Låt oss titta på de huvudsakliga problem som kan tillskrivas funktionsprincipen för analog-till-digital-omvandlare (ADC) av olika typer. Sekventiell räkning, bitvis balansering - vad döljer sig bakom dessa ord? Vad är funktionsprincipen för ADC-mikrokontrollern? Dessa, liksom ett antal andra frågor, kommer vi att överväga inom ramen för artikeln. Vi kommer att ägna de första tre delarna åt den allmänna teorin, och från den fjärde underrubriken kommer vi att studera principen för deras arbete. Du kan möta termerna ADC och DAC i olika litteratur. Funktionsprincipen för dessa enheter är något annorlunda, så förväxla dem inte. Så artikeln kommer att överväga omvandlingen av signaler från analog till digital form, medan DAC:n fungerar tvärtom.
Definition
Låt oss ta reda på vilken typ av enhet det är innan vi överväger principen för ADC:s funktion. Analog-till-digital-omvandlare är enheter som omvandlar en fysisk storhet till en motsvarande numerisk representation. Nästan vad som helst kan fungera som en initial parameter - ström, spänning, kapacitans,motstånd, axelvinkel, pulsfrekvens och så vidare. Men för att vara säker kommer vi att arbeta med endast en transformation. Detta är "spänningskod". Valet av detta arbetsformat är inte av misstag. När allt kommer omkring beror ADC (principen för driften av denna enhet) och dess funktioner till stor del på vilket mätkoncept som används. Detta förstås som processen att jämföra ett visst värde med en tidigare etablerad standard.
ADC-specifikationer
De viktigaste är bitdjup och konverteringsfrekvens. Det förra uttrycks i bitar och det senare i antal per sekund. Moderna analog-till-digital-omvandlare kan vara 24 bitar breda eller upp till GSPS-enheter. Observera att en ADC bara kan ge dig en av dess egenskaper åt gången. Ju högre prestanda de har, desto svårare är det att arbeta med enheten, och det kostar i sig mer. Men fördelen är att du kan få de nödvändiga bitdjupsindikatorerna genom att offra enhetens hastighet.
ADC-typer
Funktionsprincipen varierar för olika grupper av enheter. Vi kommer att titta på följande typer:
- Med direkt konvertering.
- Med successiv uppskattning.
- Med parallell konvertering.
- A/D-omvandlare med laddningsbalansering (delta-sigma).
- Integrating ADCs.
Det finns många andra pipeline- och kombinationstyper som har sina egna speciella egenskaper med olika arkitektur. Men de därde prover som kommer att övervägas inom ramen för artikeln är av intresse på grund av det faktum att de spelar en vägledande roll i deras nisch av enheter med denna specificitet. Låt oss därför studera principen för ADC, såväl som dess beroende av den fysiska enheten.
Direkt A/D-omvandlare
De blev väldigt populära på 60- och 70-talen av förra seklet. I form av integrerade kretsar har de tillverkats sedan 80-talet. Dessa är mycket enkla, till och med primitiva enheter som inte kan skryta med betydande prestanda. Deras bitdjup är vanligtvis 6-8 bitar, och hastigheten överstiger sällan 1 GSPS.
Funktionsprincipen för denna typ av ADC är följande: de positiva ingångarna på komparatorerna tar samtidigt emot en insignal. En spänning av en viss storlek läggs på de negativa terminalerna. Och sedan bestämmer enheten dess funktionssätt. Detta görs med referensspänning. Låt oss säga att vi har en enhet med 8 komparatorer. När ½ referensspänning appliceras kommer endast 4 av dem att slås på. Prioritetskodaren kommer att generera en binär kod, som kommer att fixeras av utgångsregistret. När det gäller fördelarna och nackdelarna kan vi säga att denna funktionsprincip gör att du kan skapa höghastighetsenheter. Men för att få det bitdjup som krävs måste du svettas mycket.
