Principiul general al ADC

Să luăm în considerare gama principală de probleme care pot fi atribuite principiului acțiunii convertoare analog-digital (ADC-uri) diferite tipuri. Un cont secvențial, echilibrarea biți - ce este ascuns în spatele acestor cuvinte? Care este principiul funcționării microcontrolerului ADC? Acestea, precum și o serie de alte probleme, vom lua în considerare în cadrul articolului. Primele trei părți vor fi dedicate teoriei generale, iar din cea de-a patra subcapitolă vom studia principiul muncii lor. Puteți îndeplini termenii ADC și DAC în literatură diferită. Principiul de funcționare al acestor dispozitive este ușor diferit, deci nu le confundați. Astfel, articolul va fi luat în considerare conversia semnalului de la analog la digital, în timp ce DAC funcționează invers.

definiție

Înainte de a lua în considerare principiul ADC, să aflăm ce fel de dispozitiv este. Convertoarele analog-digitale sunt dispozitive care convertesc o valoare fizică într-o reprezentare numerică corespunzătoare. Ca parametru inițial, aproape orice poate acționa: curentul, tensiunea, capacitatea, rezistența, unghiul de rotație al arborelui, frecvența impulsurilor și așa mai departe. Dar pentru a avea certitudine, vom lucra doar cu o transformare. Acesta este codul de tensiune. Alegerea acestui format nu este accidentală. La urma urmei, ADC (principiul funcționării acestui dispozitiv) și caracteristicile sale depind într-o mare măsură de conceptul de măsurare utilizat. Prin aceasta se înțelege procesul de comparare a unei anumite valori cu un standard stabilit anterior.

Caracteristicile ADC

Principalele aspecte sunt adâncimea de biți și frecvența conversiei. Primul este exprimat în biți, iar al doilea este exprimat în numărări pe secundă. Convertoarele analog-digitale moderne pot avea o capacitate de 24 biți sau o viteză de conversie care ajunge la unitățile GSPS. Rețineți că ADC vă poate oferi simultan doar una dintre caracteristicile sale. Cu cât performanța lor este mai mare, cu atât este mai dificil să lucrați cu dispozitivul, iar ea însăși este mai scumpă. Dar beneficiile pot fi obținute cifrele necesare, sacrificând viteza dispozitivului.

Tipuri de ADC-uri

Principiul de funcționare diferă între diferitele grupuri de dispozitive. Vom lua în considerare următoarele tipuri:

1. Cu transformare directă.
2. Cu aproximație succesivă.
3. Cu transformare paralelă.
4. Convertor analog-digital cu balansare de sarcină (delta-sigma).
5. Integrarea ADC-urilor.

Există multe alte tipuri de transportoare și combinate care au propriile caracteristici speciale cu arhitecturi diferite. Dar probele care vor fi luate în considerare în cadrul articolului sunt de interes pentru că joacă un rol orientativ în nișele lor de dispozitive de această specificitate. Prin urmare, să studiem principiul ADC, precum și dependența de dispozitivul fizic.

Convertoare directe analog-digitale

Au devenit foarte populare în anii 60-70 ai secolului trecut. În forma circuite integrate sunt produse din anii `80. Acestea sunt dispozitive foarte simple, chiar primitive, care nu se pot lauda cu indicatori semnificativi. Adâncimea lor de biți este de obicei 6-8 biți, iar viteza rar depășește 1 GSPS.

Principiul de funcționare a ADC-urilor de acest tip este următorul: un semnal de intrare este introdus simultan la intrările plus ale comparatoarelor. Terminalele negative sunt furnizate cu o tensiune de o anumită valoare. Și apoi dispozitivul determină modul său de funcționare. Acest lucru se datorează tensiunii de referință. Să spunem că avem un dispozitiv cu 8 comparatoare. Când trimiteți Tensiunea de referință frac12 va include numai 4 dintre ele. Se va forma encoderul prioritar cod binar, care este fixat de registrul de ieșire. În ceea ce privește meritele și dezavantajele, este posibil să se spună, că un astfel de principiu vă permite să creați dispozitive de mare viteză. Dar pentru a obține capacitatea necesară de biți trebuie să transpirați foarte mult.

