Pogledajmo glavne probleme koji se mogu pripisati principu rada analogno-digitalnih pretvarača (ADC) različitih tipova. Sekvencijalno brojanje, balansiranje po bitovima - što se krije iza ovih riječi? Koji je princip rada ADC mikrokontrolera? Ova, kao i niz drugih pitanja, razmotrit ćemo u okviru članka. Prva tri dijela posvetit ćemo općoj teoriji, a iz četvrtog podnaslova proučavat ćemo princip njihova rada. Pojmove ADC i DAC možete susresti u različitoj literaturi. Princip rada ovih uređaja je malo drugačiji, stoga ih nemojte zbuniti. Dakle, članak će razmotriti pretvaranje signala iz analognog u digitalni oblik, dok DAC radi obrnuto.
Definicija
Prije razmatranja principa rada ADC-a, doznajmo o kakvom se uređaju radi. Analogno-digitalni pretvarači su uređaji koji pretvaraju fizičku veličinu u odgovarajući numerički prikaz. Gotovo sve može djelovati kao početni parametar - struja, napon, kapacitivnost,otpor, kut osovine, frekvencija impulsa i tako dalje. Ali da budemo sigurni, radit ćemo samo s jednom transformacijom. Ovo je "naponski kod". Izbor ovog formata rada nije slučajan. Uostalom, ADC (načelo rada ovog uređaja) i njegove značajke uvelike ovise o tome koji se koncept mjerenja koristi. Ovo se shvaća kao proces uspoređivanja određene vrijednosti s prethodno utvrđenim standardom.
ADC specifikacije
Glavni su bitna dubina i učestalost konverzije. Prvi se izražava u bitovima, a drugi u brojevima u sekundi. Moderni analogno-digitalni pretvarači mogu biti široki 24 bita ili do GSPS jedinica. Imajte na umu da vam ADC može pružiti samo jednu od svojih karakteristika odjednom. Što je njihova izvedba veća, to je teže raditi s uređajem, a i sam košta više. Ali prednost je u tome što možete dobiti potrebne pokazatelje dubine bita žrtvovanjem brzine uređaja.
ADC vrste
Princip rada varira za različite grupe uređaja. Pogledat ćemo sljedeće vrste:
- S izravnom pretvorbom.
- Uzastopnom aproksimacijom.
- S paralelnom konverzijom.
- A/D pretvarač s balansiranjem naboja (delta-sigma).
- Integracija ADC-a.
Postoje mnoge druge vrste cjevovoda i kombinacija koje imaju svoje posebne karakteristike s različitom arhitekturom. Ali oneuzorci koji će se razmatrati u okviru članka zanimljivi su zbog činjenice da imaju indikativnu ulogu u svojoj niši uređaja ove specifičnosti. Stoga, proučimo princip ADC-a, kao i njegovu ovisnost o fizičkom uređaju.
Izravni A/D pretvarači
Postali su vrlo popularni 60-ih i 70-ih godina prošlog stoljeća. U obliku integriranih sklopova proizvode se od 80-ih godina. Riječ je o vrlo jednostavnim, čak primitivnim uređajima koji se ne mogu pohvaliti značajnim performansama. Njihova bitna dubina obično je 6-8 bita, a brzina rijetko prelazi 1 GSPS.
Princip rada ovog tipa ADC-a je sljedeći: pozitivni ulazi komparatora istovremeno primaju ulazni signal. Na negativne stezaljke primjenjuje se napon određene veličine. I tada uređaj određuje svoj način rada. To se radi s referentnim naponom. Recimo da imamo uređaj s 8 komparatora. Prilikom primjene ½ referentnog napona, samo 4 će se uključiti. Prioritetni koder će generirati binarni kod, koji će fiksirati izlazni registar. Što se tiče prednosti i mana, možemo reći da ovaj princip rada omogućuje stvaranje uređaja velike brzine. Ali da biste dobili potrebnu bitnu dubinu, morate se puno znojiti.
