Le të shohim gamën kryesore të çështjeve që mund t'i atribuohen parimit të funksionimit të konvertuesve analog-në-dixhital (ADC) të llojeve të ndryshme. Numërimi sekuencial, balancimi në bit - çfarë fshihet pas këtyre fjalëve? Cili është parimi i funksionimit të mikrokontrolluesit ADC? Këto, si dhe një sërë pyetjesh të tjera, do t'i shqyrtojmë në kuadrin e artikullit. Tre pjesët e para do t'i kushtojmë teorisë së përgjithshme dhe nga nëntitulli i katërt do të studiojmë parimin e punës së tyre. Ju mund të përmbushni termat ADC dhe DAC në literaturë të ndryshme. Parimi i funksionimit të këtyre pajisjeve është paksa i ndryshëm, prandaj mos i ngatërroni ato. Pra, artikulli do të shqyrtojë shndërrimin e sinjaleve nga forma analoge në dixhitale, ndërsa DAC funksionon anasjelltas.
Përkufizim
Para se të shqyrtojmë parimin e funksionimit të ADC, le të zbulojmë se çfarë lloj pajisjeje është. Konvertuesit analog në dixhital janë pajisje që konvertojnë një sasi fizike në një paraqitje numerike përkatëse. Pothuajse çdo gjë mund të veprojë si një parametër fillestar - rryma, voltazhi, kapaciteti,rezistenca, këndi i boshtit, frekuenca e pulsit etj. Por për të qenë të sigurt, ne do të punojmë vetëm me një transformim. Ky është "kodi i tensionit". Zgjedhja e këtij formati të punës nuk është e rastësishme. Në fund të fundit, ADC (parimi i funksionimit të kësaj pajisjeje) dhe veçoritë e tij varen kryesisht nga koncepti i matjes që përdoret. Ky kuptohet si procesi i krahasimit të një vlere të caktuar me një standard të vendosur më parë.
Specifikimet ADC
Kryesorët janë thellësia e bitit dhe frekuenca e konvertimit. E para shprehet në bit dhe e dyta në numërim për sekondë. Konvertuesit modernë analog në dixhital mund të jenë 24 bit të gjerë ose deri në njësitë GSPS. Vini re se një ADC mund t'ju ofrojë vetëm një nga karakteristikat e tij në të njëjtën kohë. Sa më e lartë të jetë performanca e tyre, aq më e vështirë është të punosh me pajisjen dhe vetë kushton më shumë. Por përfitimi është se ju mund të merrni treguesit e nevojshëm të thellësisë së bitit duke sakrifikuar shpejtësinë e pajisjes.
llojet ADC
Parimi i funksionimit ndryshon për grupe të ndryshme pajisjesh. Ne do të shikojmë llojet e mëposhtme:
- Me konvertim të drejtpërdrejtë.
- Me përafrim të njëpasnjëshëm.
- Me konvertim paralel.
- Konvertuesi A/D me balancimin e karikimit (delta-sigma).
- Integrimi i ADC-ve.
Ka shumë lloje të tjera tubacionesh dhe kombinimesh që kanë karakteristikat e tyre të veçanta me arkitekturë të ndryshme. Por atoMostrat që do të shqyrtohen në kuadrin e artikullit janë me interes për faktin se ato luajnë një rol tregues në kamaren e tyre të pajisjeve të kësaj specifike. Prandaj, le të studiojmë parimin e ADC, si dhe varësinë e tij nga pajisja fizike.
Konvertuesit e drejtpërdrejtë A/D
Ata u bënë shumë të njohura në vitet '60 dhe '70 të shekullit të kaluar. Në formën e qarqeve të integruara, ato janë prodhuar që nga vitet '80. Këto janë pajisje shumë të thjeshta, madje edhe primitive që nuk mund të mburren me performancë të konsiderueshme. Thellësia e biteve të tyre është zakonisht 6-8 bit dhe shpejtësia rrallë e kalon 1 GSPS.
Parimi i funksionimit të këtij lloji ADC është si më poshtë: hyrjet pozitive të krahasuesve marrin njëkohësisht një sinjal hyrës. Një tension i një madhësie të caktuar aplikohet në terminalet negative. Dhe pastaj pajisja përcakton mënyrën e saj të funksionimit. Kjo bëhet me tension referencë. Le të themi se kemi një pajisje me 8 krahasues. Kur aplikoni ½ tension referencë, vetëm 4 prej tyre do të ndizen. Enkoderi prioritar do të gjenerojë një kod binar, i cili do të fiksohet nga regjistri i daljes. Për sa i përket avantazheve dhe disavantazheve, mund të themi se ky parim i funksionimit ju lejon të krijoni pajisje me shpejtësi të lartë. Por për të marrë thellësinë e kërkuar të bitit, duhet të djersiteni shumë.
