Laten we eens kijken naar de belangrijkste problemen die kunnen worden toegeschreven aan het werkingsprincipe van analoog-naar-digitaalomzetters (ADC's) van verschillende typen. Sequentieel tellen, bitsgewijze balanceren - wat gaat er schuil achter deze woorden? Wat is het werkingsprincipe van de ADC-microcontroller? Deze, evenals een aantal andere vragen, zullen we in het kader van het artikel bespreken. We zullen de eerste drie delen aan de algemene theorie wijden, en vanaf de vierde onderkop zullen we het principe van hun werk bestuderen. De termen ADC en DAC kun je in verschillende literatuur tegenkomen. Het werkingsprincipe van deze apparaten is iets anders, dus verwar ze niet. Het artikel gaat dus in op de conversie van signalen van analoge naar digitale vorm, terwijl de DAC andersom werkt.
Definitie
Laten we, voordat we het werkingsprincipe van de ADC overwegen, eens kijken wat voor soort apparaat het is. Analoog-naar-digitaal-omzetters zijn apparaten die een fysieke hoeveelheid omzetten in een overeenkomstige numerieke weergave. Bijna alles kan fungeren als een initiële parameter - stroom, spanning, capaciteit,weerstand, ashoek, pulsfrequentie enzovoort. Maar voor de zekerheid gaan we met slechts één transformatie werken. Dit is "voltage-code". De keuze voor deze werkvorm is niet toevallig. De ADC (het werkingsprincipe van dit apparaat) en zijn kenmerken hangen immers grotendeels af van welk meetconcept wordt gebruikt. Dit wordt opgevat als het proces van het vergelijken van een bepaalde waarde met een eerder vastgestelde norm.
ADC-specificaties
De belangrijkste zijn bitdiepte en conversiefrequentie. De eerste wordt uitgedrukt in bits en de laatste in counts per seconde. Moderne analoog-naar-digitaal-omzetters kunnen 24 bits breed zijn of maximaal GSPS-eenheden. Houd er rekening mee dat een ADC u slechts één van zijn kenmerken tegelijk kan bieden. Hoe hoger hun prestaties, hoe moeilijker het is om met het apparaat te werken, en het kost zelf meer. Maar het voordeel is dat u de benodigde bitdiepte-indicatoren kunt krijgen door de snelheid van het apparaat op te offeren.
ADC-typen
Het werkingsprincipe varieert voor verschillende groepen apparaten. We zullen naar de volgende typen kijken:
- Met directe conversie.
- Met opeenvolgende benadering.
- Met parallelle conversie.
- A/D-converter met ladingsbalancering (delta-sigma).
- ADC's integreren.
Er zijn veel andere soorten pijpleidingen en combinaties die hun eigen speciale kenmerken hebben met een andere architectuur. Maar diede monsters die in het kader van het artikel in overweging zullen worden genomen, zijn interessant omdat ze een indicatieve rol spelen in hun niche van apparaten met deze specificiteit. Laten we daarom het principe van de ADC bestuderen, evenals de afhankelijkheid van het fysieke apparaat.
Directe A/D-converters
Ze werden erg populair in de jaren 60 en 70 van de vorige eeuw. In de vorm van geïntegreerde schakelingen worden ze sinds de jaren 80 geproduceerd. Dit zijn zeer eenvoudige, zelfs primitieve apparaten die niet kunnen bogen op noemenswaardige prestaties. Hun bitdiepte is gewoonlijk 6-8 bits, en de snelheid overschrijdt zelden 1 GSPS.
Het werkingsprincipe van dit type ADC is als volgt: de positieve ingangen van de comparatoren ontvangen gelijktijdig een ingangssignaal. Op de negatieve klemmen wordt een spanning van een bepaalde grootte aangelegd. En dan bepa alt het apparaat zijn werkingsmodus. Dit gebeurt met referentiespanning. Laten we zeggen dat we een apparaat hebben met 8 comparators. Bij het toepassen van ½ referentiespanning zullen er slechts 4 worden ingeschakeld. De prioriteits-encoder genereert een binaire code, die wordt vastgesteld door het uitvoerregister. Wat de voor- en nadelen betreft, kunnen we zeggen dat u met dit werkingsprincipe snelle apparaten kunt maken. Maar om de vereiste bitdiepte te krijgen, moet je veel zweten.
