Opće načelo ADC-a

Razmotrimo glavni raspon problema koji se mogu pripisati načelu djelovanja analogni-digitalni pretvarači (ADC-ovi) različite vrste. Sekvencijski račun, balansiranje u bitnom smjeru - ono što je skriveno iza tih riječi? Koja je načela rada mikrokontrolera ADC? Ove, kao i niz drugih pitanja, razmotrit ćemo u okviru članka. Prva tri dijela bit će posvećena općoj teoriji, a iz četvrtog podnaslova proučit ćemo načelo njihovog rada. Možete ispuniti uvjete ADC i DAC u različitim literaturi. Načelo rada tih uređaja je malo drugačije, stoga nemojte ih zbuniti. Stoga će članak biti razmatran konverzija signala od analognog do digitalnog, dok DAC radi obrnuto.

definicija

Prije nego što razmotrimo načelo ADC-a, doznajemo kakav je to uređaj. Analogno-digitalni pretvarači su uređaji koji pretvaraju fizičku vrijednost u odgovarajući numerički prikaz. Kao početni parametar, gotovo sve može djelovati: struja, napon, kapacitet, otpor, kut rotacije osovine, frekvenciju pulsiranja i tako dalje. Ali kako bismo bili sigurni, radit ćemo samo s jednom transformacijom. Ovo je "naponski kôd". Izbor ovog formata nije slučajan. Uostalom, ADC (načelo rada ovog uređaja) i njegove značajke uvelike ovise o tome koji se koncept mjerenja koristi. Time se podrazumijeva proces usporedbe određene vrijednosti s prethodno utvrđenim standardom.

Karakteristike ADC-a

Najvažnije su dubina bita i učestalost konverzije. Prva se izražava u bitovima, a druga se izražava u brojkama u sekundi. Moderni analogni-digitalni pretvarači mogu imati 24-bitni kapacitet ili brzinu pretvorbe koja doseže GSPS jedinice. Imajte na umu da vam ADC istovremeno može pružiti samo jednu od njegovih karakteristika. Što je veća izvedba, to je teže raditi s uređajem, a sama je skuplja. No, koristi se može dobiti potrebne znamenke, žrtvujući brzinu uređaja.

Vrste ADC-a

Načelo rada se razlikuje od različitih skupina uređaja. Razmotrit ćemo sljedeće vrste:

1. S izravnom transformacijom.
2. Uz uzastopnu aproksimaciju.
3. S paralelnom preobrazbom.
4. Analogno-digitalni pretvarač s balansiranjem naboja (delta-sigma).
5. Integriranje ADC-a.

Postoje mnogi drugi transportni i kombinirani tipovi koji imaju svoje posebne značajke s različitim arhitekturama. Ali ti uzorci, koji će se razmatrati u okviru predmeta od interesa, jer oni igraju primjernu ulogu u svojoj niši uređaje kao specifičnosti. Stoga, proučavajmo načelo ADC-a, kao i njezinu ovisnost o fizičkom uređaju.

Izravni konverteri analogno-digitalni

Postali su vrlo popularni u 60-70-ih godina prošlog stoljeća. U obliku integrirani krugovi proizvedeni su od 80-ih godina. To su vrlo jednostavni, čak i primitivni uređaji koji se ne mogu pohvaliti značajnim pokazateljima. Njihova dubina bita je obično 6-8 bita, a brzina rijetko prelazi 1 GSPS.

Načelo rada ADC-ova ovog tipa je sljedeće: unos ulaznog signala istodobno se ulazi na ulazne signale komparatora. Negativni terminali isporučuju se s naponom određene vrijednosti. I tada uređaj određuje način rada. To je učinjeno zbog referentnog napona. Recimo da imamo uređaj s 8 komparatora. Pri podnošenju Frac12 referentni napon će uključivati ​​samo 4 od njih. Formira se prioritetni enkoder binarni kod, koji je fiksiran izlazni registar. Što se tiče merituma i demerita, moguće je reći, da takav princip omogućuje vam stvaranje uređaja visoke brzine. Ali da biste dobili potrebnu bitnu sposobnost morate znati puno.

