Γενική αρχή της ADC

Ας δούμε το κύριο φάσμα των ζητημάτων,που μπορεί να αποδοθεί στην αρχή της δράσης αναλογικού-ψηφιακού μετατροπέα (ADC) διαφορετικών τύπων. Ένας διαδοχικός λογαριασμός, bitwise ισοστάθμιση - τι κρύβεται πίσω από αυτές τις λέξεις; Ποια είναι η αρχή της λειτουργίας του μικροελεγκτή ADC; Αυτά, καθώς και ορισμένα άλλα θέματα, θα εξετάσουμε στο πλαίσιο του άρθρου. Τα πρώτα τρία μέρη θα αφιερωθούν στη γενική θεωρία και από την τέταρτη διάκριση θα μελετήσουμε την αρχή της εργασίας τους. Μπορείτε να συναντήσετε τους όρους των ADC και DAC σε διαφορετική λογοτεχνία. Η αρχή της λειτουργίας αυτών των συσκευών είναι ελαφρώς διαφορετική, οπότε μην τις συγχέετε. Έτσι, το άρθρο θα εξετάσει τη μετατροπή των σημάτων από την αναλογική μορφή στην ψηφιακή, ενώ το DAC λειτουργεί αντίστροφα.

Ορισμός

Πριν από την εξέταση της αρχής της ADC,ας μάθουμε τι είδους συσκευή είναι. Οι μετατροπείς αναλογικού σε ψηφιακό είναι συσκευές που μετατρέπουν μια φυσική τιμή σε αντίστοιχη αριθμητική αναπαράσταση. Ως αρχική παράμετρος, σχεδόν οτιδήποτε μπορεί να δράσει: ρεύμα, τάση, χωρητικότητα, αντίσταση, γωνία περιστροφής άξονα, συχνότητα παλμών κ.ο.κ. Αλλά για να έχουμε σιγουριά, θα εργαστούμε μόνο με μια μεταμόρφωση. Αυτός είναι ο "κωδικός τάσης". Η επιλογή αυτής της μορφής δεν είναι τυχαία. Μετά από όλα, το ADC (η αρχή της λειτουργίας αυτής της συσκευής) και τα χαρακτηριστικά της εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από την έννοια της μέτρησης που χρησιμοποιείται. Με αυτό εννοείται η διαδικασία σύγκρισης μιας συγκεκριμένης τιμής με ένα προηγουμένως καθιερωμένο πρότυπο.

Χαρακτηριστικά του ADC

Οι κυριότεροι είναι ο bit-rate και η συχνότηταμετασχηματισμού. Το πρώτο εκφράζεται σε δυαδικά ψηφία, και το δεύτερο εκφράζεται σε μετρήσεις ανά δευτερόλεπτο. Οι σύγχρονοι μετατροπείς αναλογικού σε ψηφιακό μπορούν να έχουν χωρητικότητα 24 bit ή ταχύτητα μετατροπής, η οποία φτάνει σε μονάδες GSPS. Σημειώστε ότι το ADC μπορεί ταυτόχρονα να σας παρέχει μόνο ένα από τα χαρακτηριστικά του. Όσο μεγαλύτερη είναι η απόδοσή τους, τόσο πιο δύσκολο είναι να δουλέψετε με τη συσκευή και το ίδιο είναι ακριβότερο. Αλλά το όφελος μπορεί να επιτευχθεί με τα απαραίτητα ψηφία, θυσιάζοντας την ταχύτητα της συσκευής.

Είδη ADC

Η αρχή της λειτουργίας διαφέρει μεταξύ διαφορετικών ομάδων συσκευών. Θα εξετάσουμε τους ακόλουθους τύπους:

1. Με άμεσο μετασχηματισμό.
2. Με διαδοχική προσέγγιση.
3. Με παράλληλο μετασχηματισμό.
4. Αναλογικός-ψηφιακός μετατροπέας με εξισορρόπηση φορτίου (δέλτα-σίγμα).
5. Ενσωμάτωση ADCs.

