Oglejmo si glavni spekter vprašanj, ki jih je mogoče pripisati principu delovanja analogno-digitalnih pretvornikov (ADC) različnih vrst. Zaporedno štetje, bitno ravnotežje - kaj se skriva za temi besedami? Kakšno je načelo delovanja mikrokrmilnika ADC? Ta, pa tudi številna druga vprašanja, bomo obravnavali v okviru članka. Prve tri dele bomo posvetili splošni teoriji, od četrtega podnaslova pa preučili načelo njihovega delovanja. Izraza ADC in DAC lahko srečate v različni literaturi. Načelo delovanja teh naprav je nekoliko drugačno, zato jih ne zamenjujte. Torej bo članek obravnaval pretvorbo signalov iz analogne v digitalno obliko, medtem ko DAC deluje obratno.
Definicija
Preden razmislimo o principu delovanja ADC-ja, ugotovimo, za kakšno napravo gre. Analogno-digitalni pretvorniki so naprave, ki pretvorijo fizično količino v ustrezno numerično predstavo. Kot začetni parameter lahko deluje skoraj vse - tok, napetost, kapacitivnost,upor, kot gredi, frekvenca impulza in tako naprej. Zagotovo pa bomo delali samo z eno transformacijo. To je "napetostna koda". Izbira te oblike dela ni naključna. Konec koncev, ADC (načelo delovanja te naprave) in njegove značilnosti so v veliki meri odvisne od tega, kateri koncept merjenja se uporablja. To se razume kot postopek primerjave določene vrednosti s predhodno uveljavljenim standardom.
specifikacije ADC
Glavni sta bitna globina in frekvenca pretvorbe. Prvi je izražen v bitih, drugi pa v štetjih na sekundo. Sodobni analogno-digitalni pretvorniki so lahko široki 24 bitov ali do enot GSPS. Upoštevajte, da vam ADC lahko hkrati zagotovi samo eno od svojih značilnosti. Večja kot je njihova zmogljivost, težje je delati z napravo, sama pa stane več. Toda prednost je, da lahko dobite potrebne kazalnike bitne globine, tako da žrtvujete hitrost naprave.
vrste ADC
Načelo delovanja se razlikuje za različne skupine naprav. Pogledali bomo naslednje vrste:
- Z neposredno pretvorbo.
- Z zaporednim približevanjem.
- Z vzporedno pretvorbo.
- A/D pretvornik z uravnoteženjem naboja (delta-sigma).
- Integracija ADC-jev.
Obstaja veliko drugih vrst cevovodov in kombinacij, ki imajo svoje posebne značilnosti z različno arhitekturo. Ampak tistevzorci, ki jih bomo obravnavali v okviru članka, so zanimivi zaradi dejstva, da imajo indikativno vlogo v svoji niši naprav te specifičnosti. Zato preučimo princip delovanja ADC, pa tudi njegovo odvisnost od fizične naprave.
Neposredni A/D pretvorniki
Postali so zelo priljubljeni v 60. in 70. letih prejšnjega stoletja. V obliki integriranih vezij se proizvajajo od 80. let prejšnjega stoletja. To so zelo preproste, celo primitivne naprave, ki se ne morejo pohvaliti s pomembno zmogljivostjo. Njihova bitna globina je običajno 6-8 bitov, hitrost pa le redko preseže 1 GSPS.
Načelo delovanja te vrste ADC je naslednje: pozitivni vhodi komparatorjev sočasno prejmejo vhodni signal. Na negativne sponke se nanese napetost določene velikosti. Nato naprava določi svoj način delovanja. To se naredi z referenčno napetostjo. Recimo, da imamo napravo z 8 primerjalniki. Pri uporabi ½ referenčne napetosti se vklopijo samo 4 od njih. Prednostni kodirnik bo generiral binarno kodo, ki bo fiksirana z izhodnim registrom. Glede prednosti in slabosti lahko rečemo, da vam to načelo delovanja omogoča ustvarjanje hitrih naprav. Toda da bi dobili zahtevano bitno globino, se morate veliko potiti.
