Katsotaanpa pääasiallisia ongelmia, jotka voidaan johtua erityyppisten analogia-digitaalimuuntimien (ADC) toimintaperiaatteesta. Jaksottainen laskenta, bittikohtainen tasapainotus – mitä näiden sanojen takana piilee? Mikä on ADC-mikro-ohjaimen toimintaperiaate? Näitä, samoin kuin monia muita kysymyksiä, tarkastelemme artikkelin puitteissa. Omistamme kolme ensimmäistä osaa yleiselle teorialle, ja neljännestä alaotsikosta tutkimme heidän työnsä periaatetta. Voit tavata termit ADC ja DAC eri kirjallisuuksissa. Näiden laitteiden toimintaperiaate on hieman erilainen, joten älä sekoita niitä. Joten artikkelissa tarkastellaan signaalien muuntamista analogisesta digitaaliseen muotoon, kun taas DAC toimii päinvastoin.
Määritelmä
Ennen kuin harkitset ADC:n toimintaperiaatetta, selvitetään, millainen laite se on. Analogia-digitaalimuuntimet ovat laitteita, jotka muuntavat fyysisen suuren vastaavaksi numeeriseksi esitykseksi. Alkuparametrina voi toimia melkein mikä tahansa - virta, jännite, kapasitanssi,vastus, akselin kulma, pulssitaajuus ja niin edelleen. Mutta ollaksemme varmoja, työskentelemme vain yhdellä muutoksella. Tämä on "jännitekoodi". Tämän työmuodon valinta ei ole sattumaa. Loppujen lopuksi ADC (tämän laitteen toimintaperiaate) ja sen ominaisuudet riippuvat suurelta osin käytetystä mittauskonseptista. Tämä ymmärretään prosessiksi, jossa tiettyä arvoa verrataan aiemmin vahvistettuun standardiin.
ADC:n tekniset tiedot
Tärkeimmät niistä ovat bittisyvyys ja muunnostaajuus. Edellinen ilmaistaan bitteinä ja jälkimmäinen lukemina sekunnissa. Nykyaikaiset analogia-digitaalimuuntimet voivat olla 24 bittiä leveitä tai jopa GSPS-yksiköitä. Huomaa, että ADC voi tarjota sinulle vain yhden ominaisuuksistaan kerrallaan. Mitä korkeampi niiden suorituskyky, sitä vaikeampaa on työskennellä laitteen kanssa, ja se itse maksaa enemmän. Mutta etuna on, että saat tarvittavat bittisyvyysindikaattorit uhraamalla laitteen nopeudesta.
ADC-tyypit
Toimintaperiaate vaihtelee laiteryhmien mukaan. Tarkastelemme seuraavia tyyppejä:
- Suoralla muunnolla.
- Peräkkäisellä approksimaatiolla.
- Rinnakkaismuunnolla.
- A/D-muunnin latauksen tasapainotuksella (delta-sigma).
- ADC:iden integrointi.
On olemassa monia muita putki- ja yhdistelmätyyppejä, joilla on omat erityispiirteensä erilaisilla arkkitehtuurilla. Mutta nenäytteet, joita tarkastellaan artikkelin puitteissa, ovat kiinnostavia, koska niillä on suuntaa-antava rooli tämän spesifisyyden omaavien laitteiden kapealla. Siksi tutkitaan ADC:n periaatetta sekä sen riippuvuutta fyysisestä laitteesta.
Suorat A/D-muuntimet
Heistä tuli erittäin suosittuja viime vuosisadan 60- ja 70-luvuilla. Integroitujen piirien muodossa niitä on valmistettu 80-luvulta lähtien. Nämä ovat hyvin yksinkertaisia, jopa primitiivisiä laitteita, jotka eivät voi ylpeillä merkittävästä suorituskyvystä. Niiden bittisyvyys on yleensä 6-8 bittiä ja nopeus harvoin ylittää 1 GSPS:n.
Tämän tyyppisen ADC:n toimintaperiaate on seuraava: komparaattorien positiiviset tulot vastaanottavat samanaikaisesti tulosignaalin. Tietyn suuruinen jännite syötetään negatiivisiin napoihin. Ja sitten laite määrittää toimintatapansa. Tämä tehdään referenssijännitteellä. Oletetaan, että meillä on laite, jossa on 8 vertailijaa. Käytettäessä ½ referenssijännitettä vain 4 niistä kytkeytyy päälle. Prioriteettienkooderi luo binäärikoodin, jonka lähtörekisteri vahvistaa. Eduista ja haitoista voidaan sanoa, että tämän toimintaperiaatteen avulla voit luoda nopeita laitteita. Mutta saadaksesi vaaditun bittisyvyyden, sinun on hikoiltava paljon.