Opća formula za broj komparatora izgleda ovako: 2 ^ N. Pod N, morate postaviti broj znamenki. Ranije primjećeni primjer može se ponovno upotrijebiti: 2 ^ 3 = 8. Za dobivanje treće znamenke potrebno je ukupno 8 komparatora. Ovo je načelo ADC-a, koje su nastale prvo. Nije bilo vrlo povoljno, tako da su u kasnijim godinama postojale i druge arhitekture.

Analogni do digitalnih pretvornika

Ovdje koristimo algoritam "težine". Ukratko, uređaji koji koriste ovu tehniku ​​nazivaju se jednostavno ADC-ovi za sekvencijalno prebrojavanje. Princip rada je sljedeći: uređaj mjeri vrijednost ulaznog signala, a zatim se uspoređuje s brojevima koji se generiraju prema određenoj tehnici:

1. Postavljena je polovica mogućeg referentnog napona.
2. Ako je signal prešao granicu vrijednosti iz točke 1, uspoređuje se s brojem koji se nalazi u sredini između preostale vrijednosti. Dakle, u našem slučaju to će biti frac34 referentni napon. Ako referentni signal ne dostigne ovaj indeks, usporedba će se izvršiti s drugim dijelom intervala na isti način. U ovom primjeru ovo je frac14 referentni napon.
3. Korak 2 mora se ponoviti N puta, što će nam dati rezultat N bita. To je zbog broja H usporedbi.

Ovo načelo rada omogućava dobivanje uređaja s relativno visokom brzinom pretvorbe, koji su ADC-ovi sukcesivne aproksimacije. Načelo rada, kao što vidite, je jednostavno, a ti uređaji izvrsni su za različite slučajeve.

Paralelni analogni-digitalni pretvarači

Oni rade kao serijski uređaji. Formula za izračunavanje je (2 ^ H) -1. Za slučaj smatra ranije, trebamo (2 ^ 3) -1 usporednika. Za rad se koristi određeni niz tih uređaja, od kojih svaki može usporediti ulazne i pojedinačne referentne napone. Paralelni analogni-digitalni pretvarači su vrlo brzi uređaji. Ali načelo izgradnje tih uređaja je takvo da bi podržavalo njihovu izvedbu zahtijeva veliku moć. Stoga ih nije preporučljivo s naponom baterije.

Analogno-digitalni pretvarač s bitnim balansiranjem

Djeluje prema sličnoj shemi kao i prethodni uređaj. Stoga, kako bi se objasnila rad ADC-a bitne ravnoteže, načelo rada za početnike doslovno će se smatrati prstima. U središtu tih uređaja je fenomen dihotomije. Drugim riječima, provodi se dosljedna usporedba izmjerene količine s određenim dijelom maksimalne vrijednosti. Vrijednosti se mogu unijeti frac12-, 1/8, 1/16 i tako dalje. Dakle, analogno-digitalni pretvarač može izvesti cijeli postupak za H iteracije (uzastopne korake). I H je jednaka širini bita ADC (pogledajte prethodno navedene formule). Dakle, imamo značajan dobitak u vremenu, ako je brzina tehnike osobito važna. Unatoč znatnoj brzini, ovi uređaji također karakteriziraju niska statička pogreška.

Analogno-digitalni pretvarači s balansiranjem naboja (delta-sigma)

Ovo je najzanimljivija vrsta uređaja, ne samo zbog svojeg djelovanja. Sastoji se od činjenice da se ulazni napon uspoređuje s onim što je nakupio integrator. Pulse s negativnim ili pozitivnim polarnostom se unose na ulaz (sve ovisi o rezultatima prethodne operacije). Tako se može reći da je takav analogno-digitalni pretvarač jednostavan sustav za praćenje. Ali ovo je samo kao primjer za usporedbu, tako da možete razumjeti, što je delta-sigma ADC. Načelo rada je sustav, ali za učinkovit rad ovog analogno-digitalnog pretvarača nije dovoljno. Krajnji rezultat je beskonačna struja jedinica i nula koja prolazi kroz digitalni LPF. Od tih se formira određeni niz bitova. Razlika je između ADC pretvarača prvog i drugog reda.