Splošna formula za število primerjav je videti takole: 2^N. Pod N morate vnesti število števk. Primer, ki smo ga obravnavali prej, lahko ponovno uporabimo: 2^3=8. Skupaj je za pridobitev tretje kategorije potrebno8 primerjalnikov. To je načelo delovanja ADC-jev, ki so bili ustvarjeni prvi. Ni zelo priročno, zato so se kasneje pojavile druge arhitekture.
Analogno-digitalni pretvorniki zaporednih približkov
Tu je uporabljen algoritem "uteževanja". Skratka, naprave, ki delujejo v skladu s to tehniko, se preprosto imenujejo ADC-ji za serijsko štetje. Načelo delovanja je naslednje: naprava izmeri vrednost vhodnega signala, nato pa jo primerja s številkami, ki so ustvarjene po določeni metodi:
- Nastavi polovico možne referenčne napetosti.
- Če je signal presegel mejo vrednosti iz točke 1, se primerja s številom, ki leži na sredini med preostalo vrednostjo. Torej bo v našem primeru ¾ referenčne napetosti. Če referenčni signal ne doseže tega indikatorja, se primerjava izvede z drugim delom intervala po enakem principu. V tem primeru je to ¼ referenčne napetosti.
- Korak 2 je treba ponoviti N-krat, kar nam bo dalo N bitov rezultata. To je posledica števila primerjav H.
Ta princip delovanja omogoča pridobivanje naprav z relativno visoko stopnjo pretvorbe, ki so ADC-ji zaporednega približevanja. Načelo delovanja, kot vidite, je preprosto, te naprave pa so odlične za različne priložnosti.
Vzporedni analogno-digitalni pretvorniki
Delujeta kot serijske naprave. Formula za izračun je (2 ^ H) -1. ZaV prejšnjem primeru potrebujemo primerjalnike (2^3)-1. Za delovanje se uporablja določen niz teh naprav, od katerih lahko vsaka primerja vhodno in posamezno referenčno napetost. Vzporedni analogno-digitalni pretvorniki so dokaj hitre naprave. Toda načelo konstrukcije teh naprav je takšno, da je za njihovo delovanje potrebna znatna moč. Zato jih ni praktično uporabljati na baterije.
bitno uravnotežen A/D pretvornik
Deluje na podoben način kot prejšnja naprava. Zato, da bi razložili delovanje ADC za uravnoteženje bit-po-bit, bo načelo delovanja za začetnike obravnavano dobesedno na prstih. V središču teh naprav je fenomen dihotomije. Z drugimi besedami, izvede se dosledna primerjava izmerjene vrednosti z določenim delom največje vrednosti. Lahko se vzamejo vrednosti v ½, 1/8, 1/16 in tako naprej. Zato lahko analogno-digitalni pretvornik dokonča celoten postopek v N ponovitvah (zaporednih korakov). Poleg tega je H enak bitni globini ADC (poglejte prej podane formule). Tako imamo precejšen dobiček v času, če je hitrost tehnike še posebej pomembna. Kljub veliki hitrosti imajo te naprave tudi nizko statično natančnost.
A/D pretvorniki z uravnoteženjem naboja (delta-sigma)
To je nenazadnje najbolj zanimiva vrsta napravezahvaljujoč svojemu principu delovanja. Leži v tem, da se vhodna napetost primerja s tisto, kar je nabral integrator. Na vhod se dovajajo impulzi z negativno ali pozitivno polarnostjo (vse je odvisno od rezultata prejšnje operacije). Tako lahko rečemo, da je takšen analogno-digitalni pretvornik preprost servo sistem. Toda to je le primer za primerjavo, tako da lahko razumete, kaj je delta-sigma ADC. Načelo delovanja je sistemsko, vendar za učinkovito delovanje tega analogno-digitalnega pretvornika ni dovolj. Končni rezultat je neskončen tok 1s in 0s skozi digitalni nizkoprepustni filter. Iz njih se oblikuje določeno zaporedje bitov. Razlikujemo med ADC pretvorniki prvega in drugega reda.
