Apskatīsim galveno problēmu loku, ko var attiecināt uz dažāda veida analogo-digitālo pārveidotāju (ADC) darbības principu. Secīgā skaitīšana, bitu balansēšana - kas slēpjas aiz šiem vārdiem? Kāds ir ADC mikrokontrollera darbības princips? Šos, kā arī vairākus citus jautājumus mēs izskatīsim šī raksta ietvaros. Pirmās trīs daļas mēs veltīsim vispārējai teorijai, un no ceturtās apakšvirsraksta mēs pētīsim viņu darba principu. Jūs varat satikt terminus ADC un DAC dažādās literatūrā. Šo ierīču darbības princips ir nedaudz atšķirīgs, tāpēc nejauciet tos. Tātad rakstā tiks aplūkota signālu pārveidošana no analogās formas uz digitālo, savukārt DAC darbojas otrādi.
Definīcija
Pirms apsvērt ADC darbības principu, noskaidrosim, kāda veida ierīce tā ir. Analogo-digitālo pārveidotāji ir ierīces, kas pārvērš fizisku lielumu atbilstošā skaitliskā attēlojumā. Gandrīz jebkas var darboties kā sākotnējais parametrs - strāva, spriegums, kapacitāte,pretestība, vārpstas leņķis, impulsa frekvence un tā tālāk. Bet, lai būtu droši, mēs strādāsim tikai ar vienu transformāciju. Tas ir "sprieguma kods". Šāda darba formāta izvēle nav nejauša. Galu galā ADC (šīs ierīces darbības princips) un tā īpašības lielā mērā ir atkarīgas no tā, kura mērīšanas koncepcija tiek izmantota. Tas tiek saprasts kā process, kurā noteikta vērtība tiek salīdzināta ar iepriekš noteiktu standartu.
ADC specifikācijas
Galvenās ir bitu dziļums un konversijas frekvence. Pirmais ir izteikts bitos, bet otrais - skaitļos sekundē. Mūsdienu analogo-digitālo pārveidotāju platums var būt 24 biti vai līdz GSPS vienībām. Ņemiet vērā, ka ADC vienlaikus var nodrošināt tikai vienu no tā īpašībām. Jo augstāka ir to veiktspēja, jo grūtāk ir strādāt ar ierīci, un tas pats par sevi maksā vairāk. Bet ieguvums ir tāds, ka jūs varat iegūt nepieciešamos bitu dziļuma indikatorus, upurējot ierīces ātrumu.
ADC veidi
Darbības princips dažādām ierīču grupām ir atšķirīgs. Mēs apskatīsim šādus veidus:
- Ar tiešu konvertēšanu.
- Ar secīgu tuvināšanu.
- Ar paralēlu konvertēšanu.
- A/D pārveidotājs ar uzlādes balansēšanu (delta-sigma).
- ADC integrēšana.
Ir daudzi citi cauruļvadu un kombināciju veidi, kuriem ir savas īpašās iezīmes ar atšķirīgu arhitektūru. Bet tieparaugi, kas tiks aplūkoti raksta ietvaros, ir interesanti ar to, ka tiem ir orientējoša loma savā šīs specifikas ierīču nišā. Tāpēc izpētīsim ADC principu, kā arī tā atkarību no fiziskās ierīces.
Tiešie A/D pārveidotāji
Tie kļuva ļoti populāri pagājušā gadsimta 60. un 70. gados. Integrēto shēmu veidā tās tiek ražotas kopš 80. gadiem. Tās ir ļoti vienkāršas, pat primitīvas ierīces, kas nevar lepoties ar ievērojamu veiktspēju. To bitu dziļums parasti ir 6–8 biti, un ātrums reti pārsniedz 1 GSPS.
Šā tipa ADC darbības princips ir šāds: komparatoru pozitīvās ieejas vienlaikus saņem ieejas signālu. Uz negatīvajiem spailēm tiek pielikts noteikta lieluma spriegums. Un tad ierīce nosaka savu darbības režīmu. Tas tiek darīts ar atsauces spriegumu. Pieņemsim, ka mums ir ierīce ar 8 salīdzinājumiem. Pieslēdzot ½ atsauces spriegumu, tiks ieslēgti tikai 4 no tiem. Prioritātes kodētājs ģenerēs bināro kodu, ko fiksēs izvades reģistrs. Runājot par priekšrocībām un trūkumiem, mēs varam teikt, ka šis darbības princips ļauj izveidot ātrdarbīgas ierīces. Bet, lai iegūtu nepieciešamo bitu dziļumu, jums ir daudz jāsvīst.
