Ogólna zasada ADC

Spójrzmy na główny zakres problemów,co można przypisać zasadzie działania przetworników analogowo-cyfrowych (ADC) różnych typów. Konto sekwencyjne, równoważenie bitowe - co kryje się za tymi słowami? Jaka jest zasada działania mikrokontrolera ADC? Te, a także szereg innych zagadnień, rozważymy w ramach tego artykułu. Pierwsze trzy części zostaną poświęcone ogólnej teorii, a z czwartego podpozycji będziemy badać zasadę ich pracy. Możesz spotkać warunki ADC i DAC w różnych literaturach. Zasada działania tych urządzeń jest nieco inna, więc nie myl ich. Tak więc w artykule rozważymy konwersję sygnałów z postaci analogowej na cyfrową, podczas gdy DAC działa odwrotnie.

Definicja

Przed uwzględnieniem zasady ADC,dowiedzmy się, jakie to urządzenie. Przetworniki analogowo-cyfrowe to urządzenia, które przekształcają wartość fizyczną na odpowiednią reprezentację numeryczną. Jako początkowy parametr, prawie wszystko może działać: prąd, napięcie, pojemność, rezystancja, kąt obrotu wału, częstotliwość impulsów i tak dalej. Ale aby mieć pewność, będziemy pracować tylko z jedną transformacją. To jest "kod napięcia". Wybór tego formatu nie jest przypadkowy. Przecież ADC (zasada działania tego urządzenia) i jego cechy zależą w dużej mierze od tego, jaka koncepcja pomiaru jest używana. Przez to rozumie się proces porównywania pewnej wartości z wcześniej ustalonym standardem.

Charakterystyka ADC

Najważniejsze to szybkość transmisji i częstotliwośćtransformacja. Pierwszy wyrażony jest w bitach, a drugi wyrażony w zliczeniach na sekundę. Nowoczesne przetworniki analogowo-cyfrowe mogą mieć 24-bitową pojemność lub prędkość konwersji, która dociera do jednostek GSPS. Zauważ, że ADC może jednocześnie dostarczyć Ci tylko jedną z jego cech. Im większa jest ich wydajność, tym trudniej jest pracować z urządzeniem, a samo w sobie jest droższe. Ale korzyści można uzyskać niezbędne cyfry, poświęcając prędkość urządzenia.

Rodzaje ADC

Zasada działania różni się w zależności od grupy urządzeń. Rozważymy następujące typy:

1. Z bezpośrednią transformacją.
2. Z kolejnym przybliżeniem.
3. Z równoległą transformacją.
4. Analogowo-cyfrowy konwerter z równoważeniem ładowania (delta-sigma).
5. Integracja ADC.

Istnieje wiele innych przenośników i są połączonetypy, które mają swoje specjalne cechy w różnych architekturach. Ale próbki, które będą rozpatrywane w ramach artykułu, są interesujące, ponieważ odgrywają orientacyjną rolę w swojej niszy urządzeń o tej specyfice. Dlatego przyjrzyjmy się zasadzie ADC, a także jej zależności od fizycznego urządzenia.

Bezpośrednie przetworniki analogowo-cyfrowe

Stały się bardzo popularne w latach 60-70ubiegłego wieku. W postaci układów scalonych są produkowane od lat 80-tych. Są to bardzo proste, nawet prymitywne urządzenia, które nie mogą się pochwalić znaczącymi wskaźnikami. Ich głębia bitowa wynosi zwykle 6-8 bitów, a prędkość rzadko przekracza 1 GSPS.

Zasada działania ADC tego typu jest następująca: Dodatkowe wejścia komparatorów jednocześnie odbierają sygnał wejściowy. Zaciski ujemne są zasilane napięciem o pewnej wartości. A następnie urządzenie określa jego tryb pracy. Odbywa się to z powodu napięcia odniesienia. Załóżmy, że mamy urządzenie z 8 komparatorami. Kiedy napięcie odniesienia ½ zostanie zastosowane, tylko 4 z nich będzie włączone. Koder priorytetowy utworzy kod binarny, który jest ustalany przez rejestr wyjściowy. Co się tyczy zalet i wad, można powiedzieć, że ta zasada działania pozwala na tworzenie urządzeń o dużej prędkości. Ale aby uzyskać wymaganą pojemność bitową, musisz dużo się pocić.

