Pažvelkime į pagrindines problemas, kurios gali būti siejamos su įvairių tipų analoginių-skaitmeninių keitiklių (ADC) veikimo principu. Nuoseklus skaičiavimas, bitų balansavimas – kas slepiasi po šiais žodžiais? Koks yra ADC mikrovaldiklio veikimo principas? Šiuos, kaip ir daugelį kitų klausimų, mes apsvarstysime šiame straipsnyje. Pirmąsias tris dalis skirsime bendrajai teorijai, o iš ketvirtos paantraštės nagrinėsime jų darbo principą. Įvairioje literatūroje galite rasti terminus ADC ir DAC. Šių įrenginių veikimo principas šiek tiek skiriasi, todėl jų nesupainiokite. Taigi, straipsnyje bus aptariamas signalų konvertavimas iš analoginės į skaitmeninę formą, o DAC veikia atvirkščiai.
Apibrėžimas
Prieš apsvarstydami ADC veikimo principą, išsiaiškinkime, koks tai įrenginys. Analoginiai-skaitmeniniai keitikliai yra įrenginiai, paverčiantys fizinį dydį į atitinkamą skaitinį vaizdą. Beveik viskas gali veikti kaip pradinis parametras - srovė, įtampa, talpa,varža, veleno kampas, impulsų dažnis ir pan. Tačiau norėdami būti tikri, dirbsime tik su viena transformacija. Tai yra „įtampos kodas“. Tokio darbo formato pasirinkimas nėra atsitiktinis. Juk ADC (šio įrenginio veikimo principas) ir jo savybės labai priklauso nuo to, kokia matavimo koncepcija naudojama. Tai suprantama kaip tam tikros vertės palyginimo su anksčiau nustatytu standartu procesas.
ADC specifikacijos
Pagrindiniai yra bitų gylis ir konversijos dažnis. Pirmasis išreiškiamas bitais, o antrasis - skaičiais per sekundę. Šiuolaikiniai analoginiai-skaitmeniniai keitikliai gali būti 24 bitų pločio arba iki GSPS vienetų. Atminkite, kad ADC vienu metu gali suteikti tik vieną iš savo savybių. Kuo didesnis jų našumas, tuo sunkiau dirbti su įrenginiu, be to, jis pats kainuoja daugiau. Tačiau privalumas yra tai, kad jūs galite gauti reikiamus bitų gylio indikatorius aukojant įrenginio greitį.
ADC tipai
Įvairių grupių įrenginių veikimo principas skiriasi. Mes pažvelgsime į šiuos tipus:
- Su tiesioginiu konvertavimu.
- Su nuosekliu aproksimavimu.
- Su lygiagrečiu konvertavimu.
- A/D keitiklis su įkrovos balansavimu (delta-sigma).
- ADC integravimas.
Yra daug kitų vamzdynų ir derinių tipų, kurie turi savo ypatybes ir skirtingą architektūrą. Bet tiepavyzdžiai, kurie bus nagrinėjami šiame straipsnyje, yra įdomūs dėl to, kad jie atlieka orientacinį vaidmenį savo tokio specifiškumo įrenginių nišoje. Todėl panagrinėkime ADC principą, taip pat jo priklausomybę nuo fizinio įrenginio.
Tiesioginiai A/D keitikliai
Jie tapo labai populiarūs praėjusio amžiaus 60-70-aisiais. Integrinių grandynų pavidalu jie gaminami nuo devintojo dešimtmečio. Tai labai paprasti, net primityvūs įrenginiai, negalintys pasigirti reikšmingu našumu. Jų bitų gylis paprastai yra 6–8 bitai, o greitis retai viršija 1 GSPS.
Šio tipo ADC veikimo principas yra toks: teigiami komparatorių įėjimai vienu metu gauna įvesties signalą. Į neigiamus gnybtus įvedama tam tikro dydžio įtampa. Tada įrenginys nustato savo veikimo režimą. Tai atliekama naudojant etaloninę įtampą. Tarkime, kad turime įrenginį su 8 komparatoriais. Įjungus ½ etaloninės įtampos, tik 4 iš jų bus įjungti. Prioritetinis kodavimo įrenginys sugeneruos dvejetainį kodą, kurį fiksuos išvesties registras. Kalbant apie privalumus ir trūkumus, galime pasakyti, kad šis veikimo principas leidžia sukurti didelės spartos įrenginius. Tačiau norėdami gauti reikiamą bitų gylį, turite daug prakaituoti.
