Mari kita lihat julat utama isu yang boleh dikaitkan dengan prinsip operasi penukar analog-ke-digital (ADC) pelbagai jenis. Pengiraan berurutan, pengimbangan bitwise - apakah yang tersembunyi di sebalik perkataan ini? Apakah prinsip pengendalian mikropengawal ADC? Ini, serta beberapa soalan lain, kami akan mempertimbangkan dalam rangka artikel. Kami akan menumpukan tiga bahagian pertama kepada teori umum, dan dari subtajuk keempat kami akan mengkaji prinsip kerja mereka. Anda boleh memenuhi istilah ADC dan DAC dalam pelbagai literatur. Prinsip operasi peranti ini sedikit berbeza, jadi jangan mengelirukan mereka. Jadi, artikel itu akan mempertimbangkan penukaran isyarat daripada bentuk analog kepada digital, manakala DAC berfungsi sebaliknya.
Definisi
Sebelum mempertimbangkan prinsip operasi ADC, mari ketahui jenis peranti itu. Penukar analog-ke-digital ialah peranti yang menukar kuantiti fizik kepada perwakilan berangka yang sepadan. Hampir semua perkara boleh bertindak sebagai parameter awal - arus, voltan, kemuatan,rintangan, sudut aci, frekuensi nadi dan sebagainya. Tetapi yang pasti, kami akan bekerja dengan hanya satu transformasi. Ini ialah "kod voltan". Pemilihan format kerja ini tidak disengajakan. Lagipun, ADC (prinsip operasi peranti ini) dan ciri-cirinya sebahagian besarnya bergantung pada konsep pengukuran yang digunakan. Ini difahami sebagai proses membandingkan nilai tertentu dengan piawaian yang telah ditetapkan sebelum ini.
Spesifikasi ADC
Yang utama ialah kedalaman bit dan kekerapan penukaran. Yang pertama dinyatakan dalam bit dan yang terakhir dalam kiraan sesaat. Penukar analog-ke-digital moden boleh berukuran 24 bit lebar atau sehingga unit GSPS. Ambil perhatian bahawa ADC hanya boleh memberikan anda salah satu cirinya pada satu masa. Semakin tinggi prestasi mereka, semakin sukar untuk bekerja dengan peranti itu, dan ia sendiri lebih mahal. Tetapi faedahnya ialah anda boleh mendapatkan penunjuk kedalaman bit yang diperlukan dengan mengorbankan kelajuan peranti.
jenis ADC
Prinsip operasi berbeza untuk kumpulan peranti yang berbeza. Kami akan melihat jenis berikut:
- Dengan penukaran langsung.
- Dengan anggaran berturut-turut.
- Dengan penukaran selari.
- Penukar A/D dengan pengimbangan cas (delta-sigma).
- Menyepadukan ADC.
Terdapat banyak saluran paip dan jenis gabungan lain yang mempunyai ciri khasnya sendiri dengan seni bina yang berbeza. Tetapi merekasampel yang akan dipertimbangkan dalam rangka kerja artikel adalah menarik kerana fakta bahawa mereka memainkan peranan petunjuk dalam niche peranti mereka kekhususan ini. Oleh itu, mari kita kaji prinsip ADC, serta pergantungannya pada peranti fizikal.
Penukar A/D Langsung
Mereka menjadi sangat popular pada tahun 60-an dan 70-an abad yang lalu. Dalam bentuk litar bersepadu, ia telah dihasilkan sejak tahun 80-an. Ini adalah peranti yang sangat mudah, malah primitif yang tidak boleh membanggakan prestasi yang ketara. Kedalaman bitnya biasanya 6-8 bit dan kelajuannya jarang melebihi 1 GSPS.
Prinsip pengendalian jenis ADC ini adalah seperti berikut: input positif pembanding secara serentak menerima isyarat input. Voltan pada magnitud tertentu dikenakan pada terminal negatif. Dan kemudian peranti menentukan mod operasinya. Ini dilakukan dengan voltan rujukan. Katakan kita mempunyai peranti dengan 8 pembanding. Apabila menggunakan ½ voltan rujukan, hanya 4 daripadanya akan dihidupkan. Pengekod keutamaan akan menghasilkan kod binari, yang akan ditetapkan oleh daftar keluaran. Mengenai kelebihan dan kekurangan, kita boleh mengatakan bahawa prinsip operasi ini membolehkan anda membuat peranti berkelajuan tinggi. Tetapi untuk mendapatkan kedalaman bit yang diperlukan, anda perlu berpeluh banyak.