Ogólny wzór liczby komparatorów jestw ten sposób: 2 ^ N. W części N należy ustawić liczbę cyfr. Rozważany wcześniej przykład można wykorzystać ponownie: 2 ^ 3 = 8. Aby uzyskać trzecią cyfrę, potrzeba 8 komparatorów. Jest to zasada ADC, które zostały stworzone jako pierwsze. Niezbyt dogodne, więc w kolejnych pojawiły się inne architektury.

Konwertery analogowo-cyfrowe

Tutaj używamy algorytmu "ważenia". W skrócie, urządzenia używające tej techniki nazywane są po prostu ADC do sekwencyjnego zliczania. Zasada działania jest następująca: urządzenie mierzy wartość sygnału wejściowego, a następnie jest porównywane z liczbami generowanymi zgodnie z pewną techniką:

1. Ustawiono połowę możliwego napięcia referencyjnego.
2. Jeśli sygnał przekroczył limit wartości z pozycji# 1, to jest porównywany z liczbą, która leży w środku między pozostałą wartością. Tak więc w naszym przypadku będzie to ¾ napięcia odniesienia. Jeżeli sygnał referencyjny nie osiąga tego indeksu, porównanie zostanie wykonane z inną częścią interwału w ten sam sposób. W tym przykładzie jest to ¼ napięcia odniesienia.
3. Krok 2 musi zostać powtórzony N razy, co da nam wynik N-bitowy. Wynika to z liczby porównań H.

Ta zasada pracy pozwala ci na otrzymywanieurządzenia o stosunkowo wysokiej prędkości konwersji, które są urządzeniami ADC o kolejnym przybliżeniu. Zasada działania, jak widać, proste, a urządzenia te są idealne dla różnych okazjach.

Równoległe przetworniki analogowo-cyfrowe

Działają jak urządzenia szeregowe. Wzór do obliczenia to (2 ^ H) -1. W przypadku rozpatrywanym wcześniej, potrzebujemy (2 ^ 3) -1 komparatorów. Do pracy wykorzystuje się pewną tablicę tych urządzeń, z których każdy może porównać napięcie wejściowe i indywidualne napięcia referencyjne. Równoległe przetworniki analogowo-cyfrowe to dość szybkie urządzenia. Ale zasada budowania tych urządzeń jest taka, że ​​wspieranie ich działania wymaga znacznej mocy. Dlatego nie zaleca się używania ich z zasilaniem bateryjnym.

Analogowo-cyfrowy konwerter z równoważeniem bitowym

Działa zgodnie z podobnym schematem, jak poprzedniurządzenie. Dlatego, aby wyjaśnić działanie ADC w zakresie równoważenia bitowego, zasada pracy dla początkujących będzie rozważana dosłownie na palcach. Sercem tych urządzeń jest zjawisko dychotomii. Innymi słowy, przeprowadza się spójne porównanie mierzonej wielkości z określoną częścią wartości maksymalnej. Można przyjąć wartości w 1/2, 1/8, 1/16 i tak dalej. Dlatego przetwornik analogowo-cyfrowy może wykonywać cały proces dla iteracji H (kolejne kroki). A H jest równe szerokości bitowej ADC (spójrz na wcześniej podane formuły). Mamy więc znaczący wzrost w czasie, jeśli szybkość techniki jest szczególnie ważna. Pomimo znacznej prędkości urządzenia te charakteryzują się również niskim statycznym błędem.

Przetworniki analogowo-cyfrowe z równoważeniem ładowania (delta-sigma)

To najciekawszy rodzaj urządzenia, nie wostatni z powodu zasady działania. Polega ona na tym, że napięcie wejściowe jest porównywane z tym, co zostało zgromadzone przez integrator. Impulsy wejściowe są z negatywnej lub pozytywnej polaryzacji (to zależy od wyniku poprzedniej operacji). Tak więc, można powiedzieć, że taki konwerter analogowo-cyfrowy jest prosty system śledzenia. Ale to tylko przykład dla porównania, więc można zrozumieć, co ADC delta-sigma. Zasada działania systemu, ale dla skutecznego działania przetwornika analogowo-cyfrowego nie jest wystarczające. Efektem końcowym jest niekończący się strumień zer i jedynek, które przechodzi przez cyfrowy filtr dolnoprzepustowy. Spośród nich powstaje pewna sekwencja bitów. Rozróżnia się konwertery ADC pierwszego i drugiego zamówienia.

