Нека разгледаме основните проблеми, които могат да бъдат приписани на принципа на работа на аналогово-цифрови преобразуватели (ADC) от различни видове. Последователно броене, побитово балансиране - какво се крие зад тези думи? Какъв е принципът на работа на ADC микроконтролера? Тези, както и редица други въпроси, ще разгледаме в рамките на статията. Първите три части ще посветим на общата теория, а от четвъртото подзаглавие ще изучаваме принципа на тяхната работа. Можете да срещнете термините ADC и DAC в различна литература. Принципът на работа на тези устройства е малко по-различен, така че не ги бъркайте. И така, статията ще разгледа преобразуването на сигнали от аналогова в цифрова форма, докато DAC работи обратното.
Определение
Преди да разгледаме принципа на работа на ADC, нека да разберем какъв вид устройство е. Аналогово-цифровите преобразуватели са устройства, които преобразуват физическа величина в съответно числово представяне. Като начален параметър може да действа почти всичко - ток, напрежение, капацитет,съпротивление, ъгъл на вала, честота на импулса и така нататък. Но за да сме сигурни, ще работим само с една трансформация. Това е "код на напрежението". Изборът на този формат на работа не е случаен. В крайна сметка ADC (принципът на работа на това устройство) и неговите характеристики до голяма степен зависят от това коя концепция за измерване се използва. Това се разбира като процес на сравняване на определена стойност с предварително установен стандарт.
ADC Спецификации
Основните са битовата дълбочина и честотата на преобразуване. Първият се изразява в битове, а вторият в бройки в секунда. Съвременните аналогово-цифрови преобразуватели могат да бъдат с ширина 24 бита или до GSPS единици. Имайте предвид, че ADC може да ви предостави само една от своите характеристики в даден момент. Колкото по-висока е тяхната производителност, толкова по-трудно е да се работи с устройството, а самото то струва повече. Но ползата е, че можете да получите необходимите индикатори за битовата дълбочина, като пожертвате скоростта на устройството.
ADC типове
Принципът на работа варира за различните групи устройства. Ще разгледаме следните типове:
- С директно преобразуване.
- С последователно приближение.
- С паралелно преобразуване.
- A/D конвертор с балансиране на заряда (делта-сигма).
- Интегриране на ADC.
Има много други типове тръбопроводи и комбинации, които имат свои собствени специални характеристики с различна архитектура. Но тезиобразците, които ще бъдат разгледани в рамките на статията, представляват интерес поради факта, че играят индикативна роля в своята ниша от устройства с тази специфика. Затова нека проучим принципа на ADC, както и неговата зависимост от физическото устройство.
Директни A/D конвертори
Те станаха много популярни през 60-те и 70-те години на миналия век. Под формата на интегрални схеми, те се произвеждат от 80-те години. Това са много прости, дори примитивни устройства, които не могат да се похвалят със значителна производителност. Тяхната битова дълбочина обикновено е 6-8 бита, а скоростта рядко надвишава 1 GSPS.
Принципът на работа на този тип ADC е следният: положителните входове на компараторите едновременно получават входен сигнал. Към отрицателните клеми се прилага напрежение с определена величина. И тогава устройството определя своя режим на работа. Това се прави с референтно напрежение. Да кажем, че имаме устройство с 8 компаратора. При прилагане на ½ референтно напрежение, само 4 от тях ще бъдат включени. Приоритетният енкодер ще генерира двоичен код, който ще бъде фиксиран от изходния регистър. По отношение на предимствата и недостатъците, можем да кажем, че този принцип на работа ви позволява да създавате високоскоростни устройства. Но за да получите необходимата битова дълбочина, трябва да се потите много.
Общата формула за броя на компараторите изглежда така: 2^N. Под N трябва да поставите броя на цифрите. Примерът, разгледан по-рано, може да се използва отново: 2^3=8. Като цяло, за да получите третата категория, е необходимо8 компаратора. Това е принципът на работа на ADC, които са създадени първи. Не е много удобно, така че по-късно се появиха други архитектури.
Аналогово-цифрови преобразуватели на последователно приближение
Тук се използва алгоритъмът за претегляне. Накратко, устройствата, които работят според тази техника, се наричат просто ADC за серийно броене. Принципът на работа е следният: устройството измерва стойността на входния сигнал и след това се сравнява с числа, генерирани по определен метод:
- Задава половината от възможното референтно напрежение.
- Ако сигналът е преодолял границата на стойността от точка 1, тогава той се сравнява с числото, което се намира в средата между оставащата стойност. Така че в нашия случай това ще бъде ¾ от еталонното напрежение. Ако референтният сигнал не достигне този индикатор, тогава сравнението ще се извърши с другата част от интервала по същия принцип. В този пример това е ¼ от еталонното напрежение.
- Стъпка 2 трябва да се повтори N пъти, което ще ни даде N бита от резултата. Това се дължи на извършването на H брой сравнения.
Този принцип на действие прави възможно получаването на устройства с относително висок процент на преобразуване, които са последователни апроксимационни АЦП. Принципът на действие, както виждате, е прост и тези устройства са чудесни за различни поводи.
Паралелни аналогово-цифрови преобразуватели
Те работят като серийни устройства. Формулата за изчисление е (2 ^ H) -1. ЗаВ предишния случай се нуждаем от (2^3)-1 компаратори. За работа се използва определен масив от тези устройства, всяко от които може да сравнява входното и индивидуалното референтно напрежение. Паралелните аналогово-цифрови преобразуватели са доста бързи устройства. Но принципът на конструкцията на тези устройства е такъв, че е необходима значителна мощност за поддържане на тяхната производителност. Следователно не е практично да ги използвате на батерия.