Rumus umum untuk bilangan pembanding kelihatan seperti ini: 2^N. Di bawah N anda perlu meletakkan bilangan digit. Contoh yang dipertimbangkan sebelum ini boleh digunakan semula: 2^3=8. Secara keseluruhan, untuk mendapatkan kategori ketiga, adalah perlu8 pembanding. Ini adalah prinsip operasi ADC, yang dicipta dahulu. Tidak begitu mudah, jadi seni bina lain muncul kemudian.
Penukar anggaran berturut-turut analog-ke-digital
Di sini algoritma "penimbangan" digunakan. Ringkasnya, peranti yang berfungsi mengikut teknik ini hanya dipanggil ADC pengiraan bersiri. Prinsip operasi adalah seperti berikut: peranti mengukur nilai isyarat input, dan kemudian ia dibandingkan dengan nombor yang dijana mengikut kaedah tertentu:
- Menetapkan separuh daripada voltan rujukan yang mungkin.
- Jika isyarat telah mengatasi had nilai dari titik 1, maka ia dibandingkan dengan nombor yang terletak di tengah antara nilai yang tinggal. Jadi, dalam kes kami, ia akan menjadi ¾ daripada voltan rujukan. Jika isyarat rujukan tidak mencapai penunjuk ini, maka perbandingan akan dijalankan dengan bahagian lain selang mengikut prinsip yang sama. Dalam contoh ini, ini ialah ¼ daripada voltan rujukan.
- Langkah 2 perlu diulang N kali, yang akan memberi kita N bit hasil. Ini disebabkan oleh melakukan perbandingan bilangan H.
Prinsip operasi ini memungkinkan untuk mendapatkan peranti dengan kadar penukaran yang agak tinggi, yang merupakan anggaran ADC berturut-turut. Prinsip pengendalian, seperti yang anda lihat, adalah mudah dan peranti ini bagus untuk pelbagai majlis.
Penukar analog-ke-digital selari
Ia berfungsi seperti peranti bersiri. Formula pengiraan ialah (2 ^ H) -1. UntukDalam kes sebelumnya, kita memerlukan (2^3)-1 pembanding. Untuk operasi, tatasusunan tertentu peranti ini digunakan, setiap satunya boleh membandingkan input dan voltan rujukan individu. Penukar analog-ke-digital selari ialah peranti yang agak pantas. Tetapi prinsip pembinaan peranti ini adalah sedemikian rupa sehingga kuasa yang ketara diperlukan untuk menyokong prestasinya. Oleh itu, tidak praktikal untuk menggunakannya pada kuasa bateri.
Penukar A/D Seimbang Bitwise
Ia beroperasi dengan cara yang sama seperti peranti sebelumnya. Oleh itu, untuk menerangkan fungsi ADC pengimbang sedikit demi sedikit, prinsip operasi untuk pemula akan dipertimbangkan secara literal pada jari. Di tengah-tengah peranti ini adalah fenomena dikotomi. Dengan kata lain, perbandingan konsisten nilai yang diukur dengan bahagian tertentu nilai maksimum dijalankan. Nilai dalam ½, 1/8, 1/16 dan seterusnya boleh diambil. Oleh itu, penukar analog-ke-digital boleh melengkapkan keseluruhan proses dalam lelaran N (langkah berturut-turut). Selain itu, H adalah sama dengan kedalaman bit ADC (lihat formula yang diberikan sebelum ini). Oleh itu, kita mempunyai keuntungan yang ketara dalam masa, jika kelajuan teknik adalah sangat penting. Walaupun kelajuannya agak tinggi, peranti ini juga mempunyai ketepatan statik yang rendah.
Penukar A/D dengan pengimbangan cas (delta-sigma)
Ini adalah jenis peranti yang paling menarik, paling tidakterima kasih kepada prinsip operasinya. Ia terletak pada hakikat bahawa voltan input dibandingkan dengan apa yang telah terkumpul oleh penyepadu. Denyutan dengan kekutuban negatif atau positif dimasukkan ke input (semuanya bergantung pada hasil operasi sebelumnya). Oleh itu, kita boleh mengatakan bahawa penukar analog-ke-digital sedemikian adalah sistem servo yang mudah. Tetapi ini hanyalah contoh untuk perbandingan, supaya anda boleh memahami apa itu delta-sigma ADC. Prinsip operasi adalah sistemik, tetapi untuk fungsi berkesan penukar analog-ke-digital ini tidak mencukupi. Hasil akhir ialah aliran 1s dan 0s yang tidak berkesudahan melalui penapis laluan rendah digital. Urutan bit tertentu terbentuk daripada mereka. Perbezaan dibuat antara penukar ADC tertib pertama dan kedua.