Formula e përgjithshme për numrin e krahasuesve duket kështu: 2^N. Nën N duhet të vendosni numrin e shifrave. Shembulli i konsideruar më parë mund të përdoret sërish: 2^3=8. Në total, për të marrë kategorinë e tretë, është e nevojshme8 krahasues. Ky është parimi i funksionimit të ADC-ve, të cilat u krijuan së pari. Jo shumë i përshtatshëm, kështu që më vonë u shfaqën arkitektura të tjera.
Konvertuesit e përafrimit të njëpasnjëshëm analog në dixhital
Këtu përdoret algoritmi i "peshimit". Me pak fjalë, pajisjet që punojnë sipas kësaj teknike quhen thjesht ADC të numërimit serik. Parimi i funksionimit është si më poshtë: pajisja mat vlerën e sinjalit të hyrjes dhe më pas krahasohet me numrat që krijohen sipas një metode të caktuar:
- Vendos gjysmën e tensionit të mundshëm të referencës.
- Nëse sinjali ka kapërcyer kufirin e vlerës nga pika 1, atëherë ai krahasohet me numrin që ndodhet në mes midis vlerës së mbetur. Pra, në rastin tonë do të jetë ¾ e tensionit të referencës. Nëse sinjali i referencës nuk arrin këtë tregues, atëherë krahasimi do të kryhet me pjesën tjetër të intervalit sipas të njëjtit parim. Në këtë shembull, kjo është ¼ e tensionit të referencës.
- Hapi 2 duhet të përsëritet N herë, gjë që do të na japë N pjesë të rezultatit. Kjo është për shkak të kryerjes së numrit H të krahasimeve.
Ky parim funksionimi bën të mundur marrjen e pajisjeve me një shkallë konvertimi relativisht të lartë, të cilat janë ADC me përafrim të njëpasnjëshëm. Parimi i funksionimit, siç mund ta shihni, është i thjeshtë dhe këto pajisje janë të shkëlqyera për raste të ndryshme.
Konvertues paralel analog në dixhital
Ato funksionojnë si pajisje serike. Formula e llogaritjes është (2 ^ H) -1. PërNë rastin e mëparshëm, na duhen krahasues (2^3)-1. Për funksionimin, përdoret një grup i caktuar i këtyre pajisjeve, secila prej të cilave mund të krahasojë tensionin e hyrjes dhe atë individual të referencës. Konvertuesit paralelë analog në dixhital janë pajisje mjaft të shpejta. Por parimi i ndërtimit të këtyre pajisjeve është i tillë që kërkohet fuqi e konsiderueshme për të mbështetur performancën e tyre. Prandaj, nuk është praktike t'i përdorni ato me bateri.
Konvertuesi A/D i balancuar në bit
Funksionon në mënyrë të ngjashme si pajisja e mëparshme. Prandaj, për të shpjeguar funksionimin e një ADC balancuese pak nga pak, parimi i funksionimit për fillestarët do të konsiderohet fjalë për fjalë në gishta. Në zemër të këtyre pajisjeve është fenomeni i dikotomisë. Me fjalë të tjera, kryhet një krahasim i qëndrueshëm i vlerës së matur me një pjesë të caktuar të vlerës maksimale. Mund të merren vlerat në ½, 1/8, 1/16 e kështu me radhë. Prandaj, konverteri analog në dixhital mund të përfundojë të gjithë procesin në përsëritje N (hapa të njëpasnjëshëm). Për më tepër, H është e barabartë me thellësinë e bitit të ADC (shikoni formulat e dhëna më parë). Kështu, ne kemi një fitim të konsiderueshëm në kohë, nëse shpejtësia e teknikës është veçanërisht e rëndësishme. Pavarësisht shpejtësisë së tyre të konsiderueshme, këto pajisje kanë gjithashtu saktësi të ulët statike.
Konvertues A/D me balancim ngarkese (delta-sigma)
Ky është lloji më interesant i pajisjes, jo më pakfalë parimit të funksionimit të tij. Ai qëndron në faktin se tensioni i hyrjes krahasohet me atë që është grumbulluar nga integruesi. Pulset me polaritet negativ ose pozitiv futen në hyrje (gjithçka varet nga rezultati i operacionit të mëparshëm). Kështu, mund të themi se një konvertues i tillë analog në dixhital është një sistem i thjeshtë servo. Por ky është vetëm një shembull për krahasim, kështu që ju mund të kuptoni se çfarë është një ADC delta-sigma. Parimi i funksionimit është sistemik, por për funksionimin efektiv të këtij konverteri analog në dixhital nuk mjafton. Rezultati përfundimtar është një rrjedhë e pafundme 1s dhe 0s përmes filtrit dixhital të kalimit të ulët. Prej tyre formohet një sekuencë e caktuar bit. Bëhet një dallim midis konvertuesve ADC të rendit të parë dhe të dytë.