De algemene formule voor het aantal vergelijkers ziet er als volgt uit: 2^N. Onder N moet u het aantal cijfers invullen. Het eerder besproken voorbeeld kan opnieuw worden gebruikt: 2^3=8. In totaal is het nodig om de derde categorie te verkrijgen:8 vergelijkers. Dit is het werkingsprincipe van ADC's, die als eerste zijn gemaakt. Niet erg handig, dus later verschenen andere architecturen.
Analoog-naar-digitaal opeenvolgende benaderingsconverters
Hier wordt het "weging"-algoritme gebruikt. Kortom, apparaten die volgens deze techniek werken, worden simpelweg serieel tellende ADC's genoemd. Het werkingsprincipe is als volgt: het apparaat meet de waarde van het ingangssignaal en vergelijkt het met getallen die volgens een bepaalde methode worden gegenereerd:
- Stelt de helft van de mogelijke referentiespanning in.
- Als het signaal de waardelimiet van punt 1 heeft overschreden, wordt het vergeleken met het getal dat in het midden tussen de resterende waarde ligt. Dus in ons geval zal het ¾ van de referentiespanning zijn. Als het referentiesignaal deze indicator niet bereikt, wordt de vergelijking met het andere deel van het interval volgens hetzelfde principe uitgevoerd. In dit voorbeeld is dit ¼ van de referentiespanning.
- Stap 2 moet N keer worden herhaald, wat ons N bits van het resultaat oplevert. Dit komt door het doen van H aantal vergelijkingen.
Dit werkingsprincipe maakt het mogelijk om apparaten met een relatief hoge conversieratio te verkrijgen, die opeenvolgende benaderings-ADC's zijn. Het werkingsprincipe is, zoals u kunt zien, eenvoudig en deze apparaten zijn geweldig voor verschillende gelegenheden.
Parallelle analoog-naar-digitaal converters
Ze werken als seriële apparaten. De berekeningsformule is (2 ^ H) -1. VoorIn het vorige geval hebben we (2^3)-1 comparators nodig. Voor de werking wordt een bepaalde reeks van deze apparaten gebruikt, die elk de ingangs- en individuele referentiespanning kunnen vergelijken. Parallelle analoog-naar-digitaal-omzetters zijn redelijk snelle apparaten. Maar het constructieprincipe van deze apparaten is zodanig dat er aanzienlijk vermogen nodig is om hun prestaties te ondersteunen. Daarom is het niet praktisch om ze op batterijvoeding te gebruiken.
Bitwise gebalanceerde A/D-converter
Het werkt op dezelfde manier als het vorige apparaat. Daarom, om de werking van een bit-voor-bit balancerende ADC uit te leggen, zal het werkingsprincipe voor beginners letterlijk op de vingers worden beschouwd. De kern van deze apparaten is het fenomeen van dichotomie. Er wordt met andere woorden een consistente vergelijking van de gemeten waarde met een bepaald deel van de maximale waarde uitgevoerd. Waarden in ½, 1/8, 1/16 enzovoort kunnen worden genomen. Daarom kan de analoog-naar-digitaal omzetter het hele proces in N iteraties (opeenvolgende stappen) voltooien. Bovendien is H gelijk aan de bitdiepte van de ADC (kijk naar de eerder gegeven formules). We hebben dus een aanzienlijke tijdwinst, als de snelheid van de techniek vooral belangrijk is. Ondanks hun aanzienlijke snelheid hebben deze apparaten ook een lage statische nauwkeurigheid.
A/D-converters met ladingsbalancering (delta-sigma)
Dit is niet het minst het meest interessante type apparaatdankzij het werkingsprincipe. Het ligt in het feit dat de ingangsspanning wordt vergeleken met wat is geaccumuleerd door de integrator. Pulsen met negatieve of positieve polariteit worden naar de ingang gevoerd (het hangt allemaal af van het resultaat van de vorige bewerking). We kunnen dus zeggen dat zo'n analoog-naar-digitaal omzetter een eenvoudig servosysteem is. Maar dit is slechts een voorbeeld ter vergelijking, zodat u kunt begrijpen wat een delta-sigma ADC is. Het werkingsprincipe is systemisch, maar voor het effectief functioneren van deze analoog-naar-digitaal-omzetter is niet voldoende. Het eindresultaat is een oneindige stroom van enen en nullen door het digitale laagdoorlaatfilter. Hieruit wordt een bepaalde bitreeks gevormd. Er wordt onderscheid gemaakt tussen ADC-converters van de eerste en tweede orde.