Bendroji lyginamųjų skaičių formulė atrodo taip: 2^N. Po N reikia įrašyti skaitmenų skaičių. Galima dar kartą panaudoti anksčiau nagrinėtą pavyzdį: 2^3=8. Iš viso norint gauti trečią kategoriją, būtina8 lygintuvai. Tai yra ADC, kurie buvo sukurti pirmieji, veikimo principas. Nelabai patogu, todėl vėliau atsirado kitos architektūros.
Analoginio-skaitmeninio nuoseklaus aproksimavimo keitikliai
Čia naudojamas „svorio“algoritmas. Trumpai tariant, įrenginiai, veikiantys pagal šią techniką, yra tiesiog vadinami serijinio skaičiavimo ADC. Veikimo principas yra toks: prietaisas matuoja įvesties signalo vertę, o tada jis lyginamas su skaičiais, kurie generuojami pagal tam tikrą metodą:
- Nustato pusę galimos atskaitos įtampos.
- Jei signalas peržengė vertės ribą nuo 1 taško, tada jis lyginamas su skaičiumi, esančiu viduryje tarp likusios reikšmės. Taigi, mūsų atveju tai bus ¾ etaloninės įtampos. Jei atskaitos signalas nepasiekia šio rodiklio, tada palyginimas su kita intervalo dalimi bus atliekamas pagal tą patį principą. Šiame pavyzdyje tai yra ¼ etaloninės įtampos.
- 2 veiksmas turi būti kartojamas N kartų, kad gautume N rezultato bitų. Taip yra dėl H skaičiaus palyginimų.
Šis veikimo principas leidžia gauti įrenginius su santykinai dideliu konversijos koeficientu, kurie yra nuoseklūs aproksimacijos ADC. Veikimo principas, kaip matote, yra paprastas, o šie įrenginiai puikiai tinka įvairioms progoms.
Lygiagreti analoginio-skaitmeninio keitikliai
Jie veikia kaip serijiniai įrenginiai. Skaičiavimo formulė yra (2 ^ H) -1. DėlAnkstesniu atveju mums reikia (2^3)-1 palyginimo. Veikimui naudojamas tam tikras šių įrenginių masyvas, kurių kiekvienas gali palyginti įėjimo ir individualią atskaitos įtampą. Lygiagretūs analoginio-skaitmeninio keitikliai yra gana greiti įrenginiai. Tačiau šių įrenginių konstrukcijos principas yra toks, kad jų veikimui palaikyti reikalinga didelė galia. Todėl nepraktiška juos naudoti naudojant akumuliatoriaus energiją.
Bitwise subalansuotas A/D keitiklis
Jis veikia panašiai kaip ir ankstesnis įrenginys. Todėl, norint paaiškinti bitų po bitų balansavimo ADC veikimą, pradedantiesiems veikimo principas bus svarstomas tiesiogine prasme. Šių prietaisų esmė yra dichotomijos reiškinys. Kitaip tariant, atliekamas nuoseklus išmatuotos vertės palyginimas su tam tikra didžiausios vertės dalimi. Galima paimti reikšmes ½, 1/8, 1/16 ir pan. Todėl analoginis-skaitmeninis keitiklis gali užbaigti visą procesą N iteracijų (iš eilės veiksmų). Be to, H yra lygus ADC bitų gyliui (žr. anksčiau pateiktas formules). Taigi, jei technikos greitis yra ypač svarbus, gauname nemažą laimėjimą. Nepaisant didelio greičio, šie įrenginiai taip pat turi mažą statinį tikslumą.
A/D keitikliai su įkrovos balansavimu (delta-sigma)
Tai pats įdomiausias įrenginio tipasdėl savo veikimo principo. Tai slypi tame, kad įvesties įtampa lyginama su integratoriaus sukaupta įtampa. Į įvestį tiekiami neigiamo arba teigiamo poliškumo impulsai (viskas priklauso nuo ankstesnės operacijos rezultato). Taigi galime pasakyti, kad toks analoginis-skaitmeninis keitiklis yra paprasta servo sistema. Bet tai tik palyginimo pavyzdys, kad galėtumėte suprasti, kas yra delta-sigma ADC. Veikimo principas yra sisteminis, tačiau efektyviam šio analoginio-skaitmeninio keitiklio veikimui nepakanka. Galutinis rezultatas – nesibaigiantis 1 s ir 0 srautas per skaitmeninį žemųjų dažnių filtrą. Iš jų susidaro tam tikra bitų seka. Skiriami pirmos ir antros eilės ADC keitikliai.