Integrimi i konvertuesve analog në dixhital
Ky është rasti i fundit i veçantë që do të shqyrtohet në artikull. Më tej, ne do të përshkruajmë parimin e funksionimit të këtyre pajisjeve, por në një nivel të përgjithshëm. Ky ADC është një konvertues analog-në-dixhital push-pull. Mund të takoni një pajisje të ngjashme në një multimetër dixhital. Dhe kjo nuk është për t'u habitur, sepse ato ofrojnë saktësi të lartë dhe në të njëjtën kohë shtypin mirë ndërhyrjen.
Tani le të përqendrohemi në mënyrën se si funksionon. Ai qëndron në faktin se sinjali i hyrjes ngarkon kondensatorin për një kohë të caktuar. Si rregull, kjo periudhë është një njësi e frekuencës së rrjetit që fuqizon pajisjen (50 Hz ose 60 Hz). Mund të jetë gjithashtu i shumëfishtë. Kështu, frekuencat e larta shtypen.ndërhyrje. Në të njëjtën kohë, ndikimi i tensionit të paqëndrueshëm të burimit të prodhimit të energjisë elektrike në saktësinë e rezultatit është niveluar.
Kur përfundon koha e ngarkimit të konvertuesit analog në dixhital, kondensatori fillon të shkarkohet me një shpejtësi të caktuar fikse. Numëruesi i brendshëm i pajisjes numëron numrin e impulseve të orës që krijohen gjatë këtij procesi. Kështu, sa më e gjatë të jetë periudha kohore, aq më domethënës janë treguesit.
Integrimi push-tërheqës ADC ka saktësi dhe rezolucion të lartë. Për shkak të kësaj, si dhe një strukturë ndërtimi relativisht të thjeshtë, ato zbatohen si mikroqarqe. Disavantazhi kryesor i këtij parimi të funksionimit është varësia nga treguesi i rrjetit. Mos harroni se aftësitë e tij janë të lidhura me periudhën e frekuencës së furnizimit me energji elektrike.
Kështu funksionon një ADC me integrim të dyfishtë. Parimi i funksionimit të kësaj pajisjeje, megjithëse është mjaft i ndërlikuar, por siguron tregues të cilësisë. Në disa raste, kjo është thjesht e nevojshme.
Zgjidhni APC me parimin e funksionimit që na nevojitet
Le të themi se kemi një detyrë të caktuar përpara nesh. Çfarë pajisje të zgjidhni në mënyrë që të mund të plotësojë të gjitha kërkesat tona? Së pari, le të flasim për zgjidhjen dhe saktësinë. Shumë shpesh ata janë të hutuar, megjithëse në praktikë varen shumë pak nga njëri-tjetri. Kini parasysh se një konvertues A/D 12-bit mund të jetë më pak i saktë se një konvertues A/D 8-bit. Në atëNë këtë rast, rezolucioni është një masë se sa segmente mund të nxirren nga diapazoni i hyrjes së sinjalit të matur. Pra, ADC-të 8-bit kanë 28=256 njësi të tilla.
Saktësia është devijimi total i rezultatit të përftuar të konvertimit nga vlera ideale, e cila duhet të jetë në një tension të caktuar hyrje. Dmth, parametri i parë karakterizon aftësitë e mundshme që ka ADC, dhe i dyti tregon atë që ne kemi në praktikë. Prandaj, një lloj më i thjeshtë (si konvertuesit e drejtpërdrejtë analog në dixhital) mund të jetë i përshtatshëm për ne, i cili do të kënaqë nevojat për shkak të saktësisë së lartë.
Për të pasur një ide se çfarë nevojitet, fillimisht duhet të llogaritni parametrat fizikë dhe të ndërtoni një formulë matematikore për ndërveprimin. Të rëndësishme në to janë gabimet statike dhe dinamike, sepse kur përdoren komponentë dhe parime të ndryshme të ndërtimit të një pajisjeje, ato do të ndikojnë në karakteristikat e saj në mënyra të ndryshme. Informacione më të detajuara mund të gjenden në dokumentacionin teknik të ofruar nga prodhuesi i secilës pajisje specifike.
Shembull
Le t'i hedhim një sy SC9711 ADC. Parimi i funksionimit të kësaj pajisjeje është i ndërlikuar për shkak të madhësisë dhe aftësive të tij. Nga rruga, duke folur për këtë të fundit, duhet të theksohet se ato janë vërtet të ndryshme. Kështu, për shembull, frekuenca e funksionimit të mundshëm varion nga 10 Hz në 10 MHz. Me fjalë të tjera, mund të marrë 10 milionë mostra në sekondë! Dhe pajisja në vetvete nuk është diçka e fortë, porka një strukturë ndërtimi modulare. Por përdoret, si rregull, në teknologjinë komplekse, ku është e nevojshme të punohet me një numër të madh sinjalesh.
Përfundim
Siç mund ta shihni, ADC-të në thelb kanë parime të ndryshme funksionimi. Kjo na lejon të zgjedhim pajisje që do të plotësojnë nevojat që lindin, duke na lejuar gjithashtu të menaxhojmë fondet tona të disponueshme me mençuri.
