Ας δούμε το κύριο φάσμα ζητημάτων που μπορούν να αποδοθούν στην αρχή λειτουργίας των μετατροπέων αναλογικού σε ψηφιακό (ADC) διαφόρων τύπων. Διαδοχική μέτρηση, εξισορρόπηση bitwise - τι κρύβεται πίσω από αυτές τις λέξεις; Ποια είναι η αρχή λειτουργίας του μικροελεγκτή ADC; Αυτά, καθώς και μια σειρά από άλλα ερωτήματα, θα εξετάσουμε στο πλαίσιο του άρθρου. Θα αφιερώσουμε τα τρία πρώτα μέρη στη γενική θεωρία και από την τέταρτη υποκεφάλαιο θα μελετήσουμε την αρχή της δουλειάς τους. Μπορείτε να συναντήσετε τους όρους ADC και DAC σε διάφορες βιβλιογραφία. Η αρχή λειτουργίας αυτών των συσκευών είναι ελαφρώς διαφορετική, επομένως μην τις συγχέετε. Έτσι, το άρθρο θα εξετάσει τη μετατροπή των σημάτων από αναλογική σε ψηφιακή μορφή, ενώ το DAC λειτουργεί αντίστροφα.
Ορισμός
Πριν εξετάσουμε την αρχή λειτουργίας του ADC, ας μάθουμε τι είδους συσκευή είναι. Οι μετατροπείς αναλογικού σε ψηφιακό είναι συσκευές που μετατρέπουν μια φυσική ποσότητα σε μια αντίστοιχη αριθμητική αναπαράσταση. Σχεδόν οτιδήποτε μπορεί να λειτουργήσει ως αρχική παράμετρος - ρεύμα, τάση, χωρητικότητα,αντίσταση, γωνία άξονα, συχνότητα παλμού και ούτω καθεξής. Αλλά για να είμαστε σίγουροι, θα εργαστούμε μόνο με έναν μετασχηματισμό. Αυτός είναι "κωδικός τάσης". Η επιλογή αυτής της μορφής εργασίας δεν είναι τυχαία. Εξάλλου, το ADC (η αρχή λειτουργίας αυτής της συσκευής) και τα χαρακτηριστικά του εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από την έννοια της μέτρησης που χρησιμοποιείται. Αυτό νοείται ως η διαδικασία σύγκρισης μιας συγκεκριμένης τιμής με ένα προηγουμένως καθιερωμένο πρότυπο.
Προδιαγραφές ADC
Τα κύρια είναι το βάθος bit και η συχνότητα μετατροπής. Το πρώτο εκφράζεται σε bit και το δεύτερο σε μετρήσεις ανά δευτερόλεπτο. Οι σύγχρονοι μετατροπείς αναλογικού σε ψηφιακό μπορούν να έχουν πλάτος 24 bit ή έως μονάδες GSPS. Σημειώστε ότι ένα ADC μπορεί να σας παρέχει μόνο ένα από τα χαρακτηριστικά του κάθε φορά. Όσο υψηλότερη είναι η απόδοσή τους, τόσο πιο δύσκολη είναι η εργασία με τη συσκευή και η ίδια κοστίζει περισσότερο. Αλλά το πλεονέκτημα είναι ότι μπορείτε να λάβετε τους απαραίτητους δείκτες βάθους bit θυσιάζοντας την ταχύτητα της συσκευής.
τύποι ADC
Η αρχή λειτουργίας ποικίλλει για διαφορετικές ομάδες συσκευών. Θα δούμε τους παρακάτω τύπους:
- Με άμεση μετατροπή.
- Με διαδοχική προσέγγιση.
- Με παράλληλη μετατροπή.
- Μετατροπέας A/D με εξισορρόπηση φόρτισης (δέλτα-σίγμα).
- Ενσωμάτωση ADC.
