Vaatame peamisi probleeme, mida saab seostada erinevat tüüpi analoog-digitaalmuundurite (ADC) tööpõhimõttega. Järjestikune loendamine, bittide kaupa tasakaalustamine – mis on nende sõnade taga peidus? Mis on ADC mikrokontrolleri tööpõhimõte? Neid, aga ka mitmeid muid küsimusi käsitleme artikli raames. Esimesed kolm osa pühendame üldteooriale ja neljandast alapealkirjast uurime nende töö põhimõtet. Mõisteid ADC ja DAC võib kohata erinevas kirjanduses. Nende seadmete tööpõhimõte on veidi erinev, nii et ärge ajage neid segamini. Seega käsitletakse artiklis signaalide teisendamist analoogvormingust digitaalvormingusse, samas kui DAC töötab vastupidi.
Definitsioon
Enne ADC tööpõhimõtte kaalumist uurime välja, mis seadmega on tegemist. Analoog-digitaalmuundurid on seadmed, mis teisendavad füüsilise suuruse vastavaks numbriliseks esituseks. Algparameetrina võib toimida peaaegu kõik - vool, pinge, mahtuvus,takistus, võlli nurk, impulsi sagedus ja nii edasi. Kuid et olla kindel, töötame ainult ühe teisendusega. See on "pingekood". Selle töövormingu valik pole juhuslik. Lõppude lõpuks sõltuvad ADC (selle seadme tööpõhimõte) ja selle omadused suuresti sellest, millist mõõtmiskontseptsiooni kasutatakse. Seda mõistetakse kui protsessi, mille käigus võrreldakse teatud väärtust varem kehtestatud standardiga.
ADC spetsifikatsioonid
Peamised on bitisügavus ja teisendussagedus. Esimest väljendatakse bittides ja teist arvudes sekundis. Kaasaegsed analoog-digitaalmuundurid võivad olla 24 bitti laiad või kuni GSPS ühikuni. Pange tähele, et ADC suudab teile korraga pakkuda ainult ühte oma omadustest. Mida suurem on nende jõudlus, seda keerulisem on seadmega töötada ja see ise maksab rohkem. Kuid eeliseks on see, et saate seadme kiirust ohverdades saada vajalikud bitisügavuse indikaatorid.
ADC tüübid
Tööpõhimõte on erinevate seadmerühmade puhul erinev. Vaatleme järgmisi tüüpe:
- Otsekonversiooniga.
- Järgmise lähendusega.
- Rööpteisendusega.
- A/D-muundur koos laengu tasakaalustamisega (delta-sigma).
- ADC-de integreerimine.
On palju teisi konveieri- ja kombinatsioonitüüpe, millel on erineva arhitektuuriga oma eripärad. Aga neednäidised, mida artikli raames käsitletakse, pakuvad huvi seetõttu, et neil on oma selle spetsiifilisusega seadmete nišis suunav roll. Seetõttu uurime ADC põhimõtet, samuti selle sõltuvust füüsilisest seadmest.
Otsesed A/D-muundurid
Need muutusid väga populaarseks eelmise sajandi 60. ja 70. aastatel. Integraallülituste kujul on neid toodetud alates 80ndatest. Need on väga lihtsad, isegi primitiivsed seadmed, mis ei saa kiidelda märkimisväärse jõudlusega. Nende bitisügavus on tavaliselt 6–8 bitti ja kiirus ületab harva 1 GSPS.
Seda tüüpi ADC tööpõhimõte on järgmine: komparaatorite positiivsed sisendid saavad samaaegselt sisendsignaali. Negatiivsetele klemmidele rakendatakse teatud suurusjärgu pinget. Ja siis määrab seade oma töörežiimi. Seda tehakse võrdluspingega. Oletame, et meil on 8 komparaatoriga seade. ½ võrdluspinge rakendamisel lülitub neist sisse ainult 4. Prioriteetkooder genereerib kahendkoodi, mille fikseerib väljundregister. Eeliste ja puuduste osas võime öelda, et see tööpõhimõte võimaldab teil luua kiireid seadmeid. Kuid vajaliku bitisügavuse saavutamiseks peate palju higistama.