Analoginio ir skaitmeninio keitiklių integravimas
Tai paskutinis specialus atvejis, kuris bus nagrinėjamas straipsnyje. Toliau aprašysime šių įrenginių veikimo principą, tačiau bendrai. Šis ADC yra „push-pull“analoginis-skaitmeninis keitiklis. Panašų įrenginį galite sutikti skaitmeniniame multimetre. Ir tai nenuostabu, nes jie užtikrina didelį tikslumą ir tuo pačiu gerai slopina trukdžius.
Dabar sutelkime dėmesį į tai, kaip tai veikia. Tai slypi tame, kad įvesties signalas įkrauna kondensatorių fiksuotą laiką. Paprastai šis laikotarpis yra tinklo, kuris maitina įrenginį, dažnio vienetas (50 Hz arba 60 Hz). Jis taip pat gali būti kelių. Taigi aukšti dažniai yra slopinami.trukdžių. Kartu išlyginama nestabilios elektros energijos gamybos tinklo š altinio įtampos įtaka rezultato tikslumui.
Kai baigiasi analoginio-skaitmeninio keitiklio įkrovimo laikas, kondensatorius pradeda išsikrauti tam tikru fiksuotu greičiu. Įrenginio vidinis skaitiklis skaičiuoja šio proceso metu sugeneruotų laikrodžio impulsų skaičių. Taigi, kuo ilgesnis laikotarpis, tuo rodikliai reikšmingesni.
ADC „push-pull“integracija pasižymi dideliu tikslumu ir raiška. Dėl šios priežasties, taip pat dėl gana paprastos konstrukcijos, jie įgyvendinami kaip mikroschemos. Pagrindinis šio veikimo principo trūkumas yra priklausomybė nuo tinklo indikatoriaus. Atminkite, kad jo galimybės yra susietos su maitinimo š altinio dažnio periodu.
Taip veikia dvigubos integracijos ADC. Šio įrenginio veikimo principas, nors ir gana sudėtingas, tačiau suteikia kokybės rodiklius. Kai kuriais atvejais tai tiesiog būtina.
Pasirinkite APC pagal mums reikalingą veikimo principą
Tarkime, mūsų laukia tam tikra užduotis. Kurį įrenginį pasirinkti, kad jis patenkintų visus mūsų poreikius? Pirmiausia pakalbėkime apie skiriamąją gebą ir tikslumą. Labai dažnai jie susipainioja, nors praktiškai labai mažai priklauso vienas nuo kito. Atminkite, kad 12 bitų A/D keitiklis gali būti mažiau tikslus nei 8 bitų A/D keitiklis. TuoŠiuo atveju skiriamoji geba yra matas, nurodantis, kiek segmentų galima išskirti iš išmatuoto signalo įvesties diapazono. Taigi, 8 bitų ADC turi 28=256 tokius vienetus.
Tikslumas – tai bendras gauto konversijos rezultato nuokrypis nuo idealios vertės, kuri turėtų būti esant nurodytai įėjimo įtampai. Tai yra, pirmasis parametras apibūdina potencialias ADC galimybes, o antrasis parodo, ką mes turime praktiškai. Todėl mums gali tikti paprastesnis tipas (pvz., tiesioginiai analoginio-skaitmeninio keitikliai), kuris patenkins poreikius dėl didelio tikslumo.
Norėdami suprasti, ko reikia, pirmiausia turite apskaičiuoti fizinius parametrus ir sukurti matematinę sąveikos formulę. Juose svarbios statinės ir dinaminės klaidos, nes naudojant įvairius komponentus ir įrenginio konstravimo principus jos skirtingai paveiks jo charakteristikas. Išsamesnę informaciją rasite kiekvieno konkretaus įrenginio gamintojo siūlomoje techninėje dokumentacijoje.
Pavyzdys
Pažvelkime į SC9711 ADC. Šio įrenginio veikimo principas yra sudėtingas dėl jo dydžio ir galimybių. Beje, kalbant apie pastarąsias, reikia pastebėti, kad jos išties įvairios. Taigi, pavyzdžiui, galimo veikimo dažnis svyruoja nuo 10 Hz iki 10 MHz. Kitaip tariant, jis gali paimti 10 milijonų mėginių per sekundę! Ir pats prietaisas nėra kažkas kieto, oturi modulinę konstrukcijos struktūrą. Tačiau jis, kaip taisyklė, naudojamas sudėtingose technologijose, kur reikia dirbti su daugybe signalų.
Išvada
Kaip matote, ADC iš esmės skiriasi veikimo principais. Tai leidžia mums pasirinkti įrenginius, kurie patenkins iškilusius poreikius, kartu išmintingai valdyti turimas lėšas.