Υπάρχουν πολλοί άλλοι τύποι αγωγών και συνδυασμών που έχουν τα δικά τους ιδιαίτερα χαρακτηριστικά με διαφορετική αρχιτεκτονική. Αλλά αυτάΤα δείγματα που θα εξεταστούν στο πλαίσιο του άρθρου παρουσιάζουν ενδιαφέρον λόγω του γεγονότος ότι παίζουν ενδεικτικό ρόλο στη θέση των συσκευών αυτής της ιδιαιτερότητας. Επομένως, ας μελετήσουμε την αρχή του ADC, καθώς και την εξάρτησή του από τη φυσική συσκευή.
Άμεσοι μετατροπείς A/D
Έγιναν πολύ δημοφιλείς στις δεκαετίες του '60 και του '70 του περασμένου αιώνα. Με τη μορφή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων παράγονται από τη δεκαετία του '80. Αυτές είναι πολύ απλές, ακόμη και πρωτόγονες συσκευές που δεν μπορούν να καυχηθούν για σημαντικές επιδόσεις. Το βάθος τους bit είναι συνήθως 6-8 bit και η ταχύτητα σπάνια υπερβαίνει το 1 GSPS.
Η αρχή λειτουργίας αυτού του τύπου ADC είναι η εξής: οι θετικές είσοδοι των συγκριτών λαμβάνουν ταυτόχρονα ένα σήμα εισόδου. Μια τάση ορισμένου μεγέθους εφαρμόζεται στους αρνητικούς ακροδέκτες. Και στη συνέχεια η συσκευή καθορίζει τον τρόπο λειτουργίας της. Αυτό γίνεται με τάση αναφοράς. Ας πούμε ότι έχουμε μια συσκευή με 8 συγκρίσεις. Κατά την εφαρμογή ½ τάσης αναφοράς, μόνο 4 από αυτές θα ενεργοποιηθούν. Ο κωδικοποιητής προτεραιότητας θα δημιουργήσει έναν δυαδικό κώδικα, ο οποίος θα καθοριστεί από τον καταχωρητή εξόδου. Όσον αφορά τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα, μπορούμε να πούμε ότι αυτή η αρχή λειτουργίας σας επιτρέπει να δημιουργείτε συσκευές υψηλής ταχύτητας. Αλλά για να αποκτήσετε το απαιτούμενο βάθος bit, πρέπει να ιδρώσετε πολύ.
Ο γενικός τύπος για τον αριθμό των συγκριτών μοιάζει με αυτό: 2^N. Κάτω από το N πρέπει να βάλετε τον αριθμό των ψηφίων. Το παράδειγμα που εξετάστηκε προηγουμένως μπορεί να χρησιμοποιηθεί ξανά: 2^3=8. Συνολικά, για την απόκτηση της τρίτης κατηγορίας, είναι απαραίτητο8 συγκριτές. Αυτή είναι η αρχή λειτουργίας των ADC, τα οποία δημιουργήθηκαν πρώτα. Δεν είναι πολύ βολικό, έτσι αργότερα εμφανίστηκαν άλλες αρχιτεκτονικές.
Μετατροπείς διαδοχικής προσέγγισης αναλογικού σε ψηφιακό
Εδώ χρησιμοποιείται ο αλγόριθμος "στάθμισης". Εν ολίγοις, οι συσκευές που λειτουργούν σύμφωνα με αυτή την τεχνική ονομάζονται απλώς ADC μέτρησης σειρών. Η αρχή λειτουργίας είναι η εξής: η συσκευή μετρά την τιμή του σήματος εισόδου και, στη συνέχεια, συγκρίνεται με αριθμούς που παράγονται σύμφωνα με μια συγκεκριμένη μέθοδο:
- Ρυθμίζει το ήμισυ της πιθανής τάσης αναφοράς.