Vispārīgā formula salīdzinātāju skaitam izskatās šādi: 2^N. Zem N jāievieto ciparu skaits. Iepriekš apskatīto piemēru var izmantot vēlreiz: 2^3=8. Kopumā, lai iegūtu trešo kategoriju, tas ir nepieciešams8 salīdzinātāji. Tas ir ADC darbības princips, kas tika izveidoti pirmie. Ne pārāk ērti, tāpēc vēlāk parādījās citas arhitektūras.
Analogo-digitālo secīgās aproksimācijas pārveidotāji
Šeit tiek izmantots "svēršanas" algoritms. Īsāk sakot, ierīces, kas darbojas saskaņā ar šo paņēmienu, vienkārši sauc par sērijas skaitīšanas ADC. Darbības princips ir šāds: ierīce mēra ievades signāla vērtību, un pēc tam to salīdzina ar skaitļiem, kas tiek ģenerēti pēc noteiktas metodes:
- Iestata pusi no iespējamā atsauces sprieguma.
- Ja signāls ir pārvarējis vērtības robežu no punkta 1, tad tas tiek salīdzināts ar skaitli, kas atrodas vidū starp atlikušo vērtību. Tātad mūsu gadījumā tas būs ¾ no atsauces sprieguma. Ja atskaites signāls nesasniedz šo indikatoru, tad salīdzināšana ar otru intervāla daļu tiks veikta pēc tāda paša principa. Šajā piemērā tā ir ¼ no atsauces sprieguma.
- 2. darbība ir jāatkārto N reizes, tādējādi iegūstot N bitus no rezultāta. Tas ir saistīts ar H skaita salīdzināšanu.
Šis darbības princips ļauj iegūt ierīces ar salīdzinoši augstu konversijas ātrumu, kas ir secīgas tuvināšanas ADC. Darbības princips, kā redzat, ir vienkāršs, un šīs ierīces ir lieliski piemērotas dažādiem gadījumiem.
Paralēli analogo-digitālo pārveidotāji
Tie darbojas kā sērijas ierīces. Aprēķina formula ir (2 ^ H) -1. PriekšIepriekšējā gadījumā mums ir nepieciešami (2^3)-1 salīdzinājumi. Darbībai tiek izmantots noteikts šo ierīču masīvs, no kurām katra var salīdzināt ieejas un individuālo atsauces spriegumu. Paralēli analogo-ciparu pārveidotāji ir diezgan ātras ierīces. Taču šo ierīču uzbūves princips ir tāds, ka to veiktspējas nodrošināšanai ir nepieciešama ievērojama jauda. Tāpēc nav praktiski tos izmantot ar akumulatora enerģiju.
Bitwise Balanced A/D Converter
Tā darbojas līdzīgi kā iepriekšējā ierīce. Tāpēc, lai izskaidrotu bitu pa bitu balansējošā ADC darbību, darbības princips iesācējiem tiks aplūkots burtiski uz pirkstiem. Šo ierīču pamatā ir dihotomijas fenomens. Citiem vārdiem sakot, tiek veikta konsekventa izmērītās vērtības salīdzināšana ar noteiktu maksimālās vērtības daļu. Var ņemt vērtības ½, 1/8, 1/16 un tā tālāk. Tāpēc analogo-digitālo pārveidotājs var pabeigt visu procesu N iterācijās (secīgas darbības). Turklāt H ir vienāds ar ADC bitu dziļumu (skatiet iepriekš dotās formulas). Tādējādi mums ir ievērojams ieguvums laikā, ja tehnikas ātrums ir īpaši svarīgs. Neskatoties uz ievērojamo ātrumu, šīm ierīcēm ir arī zema statiskā precizitāte.
A/D pārveidotāji ar uzlādes balansēšanu (delta-sigma)
Šis ir pats interesantākais ierīces veidspateicoties tā darbības principam. Tas slēpjas faktā, ka ieejas spriegums tiek salīdzināts ar integratora uzkrāto spriegumu. Impulsi ar negatīvu vai pozitīvu polaritāti tiek ievadīti ieejā (tas viss ir atkarīgs no iepriekšējās darbības rezultāta). Tādējādi mēs varam teikt, ka šāds analogo-ciparu pārveidotājs ir vienkārša servo sistēma. Bet tas ir tikai piemērs salīdzināšanai, lai jūs varētu saprast, kas ir delta-sigma ADC. Darbības princips ir sistēmisks, taču šī analogā-digitālā pārveidotāja efektīvai darbībai nepietiek. Gala rezultāts ir nebeidzama 1s un 0s plūsma caur digitālo zemas caurlaidības filtru. No tiem veidojas noteikta bitu secība. Tiek nošķirti pirmās un otrās kārtas ADC pārveidotāji.