Integrirani analogni-digitalni pretvarači

Ovo je posljednji poseban slučaj koji će se razmatrati u okviru članka. Zatim ćemo opisati načelo rada tih uređaja, ali na općenitoj razini. Ovaj ADC je analogno-digitalni pretvarač s push-pull integracijom. Možete se upoznati s sličnim uređajem na digitalnom multimetru. I to ne čudi, jer oni pružaju visoku točnost i istovremeno dobro uklanjaju smetnje.

Sada ćemo se usredotočiti na njegovo načelo rada. Sastoji se od toga da ulazni signal puni kondenzator na određeno vrijeme. Tipično, ovo razdoblje je jedinica mrežne frekvencije koja napaja uređaj (50 Hz ili 60 Hz). Može također biti višestruki. Tako se suzbija visokofrekventna buka. Istodobno se izravnava utjecaj nestabilnog napona izvora mreže električne energije na točnost rezultata.

Kad vrijeme punjenja analogno-digitalnog pretvarača završi, kondenzator počinje iscrpiti pri određenoj fiksnoj brzini. Interni brojač uređaja bilježi broj impulsa sata koji se generiraju tijekom tog postupka. Dakle, što je vremenski interval duži, to su značajniji pokazatelji.

ADC-ovi od push-pull integracije imaju visoku točnost i rješavanje moći. Zahvaljujući tome, a također i relativno jednostavnoj strukturi gradnje, oni se izvode kao čipovi. Glavni nedostatak ovog načela rada je ovisnost o pokazatelju mreže. Imajte na umu da su njegove mogućnosti vezane za trajanje razdoblja frekvencije napajanja.

Evo kako funkcionira ADC s dvostrukom integracijom. Načelo rada ovog uređaja, iako je prilično složeno, ali daje pokazatelje kvalitete. U nekim slučajevima to je jednostavno potrebno.

Odaberite AIC s načelom rada koji nam treba

Pretpostavimo da se suočavamo s određenim zadatkom. Kako odabrati uređaj tako da može zadovoljiti sve naše zahtjeve? Prvo, razgovarajmo o rezoluciji i točnosti. Vrlo često su zbunjeni, iako su u praksi vrlo slabi ovisni o jednom od drugog. Imajte na umu da 12-bitni analogno-digitalni pretvarač može imati manje preciznosti nego 8-bitni. U ovom slučaju razlučivost je mjera koliko se segmenata može izvući iz ulaznog raspona mjerenog signala. Dakle, 8-bitni ADC imaju 2⁸= 256 takvih jedinica.

Točnost je ukupna devijacija dobivene konverzije od idealne vrijednosti, koja bi trebala biti za određeni ulazni napon. To jest, prvi parametar obilježava potencijalne mogućnosti ADC-a, a drugi pokazuje ono što imamo u praksi. Stoga se možemo približiti jednostavnijem tipu (primjerice izravnim analognim-digitalnim pretvaračima) koji će zadovoljiti potrebe zbog visoke točnosti.

Da biste dobili ideju o tome što je potrebno, najprije morate izračunati fizičke parametre i izraditi matematičku formulu za interakciju. Važne su u njima statičke i dinamičke pogreške, jer kada se koriste različite komponente i principi konstrukcije uređaja, oni će imati različite učinke na njegove karakteristike. Detaljnije informacije potražite u tehničkoj dokumentaciji koju proizvođač nudi.

primjer

Pogledajmo ADC SC9711. Načelo rada ovog uređaja je složeno zbog veličine i mogućnosti. Usput, govoreći o potonjem, valja napomenuti da su oni stvarno različiti. Tako, na primjer, učestalost mogućih radnih raspona od 10 Hz do 10 MHz. Drugim riječima, to može učiniti 10 milijuna točaka u sekundi! I sam uređaj nije nešto integralno, ali ima modularnu strukturu konstrukcije. No, ona se, u pravilu, koristi u složenoj tehnici, gdje je potrebno raditi s velikim brojem signala.

zaključak

Kao što možete vidjeti, ADC u osnovi imaju različite principe rada. To nam omogućuje da odaberemo uređaje koji zadovoljavaju zahtjeve koji se pojavljuju i istodobno omogućuju mudro korištenje raspoloživih sredstava.