Побитово балансиран A/D конвертор
Той работи по подобен начин като предишното устройство. Следователно, за да се обясни функционирането на ADC за балансиране бит по бит, принципът на работа за начинаещи ще бъде разгледан буквално на пръстите. В основата на тези устройства е феноменът на дихотомията. С други думи, извършва се последователно сравнение на измерената стойност с определена част от максималната стойност. Могат да се вземат стойности в ½, 1/8, 1/16 и така нататък. Следователно аналогово-цифровият преобразувател може да завърши целия процес в N итерации (последователни стъпки). Освен това H е равно на битовата дълбочина на ADC (вижте посочените по-рано формули). Така имаме значителна печалба във времето, ако скоростта на техниката е особено важна. Въпреки значителната си скорост, тези устройства също имат ниска статична точност.
А/Ц преобразуватели с балансиране на заряда (делта-сигма)
Това е най-интересният тип устройство, не на последно мястоблагодарение на своя принцип на действие. Той се крие във факта, че входното напрежение се сравнява с това, което е натрупано от интегратора. На входа се подават импулси с отрицателна или положителна полярност (всичко зависи от резултата от предишната операция). По този начин можем да кажем, че такъв аналогово-цифров преобразувател е проста серво система. Но това е само пример за сравнение, така че можете да разберете какво е делта-сигма ADC. Принципът на действие е системен, но за ефективното функциониране на този аналогово-цифров преобразувател не е достатъчно. Крайният резултат е безкраен поток от 1s и 0s през цифровия нискочестотен филтър. От тях се формира определена битова последователност. Прави се разлика между ADC преобразуватели от първи и втори ред.
Интегриране на аналогово-цифрови преобразуватели
Това е последният специален случай, който ще бъде разгледан в статията. След това ще опишем принципа на работа на тези устройства, но на общо ниво. Този ADC е push-pull аналогово-цифров преобразувател. Можете да срещнете подобно устройство в цифров мултицет. И това не е изненадващо, защото те осигуряват висока точност и в същото време добре потискат смущенията.
Сега нека се съсредоточим върху това как работи. Той се крие във факта, че входният сигнал зарежда кондензатора за определено време. По правило този период е единица от честотата на мрежата, която захранва устройството (50 Hz или 60 Hz). Може да бъде и множество. По този начин високите честоти се потискат.интерференция. В същото време влиянието на нестабилното напрежение на мрежовия източник за генериране на електроенергия върху точността на резултата се изравнява.
Когато времето за зареждане на аналогово-цифровия преобразувател приключи, кондензаторът започва да се разрежда с определена фиксирана скорост. Вътрешният брояч на устройството отчита броя на тактовите импулси, генерирани по време на този процес. По този начин, колкото по-дълъг е периодът от време, толкова по-значими са индикаторите.
ADC push-pull интеграцията има висока точност и разделителна способност. Поради това, както и сравнително проста конструкция, те се изпълняват като микросхеми. Основният недостатък на този принцип на работа е зависимостта от индикатора на мрежата. Не забравяйте, че неговите възможности са обвързани с честотния период на захранването.
Ето как работи ADC с двойна интеграция. Принципът на работа на това устройство, въпреки че е доста сложен, но осигурява качествени показатели. В някои случаи това е просто необходимо.
Изберете APC с принципа на действие, от който се нуждаем
Да кажем, че имаме определена задача пред нас. Кое устройство да изберем, за да удовлетвори всички наши искания? Първо, нека поговорим за разделителната способност и точността. Много често те са объркани, въпреки че на практика зависят много малко един от друг. Имайте предвид, че 12-битов A/D преобразувател може да е по-малко точен от 8-битов A/D преобразувател. В товаВ този случай разделителната способност е мярка за това колко сегмента могат да бъдат извлечени от входния диапазон на измервания сигнал. И така, 8-битовите ADC имат 28=256 такива единици.
Точността е общото отклонение на получения резултат от преобразуването от идеалната стойност, която трябва да бъде при дадено входно напрежение. Тоест, първият параметър характеризира потенциалните възможности, които има ADC, а вторият показва какво имаме на практика. Следователно за нас може да е подходящ по-прост тип (като директни аналогово-цифрови преобразуватели), който ще задоволи нуждите поради висока точност.
За да имате представа какво е необходимо, първо трябва да изчислите физическите параметри и да изградите математическа формула за взаимодействие. Важни в тях са статичните и динамичните грешки, тъй като при използване на различни компоненти и принципи на изграждане на устройство, те ще повлияят на характеристиките му по различен начин. По-подробна информация може да бъде намерена в техническата документация, предлагана от производителя на всяко конкретно устройство.
Пример
Нека да разгледаме SC9711 ADC. Принципът на действие на това устройство е сложен поради неговите размери и възможности. Между другото, говорейки за последното, трябва да се отбележи, че те са наистина разнообразни. Така например честотата на възможна работа варира от 10 Hz до 10 MHz. С други думи, може да вземе 10 милиона проби в секунда! И самото устройство не е нещо солидно, ноима модулна конструкция. Но като правило се използва в сложни технологии, където е необходимо да се работи с голям брой сигнали.
Заключение
Както можете да видите, ADC основно имат различни принципи на работа. Това ни позволява да избираме устройства, които ще задоволят възникналите нужди, като същевременно ни позволява да управляваме разумно наличните си средства.