Integracija analogno-digitalnih pretvornikov
To je zadnji poseben primer, ki bo obravnavan v članku. Nato bomo opisali načelo delovanja teh naprav, vendar na splošni ravni. Ta ADC je push-pull analogno-digitalni pretvornik. Podobno napravo lahko srečate v digitalnem multimetru. In to ni presenetljivo, saj zagotavljajo visoko natančnost in hkrati dobro zavirajo motnje.
Zdaj se osredotočimo na to, kako deluje. Leži v tem, da vhodni signal polni kondenzator za določen čas. Praviloma je to obdobje enota frekvence omrežja, ki napaja napravo (50 Hz ali 60 Hz). Lahko je tudi več. Tako so visoke frekvence potlačene.motnje. Hkrati se izravnava vpliv nestabilne napetosti omrežnega vira proizvodnje električne energije na točnost rezultata.
Ko se čas polnjenja analogno-digitalnega pretvornika konča, se kondenzator začne prazniti z določeno fiksno hitrostjo. Notranji števec naprave šteje število urnih impulzov, ki nastanejo med tem postopkom. Tako daljše kot je časovno obdobje, pomembnejši so kazalniki.
ADC push-pull integracija ima visoko natančnost in ločljivost. Zaradi tega, pa tudi zaradi relativno preproste konstrukcijske strukture, so izvedeni kot mikrovezja. Glavna pomanjkljivost tega načela delovanja je odvisnost od indikatorja omrežja. Ne pozabite, da so njegove zmogljivosti vezane na frekvenčno obdobje napajanja.
Tako deluje ADC z dvojno integracijo. Načelo delovanja te naprave, čeprav je precej zapleteno, zagotavlja kazalnike kakovosti. V nekaterih primerih je to preprosto potrebno.
Izberite APC s principom delovanja, ki ga potrebujemo
Recimo, da je pred nami določena naloga. Katero napravo izbrati, da bo zadovoljila vse naše zahteve? Najprej se pogovorimo o ločljivosti in natančnosti. Zelo pogosto so zmedeni, čeprav so v praksi zelo malo odvisni drug od drugega. Zavedajte se, da je 12-bitni A/D pretvornik lahko manj natančen kot 8-bitni A/D pretvornik. V temV tem primeru je ločljivost merilo, koliko segmentov je mogoče izvleči iz vhodnega območja merjenega signala. Torej, 8-bitni ADC-ji imajo 28=256 takih enot.
Natančnost je skupno odstopanje dobljenega rezultata pretvorbe od idealne vrednosti, ki bi morala biti pri dani vhodni napetosti. To pomeni, da prvi parameter označuje potencialne zmogljivosti, ki jih ima ADC, drugi pa kaže, kaj imamo v praksi. Zato je za nas morda primeren enostavnejši tip (kot so direktni analogno-digitalni pretvorniki), ki bo zadovoljil potrebe zaradi visoke natančnosti.
Če želite razumeti, kaj je potrebno, morate najprej izračunati fizične parametre in zgraditi matematično formulo za interakcijo. Pri njih so pomembne statične in dinamične napake, saj bodo pri uporabi različnih komponent in principov gradnje naprave na različne načine vplivale na njene značilnosti. Podrobnejše informacije najdete v tehnični dokumentaciji, ki jo ponuja proizvajalec posamezne naprave.
Primer
Oglejmo si ADC SC9711. Načelo delovanja te naprave je zapleteno zaradi svoje velikosti in zmogljivosti. Mimogrede, ko že govorimo o slednjih, je treba omeniti, da so resnično raznoliki. Tako se na primer frekvenca možnega delovanja giblje od 10 Hz do 10 MHz. Z drugimi besedami, lahko vzame 10 milijonov vzorcev na sekundo! In sama naprava ni nekaj trdnega, ampakima modularno konstrukcijsko strukturo. Vendar se praviloma uporablja v kompleksni tehnologiji, kjer je potrebno delati z velikim številom signalov.
Sklep
Kot vidite, imajo ADC-ji v bistvu različna načela delovanja. To nam omogoča, da izberemo naprave, ki bodo zadovoljile potrebe, ki se pojavijo, hkrati pa nam omogoča, da pametno upravljamo razpoložljiva sredstva.