Võrdlejate arvu üldvalem näeb välja selline: 2^N. N alla peate sisestama numbrite arvu. Taas võib kasutada varem vaadeldud näidet: 2^3=8. Kokkuvõttes on kolmanda kategooria saamiseks vajalik8 võrdlusainet. See on esimesena loodud ADC-de tööpõhimõte. Mitte eriti mugav, nii et hiljem ilmusid teised arhitektuurid.
Analoog-digitaal järjestikuste lähendusmuundurid
Siin kasutatakse kaalumisalgoritmi. Lühid alt, seadmeid, mis töötavad selle tehnika järgi, nimetatakse lihts alt seerialoenduse ADC-deks. Tööpõhimõte on järgmine: seade mõõdab sisendsignaali väärtust ja seejärel võrreldakse seda numbritega, mis genereeritakse teatud meetodil:
- Seadistab poole võimalikust tugipingest.
- Kui signaal on punktist 1 ületanud väärtuse piiri, siis võrreldakse seda arvuga, mis jääb ülejäänud väärtuse vahele. Niisiis, meie puhul on see ¾ võrdluspingest. Kui võrdlussignaal selle indikaatorini ei jõua, viiakse võrdlus läbi sama põhimõtte kohaselt intervalli teise osaga. Selles näites on see ¼ võrdluspingest.
- Sammu 2 tuleb korrata N korda, mis annab tulemusest N bitti. See on tingitud H arvu võrdlustest.
See tööpõhimõte võimaldab hankida suhteliselt kõrge konversioonimääraga seadmeid, mis on järjestikused ligikaudsed ADC-d. Nagu näete, on tööpõhimõte lihtne ja need seadmed sobivad suurepäraselt erinevatel puhkudel.
Paralleelsed analoog-digitaalmuundurid
Need töötavad nagu jadaseadmed. Arvutusvalem on (2 ^ H) -1. SestEelmisel juhul vajame (2^3)-1 komparaatorit. Töötamiseks kasutatakse nende seadmete teatud massiivi, millest igaüks saab võrrelda sisend- ja individuaalset võrdluspinget. Paralleelsed analoog-digitaalmuundurid on üsna kiired seadmed. Kuid nende seadmete ehituspõhimõte on selline, et nende jõudluse toetamiseks on vaja märkimisväärset võimsust. Seetõttu ei ole otstarbekas neid akutoitel kasutada.
Bitwise Balanced A/D Converter
See töötab sarnaselt eelmise seadmega. Seetõttu, et selgitada bit-biti tasakaalustava ADC toimimist, käsitletakse algajatele mõeldud tööpõhimõtet sõna otseses mõttes. Nende seadmete keskmes on dihhotoomia fenomen. Teisisõnu võrreldakse mõõdetud väärtust järjekindl alt maksimumväärtuse teatud osaga. Väärtused on ½, 1/8, 1/16 ja nii edasi. Seetõttu suudab analoog-digitaalmuundur kogu protsessi läbi viia N iteratsioonina (järjestikused sammud). Veelgi enam, H on võrdne ADC biti sügavusega (vaadake eelnev alt antud valemeid). Seega on meil oluline ajavõit, kui tehnika kiirus on eriti oluline. Vaatamata märkimisväärsele kiirusele on neil seadmetel ka madal staatiline täpsus.
A/D-muundurid laengu tasakaalustamisega (delta-sigma)
See on kõige huvitavam seadmetüüptänu oma tööpõhimõttele. See seisneb selles, et sisendpinget võrreldakse integraatori poolt kogutud pingega. Sisendisse suunatakse negatiivse või positiivse polaarsusega impulsid (kõik sõltub eelmise toimingu tulemusest). Seega võime öelda, et selline analoog-digitaalmuundur on lihtne servosüsteem. Kuid see on vaid näide võrdluseks, et saaksite aru, mis on delta-sigma ADC. Tööpõhimõte on süsteemne, kuid selle analoog-digitaalmuunduri tõhusaks toimimiseks ei piisa. Lõpptulemus on lõputu 1s ja 0 voog läbi digitaalse madalpääsfiltri. Nendest moodustub teatud bitijada. Eristatakse esimest ja teist järku ADC muundureid.
