Obecná zásada ADC

Podívejme se na hlavní oblast problémů, které lze připsat principu jednání analogově-digitální převodníky (ADC) různých typů. Sekvenční účet, bitové vyvážení - co se skrývá za těmito slovy? Jaký je princip fungování mikrokontroléru ADC? Tyto, stejně jako řada dalších otázek, budeme v rámci článku zvažovat. První tři části budou věnovány obecné teorii a ze čtvrté podkapitoly budeme studovat principy jejich práce. Můžete splnit podmínky ADC a DAC v různých literaturách. Princip fungování těchto zařízení je mírně odlišný, takže je nemusíte zaměňovat. Tento článek bude tedy zvážen konverze signálu z analogového na digitální, zatímco DAC funguje opačně.

Definice

Než se podíváme na princip ADC, zjistěme, jaký typ zařízení je. Převodníky analogově-digitální jsou zařízení, která převedou fyzickou hodnotu na odpovídající číselné znázornění. Jako počáteční parametr může pracovat téměř všechno: proud, napětí, kapacita, odpor, úhel otáčení hřídele, frekvence impulzů a tak dále. Ale abychom měli jistotu, budeme pracovat pouze s jednou transformací. Jedná se o "napěťový kód". Volba tohoto formátu není náhodná. Koneckonců, ADC (princip fungování tohoto zařízení) a jeho vlastnosti závisí do značné míry na tom, jaký koncept měření se používá. Tím se rozumí proces porovnání určité hodnoty s dříve stanoveným standardem.

Vlastnosti ADC

Hlavní jsou hloubka bitů a frekvence konverze. První je vyjádřena v bitech a druhá je vyjádřena v počtu za sekundu. Moderní analogově-digitální převodníky mohou mít 24bitovou kapacitu nebo rychlost konverze, která dosáhne jednotek GSPS. Všimněte si, že ADC může současně poskytnout pouze jednu ze svých vlastností. Čím vyšší je jejich výkon, tím je obtížnější pracovat se zařízením a je samo o sobě dražší. Ale přínos lze získat potřebné číslice, obětovat rychlost zařízení.

Typy ADC

Princip fungování se liší mezi různými skupinami zařízení. Budeme zvažovat následující typy:

1. S přímou transformací.
2. S postupným přiblížením.
3. S paralelní transformací.
4. Analogově digitální převodník s vyvažováním náboje (delta-sigma).
5. Integrace ADC.

Existuje mnoho dalších dopravních a kombinovaných typů, které mají své vlastní speciální vlastnosti s různými architekturami. Ale ty vzorky, které budou zkoumány v rámci článku, jsou zajímavé, protože hrají orientační roli ve své výbavě zařízení této specifičnosti. Proto zkoumme princip ADC, stejně jako jeho závislost na fyzickém zařízení.

Přímé převodníky analogově-digitální

Staly se velmi populární v 60-70s minulého století. Ve formuláři integrované obvody jsou vyráběny od 80. let. Jedná se o velmi jednoduché, i primitivní zařízení, která se nemůže pochlubit významnými ukazateli. Jejich hloubka bitů je obvykle 6-8 bitů a rychlost zřídka přesahuje 1 GSPS.

Princip činnosti ADC tohoto typu je následující: vstupní signál je vstupován současně s plusovými vstupy komparátorů. Záporné svorky jsou napájeny napětím určité hodnoty. Potom přístroj určuje svůj provozní režim. To je způsobeno referenčním napětím. Řekněme, že máme zařízení s 8 komparátory. Při odesílání Referenční napětí frac12 bude obsahovat pouze 4 z nich. Bude vytvořen prioritní snímač binární kód, který je určen výstupním registrem. Pokud jde o zásluhy a zneužívání, je možné říci, takový princip umožňuje vytvářet vysokorychlostní zařízení. Abyste získali požadovanou kapacitu bitů, musíte se hodně potnout.