Integreren van analoog-naar-digitaal converters
Dit is het laatste speciale geval dat in het artikel wordt besproken. Vervolgens zullen we het werkingsprincipe van deze apparaten beschrijven, maar op een algemeen niveau. Deze ADC is een push-pull analoog-naar-digitaal omzetter. U kunt een vergelijkbaar apparaat tegenkomen in een digitale multimeter. En dit is niet verwonderlijk, omdat ze een hoge nauwkeurigheid bieden en tegelijkertijd interferentie goed onderdrukken.
Laten we ons nu concentreren op hoe het werkt. Het ligt in het feit dat het ingangssignaal de condensator voor een vaste tijd oplaadt. In de regel is deze periode een eenheid van de frequentie van het netwerk dat het apparaat van stroom voorziet (50 Hz of 60 Hz). Het kan ook meerdere zijn. Zo worden de hoge frequenties onderdrukt.interferentie. Tegelijkertijd wordt de invloed van de onstabiele spanning van de netbron van elektriciteitsopwekking op de nauwkeurigheid van het resultaat genivelleerd.
Wanneer de oplaadtijd van de analoog-naar-digitaal omzetter eindigt, begint de condensator te ontladen met een bepaalde vaste snelheid. De interne teller van het apparaat telt het aantal klokpulsen dat tijdens dit proces wordt gegenereerd. Dus hoe langer de tijdsperiode, hoe belangrijker de indicatoren.
ADC push-pull-integratie heeft een hoge nauwkeurigheid en resolutie. Hierdoor, naast een relatief eenvoudige constructiestructuur, worden ze geïmplementeerd als microschakelingen. Het grootste nadeel van dit werkingsprincipe is de afhankelijkheid van de netwerkindicator. Onthoud dat de mogelijkheden zijn gekoppeld aan de frequentieperiode van de voeding.
Zo werkt een ADC met dubbele integratie. Het werkingsprincipe van dit apparaat, hoewel het vrij ingewikkeld is, maar het biedt kwaliteitsindicatoren. In sommige gevallen is dit gewoon nodig.
Kies de APC met het werkingsprincipe dat we nodig hebben
Laten we zeggen dat we een bepaalde taak voor de boeg hebben. Welk apparaat moet je kiezen om aan al onze verzoeken te voldoen? Laten we het eerst hebben over resolutie en nauwkeurigheid. Heel vaak zijn ze verward, hoewel ze in de praktijk weinig van elkaar afhankelijk zijn. Houd er rekening mee dat een 12-bits A/D-converter mogelijk minder nauwkeurig is dan een 8-bits A/D-converter. In datIn dit geval is resolutie een maat voor hoeveel segmenten kunnen worden geëxtraheerd uit het ingangsbereik van het gemeten signaal. Dus 8-bit ADC's hebben 28=256 van dergelijke eenheden.
Nauwkeurigheid is de totale afwijking van het verkregen conversieresultaat van de ideale waarde, die bij een gegeven ingangsspanning zou moeten zijn. Dat wil zeggen, de eerste parameter kenmerkt de potentiële mogelijkheden die de ADC heeft, en de tweede laat zien wat we in de praktijk hebben. Daarom kan een eenvoudiger type (zoals directe analoog-naar-digitaal-omzetters) voor ons geschikt zijn, die vanwege de hoge nauwkeurigheid aan de behoeften zullen voldoen.
Om een idee te hebben van wat nodig is, moet je eerst de fysieke parameters berekenen en een wiskundige formule voor interactie bouwen. Belangrijk daarin zijn statische en dynamische fouten, omdat ze bij het gebruik van verschillende componenten en principes voor het bouwen van een apparaat de kenmerken op verschillende manieren zullen beïnvloeden. Meer gedetailleerde informatie is te vinden in de technische documentatie aangeboden door de fabrikant van elk specifiek apparaat.
Voorbeeld
Laten we eens kijken naar de SC9711 ADC. Het werkingsprincipe van dit apparaat is gecompliceerd vanwege de grootte en mogelijkheden. Trouwens, over de laatste gesproken, moet worden opgemerkt dat ze echt divers zijn. Dus de frequentie van mogelijke werking varieert dus van 10 Hz tot 10 MHz. Met andere woorden, het kan 10 miljoen samples per seconde nemen! En het apparaat zelf is niet iets solide, maarheeft een modulaire opbouw. Maar het wordt in de regel gebruikt in complexe technologie, waar het nodig is om met een groot aantal signalen te werken.
Conclusie
Zoals je kunt zien, hebben ADC's in principe verschillende werkingsprincipes. Dit stelt ons in staat om apparaten te selecteren die voldoen aan de behoeften die zich voordoen, terwijl we ook onze beschikbare fondsen verstandig kunnen beheren.