Υπάρχουν πολλοί άλλοι μεταφορείς και συνδυασμοίτύποι που έχουν τα δικά τους ειδικά χαρακτηριστικά με διαφορετικές αρχιτεκτονικές. Ωστόσο, τα δείγματα που θα εξεταστούν στο πλαίσιο του άρθρου ενδιαφέρουν διότι παίζουν ενδεικτικό ρόλο στην εξειδίκευση των συσκευών αυτής της ιδιαιτερότητας. Επομένως, ας μελετήσουμε την αρχή της ADC, καθώς και την εξάρτησή της από τη φυσική συσκευή.

Άμεσοι μετατροπείς αναλογικού-ψηφιακού σήματος

Έγιναν πολύ δημοφιλείς στη δεκαετία του '60-70τον περασμένο αιώνα. Με τη μορφή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων παράγονται από τη δεκαετία του '80. Αυτές είναι πολύ απλές, ακόμα και πρωτόγονες συσκευές που δεν μπορούν να καυχηθούν με σημαντικούς δείκτες. Το βάθος των bit τους είναι συνήθως 6-8 bits, και η ταχύτητα σπάνια υπερβαίνει 1 GSPS.

Η αρχή της λειτουργίας των ADC αυτού του τύπου έχει ως εξής: Οι εισόδους συν των συγκριτών λαμβάνουν ταυτόχρονα ένα σήμα εισόδου. Οι αρνητικοί ακροδέκτες τροφοδοτούνται με τάση ορισμένης τιμής. Και στη συνέχεια η συσκευή καθορίζει τον τρόπο λειτουργίας της. Αυτό γίνεται λόγω της τάσης αναφοράς. Ας πούμε ότι έχουμε μια συσκευή με 8 συγκριτές. Όταν εφαρμόζεται η τάση αναφοράς ½, μόνο 4 από αυτές θα ενεργοποιηθούν. Ο κωδικοποιητής προτεραιότητας θα σχηματίζει ένα δυαδικό κώδικα, ο οποίος καθορίζεται από τον καταχωρητή εξόδου. Όσον αφορά τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα, μπορεί να ειπωθεί ότι αυτή η αρχή της λειτουργίας επιτρέπει τη δημιουργία συσκευών υψηλής ταχύτητας. Αλλά για να πάρετε την απαιτούμενη χωρητικότητα bit πρέπει να ιδρώσετε πολλά.

Ο γενικός τύπος για τον αριθμό των συγκριτών είναιέτσι: 2 ^ Ν. Στην περιοχή N, πρέπει να ορίσετε τον αριθμό των ψηφίων. Το παράδειγμα που εξετάστηκε νωρίτερα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ξανά: 2 ^ 3 = 8. Για την απόκτηση του τρίτου ψηφίου χρειάζονται συνολικά 8 συγκριτές. Αυτή είναι η αρχή των ADC, που δημιουργήθηκαν πρώτα. Δεν ήταν πολύ βολικό, έτσι στη συνέχεια υπήρχαν άλλες αρχιτεκτονικές.

Αναλογικά σε ψηφιακούς μετατροπείς

Εδώ χρησιμοποιούμε τον αλγόριθμο "στάθμισης". Εν ολίγοις, οι συσκευές που χρησιμοποιούν αυτή την τεχνική ονομάζονται απλά ADC για διαδοχική καταμέτρηση. Η αρχή της λειτουργίας είναι η εξής: η συσκευή μετρά την τιμή του σήματος εισόδου και στη συνέχεια συγκρίνεται με τους αριθμούς που παράγονται σύμφωνα με μια συγκεκριμένη τεχνική:

1. Χρησιμοποιείται η μισή πιθανή τάση αναφοράς.
2. Εάν το σήμα έχει ξεπεράσει το όριο της τιμής από το στοιχείο# 1, τότε συγκρίνεται με τον αριθμό που βρίσκεται στη μέση μεταξύ της υπόλοιπης τιμής. Έτσι, στην περίπτωσή μας θα είναι ¾ της τάσης αναφοράς. Εάν το σήμα αναφοράς δεν φτάσει σε αυτόν τον δείκτη, τότε η σύγκριση θα γίνει με ένα άλλο τμήμα του διαστήματος με τον ίδιο τρόπο. Σε αυτό το παράδειγμα, είναι ¼ της τάσης αναφοράς.
3. Το βήμα 2 πρέπει να επαναληφθεί N φορές, πράγμα που θα μας δώσει ένα αποτέλεσμα N bit. Αυτό οφείλεται στον αριθμό H συγκρίσεων.

Αυτή η αρχή της εργασίας σας επιτρέπει να λάβετεσυσκευές με σχετικά υψηλή ταχύτητα μετατροπής, οι οποίες είναι οι ADCs διαδοχικής προσέγγισης. Η αρχή της λειτουργίας, όπως μπορείτε να δείτε, είναι απλή, και αυτές οι συσκευές είναι εξαιρετικές για διαφορετικές περιπτώσεις.

Παράλληλοι μετατροπείς αναλογικού προς ψηφιακό

Λειτουργούν σαν σειριακές συσκευές. Ο τύπος για τον υπολογισμό είναι (2 ^ H) -1. Για την υπόθεση που εξετάσαμε νωρίτερα, χρειαζόμαστε (2 ^ 3) -1 συγκριτές. Χρησιμοποιείται μια σειρά από αυτές τις συσκευές για λειτουργία, καθένα από τα οποία μπορεί να συγκρίνει τις εισόδους και τις μεμονωμένες τάσεις αναφοράς. Οι παράλληλοι αναλογικοί ψηφιακοί μετατροπείς είναι αρκετά γρήγοροι. Αλλά η αρχή της οικοδόμησης αυτών των συσκευών είναι τέτοια ώστε να υποστηρίζουν τις επιδόσεις τους απαιτεί σημαντική ισχύ. Επομένως, δεν συνιστάται η χρήση τους με ισχύ μπαταρίας.

Αναλογικό ψηφιακό μετατροπέα με ζυγοστάθμιση

Λειτουργεί σύμφωνα με ένα παρόμοιο σύστημα όπως το προηγούμενοσυσκευή. Ως εκ τούτου, προκειμένου να εξηγήσει τη λειτουργία των διαδοχικών εξισορρόπηση ADC, η αρχή λειτουργίας για αρχάριους θα πρέπει να θεωρείται κυριολεκτικά στα δάχτυλα. Στην καρδιά αυτών των συσκευών είναι το φαινόμενο της διχοτόμησης. Με άλλα λόγια, πραγματοποιείται συνεπής σύγκριση της μετρούμενης ποσότητας με ένα ορισμένο μέρος της μέγιστης τιμής. Μπορούν να ληφθούν τιμές σε ½, 1/8, 1/16 και ούτω καθεξής. Επομένως, ο μετατροπέας αναλογικού σε ψηφιακό μπορεί να εκτελέσει ολόκληρη τη διαδικασία για επαναλήψεις H (διαδοχικά βήματα). Και το Η είναι ίσο με το πλάτος bit ADC (δείτε τους προηγούμενους τύπους). Έτσι, έχουμε ένα σημαντικό κέρδος στο χρόνο, αν η ταχύτητα της τεχνικής είναι ιδιαίτερα σημαντική. Παρά τη σημαντική ταχύτητα, αυτές οι συσκευές χαρακτηρίζονται επίσης από χαμηλό στατικό σφάλμα.