Zintegrowane przetworniki analogowo-cyfrowe

To jest ostatni specjalny przypadek, który będzierozpatrywane w ramach artykułu. Następnie opiszemy zasadę działania tych urządzeń, ale na ogólnym poziomie. Ten ADC jest przetwornikiem analogowo-cyfrowym z integracją push-pull. Możesz spotkać podobne urządzenie w multimetrze cyfrowym. I nie jest to zaskakujące, ponieważ zapewniają wysoką dokładność, a jednocześnie dobrze tłumią zakłócenia.

Teraz skupmy się na jej zasadziepraca. Polega ona na tym, że sygnał wejściowy ładuje kondensator przez ustalony czas. Zazwyczaj ten okres jest jednostką częstotliwości sieci zasilającej urządzenie (50 Hz lub 60 Hz). Może to być również wielokrotność. W związku z tym hałas o wysokiej częstotliwości jest tłumiony. Jednocześnie wyrównuje się wpływ niestabilnego napięcia źródła siatki elektroenergetycznej na dokładność wyniku.

Gdy czas ładowania analogowo-cyfrowykonwerter, kondensator zaczyna rozładowywać się z określoną stałą prędkością. Wewnętrzny licznik urządzenia zlicza liczbę impulsów zegarowych generowanych podczas tego procesu. Im dłuższy przedział czasu, tym bardziej znaczące są wskaźniki.

ADC integracji push-pull mają wysoką wartośćdokładność i rozdzielczość. Dzięki temu, a także stosunkowo prostej strukturze konstrukcji, wykonywane są one w formie czipsów. Główną wadą tej zasady pracy jest zależność od wskaźnika sieci. Pamiętaj, że jego możliwości są powiązane z czasem trwania okresu zasilania.

Oto, jak działa ADC z podwójną integracją. Zasada działania tego urządzenia, mimo że jest dość skomplikowana, ale zapewnia wskaźniki jakości. W niektórych przypadkach jest to po prostu konieczne.

Wybierz AIC z zasadą pracy, której potrzebujemy

Załóżmy, że stoimy przed jakimś zadaniem. Jak wybrać urządzenie, aby spełniało wszystkie nasze życzenia? Najpierw porozmawiajmy o rozdzielczości i dokładności. Bardzo często są zdezorientowani, choć w praktyce są bardzo słabo zależni od jednego z drugiego. Pamiętaj, że 12-bitowy konwerter analogowo-cyfrowy może mieć mniejszą dokładność niż 8-bitowy. W takim przypadku rozdzielczość jest miarą liczby segmentów, które można wyodrębnić z zakresu wejściowego mierzonego sygnału. 8-bitowe ADC mają 2⁸= 256 takich jednostek.

Dokładność jest całkowitym odchyleniem uzyskanego wynikuwynik konwersji z idealnej wartości, która powinna być przy danym napięciu wejściowym. Oznacza to, że pierwszy parametr charakteryzuje potencjalne możliwości ADC, a drugi pokazuje, co mamy w praktyce. Dlatego możemy podejść do prostszego typu (na przykład, bezpośrednie przetworniki analogowo-cyfrowe), które zaspokoją potrzeby ze względu na wysoką dokładność.

Aby mieć pojęcie o tym, co jest potrzebne, dlakonieczne jest obliczenie parametrów fizycznych i skonstruowanie matematycznej formuły interakcji. Ważne są w nich błędy statyczne i dynamiczne, ponieważ przy stosowaniu różnych komponentów i zasad budowy urządzenia będą miały różny wpływ na jego charakterystykę. Bardziej szczegółowe informacje można znaleźć w dokumentacji technicznej producenta danego urządzenia.

Przykład:

Spójrzmy na ADC SC9711. Zasada działania tego urządzenia jest skomplikowana ze względu na jego rozmiar i możliwości. Przy okazji, mówiąc o tym ostatnim, należy zauważyć, że są one naprawdę różnorodne. Na przykład częstotliwość możliwej pracy wynosi od 10 Hz do 10 MHz. Innymi słowy, może wykonać 10 milionów zliczeń na sekundę! A samo urządzenie nie jest czymś nieodłącznym, ale ma modułową strukturę konstrukcyjną. Z reguły jest on jednak stosowany w skomplikowanej technice, w której konieczne jest działanie z dużą liczbą sygnałów.

Wniosek

Jak widać, ADC w zasadzie różnią sięzasady pracy. To pozwala nam wybierać urządzenia, które spełniają żądania, które powstają, a jednocześnie pozwalają nam rozsądnie korzystać z dostępnych środków.