Formula generală pentru numărul de comparatori arată astfel: 2 ^ N. Sub N, trebuie să setați numărul de cifre. Exemplul considerat anterior poate fi folosit din nou: 2 ^ 3 = 8. Un total de 8 comparatoare sunt necesare pentru a obține a treia cifră. Acesta este principiul ADC, care a fost creat primul. Nu este foarte convenabil, astfel încât ulterior au existat și alte arhitecturi.

Convertoare analogice la convertoare digitale

Aici folosim algoritmul de "ponderare". Pe scurt, dispozitivele care utilizează această tehnică sunt denumite pur și simplu ADC-uri pentru numărarea secvențială. Principiul de funcționare este după cum urmează: dispozitivul este măsurat prin semnalul de intrare, iar apoi acesta este comparat cu cifrele, care sunt generate în funcție de o anumită procedură:

1. Jumătate din tensiunea de referință posibilă este setată.
2. Dacă semnalul a depășit limita valorii de la punctul # 1, acesta este comparat cu numărul care se află în mijloc între valoarea rămasă. Deci, în cazul nostru, va fi frac34- tensiunea de referință. Dacă semnalul de referință nu atinge acest indice, atunci comparația va fi efectuată cu o altă parte a intervalului în același mod. În acest exemplu, acesta este frac14- tensiunea de referință.
3. Pasul 2 trebuie repetat de N ori, ceea ce ne va da un rezultat N bit. Acest lucru se datorează numărului de comparații H.

Acest principiu de funcționare face posibilă obținerea dispozitivelor cu o viteză de conversie relativ ridicată, care sunt ADC-urile de aproximare succesivă. Principiul de funcționare, după cum puteți vedea, este simplu, iar aceste dispozitive sunt excelente pentru diferite cazuri.

Convertoare analog-analogice digitale

Ei funcționează ca dispozitive seriale. Formula de calcul este (2 ^ H) -1. Pentru cazul considerat anterior, avem nevoie de (2 ^ 3) -1 comparatori. O anumită matrice a acestor dispozitive este utilizată pentru a funcționa, fiecare dintre acestea putând compara tensiunile de intrare și de referință individuale. Convertoarele analog-digitale paralele sunt dispozitive destul de rapide. Dar principiul construirii acestor dispozitive este de așa natură încât, pentru a-și susține performanțele, necesită o putere considerabilă. Prin urmare, nu este recomandabil să le folosiți cu energie de la baterie.

Convertor analog-digital cu echilibrare bițială

Acesta funcționează în conformitate cu o schemă similară cu cea a dispozitivului anterior. Prin urmare, pentru a explica funcționarea ADC a echilibrării biților, principiul muncii pentru începători va fi considerat literal pe degete. În centrul acestor dispozitive este fenomenul de dihotomie. Cu alte cuvinte, se efectuează o comparație consecventă a cantității măsurate cu o anumită parte a valorii maxime. Valorile pot fi luate în frac12-, 1/8, 1/16 și așa mai departe. Prin urmare, convertorul analog-digital poate efectua întregul proces pentru iterațiile H (pași consecutivi). Și H este egal cu lățimea bitului ADC (uitați-vă la formulele date anterior). Astfel, avem un câștig semnificativ în timp, dacă viteza tehnicii este deosebit de importantă. În ciuda vitezei considerabile, aceste dispozitive sunt, de asemenea, caracterizate printr-o eroare statică scăzută.

Convertoare analog-digitale cu balansare de sarcină (delta-sigma)

Acesta este cel mai interesant tip de dispozitiv, nu în ultimul rând datorită principiului său de funcționare. Consta in faptul ca tensiunea de intrare este comparata cu ceea ce a fost acumulat de catre integrator. Impulsurile cu polaritate negativă sau pozitivă sunt alimentate la intrare (toate depind de rezultatul operațiunii anterioare). Astfel, se poate spune că un astfel de convertor analog-digital este un sistem simplu de urmărire. Dar acesta este doar un exemplu de comparație, astfel încât să puteți înțelege, ceea ce este delta-sigma ADC. Principiul de funcționare este sistemul, dar funcționarea eficientă a acestui convertor analog-digital nu este suficientă. Rezultatul final este un flux nesfârșit de unități și zerouri care trece printr-un LPF digital. Dintre acestea, se formează o anumită secvență de biți. Se face distincție între convertoarele ADC ale ordinelor 1 și 2.