Analoog-digitaalmuundurite integreerimine
See on viimane erijuhtum, mida artiklis käsitletakse. Järgmisena kirjeldame nende seadmete tööpõhimõtet, kuid üldisel tasemel. See ADC on push-pull analoog-digitaalmuundur. Sarnase seadmega saate kohtuda digitaalses multimeetris. Ja see pole üllatav, sest need tagavad suure täpsuse ja samal ajal summutavad häired hästi.
Nüüd keskendume selle toimimisele. See seisneb selles, et sisendsignaal laeb kondensaatorit kindla aja jooksul. Reeglina on see periood seadme toiteallika võrgu sageduse ühik (50 Hz või 60 Hz). See võib olla ka mitu. Seega on kõrged sagedused maha surutud.sekkumine. Samal ajal tasandatakse elektritootmise võrguallika ebastabiilse pinge mõju tulemuse täpsusele.
Kui analoog-digitaalmuunduri laadimisaeg lõpeb, hakkab kondensaator teatud kindla kiirusega tühjenema. Seadme sisemine loendur loeb selle protsessi käigus genereeritud taktimpulsside arvu. Seega, mida pikem on ajavahemik, seda olulisemad on näitajad.
ADC push-pull integratsioonil on kõrge täpsus ja eraldusvõime. Tänu sellele ja suhteliselt lihtsale ehitusstruktuurile rakendatakse neid mikroskeemidena. Selle tööpõhimõtte peamine puudus on sõltuvus võrguindikaatorist. Pidage meeles, et selle võimalused on seotud toiteallika sagedusperioodiga.
Nii töötab topeltintegratsiooniga ADC. Selle seadme tööpõhimõte, kuigi see on üsna keeruline, pakub kvaliteedinäitajaid. Mõnel juhul on see lihts alt vajalik.
Valige meile vajaliku tööpõhimõttega APC
Oletame, et meil seisab ees teatud ülesanne. Millist seadet valida, et see rahuldaks kõik meie soovid? Esiteks räägime eraldusvõimest ja täpsusest. Väga sageli on nad segaduses, kuigi praktikas sõltuvad nad üksteisest väga vähe. Pidage meeles, et 12-bitine A/D-muundur võib olla vähem täpne kui 8-bitine A/D-muundur. SellesSel juhul on eraldusvõime mõõt selle kohta, kui palju segmente saab mõõdetud signaali sisendvahemikust eraldada. Seega on 8-bitistel ADC-del 28=256 sellist ühikut.
Täpsus on saadud teisendustulemuse koguhälve ideaalväärtusest, mis peaks olema antud sisendpinge juures. See tähendab, et esimene parameeter iseloomustab ADC potentsiaalseid võimalusi ja teine näitab, mis meil praktikas on. Seetõttu võib meile sobida lihtsam tüüp (näiteks otse analoog-digitaalmuundurid), mis rahuldab suure täpsuse tõttu vajadused.
Et saada ettekujutus sellest, mida on vaja, peate esm alt arvutama füüsikalised parameetrid ja koostama interaktsiooni matemaatilise valemi. Nendes on olulised staatilised ja dünaamilised vead, kuna erinevate komponentide ja seadme ehitamise põhimõtete kasutamisel mõjutavad need selle omadusi erineval viisil. Täpsemat teavet leiate iga konkreetse seadme tootja pakutavast tehnilisest dokumentatsioonist.
Näide
Heidame pilgu SC9711 ADC-le. Selle seadme tööpõhimõte on selle suuruse ja võimaluste tõttu keeruline. Muide, viimastest rääkides tuleb märkida, et need on tõeliselt mitmekesised. Nii näiteks on võimaliku töö sagedus vahemikus 10 Hz kuni 10 MHz. Teisisõnu, see võib võtta 10 miljonit proovi sekundis! Ja seade ise pole midagi kindlat, vaidon modulaarse konstruktsiooniga. Kuid seda kasutatakse reeglina keerulises tehnoloogias, kus on vaja töötada suure hulga signaalidega.
Järeldus
Nagu näete, on ADC-del põhimõtteliselt erinevad tööpõhimõtted. See võimaldab meil valida seadmeid, mis vastavad tekkivatele vajadustele, võimaldades meil samal ajal oma olemasolevaid rahalisi vahendeid targ alt hallata.
