Pogledajmo glavne probleme koji se mogu pripisati principu rada analogno-digitalnih pretvarača (ADC) različitih tipova. Sekvencijalno brojanje, balansiranje po bitovima - šta 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 njihovog rada. Termine ADC i DAC možete sresti u različitoj literaturi. Princip rada ovih uređaja je malo drugačiji, pa ih nemojte zbuniti. Dakle, članak će razmatrati konverziju signala iz analognog u digitalni oblik, dok DAC radi obrnuto.
Definicija
Prije razmatranja principa rada ADC-a, hajde da saznamo o kakvom se uređaju radi. Analogno-digitalni pretvarači su uređaji koji pretvaraju fizičku veličinu u odgovarajući numerički prikaz. Gotovo sve može biti početni parametar - struja, napon, kapacitivnost,otpor, ugao osovine, frekvencija impulsa i tako dalje. Ali da budemo sigurni, radit ćemo sa samo jednom transformacijom. Ovo je "kod napona". Izbor ovog formata rada nije slučajan. Uostalom, ADC (princip rada ovog uređaja) i njegove karakteristike uvelike ovise o tome koji se koncept mjerenja koristi. Ovo se podrazumijeva kao proces poređenja određene vrijednosti sa prethodno uspostavljenim standardom.
ADC specifikacije
Glavne su dubina bita i frekvencija konverzije. Prvi se izražava u bitovima, a drugi u brojevima u sekundi. Moderni analogno-digitalni pretvarači mogu biti širine 24 bita ili do GSPS jedinica. Imajte na umu da vam ADC može istovremeno pružiti samo jednu od svojih karakteristika. Što su njihove performanse veće, to je teže raditi s uređajem, a i sam košta više. Ali prednost je što možete dobiti potrebne indikatore dubine bita žrtvovanjem brzine uređaja.
ADC tipovi
Princip rada varira za različite grupe uređaja. Pogledat ćemo sljedeće vrste:
- Sa direktnom konverzijom.
- Sa uzastopnom aproksimacijom.
- Sa paralelnom konverzijom.
- A/D konvertor sa balansiranjem punjenja (delta-sigma).
- Integracija ADC-a.
Postoje mnogi drugi tipovi cjevovoda i kombinacija koji imaju svoje posebne karakteristike s različitom arhitekturom. Ali oneuzorci koji će biti razmatrani u okviru članka su od interesa zbog činjenice da igraju indikativnu ulogu u svojoj niši uređaja ove specifičnosti. Stoga, hajde da proučimo princip rada ADC-a, kao i njegovu zavisnost od fizičkog uređaja.
Direktni A/D pretvarači
Postali su veoma popularni 60-ih i 70-ih godina prošlog veka. U obliku integrisanih kola, proizvode se od 80-ih godina. To su vrlo jednostavni, čak i primitivni uređaji koji se ne mogu pohvaliti značajnim performansama. Njihova bitna dubina je obično 6-8 bita, a brzina rijetko prelazi 1 GSPS.
Princip rada ovog tipa ADC-a je sljedeći: pozitivni ulazi komparatora istovremeno primaju ulazni signal. Napon određene veličine primjenjuje se na negativne terminale. A onda uređaj određuje način rada. Ovo se radi sa referentnim naponom. Recimo da imamo uređaj sa 8 komparatora. Prilikom primjene ½ referentnog napona, samo 4 od njih će se uključiti. Prioritetni koder će generisati binarni kod, koji će biti fiksiran izlaznim registrom. Što se tiče prednosti i mana, možemo reći da ovaj princip rada omogućava stvaranje uređaja velike brzine. Ali da biste dobili potrebnu dubinu bita, morate se puno oznojiti.
Opšta formula za broj komparatora izgleda ovako: 2^N. Pod N trebate staviti broj cifara. Primjer koji je ranije razmatran može se ponovo koristiti: 2^3=8. Ukupno, potrebno je dobiti treću kategoriju8 komparatora. Ovo 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-ovima za serijsko brojanje. Princip rada je sljedeći: uređaj mjeri vrijednost ulaznog signala, a zatim se upoređuje sa brojevima koji se generišu prema određenoj metodi:
- Postavlja polovinu mogućeg referentnog napona.
- Ako je signal prešao granicu vrijednosti iz tačke 1, tada se upoređuje sa brojem koji se nalazi u sredini između preostale vrijednosti. Dakle, u našem slučaju to će biti ¾ referentnog napona. Ako referentni signal ne dostigne ovaj indikator, tada će se poređenje izvršiti s drugim dijelom intervala po istom principu. U ovom primjeru, ovo je ¼ referentnog napona.
- Korak 2 treba ponoviti N puta, što će nam dati N bitova rezultata. Ovo je zbog izvršenja H broja poređenja.