Convertoare analog-digitale integrate

Acesta este ultimul caz special care va fi luat în considerare în cadrul articolului. Apoi, vom descrie principiul funcționării acestor dispozitive, dar la un nivel general. Acest ADC este un convertor analog-digital cu integrare push-pull. Puteți întâlni un dispozitiv similar într-un multimetru digital. Și acest lucru nu este surprinzător, deoarece ele oferă o precizie ridicată și, în același timp, pot suprima interferențele.

Acum, să ne concentrăm asupra principiului muncii sale. Consta in faptul ca semnalul de intrare incarca condensatorul pentru o perioada fixa. În mod obișnuit, această perioadă este unitatea frecvenței de rețea care activează dispozitivul (50 Hz sau 60 Hz). Acesta poate fi, de asemenea, un multiple. Astfel, zgomotul de înaltă frecvență este suprimat. În același timp, influența tensiunii instabile a sursei de rețea de generare a energiei electrice asupra preciziei rezultatului este egalizată.

Când se termină timpul de încărcare al convertorului analog-digital, condensatorul începe să se descarce cu o anumită rată fixă. Contorul intern al dispozitivului numără numărul de impulsuri de ceas generate în timpul acestui proces. Astfel, cu cât intervalul de timp este mai lung, cu atât indicatorii sunt mai semnificativi.

ADC-urile de integrare push-pull au o precizie ridicată și rezolvând puterea. Datorită acestui fapt și, de asemenea, o structură relativ simplă de construcție, acestea sunt realizate ca jetoane. Principalul dezavantaj al acestui principiu al muncii este dependența de indicatorul rețelei. Amintiți-vă că capacitățile sale sunt legate de durata perioadei de frecvență a sursei de alimentare.

Iată cum funcționează ADC-ul de dublă integrare. Principiul de funcționare a acestui dispozitiv, deși este destul de complex, dar oferă indicatori de calitate. În unele cazuri, acest lucru este pur și simplu necesar.

Alegeți un AIC cu principiul muncii de care avem nevoie

Să presupunem că ne confruntăm cu o anumită sarcină. Cum de a alege un dispozitiv pentru a putea satisface toate solicitările noastre? În primul rând, să vorbim despre rezoluție și acuratețe. Foarte des sunt confuzi, deși în practică sunt foarte slab dependenți de unul din cel de-al doilea. Amintiți-vă că un convertor analog-digital pe 12 biți poate avea o precizie mai mică decât o transmisie pe 8 biți. În acest caz, rezoluția este o măsură a numărului de segmente care pot fi extrase din domeniul de intrare al semnalului măsurat. Așadar, ADC-urile pe 8 biți au 2⁸= 256 astfel de unități.

Precizia este abaterea totală a conversiei rezultate din valoarea ideală, care ar trebui să fie pentru o anumită tensiune de intrare. Adică primul parametru caracterizează capacitățile potențiale ale ADC, iar al doilea arată ce avem în practică. Prin urmare, putem aborda un tip mai simplu (de exemplu, convertoare directe analog-digitale), care vor satisface nevoile datorate unei precizii ridicate.

Pentru a avea o idee despre ceea ce este necesar, trebuie mai întâi să calculați parametrii fizici și să construiți o formulă matematică pentru interacțiune. Important în ele sunt erorile statice și dinamice, deoarece atunci când se utilizează diferite componente și principii de construire a unui dispozitiv, acestea vor avea efecte diferite asupra caracteristicilor sale. Informații mai detaliate găsiți în documentația tehnică pe care o oferă producătorul fiecărui dispozitiv.

exemplu

Să ne uităm la ADC SC9711. Principiul de funcționare al acestui dispozitiv este complicat datorită dimensiunilor și capacităților sale. Apropo, vorbind despre aceasta din urmă, trebuie remarcat faptul că ele sunt cu adevărat diverse. De exemplu, frecvența muncii posibile variază de la 10 Hz la 10 MHz. Cu alte cuvinte, poate face 10 milioane de contori pe secundă! Și dispozitivul în sine nu este ceva integrat, ci are o structură modulară de construcție. Dar este folosit, de regulă, într-o tehnică complexă, unde este necesar să lucrăm cu un număr mare de semnale.

concluzie

După cum puteți vedea, ADC au în principiu diferite principii de lucru. Acest lucru ne permite să selectăm dispozitivele care satisfac cerințele care apar și, în același timp, să ne permită să folosim cu înțelepciune mijloacele disponibile.