Opća formula za broj komparatora izgleda ovako: 2^N. Pod N trebate staviti broj znamenki. Primjer koji je ranije razmatran može se ponovno koristiti: 2^3=8. Ukupno, za dobivanje treće kategorije potrebno je8 komparatora. To je princip rada ADC-a, koji su prvi stvoreni. Nije baš zgodno, pa su se kasnije pojavile druge arhitekture.
Analogno-digitalni uzastopni aproksimacijski pretvarači
Ovdje se koristi algoritam "ponderiranja". Ukratko, uređaji koji rade prema ovoj tehnici jednostavno se nazivaju ADC-i za serijsko brojanje. Princip rada je sljedeći: uređaj mjeri vrijednost ulaznog signala, a zatim se uspoređuje s brojevima koji se generiraju prema određenoj metodi:
- Postavlja polovicu mogućeg referentnog napona.
- Ako je signal prešao granicu vrijednosti iz točke 1, tada se uspoređuje s brojem koji se nalazi u sredini između preostale vrijednosti. Dakle, u našem slučaju to će biti ¾ referentnog napona. Ako referentni signal ne dosegne ovaj pokazatelj, tada će se usporedba provesti s drugim dijelom intervala prema istom principu. U ovom primjeru, ovo je ¼ referentnog napona.
- Korak 2 treba ponoviti N puta, što će nam dati N bitova rezultata. To je zbog izvođenja H broja usporedbi.
Ovaj princip rada omogućuje dobivanje uređaja s relativno visokim stupnjem konverzije, koji su sukcesivni aproksimacijski ADC-i. Princip rada, kao što vidite, je jednostavan, a ovi uređaji su odlični za razne prilike.
Paralelni analogno-digitalni pretvarači
Rade kao serijski uređaji. Formula za izračun je (2 ^ H) -1. ZaU prethodnom slučaju potrebni su nam (2^3)-1 komparatori. Za rad se koristi određeni niz ovih uređaja od kojih svaki može usporediti ulazni i pojedinačni referentni napon. Paralelni analogno-digitalni pretvarači su prilično brzi uređaji. Ali princip konstrukcije ovih uređaja je takav da je potrebna značajna snaga za podršku njihove izvedbe. Stoga ih nije praktično koristiti na baterije.
Bitwise Balanced A/D Converter
Radi na sličan način kao i prethodni uređaj. Stoga, kako bi se objasnilo funkcioniranje ADC-a za uravnoteženje bit-po-bit, princip rada za početnike će se doslovno razmatrati na prstima. U središtu ovih uređaja je fenomen dihotomije. Drugim riječima, provodi se dosljedna usporedba izmjerene vrijednosti s određenim dijelom maksimalne vrijednosti. Mogu se uzeti vrijednosti u ½, 1/8, 1/16 i tako dalje. Stoga analogno-digitalni pretvarač može dovršiti cijeli proces u N iteracija (uzastopnih koraka). Štoviše, H je jednak dubini bita ADC-a (pogledajte prethodno navedene formule). Tako imamo značajan dobitak u vremenu, ako je brzina tehnike posebno važna. Unatoč značajnoj brzini, ovi uređaji također imaju nisku statičku točnost.
A/D pretvarači s balansiranjem naboja (delta-sigma)
Ovo je najzanimljivija vrsta uređaja, ne manje važnozahvaljujući svom principu rada. Ona leži u činjenici da se ulazni napon uspoređuje s onim što je akumulirao integrator. Na ulaz se unose impulsi s negativnim ili pozitivnim polaritetom (sve ovisi o rezultatu prethodne operacije). Dakle, možemo reći da je takav analogno-digitalni pretvarač jednostavan servo sustav. Ali ovo je samo primjer za usporedbu, tako da možete razumjeti što je delta-sigma ADC. Načelo rada je sustavno, ali za učinkovito funkcioniranje ovog analogno-digitalnog pretvarača nije dovoljno. Krajnji rezultat je neprestani tok 1s i 0s kroz digitalni niskopropusni filtar. Od njih se formira određeni niz bitova. Pravi se razlika između ADC pretvarača prvog i drugog reda.