Αναλογικοί-ψηφιακοί μετατροπείς με εξισορρόπηση φορτίου (δέλτα-σίγμα)

Αυτός είναι ο πιο ενδιαφέρον τύπος συσκευής και όχι οη τελευταία λόγω της αρχής της εργασίας. Συνίσταται στο γεγονός ότι η τάση εισόδου συγκρίνεται με αυτό που συσσωρεύτηκε από τον ολοκληρωτή. Παλμοί με αρνητική ή θετική πολικότητα τροφοδοτούνται στην είσοδο (όλα εξαρτώνται από το αποτέλεσμα της προηγούμενης λειτουργίας). Έτσι, μπορεί να ειπωθεί ότι ένας τέτοιος αναλογικός-ψηφιακός μετατροπέας είναι ένα απλό σύστημα παρακολούθησης. Αλλά αυτό είναι μόνο ως παράδειγμα για σύγκριση, έτσι μπορείτε να καταλάβετε τι είναι ένα delta-sigma ADC. Η αρχή λειτουργίας είναι σύστημα, αλλά για την αποτελεσματική λειτουργία αυτού του αναλογικού προς ψηφιακό μετατροπέα δεν αρκεί. Το τελικό αποτέλεσμα είναι μια ατελείωτη ροή μονάδων και μηδενικά που περνά μέσω ενός ψηφιακού LPF. Από αυτές, σχηματίζεται μια ορισμένη αλληλουχία δυαδικών ψηφίων. Διακρίνονται οι μετατροπείς ADC της πρώτης και της δεύτερης παραγγελίας.

Ενσωματωμένοι αναλογικοί-ψηφιακοί μετατροπείς

Αυτή είναι η τελευταία ειδική περίπτωση που θα γίνειεξετάζονται στο πλαίσιο του άρθρου. Στη συνέχεια, θα περιγράψουμε την αρχή της λειτουργίας αυτών των συσκευών, αλλά σε γενικό επίπεδο. Αυτό το ADC είναι ένας αναλογικός-ψηφιακός μετατροπέας με ενσωμάτωση push-pull. Μπορείτε να συναντήσετε μια παρόμοια συσκευή σε ένα ψηφιακό πολύμετρο. Και αυτό δεν αποτελεί έκπληξη, διότι παρέχουν υψηλή ακρίβεια και ταυτόχρονα καταστέλλουν την παρεμβολή.

Τώρα ας επικεντρωθούμε στην αρχή τηςεργασία. Συνίσταται στο γεγονός ότι το σήμα εισόδου φορτίζει τον πυκνωτή για καθορισμένο χρόνο. Συνήθως, αυτή η περίοδος είναι η μονάδα της συχνότητας δικτύου που ενεργοποιεί τη συσκευή (50 Hz ή 60 Hz). Μπορεί επίσης να είναι πολλαπλάσιο. Έτσι, ο θόρυβος υψηλής συχνότητας καταστέλλεται. Ταυτόχρονα, η επιρροή της ασταθούς τάσης της πηγή του δικτύου παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στην ακρίβεια του αποτελέσματος ισοπεδώνεται.

Όταν ο χρόνος φόρτισης του αναλογικού-ψηφιακούμετατροπέα, ο πυκνωτής αρχίζει να εκφορτίζεται σε ορισμένη σταθερή ταχύτητα. Ο εσωτερικός μετρητής της συσκευής μετράει τον αριθμό των παλμών ρολογιού που παράγονται κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας. Έτσι, όσο μεγαλύτερο είναι το χρονικό διάστημα, τόσο πιο σημαντικοί είναι οι δείκτες.

Οι ADC της ενσωμάτωσης push-pull έχουν υψηλότην ακρίβεια και την ανάλυση. Χάρη σε αυτό, αλλά και μια σχετικά απλή δομή κατασκευής, εκτελούνται ως μάρκες. Το κύριο μειονέκτημα αυτής της αρχής της εργασίας είναι η εξάρτηση από τον δείκτη του δικτύου. Θυμηθείτε ότι οι δυνατότητές του συνδέονται με τη διάρκεια της περιόδου συχνότητας τροφοδοσίας ρεύματος.

Δείτε πώς λειτουργεί το ADC διπλής ενοποίησης. Η αρχή της λειτουργίας αυτής της συσκευής, αν και είναι πολύ περίπλοκη, αλλά παρέχει δείκτες ποιότητας. Σε ορισμένες περιπτώσεις, αυτό είναι απλά απαραίτητο.