- Αν το σήμα έχει ξεπεράσει το όριο τιμής από το σημείο 1, τότε συγκρίνεται με τον αριθμό που βρίσκεται στη μέση μεταξύ της υπόλοιπης τιμής. Έτσι, στην περίπτωσή μας θα είναι τα ¾ της τάσης αναφοράς. Εάν το σήμα αναφοράς δεν φτάσει σε αυτόν τον δείκτη, τότε η σύγκριση θα πραγματοποιηθεί με το άλλο τμήμα του διαστήματος σύμφωνα με την ίδια αρχή. Σε αυτό το παράδειγμα, αυτό είναι το ¼ της τάσης αναφοράς.
- Το βήμα 2 πρέπει να επαναληφθεί Ν φορές, κάτι που θα μας δώσει N bits του αποτελέσματος. Αυτό οφείλεται στην εκτέλεση του αριθμού H συγκρίσεων.
Αυτή η αρχή λειτουργίας καθιστά δυνατή την απόκτηση συσκευών με σχετικά υψηλό ποσοστό μετατροπής, οι οποίες είναι ADC διαδοχικής προσέγγισης. Η αρχή λειτουργίας, όπως μπορείτε να δείτε, είναι απλή και αυτές οι συσκευές είναι εξαιρετικές για διάφορες περιστάσεις.
Παράλληλοι μετατροπείς αναλογικού σε ψηφιακό
Λειτουργούν σαν σειριακές συσκευές. Ο τύπος υπολογισμού είναι (2 ^ H) -1. ΓιαΣτην προηγούμενη περίπτωση χρειαζόμαστε συγκριτές (2^3)-1. Για τη λειτουργία, χρησιμοποιείται μια συγκεκριμένη σειρά από αυτές τις συσκευές, καθεμία από τις οποίες μπορεί να συγκρίνει την τάση εισόδου και την μεμονωμένη τάση αναφοράς. Οι παράλληλοι μετατροπείς αναλογικού σε ψηφιακό είναι αρκετά γρήγορες συσκευές. Όμως η αρχή κατασκευής αυτών των συσκευών είναι τέτοια που απαιτείται σημαντική ισχύς για την υποστήριξη της απόδοσής τους. Επομένως, δεν είναι πρακτικό να τα χρησιμοποιείτε με μπαταρία.
Μετατροπέας A/D Balanced Bitwise
Λειτουργεί με παρόμοιο τρόπο όπως η προηγούμενη συσκευή. Επομένως, προκειμένου να εξηγηθεί η λειτουργία ενός ADC εξισορρόπησης bit-by-bit, η αρχή λειτουργίας για αρχάριους θα εξεταστεί κυριολεκτικά στα δάχτυλα. Στην καρδιά αυτών των συσκευών βρίσκεται το φαινόμενο της διχοτομίας. Με άλλα λόγια, πραγματοποιείται μια συνεπής σύγκριση της μετρούμενης τιμής με ένα ορισμένο μέρος της μέγιστης τιμής. Μπορούν να ληφθούν τιμές σε ½, 1/8, 1/16 και ούτω καθεξής. Επομένως, ο μετατροπέας αναλογικού σε ψηφιακό μπορεί να ολοκληρώσει ολόκληρη τη διαδικασία σε N επαναλήψεις (διαδοχικά βήματα). Επιπλέον, το H είναι ίσο με το βάθος bit του ADC (δείτε τους τύπους που δόθηκαν προηγουμένως). Έτσι, έχουμε σημαντικό κέρδος χρόνου, αν η ταχύτητα της τεχνικής είναι ιδιαίτερα σημαντική. Παρά τη σημαντική τους ταχύτητα, αυτές οι συσκευές έχουν επίσης χαμηλή στατική ακρίβεια.
