Prinsip umum operasi ADCs

Mari kita pertimbangkan pelbagai isu utama yang boleh dikaitkan dengan prinsip operasi penukar analog-ke-digital (ADCs) dari pelbagai jenis. Akaun sekuriti, mengimbangi bitwise - apa yang tersembunyi di sebalik kata-kata ini? Apakah prinsip operasi mikrokontroler ADC? Ini, serta beberapa isu lain, kita akan mempertimbangkan dalam rangka artikel tersebut. Kami akan menumpukan tiga bahagian pertama kepada teori umum, dan dari subkumpulan keempat kita akan mengkaji prinsip kerja mereka. Anda boleh memenuhi syarat-syarat ADC dan DAC dalam kesusasteraan yang berbeza. Prinsip pengoperasian peranti ini sedikit berbeza, jadi jangan mengelirukan mereka. Oleh itu, artikel itu akan mempertimbangkan penukaran isyarat dari bentuk analog kepada digital, manakala DAC berfungsi sebaliknya.

Definisi

Sebelum mempertimbangkan prinsip ADC, mari kita mengetahui jenis peranti itu. Pengubah analog-ke-digital adalah peranti yang menukar kuantiti fizikal ke dalam perwakilan berangka yang bersesuaian. Sebagai parameter awal, hampir apa saja boleh bertindak: arus, voltan, kapasitans, rintangan, sudut putaran aci, kekerapan nadi, dan sebagainya. Tetapi untuk memastikan kepastian, kami hanya akan bekerja dengan satu transformasi. Inilah kod "voltan". Pilihan format ini tidak sengaja. Lagipun, ADC (prinsip operasi peranti ini) dan ciri-cirinya bergantung kepada sebahagian besarnya mengenai konsep pengukuran yang digunakan. Dengan ini, bermakna proses membandingkan nilai tertentu dengan piawaian yang telah ditetapkan sebelumnya.

Ciri-ciri ADC

Yang utama adalah kedalaman bit dan kekerapan penukaran. Yang pertama dinyatakan dalam bit, dan yang kedua dinyatakan dalam hitungan per detik. Pengubah analog-ke-digital moden boleh mempunyai kapasiti 24 bit atau kelajuan penukaran, yang mencapai unit GSPS. Perhatikan bahawa ADC pada masa yang sama dapat memberikan anda hanya satu daripada ciri-cirinya. Semakin besar prestasi mereka, semakin sukar untuk bekerja dengan peranti itu, dan itu sendiri lebih mahal. Tetapi faedah boleh diperolehi dengan digit yang diperlukan, mengorbankan kelajuan peranti.

Jenis ADC

Prinsip operasi berbeza-beza mengikut kumpulan peranti yang berlainan. Kami akan mempertimbangkan jenis berikut:

1. Dengan transformasi langsung.
2. Dengan penghampiran berturut-turut.
3. Dengan perubahan selari.
4. Penukar analog digital dengan pengimbangan cas (delta-sigma).
5. Mengintegrasikan ADC.

Terdapat banyak penghantar dan jenis gabungan yang mempunyai ciri khas mereka sendiri dengan seni bina yang berbeza. Tetapi contoh-contoh yang akan dipertimbangkan dalam rangka artikel itu adalah menarik kerana mereka memainkan peranan indikatif dalam niche peranti mereka dari kekhususan ini. Oleh itu, mari kita mengkaji prinsip ADC, serta pergantungannya pada peranti fizikal.

Pengubah analog-ke-digital langsung

Mereka menjadi sangat popular dalam 60-70an abad yang lalu. Dalam bentuk litar bersepadu dihasilkan dari tahun 80-an. Ini adalah alat yang sangat mudah, walaupun primitif yang tidak boleh membanggakan petunjuk penting. Kedalaman bitnya biasanya 6-8 bit, dan kelajuannya jarang melebihi 1 GSPS.

Prinsip pengoperasian ADC jenis ini adalah seperti berikut: isyarat masukan adalah input secara serentak dengan input tambah komparator. Terminal negatif dibekalkan dengan voltan nilai tertentu. Dan kemudian peranti menentukan mod pengendaliannya. Ini dilakukan kerana voltan rujukan. Katakan kita mempunyai peranti di mana terdapat 8 komparator. Apabila voltan rujukan ½ digunakan, hanya 4 daripadanya akan dimasukkan. Pengekodan keutamaan akan menghasilkan kod binari, yang ditetapkan oleh daftar output. Mengenai merit dan demerits, boleh dikatakan bahawa prinsip operasi itu membolehkan penciptaan alat berkelajuan tinggi. Tetapi untuk mendapatkan kapasiti kecil yang diperlukan, anda perlu berpeluh banyak.

