicat datorită dimensiunii și capacităților sale. Apropo, vorbind despre acestea din urmă, trebuie remarcat că sunt cu adevărat diverse. Deci, de exemplu, frecvența posibilei operațiuni variază de la 10 Hz la 10 MHz. Cu alte cuvinte, poate lua 10 milioane de mostre pe secundă! Și dispozitivul în sine nu este ceva solid, darare o structură de construcție modulară. Dar este folosit, de regulă, în tehnologia complexă, unde este necesar să se lucreze cu un număr mare de semnale.
Concluzie
După cum puteți vedea, ADC-urile au principii diferite de funcționare. Acest lucru ne permite să selectăm dispozitive care vor satisface nevoile care apar, permițându-ne totodată să ne gestionăm cu înțelepciune fondurile disponibile.