Μετατροπείς A/D με εξισορρόπηση φόρτισης (δέλτα-σίγμα)
Αυτός είναι ο πιο ενδιαφέρον τύπος συσκευής, αν μη τι άλλοχάρη στην αρχή λειτουργίας του. Βρίσκεται στο γεγονός ότι η τάση εισόδου συγκρίνεται με αυτή που έχει συσσωρευτεί από τον ολοκληρωτή. Παλμοί με αρνητική ή θετική πολικότητα τροφοδοτούνται στην είσοδο (όλα εξαρτώνται από το αποτέλεσμα της προηγούμενης λειτουργίας). Έτσι, μπορούμε να πούμε ότι ένας τέτοιος μετατροπέας αναλογικού σε ψηφιακό είναι ένα απλό σερβο σύστημα. Αλλά αυτό είναι απλώς ένα παράδειγμα σύγκρισης, ώστε να μπορείτε να καταλάβετε τι είναι το ADC delta-sigma. Η αρχή της λειτουργίας είναι συστημική, αλλά για την αποτελεσματική λειτουργία αυτού του μετατροπέα αναλογικού σε ψηφιακό δεν αρκεί. Το τελικό αποτέλεσμα είναι μια ατελείωτη ροή 1 και 0 μέσω του ψηφιακού φίλτρου χαμηλής διέλευσης. Από αυτά σχηματίζεται μια συγκεκριμένη ακολουθία bit. Γίνεται διάκριση μεταξύ μετατροπέων ADC πρώτης και δεύτερης τάξης.
Ενσωμάτωση μετατροπέων αναλογικού σε ψηφιακό
Αυτή είναι η τελευταία ειδική περίπτωση που θα εξεταστεί στο άρθρο. Στη συνέχεια, θα περιγράψουμε την αρχή λειτουργίας αυτών των συσκευών, αλλά σε γενικό επίπεδο. Αυτός ο ADC είναι ένας μετατροπέας αναλογικού σε ψηφιακό push-pull. Μπορείτε να συναντήσετε μια παρόμοια συσκευή σε ένα ψηφιακό πολύμετρο. Και αυτό δεν προκαλεί έκπληξη, γιατί παρέχουν υψηλή ακρίβεια και ταυτόχρονα καταστέλλουν καλά τις παρεμβολές.
Τώρα ας επικεντρωθούμε στον τρόπο λειτουργίας του. Βρίσκεται στο γεγονός ότι το σήμα εισόδου φορτίζει τον πυκνωτή για ένα σταθερό χρόνο. Κατά κανόνα, αυτή η περίοδος είναι μια μονάδα της συχνότητας του δικτύου που τροφοδοτεί τη συσκευή (50 Hz ή 60 Hz). Μπορεί επίσης να είναι πολλαπλή. Έτσι, οι υψηλές συχνότητες καταστέλλονται.παρέμβαση. Ταυτόχρονα, ισοπεδώνεται η επίδραση της ασταθούς τάσης της κύριας πηγής παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στην ακρίβεια του αποτελέσματος.
Όταν τελειώνει ο χρόνος φόρτισης του μετατροπέα αναλογικού σε ψηφιακό, ο πυκνωτής αρχίζει να αποφορτίζεται με συγκεκριμένο σταθερό ρυθμό. Ο εσωτερικός μετρητής της συσκευής μετρά τον αριθμό των παλμών ρολογιού που παράγονται κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας. Επομένως, όσο μεγαλύτερη είναι η χρονική περίοδος, τόσο πιο σημαντικοί είναι οι δείκτες.
Η ενσωμάτωση push-pull ADC έχει υψηλή ακρίβεια και ανάλυση. Λόγω αυτού, καθώς και μιας σχετικά απλής δομής κατασκευής, υλοποιούνται ως μικροκυκλώματα. Το κύριο μειονέκτημα αυτής της αρχής λειτουργίας είναι η εξάρτηση από τον δείκτη δικτύου. Να θυμάστε ότι οι δυνατότητές του συνδέονται με την περίοδο συχνότητας του τροφοδοτικού.
Έτσι λειτουργεί ένα ADC διπλής ολοκλήρωσης. Η αρχή λειτουργίας αυτής της συσκευής, αν και είναι αρκετά περίπλοκη, παρέχει δείκτες ποιότητας. Σε ορισμένες περιπτώσεις, αυτό είναι απλώς απαραίτητο.