Obecný vzorec pro počet komparátorů vypadá takto: 2 ^ N. Pod položkou N je třeba nastavit počet číslic. Příklad uvedený dříve lze znovu použít: 2 ^ 3 = 8. Pro získání třetího čísla je zapotřebí celkem 8 komparátorů. To je princip ADC, který byl vytvořen jako první. Není to příliš výhodné, takže v dalších letech existovaly další architektury.

Analogové a digitální převodníky

Zde používáme algoritmus "vážení". Stručně řečeno, zařízení používající tuto techniku ​​se nazývají pouze ADC pro sekvenční počítání. Princip fungování je následující: zařízení měří hodnotu vstupního signálu a poté se porovná s čísly, která jsou generována podle určité techniky:

1. Polovina možného referenčního napětí je nastavena.
2. Pokud signál překonal limit hodnoty z bodu # 1, porovná se s číslem, které leží uprostřed mezi zbývající hodnotou. Takže v našem případě to bude frac34- referenční napětí. Pokud referenční signál nedosáhne tohoto indexu, provede se srovnání stejnou cestou s jinou částí intervalu. V tomto příkladu to je frac14- referenční napětí.
3. Krok 2 musí být opakován Nkrát, což nám dá N bitový výsledek. To je způsobeno počtem porovnání H.

Tento princip činnosti umožňuje získávat zařízení s poměrně vysokou převodní rychlostí, což jsou ADC postupné aproximace. Princip fungování, jak vidíte, je jednoduchý a tyto přístroje jsou vynikající pro různé případy.

Paralelní analogově-digitální převodníky

Pracují jako sériová zařízení. Vzorec pro výpočet je (2 ^ H) -1. Pro případ, který byl dříve zvažován, potřebujeme (2 ^ 3) -1 komparátory. Určitá řada těchto zařízení se používá k provozu, z nichž každá může porovnávat vstupní a individuální referenční napětí. Paralelní analogově-digitální převodníky jsou poměrně rychlé zařízení. Ale princip budování těchto zařízení je takový, že k podpoře jejich výkonu vyžaduje značnou sílu. Proto není vhodné je používat s baterií.

Analogově digitální převodník s vyvažováním bitů

Pracuje podle podobného schématu jako předchozí zařízení. Proto, aby vysvětlil činnost za sebou vyvažování ADC, princip činnosti pro začátečníky bude považována doslova na prstech. Jádrem těchto zařízení je fenomén dichotomie. Jinými slovy, provádí se důsledné porovnání naměřené veličiny s určitou částí maximální hodnoty. Hodnoty mohou být přijaty frac12-, 1/8, 1/16 a tak dále. Převodník analogově-digitální tedy může provádět celý proces pro iteraci H (po sobě jdoucích kroků). A H se rovná šířce bitů ADC (podívejte se na dříve uvedené vzorce). Máme tedy značné zisky v čase, pokud je rychlost techniky zvlášť důležitá. I přes značnou rychlost se tato zařízení vyznačují také nízkou statickou chybou.

Analogově digitální převodníky s vyvažováním náboje (delta-sigma)

Jedná se o nejzajímavější typ zařízení, v neposlední řadě díky jeho principu fungování. Spočívá v tom, že vstupní napětí je porovnáno s tím, co integrátor nahromadil. Impulzy s negativní nebo kladnou polaritou jsou přivedeny na vstup (vše závisí na výsledku předchozí operace). Tak lze říci, že takový analogově-digitální převodník je jednoduchý sledovací systém. Ale je to jen příklad srovnání, abyste pochopili, co je delta-sigma ADC. Princip fungování je systém, ale pro efektivní fungování tohoto analogově-digitálního převodníku nestačí. Konečným výsledkem je nekonečný proud jednotek a nul, který prochází digitálním LPF. Z nich je vytvořena určitá bitová sekvence. Rozlišuje se mezi převodníky ADC první a druhé objednávky.