Menyepadukan penukar analog-ke-digital
Ini ialah kes khas terakhir yang akan dipertimbangkan dalam artikel. Seterusnya, kami akan menerangkan prinsip operasi peranti ini, tetapi pada tahap umum. ADC ini ialah penukar analog-ke-digital tolak-tarik. Anda boleh bertemu peranti serupa dalam multimeter digital. Dan ini tidak menghairankan, kerana ia memberikan ketepatan yang tinggi dan pada masa yang sama menyekat gangguan dengan baik.
Sekarang mari fokus pada cara ia berfungsi. Ia terletak pada hakikat bahawa isyarat input mengecas kapasitor untuk masa yang tetap. Sebagai peraturan, tempoh ini ialah unit frekuensi rangkaian yang menggerakkan peranti (50 Hz atau 60 Hz). Ia juga boleh berbilang. Oleh itu, frekuensi tinggi ditindas.gangguan. Pada masa yang sama, pengaruh voltan tidak stabil sumber utama penjanaan elektrik terhadap ketepatan hasilnya diratakan.
Apabila masa pengecasan penukar analog-ke-digital tamat, kapasitor mula dinyahcas pada kadar tetap tertentu. Kaunter dalaman peranti mengira bilangan denyutan jam yang dijana semasa proses ini. Oleh itu, semakin lama tempoh masa, semakin ketara penunjuknya.
Penypaduan tolak-tarik ADC mempunyai ketepatan dan peleraian yang tinggi. Disebabkan ini, serta struktur pembinaan yang agak mudah, ia dilaksanakan sebagai litar mikro. Kelemahan utama prinsip operasi ini ialah pergantungan pada penunjuk rangkaian. Ingat bahawa keupayaannya terikat pada tempoh kekerapan bekalan kuasa.
Beginilah cara ADC penyepaduan berganda berfungsi. Prinsip operasi peranti ini, walaupun ia agak rumit, tetapi ia memberikan penunjuk kualiti. Dalam sesetengah kes, ini hanya perlu.
Pilih APC dengan prinsip operasi yang kami perlukan
Katakan kita mempunyai tugas tertentu di hadapan kita. Peranti mana yang hendak dipilih supaya ia dapat memenuhi semua permintaan kami? Pertama, mari kita bercakap tentang resolusi dan ketepatan. Selalunya mereka keliru, walaupun dalam praktiknya mereka bergantung sangat sedikit antara satu sama lain. Harap maklum bahawa penukar A/D 12-bit mungkin kurang tepat daripada penukar A/D 8-bit. Dalam ituDalam kes ini, resolusi ialah ukuran bilangan segmen yang boleh diekstrak daripada julat input isyarat yang diukur. Jadi, ADC 8-bit mempunyai 28=256 unit sedemikian.
Ketepatan ialah jumlah sisihan hasil penukaran yang diperoleh daripada nilai ideal, yang sepatutnya pada voltan masukan tertentu. Iaitu, parameter pertama mencirikan keupayaan potensi yang ADC ada, dan yang kedua menunjukkan apa yang kita ada dalam amalan. Oleh itu, jenis yang lebih ringkas (seperti penukar analog-ke-digital terus) mungkin sesuai untuk kami, yang akan memenuhi keperluan kerana ketepatan yang tinggi.
Untuk mengetahui perkara yang diperlukan, mula-mula anda perlu mengira parameter fizikal dan membina formula matematik untuk interaksi. Penting di dalamnya adalah ralat statik dan dinamik, kerana apabila menggunakan pelbagai komponen dan prinsip membina peranti, ia akan mempengaruhi ciri-cirinya dengan cara yang berbeza. Maklumat lebih terperinci boleh didapati dalam dokumentasi teknikal yang ditawarkan oleh pengeluar setiap peranti tertentu.
Contoh
Mari kita lihat ADC SC9711. Prinsip operasi peranti ini adalah rumit kerana saiz dan keupayaannya. Dengan cara ini, bercakap tentang yang terakhir, perlu diperhatikan bahawa mereka benar-benar pelbagai. Jadi, sebagai contoh, kekerapan operasi yang mungkin berkisar antara 10 Hz hingga 10 MHz. Dalam erti kata lain, ia boleh mengambil 10 juta sampel sesaat! Dan peranti itu sendiri bukanlah sesuatu yang kukuh, tetapimempunyai struktur binaan modular. Tetapi ia digunakan, sebagai peraturan, dalam teknologi yang kompleks, di mana ia perlu untuk berfungsi dengan sejumlah besar isyarat.
Kesimpulan
Seperti yang anda lihat, ADC pada asasnya mempunyai prinsip operasi yang berbeza. Ini membolehkan kami memilih peranti yang akan memenuhi keperluan yang timbul, di samping membenarkan kami menguruskan dana kami dengan bijak.