Επιλέξτε το APC με την αρχή λειτουργίας που χρειαζόμαστε
Ας υποθέσουμε ότι έχουμε ένα συγκεκριμένο έργο μπροστά μας. Ποια συσκευή να επιλέξουμε ώστε να μπορεί να ικανοποιήσει όλα τα αιτήματά μας; Αρχικά, ας μιλήσουμε για την ανάλυση και την ακρίβεια. Πολύ συχνά μπερδεύονται, αν και στην πράξη εξαρτώνται ελάχιστα το ένα από το άλλο. Λάβετε υπόψη ότι ένας μετατροπέας A/D 12 bit μπορεί να είναι λιγότερο ακριβής από έναν μετατροπέα A/D 8 bit. Σε αυτόΣε αυτή την περίπτωση, η ανάλυση είναι ένα μέτρο του πόσα τμήματα μπορούν να εξαχθούν από το εύρος εισόδου του μετρούμενου σήματος. Έτσι, οι ADC 8-bit έχουν 28=256 τέτοιες μονάδες.
Ακρίβεια είναι η συνολική απόκλιση του ληφθέντος αποτελέσματος μετατροπής από την ιδανική τιμή, η οποία θα πρέπει να είναι σε μια δεδομένη τάση εισόδου. Δηλαδή, η πρώτη παράμετρος χαρακτηρίζει τις πιθανές δυνατότητες που έχει το ADC και η δεύτερη δείχνει τι έχουμε στην πράξη. Επομένως, ένας απλούστερος τύπος (όπως άμεσοι μετατροπείς αναλογικού σε ψηφιακό) μπορεί να είναι κατάλληλος για εμάς, ο οποίος θα ικανοποιήσει τις ανάγκες λόγω υψηλής ακρίβειας.
Για να έχετε μια ιδέα για το τι χρειάζεται, πρώτα πρέπει να υπολογίσετε τις φυσικές παραμέτρους και να δημιουργήσετε έναν μαθηματικό τύπο αλληλεπίδρασης. Σημαντικά σε αυτά είναι τα στατικά και δυναμικά σφάλματα, επειδή όταν χρησιμοποιούνται διάφορα στοιχεία και αρχές κατασκευής μιας συσκευής, θα επηρεάσουν τα χαρακτηριστικά της με διαφορετικούς τρόπους. Περισσότερες λεπτομερείς πληροφορίες μπορείτε να βρείτε στην τεχνική τεκμηρίωση που προσφέρει ο κατασκευαστής κάθε συγκεκριμένης συσκευής.
Παράδειγμα
Ας ρίξουμε μια ματιά στο SC9711 ADC. Η αρχή λειτουργίας αυτής της συσκευής είναι περίπλοκη λόγω του μεγέθους και των δυνατοτήτων της. Παρεμπιπτόντως, μιλώντας για το τελευταίο, πρέπει να σημειωθεί ότι είναι πραγματικά διαφορετικά. Έτσι, για παράδειγμα, η συχνότητα πιθανής λειτουργίας κυμαίνεται από 10 Hz έως 10 MHz. Με άλλα λόγια, μπορεί να πάρει 10 εκατομμύρια δείγματα το δευτερόλεπτο! Και η ίδια η συσκευή δεν είναι κάτι σταθερό, αλλάέχει αρθρωτή δομή κατασκευής. Αλλά χρησιμοποιείται, κατά κανόνα, σε πολύπλοκη τεχνολογία, όπου είναι απαραίτητο να εργαστείτε με μεγάλο αριθμό σημάτων.
Συμπέρασμα
Όπως μπορείτε να δείτε, τα ADC έχουν βασικά διαφορετικές αρχές λειτουργίας. Αυτό μας επιτρέπει να επιλέγουμε συσκευές που θα ικανοποιούν τις ανάγκες που προκύπτουν, ενώ μας επιτρέπει επίσης να διαχειριζόμαστε τα διαθέσιμα κεφάλαιά μας με σύνεση.