Yleinen kaava vertailulaitteiden lukumäärälle näyttää tältä: 2^N. N:n alle sinun on lisättävä numeroiden määrä. Aiemmin tarkasteltua esimerkkiä voidaan käyttää uudelleen: 2^3=8. Kaiken kaikkiaan kolmannen luokan saaminen on välttämätöntä8 vertailijaa. Tämä on ensin luotujen ADC:iden toimintaperiaate. Ei kovin kätevää, joten muita arkkitehtuureja ilmestyi myöhemmin.
Analogia-digitaaliset peräkkäiset approksimaatiomuuntimet
Tässä käytetään "painotus"-algoritmia. Lyhyesti sanottuna tämän tekniikan mukaisesti toimivia laitteita kutsutaan yksinkertaisesti sarjalaskennan ADC:iksi. Toimintaperiaate on seuraava: laite mittaa tulosignaalin arvon ja sitten sitä verrataan lukuihin, jotka on generoitu tietyllä menetelmällä:
- Asettaa puolet mahdollisesta vertailujännitteestä.
- Jos signaali on ylittänyt arvorajan pisteestä 1, sitä verrataan numeroon, joka on jäljellä olevan arvon välissä. Joten meidän tapauksessamme se on ¾ vertailujännitteestä. Jos vertailusignaali ei saavuta tätä indikaattoria, vertailu suoritetaan intervallin toisen osan kanssa saman periaatteen mukaisesti. Tässä esimerkissä tämä on ¼ referenssijännitteestä.
- Vaihe 2 on toistettava N kertaa, mikä antaa meille N bittiä tuloksesta. Tämä johtuu H-määrän vertailuista.
Tämä toimintaperiaate mahdollistaa suhteellisen korkean muuntosuhteen omaavien laitteiden hankkimisen, jotka ovat peräkkäisiä approksimaatio-ADC:itä. Toimintaperiaate, kuten näet, on yksinkertainen, ja nämä laitteet sopivat erinomaisesti erilaisiin tilanteisiin.
Rinnakkaisanalogia-digitaalimuuntimet
Ne toimivat kuin sarjalaitteet. Laskentakaava on (2 ^ H) -1. vartenEdellisessä tapauksessa tarvitsemme (2^3)-1 vertailijaa. Toiminnassa käytetään tiettyä joukkoa näitä laitteita, joista jokainen voi verrata tuloa ja yksittäistä vertailujännitettä. Rinnakkaiset analogia-digitaalimuuntimet ovat melko nopeita laitteita. Mutta näiden laitteiden rakenneperiaate on sellainen, että niiden suorituskyvyn tukemiseen tarvitaan merkittävää tehoa. Siksi niitä ei ole käytännöllistä käyttää akkuvirralla.
Bittisesti tasapainotettu A/D-muunnin
Se toimii samalla tavalla kuin edellinen laite. Siksi bit-bittiltä tasapainottavan ADC:n toiminnan selittämiseksi aloittelijoiden toimintaperiaatetta tarkastellaan kirjaimellisesti sormilla. Näiden laitteiden ytimessä on kaksijakoisuus. Toisin sanoen mitattua arvoa verrataan johdonmukaisesti maksimiarvon tiettyyn osaan. Arvot ½, 1/8, 1/16 ja niin edelleen voidaan ottaa. Siksi analogia-digitaalimuunnin voi suorittaa koko prosessin N:ssä iteraatiossa (peräkkäisissä vaiheissa). Lisäksi H on yhtä suuri kuin ADC:n bittisyvyys (katso aiemmin annettuja kaavoja). Näin ollen meillä on merkittävä aikavoitto, jos tekniikan nopeus on erityisen tärkeä. Huomattavasta nopeudestaan huolimatta näillä laitteilla on myös alhainen staattinen tarkkuus.
A/D-muuntimet latauksen tasapainotuksella (delta-sigma)
Tämä on kiinnostavin laitetyyppi, ei vähäisimpänätoimintaperiaatteensa ansiosta. Se johtuu siitä, että tulojännitettä verrataan integraattorin keräämään jännitettä. Pulssit, joilla on negatiivinen tai positiivinen polariteetti, syötetään sisääntuloon (kaikki riippuu edellisen toimenpiteen tuloksesta). Siten voimme sanoa, että tällainen analogia-digitaalimuunnin on yksinkertainen servojärjestelmä. Mutta tämä on vain esimerkki vertailua varten, jotta voit ymmärtää, mikä delta-sigma ADC on. Toimintaperiaate on systeeminen, mutta tämän analogia-digitaalimuuntimen tehokkaaseen toimintaan se ei riitä. Lopputuloksena on loputon 1:n ja 0:n virta digitaalisen alipäästösuodattimen läpi. Niistä muodostetaan tietty bittisekvenssi. Ensimmäisen ja toisen asteen ADC-muuntimet erotetaan toisistaan.