Επιλέξτε ένα AIC με την αρχή της εργασίας που χρειαζόμαστε

Ας υποθέσουμε ότι αντιμετωπίζουμε ένα συγκεκριμένο έργο. Πώς να επιλέξετε μια συσκευή ώστε να μπορεί να ικανοποιήσει όλα τα αιτήματά μας; Πρώτον, ας μιλήσουμε για την ανάλυση και την ακρίβεια. Πολύ συχνά μπερδεύονται, αν και στην πράξη εξαρτώνται πολύ ασθενώς από το ένα από το δεύτερο. Θυμηθείτε ότι ένας 12-bit μετατροπέας αναλογικού σε ψηφιακό μπορεί να έχει λιγότερη ακρίβεια από ένα 8-bit. Σε αυτή την περίπτωση, η ανάλυση είναι ένα μέτρο του αριθμού των τμημάτων που μπορούν να εξαχθούν από την περιοχή εισόδου του μετρηθέντος σήματος. Έτσι, ADCs 8-bit έχουν 2⁸= 256 τέτοιες μονάδες.

Η ακρίβεια είναι η ολική απόκλιση του λαμβανόμενουτο αποτέλεσμα της μετατροπής από την ιδανική τιμή, η οποία θα πρέπει να είναι σε μια δεδομένη τάση εισόδου. Δηλαδή, η πρώτη παράμετρος που χαρακτηρίζει τις δυνατότητες που έχει το ADC, και η δεύτερη δείχνει τι έχουμε στην πράξη. Ως εκ τούτου, μπορούμε να εντείνουν και πιο απλός τύπος (για παράδειγμα, άμεση αναλογικό σε ψηφιακό μετατροπείς), το οποίο θα πληροί τις απαιτήσεις λόγω της υψηλής ακρίβειας της.

Να έχετε μια ιδέα για το τι χρειάζεται, γιαείναι απαραίτητο να υπολογιστούν οι φυσικές παράμετροι και να κατασκευαστεί ένας μαθηματικός τύπος για αλληλεπίδραση. Σημαντικό σε αυτά είναι στατικά και δυναμικά σφάλματα, διότι όταν χρησιμοποιούν διαφορετικά συστατικά και αρχές κατασκευής μιας συσκευής, θα έχουν διαφορετικά αποτελέσματα στα χαρακτηριστικά της. Λεπτομερέστερες πληροφορίες μπορείτε να βρείτε στην τεχνική τεκμηρίωση που προσφέρει ο κατασκευαστής κάθε συγκεκριμένης συσκευής.

Παράδειγμα:

Ας δούμε το ADC SC9711. Η αρχή της λειτουργίας αυτής της συσκευής είναι περίπλοκη λόγω του μεγέθους και των δυνατοτήτων της. Παρεμπιπτόντως, μιλώντας για το τελευταίο, πρέπει να σημειωθεί ότι είναι πραγματικά διαφορετικές. Έτσι, για παράδειγμα, η συχνότητα των πιθανών εργασιών κυμαίνεται από 10 Hz έως 10 MHz. Με άλλα λόγια, μπορεί να κάνει 10 εκατομμύρια μετρήσεις ανά δευτερόλεπτο! Και η ίδια η συσκευή δεν είναι κάτι αναπόσπαστο, αλλά έχει δομική δομή κατασκευής. Αλλά χρησιμοποιείται, κατά κανόνα, σε μια πολύπλοκη τεχνική, όπου είναι απαραίτητο να δουλέψουμε με ένα μεγάλο αριθμό σημάτων.

Συμπέρασμα

Όπως μπορείτε να δείτε, οι ADCs έχουν κατά βάση διαφορετικάαρχές της εργασίας. Αυτό μας επιτρέπει να επιλέγουμε συσκευές που ικανοποιούν τα αιτήματα που προκύπτουν και παράλληλα μας επιτρέπουν να χρησιμοποιούμε τα διαθέσιμα μέσα με σύνεση.