Analogo-digitālo pārveidotāju integrēšana
Šis ir pēdējais īpašais gadījums, kas tiks aplūkots rakstā. Tālāk mēs aprakstīsim šo ierīču darbības principu, bet vispārīgā līmenī. Šis ADC ir push-pull analogo-digitālo pārveidotājs. Jūs varat satikt līdzīgu ierīci digitālajā multimetrā. Un tas nav pārsteidzoši, jo tie nodrošina augstu precizitāti un vienlaikus labi nomāc traucējumus.
Tagad pievērsīsimies tam, kā tas darbojas. Tas slēpjas faktā, ka ieejas signāls uzlādē kondensatoru uz noteiktu laiku. Parasti šis periods ir tā tīkla frekvences vienība, kas darbina ierīci (50 Hz vai 60 Hz). Tas var būt arī daudzkārtējs. Tādējādi augstās frekvences tiek nomāktas.iejaukšanās. Tajā pašā laikā elektroenerģijas ražošanas tīkla avota nestabilā sprieguma ietekme uz rezultāta precizitāti tiek izlīdzināta.
Kad analogā-digitālā pārveidotāja uzlādes laiks beidzas, kondensators sāk izlādēties ar noteiktu fiksētu ātrumu. Ierīces iekšējais skaitītājs uzskaita pulksteņa impulsu skaitu, kas tiek ģenerēti šī procesa laikā. Tādējādi, jo ilgāks laika periods, jo nozīmīgāki rādītāji.
ADC push-pull integrācijai ir augsta precizitāte un izšķirtspēja. Pateicoties tam, kā arī salīdzinoši vienkāršai konstrukcijas struktūrai, tie tiek realizēti kā mikroshēmas. Galvenais šī darbības principa trūkums ir atkarība no tīkla indikatora. Atcerieties, ka tā iespējas ir saistītas ar barošanas avota frekvences periodu.
Tā darbojas dubultās integrācijas ADC. Šīs ierīces darbības princips, lai gan tas ir diezgan sarežģīts, bet tas nodrošina kvalitātes rādītājus. Dažos gadījumos tas ir vienkārši nepieciešams.
Izvēlieties APC ar mums nepieciešamo darbības principu
Pieņemsim, ka mums priekšā ir noteikts uzdevums. Kuru ierīci izvēlēties, lai tā varētu apmierināt visus mūsu pieprasījumus? Pirmkārt, parunāsim par izšķirtspēju un precizitāti. Ļoti bieži viņi ir apmulsuši, lai gan praksē tie ir ļoti maz atkarīgi viens no otra. Ņemiet vērā, ka 12 bitu A/D pārveidotājs var būt mazāk precīzs nekā 8 bitu A/D pārveidotājs. TajāŠajā gadījumā izšķirtspēja ir mērs, cik segmentus var iegūt no izmērītā signāla ievades diapazona. Tātad 8 bitu ADC ir 28=256 šādas vienības.
Precizitāte ir iegūtā konversijas rezultāta kopējā novirze no ideālās vērtības, kurai jābūt pie dotā ieejas sprieguma. Tas ir, pirmais parametrs raksturo ADC potenciālās iespējas, bet otrais parāda, kas mums ir praksē. Tāpēc mums var būt piemērots vienkāršāks veids (piemēram, tiešie analogo-ciparu pārveidotāji), kas apmierinās vajadzības augstās precizitātes dēļ.
Lai iegūtu priekšstatu par to, kas ir nepieciešams, vispirms ir jāaprēķina fiziskie parametri un jāizveido mijiedarbības matemātiskā formula. Tajās svarīgas ir statiskās un dinamiskās kļūdas, jo, izmantojot dažādas ierīces uzbūves sastāvdaļas un principus, tās dažādos veidos ietekmēs tās īpašības. Detalizētāku informāciju var atrast katras konkrētās ierīces ražotāja piedāvātajā tehniskajā dokumentācijā.
Piemērs
Apskatīsim SC9711 ADC. Šīs ierīces darbības princips ir sarežģīts tās izmēra un iespēju dēļ. Starp citu, runājot par pēdējo, jāatzīmē, ka tie ir patiesi daudzveidīgi. Tā, piemēram, iespējamās darbības frekvence svārstās no 10 Hz līdz 10 MHz. Citiem vārdiem sakot, tas var aizņemt 10 miljonus paraugu sekundē! Un pati ierīce nav kaut kas ciets, bet ganir moduļu konstrukcijas struktūra. Taču to parasti izmanto sarežģītās tehnoloģijās, kur nepieciešams strādāt ar lielu skaitu signālu.
Secinājums
Kā redzat, ADC pamatā ir dažādi darbības principi. Tas ļauj mums izvēlēties ierīces, kas apmierinās radušās vajadzības, vienlaikus ļaujot mums saprātīgi pārvaldīt pieejamos līdzekļus.