Analogia-digitaalimuuntimien integrointi
Tämä on viimeinen erikoistapaus, jota käsitellään artikkelissa. Seuraavaksi kuvaamme näiden laitteiden toimintaperiaatetta, mutta yleisellä tasolla. Tämä ADC on push-pull analogia-digitaalimuunnin. Voit tavata samanlaisen laitteen digitaalisessa yleismittarissa. Ja tämä ei ole yllättävää, sillä ne tarjoavat suuren tarkkuuden ja samalla vaimentavat häiriöt hyvin.
Keskitytään nyt siihen, miten se toimii. Se johtuu siitä, että tulosignaali lataa kondensaattoria kiinteän ajan. Yleensä tämä ajanjakso on laitetta käyttävän verkon taajuuden yksikkö (50 Hz tai 60 Hz). Se voi olla myös useita. Siten korkeat taajuudet vaimentuvat.häiriötä. Samalla sähköntuotannon verkkolähteen epävakaan jännitteen vaikutus tuloksen tarkkuuteen tasoittuu.
Kun analogia-digitaalimuuntimen latausaika päättyy, kondensaattori alkaa purkaa tietyllä kiinteällä nopeudella. Laitteen sisäinen laskuri laskee tämän prosessin aikana syntyvien kellopulssien määrän. Näin ollen mitä pidempi ajanjakso, sitä merkittävämpiä indikaattoreita.
ADC push-pull -integraatiolla on korkea tarkkuus ja resoluutio. Tämän ja suhteellisen yksinkertaisen rakennerakenteen ansiosta ne toteutetaan mikropiireinä. Tämän toimintaperiaatteen suurin haittapuoli on riippuvuus verkko-indikaattorista. Muista, että sen ominaisuudet on sidottu virtalähteen taajuusjaksoon.
Näin kaksoisintegroitu ADC toimii. Tämän laitteen toimintaperiaate, vaikka se on melko monimutkainen, mutta se tarjoaa laatuindikaattoreita. Joissakin tapauksissa tämä on yksinkertaisesti välttämätöntä.
Valitse APC tarvitsemallamme toimintaperiaatteella
Oletetaan, että meillä on tietty tehtävä edessämme. Mikä laite valita, jotta se voi täyttää kaikki pyyntömme? Ensinnäkin puhutaan resoluutiosta ja tarkkuudesta. Hyvin usein he ovat hämmentyneitä, vaikka käytännössä he ovat hyvin vähän riippuvaisia toisistaan. Huomaa, että 12-bittinen A/D-muunnin voi olla vähemmän tarkka kuin 8-bittinen A/D-muunnin. SiinäTässä tapauksessa resoluutio on mitta siitä, kuinka monta segmenttiä voidaan erottaa mitatun signaalin tuloalueelta. Joten 8-bittisissä ADC:issä on 28=256 tällaista yksikköä.
Tarkkuus on saadun muunnostuloksen kokonaispoikkeama ihannearvosta, jonka tulisi olla tietyllä tulojännitteellä. Toisin sanoen ensimmäinen parametri luonnehtii ADC:n mahdollisia ominaisuuksia ja toinen osoittaa, mitä meillä on käytännössä. Siksi meille voi sopia yksinkertaisempi tyyppi (kuten suorat analogia-digitaalimuuntimet), joka täyttää tarpeet suuren tarkkuuden ansiosta.
Jotta saat käsityksen siitä, mitä tarvitaan, sinun on ensin laskettava fyysiset parametrit ja laadittava matemaattinen kaava vuorovaikutukselle. Tärkeitä niissä ovat staattiset ja dynaamiset virheet, koska käytettäessä erilaisia komponentteja ja laitteen rakentamisen periaatteita ne vaikuttavat sen ominaisuuksiin eri tavoin. Tarkemmat tiedot löytyvät kunkin laitteen valmistajan tarjoamista teknisistä asiakirjoista.
Esimerkki
Katsotaanpa SC9711 ADC:tä. Tämän laitteen toimintaperiaate on monimutkainen sen koon ja ominaisuuksien vuoksi. Muuten, kun puhutaan jälkimmäisestä, on huomattava, että ne ovat todella erilaisia. Joten esimerkiksi mahdollisen toiminnan taajuus vaihtelee välillä 10 Hz - 10 MHz. Toisin sanoen se voi ottaa 10 miljoonaa näytettä sekunnissa! Ja itse laite ei ole jotain kiinteää, muttaon modulaarinen rakenne. Mutta sitä käytetään yleensä monimutkaisessa tekniikassa, jossa on tarpeen työskennellä suurella määrällä signaaleja.
Johtopäätös
Kuten näet, ADC:illä on pohjimmiltaan erilaiset toimintaperiaatteet. Näin voimme valita laitteita, jotka vastaavat esiin tulevia tarpeita, ja samalla voimme hallita käytettävissä olevia varojamme viisaasti.