Formula umum untuk bilangan pembanding kelihatan seperti ini: 2 ^ N. Di bawah N, anda perlu menetapkan bilangan digit. Contoh yang dipertimbangkan sebelum ini boleh digunakan lagi: 2 ^ 3 = 8. Sebanyak 8 komparator diperlukan untuk mendapatkan angka ketiga. Inilah prinsip ADC, yang dicipta terlebih dahulu. Tidak begitu mudah, jadi di kemudian hari terdapat arsitektur lain.

Analog kepada Digital Converters

Di sini kita menggunakan algoritma "weighting". Pendek kata, peranti yang menggunakan teknik ini dipanggil hanya ADC untuk pengiraan berturut-turut. Prinsip operasi adalah seperti berikut: peranti mengukur nilai isyarat masukan, dan kemudian ia dibandingkan dengan nombor-nombor yang dihasilkan mengikut teknik tertentu:

1. Separuh voltan rujukan yang mungkin ditetapkan.
2. Jika isyarat mengatasi had nilai dari titik # 1, maka ia dibandingkan dengan nombor yang terletak di tengah antara baki nilai. Oleh itu, dalam kes ini, ini akan menjadi ¾ voltan rujukan. Sekiranya isyarat rujukan tidak mencapai indeks ini, maka perbandingan akan dilakukan dengan bahagian lain selang dengan cara yang sama. Dalam contoh ini, ¼ daripada voltan rujukan.
3. Langkah 2 mesti diulang N kali, yang akan memberi kita hasil H-bit. Ini adalah kerana bilangan perbandingan H.

Prinsip operasi ini membolehkan anda untuk mendapatkan peranti dengan kelajuan penukaran yang agak tinggi, yang merupakan ADCs perkiraan yang berturut-turut. Prinsip operasi, seperti yang anda lihat, adalah mudah, dan peranti ini sangat baik untuk kes-kes yang berbeza.

Pengubah analog-ke-digital selari

Mereka berfungsi seperti peranti bersiri. Formula untuk pengiraan adalah (2 ^ H) -1. Bagi kes yang dipertimbangkan sebelum ini, kita perlu (2 ^ 3) -1 perbandingan. Untuk operasi, pelbagai peranti ini digunakan, masing-masing dapat membandingkan input dan voltan rujukan individu. Peranti analog-ke-digital selari adalah peranti yang agak pantas. Tetapi prinsip membina peranti ini adalah sedemikian rupa untuk mengekalkan prestasi mereka memerlukan kuasa yang besar. Oleh itu, tidak dianjurkan untuk menggunakannya dengan kuasa bateri.

Pengubah analog-ke-digital dengan pengimbangan bitwise

Ia beroperasi mengikut skema yang sama seperti peranti sebelumnya. Oleh itu, untuk menjelaskan operasi ADC pengimbangan bitwise, prinsip kerja untuk pemula akan dianggap secara literal pada jari. Di tengah-tengah peranti ini adalah fenomena dikotomi. Dalam erti kata lain, perbandingan konsisten kuantiti diukur dengan bahagian tertentu dari nilai maksimum dijalankan. Nilai dalam ½, 1/8, 1/16 dan sebagainya boleh diambil. Oleh itu, penukar analog-ke-digital boleh melaksanakan keseluruhan proses untuk lelaran H (langkah-langkah berturut-turut). Dan H sama dengan lebar bit ADC (lihat rumus yang telah diberikan sebelumnya). Oleh itu, kita mempunyai keuntungan yang besar dalam masa, jika kelajuan teknik sangat penting. Walaupun kelajuan yang besar, peranti ini juga dicirikan oleh ralat statik yang rendah.

Pengubah analog-digital dengan pengimbangan cas (delta-sigma)

Ini adalah jenis peranti yang paling menarik, paling tidak disebabkan oleh prinsip operasinya. Ia terdiri daripada fakta bahawa voltan masukan dibandingkan dengan apa yang terkumpul oleh integrator. Denyutan dengan polariti negatif atau positif diberikan kepada input (semuanya bergantung kepada hasil operasi sebelumnya). Oleh itu, boleh dikatakan bahawa penukar analog-ke-digital seperti sistem penjejakan mudah. Tetapi ini hanya sebagai contoh perbandingan, jadi anda boleh memahami apa yang ADC delta-sigma adalah. Prinsip operasi adalah sistem, tetapi untuk operasi yang efisien pengubah analog-ke-digital ini tidak mencukupi. Hasil akhirnya adalah satu aliran yang tidak berkesudahan unit dan nol yang melewati LPF digital. Daripada jumlah ini, urutan kecil tertentu dibentuk. Perbezaan dibuat antara penukar ADC pesanan pertama dan kedua.