Ovaj princip rada omogućava dobijanje uređaja sa relativno visokom stopom konverzije, koji su uzastopni aproksimacioni ADC. 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 proračun 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 uporediti 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 da bi se podržale njihove performanse. 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 balansiranje bit-po-bit, princip rada za početnike bit će razmotren doslovno na prstima. U srcu ovih uređaja je fenomen dihotomije. Drugim riječima, vrši se dosljedno poređenje izmjerene vrijednosti sa određenim dijelom maksimalne vrijednosti. Mogu se uzeti vrijednosti u ½, 1/8, 1/16 i tako dalje. Stoga, analogno-digitalni pretvarač može završiti cijeli proces u N iteracija (uzastopnih koraka). Štaviše, H je jednak dubini bita ADC-a (pogledajte prethodno date formule). Tako imamo značajan dobitak u vremenu, ako je brzina tehnike posebno važna. Uprkos značajnoj brzini, ovi uređaji takođe imaju nisku statičku tačnost.
A/D pretvarači sa balansiranjem naboja (delta-sigma)
Ovo je najzanimljiviji tip uređaja, ne manje važnozahvaljujući svom principu rada. Ona leži u činjenici da se ulazni napon poredi sa 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 sistem. Ali ovo je samo primjer za poređenje, tako da možete razumjeti šta je delta-sigma ADC. Princip rada je sistemski, ali za efikasno funkcionisanje ovog analogno-digitalnog pretvarača nije dovoljno. Krajnji rezultat je neprekidan tok 1s i 0s kroz digitalni niskopropusni filter. 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 biti razmatran u članku. Zatim ćemo opisati princip rada ovih uređaja, ali na općem nivou. Ovaj ADC je push-pull analogno-digitalni pretvarač. Sličan uređaj možete sresti u digitalnom multimetru. I to nije iznenađujuće, jer pružaju visoku preciznost i istovremeno dobro potiskuju smetnje.
Sada se fokusirajmo na to kako to funkcionira. Leži u činjenici da ulazni signal puni kondenzator određeno vrijeme. U pravilu, ovaj period je jedinica frekvencije mreže koja napaja uređaj (50 Hz ili 60 Hz). Takođe može biti višestruko. Na taj način se potiskuju visoke frekvencije.smetnje. Istovremeno se ujednačava uticaj nestabilnog napona mrežnog izvora za proizvodnju električne energije na tačnost rezultata.
Kada se završi vrijeme punjenja analogno-digitalnog pretvarača, kondenzator počinje da se prazni određenom fiksnom brzinom. Interni brojač uređaja broji broj impulsa takta koji se generišu tokom ovog procesa. Dakle, što je duži vremenski period, to su indikatori značajniji.
ADC push-pull integracija ima visoku preciznost i rezoluciju. Zbog toga, kao i relativno jednostavne konstrukcije, implementirani su kao mikrokola. Glavni nedostatak ovog principa rada je ovisnost o mrežnom indikatoru. Zapamtite da su njegove mogućnosti vezane za period frekvencije napajanja.
Ovako radi ADC sa dvostrukom integracijom. Princip rada ovog uređaja, iako je prilično kompliciran, ali pruža pokazatelje kvaliteta. U nekim slučajevima, ovo je jednostavno neophodno.
Odaberite APC sa principom rada koji nam je potreban
Recimo da je pred nama određeni zadatak. Koji uređaj odabrati da zadovolji sve naše zahtjeve? Prvo, hajde da pričamo o rezoluciji i tačnosti. Vrlo često su zbunjeni, iako u praksi vrlo malo zavise jedno od drugog. Imajte na umu da 12-bitni A/D pretvarač može biti manje precizan od 8-bitnog A/D pretvarača. U tomeU ovom slučaju, rezolucija je mjera koliko segmenata može biti izdvojeno iz ulaznog opsega mjerenog signala. Dakle, 8-bitni ADC imaju 28=256 takvih jedinica.
Preciznost je ukupno odstupanje dobijenog rezultata konverzije od idealne vrijednosti, koja bi trebala biti na datom ulaznom naponu. Odnosno, prvi parametar karakteriše potencijalne mogućnosti koje ADC ima, a drugi pokazuje šta imamo u praksi. Stoga bi nam mogao biti prikladan jednostavniji tip (kao što su direktni analogno-digitalni pretvarači) koji će zadovoljiti potrebe zbog visoke preciznosti.
Da biste imali ideju šta je potrebno, prvo morate izračunati fizičke parametre i izgraditi matematičku formulu za interakciju. U njima su važne statičke i dinamičke greške, jer će pri korištenju 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
Hajde da pogledamo SC9711 ADC. Princip rada ovog uređaja je komplikovan zbog njegove veličine i mogućnosti. Usput, govoreći o potonjem, treba napomenuti da su oni zaista raznoliki. Tako se, na primjer, frekvencija mogućeg rada kreće od 10 Hz do 10 MHz. Drugim riječima, može uzeti 10 miliona uzoraka u sekundi! I sam uređaj nije nešto solidno, aliima modularnu konstrukciju. Ali koristi se, po pravilu, u složenoj tehnologiji, gde je potrebno raditi sa velikim brojem signala.
Zaključak
Kao što vidite, ADC-ovi u osnovi imaju različite principe rada. Ovo nam omogućava da odaberemo uređaje koji će zadovoljiti potrebe koje se pojave, a istovremeno nam omogućava da mudro upravljamo našim raspoloživim sredstvima.