Integrované analogově digitální převodníky

Jedná se o poslední zvláštní případ, který se bude zabývat v rámci článku. Dále budeme popisovat princip fungování těchto zařízení, ale na obecné úrovni. Tento ADC je převodník analogově-digitální s integrací push-pull. Podobné zařízení můžete setkat v digitálním multimetru. A to není překvapující, protože poskytují vysokou přesnost a zároveň potlačují rušení.

Nyní se zaměřme na jeho princip práce. Spočívá v tom, že vstupní signál nabíjí kondenzátor na pevný čas. Typicky je toto období jednotkou síťové frekvence, která napájí zařízení (50 Hz nebo 60 Hz). Může to být i násobek. Tím je potlačen vysokofrekvenční šum. Současně se vyrovnává vliv nestabilního napětí síťového zdroje generování elektrické energie na přesnost výsledku.

Po ukončení doby nabíjení analogového převodníku se kondenzátor začne vypouštět určitou pevnou rychlostí. Vnitřní čítač zařízení počítá počet hodinových impulzů, které jsou generovány během tohoto procesu. Čím je delší časový interval, tím výraznější jsou indikátory.

ADC integrace push-pull mají vysokou přesnost a vyřešení napájení. Díky tomu a relativně jednoduché struktuře konstrukce jsou prováděny jako čipy. Hlavním nedostatkem tohoto principu práce je závislost na indikátoru sítě. Nezapomeňte, že jeho schopnosti jsou vázány na dobu trvání frekvenčního intervalu napájení.

Zde je návod, jak funguje dvojitá integrace ADC. Princip fungování tohoto zařízení, i když je poměrně složitý, ale poskytuje ukazatele kvality. V některých případech je to prostě nezbytné.

Vyberte si AIC se zásadou práce, kterou potřebujeme

Předpokládejme, že čelíme určitému úkolu. Jak vybrat zařízení tak, aby vyhovovalo všem našim požadavkům? Zaprvé promluvme o rozlišení a přesnosti. Velmi často jsou zmateni, i když v praxi jsou velmi slabě závislí na jedné ze druhé. Nezapomeňte, že 12bitový převodník analogově-digitálního signálu může mít menší přesnost než 8bitový. V tomto případě je rozlišení měřítkem toho, kolik segmentů lze extrahovat ze vstupního rozsahu měřeného signálu. Takže 8bitové ADC mají 2^8.= 256 takových jednotek.

Přesnost je celková odchylka výsledné konverze od ideální hodnoty, která by měla být pro dané vstupní napětí. To znamená, že první parametr charakterizuje potenciální schopnosti ADC a druhý ukazuje, co máme v praxi. Proto můžeme přistupovat k jednodušším typům (například přímým analogově-digitálním převodníkům), které uspokojí potřeby díky vysoké přesnosti.

Chcete-li mít představu o tom, co je potřeba, musíte nejprve vypočítat fyzické parametry a vytvořit matematický vzorec pro interakci. Důležité v nich jsou statické a dynamické chyby, protože při použití různých komponent a principů konstrukce zařízení budou mít různé účinky na jeho vlastnosti. Podrobnější informace naleznete v technické dokumentaci, kterou nabízí výrobce jednotlivých zařízení.

Příklad:

Podívejme se na ADC SC9711. Princip fungování tohoto zařízení je komplikovaný vzhledem k jeho velikosti a možnostem. Mimochodem, když mluvíme o druhém, je třeba poznamenat, že jsou opravdu rozmanité. Například frekvence možných prací se pohybuje od 10 Hz do 10 MHz. Jinými slovy, může to činit 10 milionů za sekundu! A samotné zařízení není něco integrálního, ale má modulární strukturu konstrukce. Používá se zpravidla v složité technice, kde je třeba pracovat s velkým počtem signálů.

Závěr

Jak vidíte, ADC mají v podstatě různé pracovní principy. To nám umožňuje vybrat zařízení, které uspokojí potřeby vyplývající, a tím umožnit přiměřené využití dostupných zdrojů.