Pengubah analog-ke-digital bersepadu

Ini adalah kes yang terakhir yang akan dipertimbangkan dalam kerangka artikel. Seterusnya, kami akan menerangkan operasi peranti ini, tetapi pada tahap umum. ADC ini adalah penukar analog-ke-digital dengan integrasi push-pull. Anda boleh memenuhi peranti yang sama dalam multimeter digital. Dan ini tidak menghairankan kerana mereka memberikan ketepatan yang tinggi dan pada masa yang sama menyekat bunyi bising.

Sekarang mari kita memberi tumpuan kepada prinsip kerja. Ia terdiri daripada bahawa isyarat masukan mengenakan kapasitor untuk masa yang ditetapkan. Biasanya, tempoh ini adalah unit kekerapan rangkaian yang menguatkan peranti (50 Hz atau 60 Hz). Ia juga boleh menjadi berbilang. Oleh itu, bunyi frekuensi tinggi ditindas. Pada masa yang sama, kesan voltan yang tidak stabil dari sumber grid penjanaan elektrik pada ketepatan keputusan itu disamakan.

Apabila masa pengecasan pengubah analog-ke-digital berakhir, kapasitor mula melepaskan pada kadar tetap tertentu. Kaunter dalaman peranti mengira bilangan denyutan jam yang dijana semasa proses ini. Oleh itu, semakin lama selang masa, indikator yang lebih penting.

ADC integrasi push-pull mempunyai ketepatan yang tinggi dan mengatasi kuasa. Disebabkan ini, serta struktur pembinaan yang agak mudah, ia dilakukan sebagai cip. Kelemahan utama prinsip kerja ini adalah pergantungan pada penunjuk rangkaian. Ingatlah bahawa keupayaannya terikat pada tempoh frekuensi bekalan kuasa.

Begini bagaimana ADC integrasi berganda berfungsi. Prinsip pengoperasian peranti ini, walaupun agak rumit, tetapi ia memberikan petunjuk kualiti. Dalam sesetengah kes, ini hanya perlu.

Pilih APC dengan prinsip kerja yang kami perlukan

Katakan kita menghadapi tugas tertentu. Bagaimana untuk memilih peranti supaya ia dapat memenuhi semua permintaan kami? Pertama, mari bercakap tentang ketetapan dan ketepatan. Selalunya mereka keliru, walaupun dalam amalan mereka sangat lemah bergantung pada satu dari yang kedua. Ingat bahawa penukar analog-ke-digital 12-bit boleh mempunyai ketepatan kurang daripada 8-bit. Dalam kes ini, resolusi adalah ukuran berapa banyak segmen yang boleh diekstrak dari pelbagai input isyarat yang diukur. Jadi, ADC 8-bit mempunyai 2 ⁸ = 256 unit sedemikian.

Ketepatan ialah jumlah penyelewengan penukaran yang terhasil dari nilai ideal, yang sepatutnya untuk voltan masukan yang diberikan. Iaitu, parameter pertama mencirikan keupayaan potensi ADC, dan yang kedua menunjukkan apa yang kita ada dalam amalan. Oleh itu, kita boleh mendekati jenis yang lebih mudah (sebagai contoh, penukar analog-ke-digital langsung), yang akan memenuhi keperluan kerana ketepatan yang tinggi.

Untuk mempunyai idea tentang apa yang diperlukan, pertama kita perlu mengira parameter fizikal dan membina formula matematik untuk interaksi. Penting di dalamnya adalah ralat statik dan dinamik, kerana apabila menggunakan komponen dan prinsip yang berbeza untuk membina peranti, mereka akan mempunyai kesan yang berbeza terhadap ciri-cirinya. Maklumat yang lebih terperinci boleh didapati dalam dokumentasi teknikal yang pengilang setiap peranti tertentu menawarkan.

Contoh:

Mari lihat ADC SC9711. Prinsip pengendalian peranti ini adalah rumit kerana saiz dan keupayaannya. Dengan cara ini, bercakap tentang yang terakhir, harus diperhatikan bahawa mereka benar-benar berbeza. Jadi, sebagai contoh, kekerapan kerja mungkin antara 10 Hz hingga 10 MHz. Dalam erti kata lain, ia boleh melakukan 10 juta tuduhan sesaat! Dan peranti itu sendiri bukan sesuatu yang penting, tetapi mempunyai struktur pembinaan modular. Tetapi ia digunakan, sebagai peraturan, dalam teknik rumit, di mana ia perlu untuk bekerja dengan sejumlah besar isyarat.

Kesimpulannya

Seperti yang anda lihat, ADC pada dasarnya mempunyai prinsip kerja yang berbeza. Ini membolehkan kami memilih peranti yang memenuhi permintaan yang timbul, dan pada masa yang sama membolehkan kami menggunakan cara yang ada dengan bijak.