Integracija analogno-digitalnih pretvarača
Ovo je posljednji poseban slučaj koji će se razmatrati u članku. Zatim ćemo opisati princip rada ovih uređaja, ali na općoj razini. Ovaj ADC je push-pull analogno-digitalni pretvarač. Sličan uređaj možete upoznati u digitalnom multimetru. I to nije iznenađujuće, jer pružaju visoku točnost i istovremeno dobro potiskuju smetnje.
Sada se usredotočimo na to kako funkcionira. Leži u činjenici da ulazni signal puni kondenzator određeno vrijeme. U pravilu, ovo razdoblje je jedinica frekvencije mreže koja napaja uređaj (50 Hz ili 60 Hz). Može biti i višestruka. Tako se visoke frekvencije potiskuju.smetnje. Istovremeno se izravnava utjecaj nestabilnog napona mrežnog izvora proizvodnje električne energije na točnost rezultata.
Kada završi vrijeme punjenja analogno-digitalnog pretvarača, kondenzator se počinje prazniti određenom fiksnom brzinom. Unutarnji brojač uređaja broji broj taktnih impulsa koji se generiraju tijekom ovog procesa. Dakle, što je duže vremensko razdoblje, to su pokazatelji značajniji.
ADC push-pull integracija ima visoku točnost i rezoluciju. Zbog toga, kao i relativno jednostavne konstrukcije, implementirani su kao mikrosklopovi. Glavni nedostatak ovog principa rada je ovisnost o indikatoru mreže. Zapamtite da su njegove mogućnosti vezane uz period frekvencije napajanja.
Ovako radi ADC s dvostrukom integracijom. Princip rada ovog uređaja, iako je prilično kompliciran, ali pruža pokazatelje kvalitete. U nekim je slučajevima to jednostavno neophodno.
Odaberite APC s principom rada koji nam je potreban
Recimo da je pred nama određeni zadatak. Koji uređaj odabrati kako bi mogao zadovoljiti sve naše zahtjeve? Prvo, razgovarajmo o rezoluciji i točnosti. Vrlo često su zbunjeni, iako u praksi vrlo malo ovise jedno o drugom. Imajte na umu da 12-bitni A/D pretvarač može biti manje točan od 8-bitnog A/D pretvarača. U tomeU ovom slučaju, rezolucija je mjera koliko se segmenata može izdvojiti iz ulaznog raspona mjerenog signala. Dakle, 8-bitni ADC-i imaju 28=256 takvih jedinica.
Točnost je ukupno odstupanje dobivenog rezultata pretvorbe od idealne vrijednosti, koja bi trebala biti na zadanom ulaznom naponu. Odnosno, prvi parametar karakterizira potencijalne mogućnosti koje ADC ima, a drugi pokazuje što imamo u praksi. Stoga bi nam mogao biti prikladan jednostavniji tip (kao što su izravni analogno-digitalni pretvarači) koji će zadovoljiti potrebe zbog visoke točnosti.
Da biste imali ideju o tome što je potrebno, prvo morate izračunati fizičke parametre i izgraditi matematičku formulu za interakciju. U njima su važne statičke i dinamičke pogreške, jer će korištenjem različitih komponenti i principa izgradnje uređaja na različite načine utjecati na njegove karakteristike. Detaljnije informacije možete pronaći u tehničkoj dokumentaciji koju nudi proizvođač svakog pojedinog uređaja.
Primjer
Pogledajmo SC9711 ADC. Princip rada ovog uređaja kompliciran je zbog svoje veličine i mogućnosti. Usput, govoreći o potonjem, treba napomenuti da su uistinu raznoliki. Tako se, na primjer, frekvencija mogućeg rada kreće od 10 Hz do 10 MHz. Drugim riječima, može uzeti 10 milijuna uzoraka u sekundi! I sam uređaj nije nešto čvrsto, aliima modularnu konstrukciju. Ali koristi se, u pravilu, u složenoj tehnologiji, gdje je potrebno raditi s velikim brojem signala.
Zaključak
Kao što možete vidjeti, ADC-i u osnovi imaju različite principe rada. To nam omogućuje da odaberemo uređaje koji će zadovoljiti potrebe koje se pojave, a također nam omogućuje mudro upravljanje raspoloživim sredstvima.