Den allmänna formeln för antalet komparatorer ser ut så här: 2^N. Under N måste du ange antalet siffror. Exemplet tidigare kan användas igen: 2^3=8. Tot alt, för att få den tredje kategorin, är det nödvändigt8 komparatorer. Detta är funktionsprincipen för ADC, som skapades först. Inte särskilt bekvämt, så andra arkitekturer dök upp senare.
Analog-till-digital successiva approximationskonverterare
Här används "vägningsalgoritmen". Kort sagt, enheter som fungerar enligt denna teknik kallas helt enkelt serieräknings-ADC. Funktionsprincipen är följande: enheten mäter värdet på insignalen och sedan jämförs den med siffror som genereras enligt en viss metod:
- Ställer in hälften av den möjliga referensspänningen.
- Om signalen har överskridit värdegränsen från punkt 1, jämförs den med siffran som ligger i mitten mellan det återstående värdet. Så i vårt fall kommer det att vara ¾ av referensspänningen. Om referenssignalen inte når denna indikator, kommer jämförelsen att utföras med den andra delen av intervallet enligt samma princip. I det här exemplet är detta ¼ av referensspänningen.
- Steg 2 måste upprepas N gånger, vilket ger oss N bitar av resultatet. Detta beror på att man gör H antal jämförelser.
Denna funktionsprincip gör det möjligt att erhålla enheter med en relativt hög konverteringsfrekvens, som är successiva approximations-ADC. Funktionsprincipen, som du kan se, är enkel, och dessa enheter är utmärkta för olika tillfällen.
Parallell analog-till-digital-omvandlare
De fungerar som seriella enheter. Beräkningsformeln är (2 ^ H) -1. FörI det föregående fallet behöver vi (2^3)-1 komparatorer. För drift används en viss uppsättning av dessa enheter, som var och en kan jämföra ingången och individuell referensspänning. Parallella analog-till-digital-omvandlare är ganska snabba enheter. Men principen för konstruktion av dessa enheter är sådan att betydande kraft krävs för att stödja deras prestanda. Därför är det inte praktiskt att använda dem på batteri.
Bitwise Balanced A/D Converter
Den fungerar på liknande sätt som den tidigare enheten. Därför, för att förklara funktionen av en bit-för-bit balanserande ADC, kommer driftprincipen för nybörjare att betraktas bokstavligen på fingrarna. Kärnan i dessa enheter är fenomenet dikotomi. Med andra ord genomförs en konsekvent jämförelse av det uppmätta värdet med en viss del av maxvärdet. Värden i ½, 1/8, 1/16 och så vidare kan tas. Därför kan analog-till-digital-omvandlaren slutföra hela processen i N iterationer (på varandra följande steg). Dessutom är H lika med bitdjupet för ADC:n (titta på de tidigare givna formlerna). Således har vi en betydande vinst i tid, om hastigheten på tekniken är särskilt viktig. Trots sin höga hastighet har dessa enheter också låg statisk noggrannhet.
A/D-omvandlare med laddningsbalansering (delta-sigma)
Det här är den mest intressanta typen av enhet, inte minsttack vare dess funktionsprincip. Det ligger i det faktum att inspänningen jämförs med vad som har ackumulerats av integratorn. Pulser med negativ eller positiv polaritet matas till ingången (allt beror på resultatet av föregående operation). Således kan vi säga att en sådan analog-till-digital-omvandlare är ett enkelt servosystem. Men detta är bara ett exempel för jämförelse, så att du kan förstå vad en delta-sigma ADC är. Funktionsprincipen är systemisk, men det räcker inte för att denna analog-till-digitalomvandlare ska fungera effektivt. Slutresultatet är en oändlig ström av 1:or och 0:or genom det digitala lågpassfiltret. En viss bitsekvens bildas av dem. En skillnad görs mellan första och andra ordningens ADC-omvandlare.
Integrering av analog-till-digital-omvandlare
Detta är det sista specialfallet som kommer att behandlas i artikeln. Därefter kommer vi att beskriva principen för driften av dessa enheter, men på en generell nivå. Denna ADC är en push-pull analog-till-digital-omvandlare. Du kan möta en liknande enhet i en digital multimeter. Och detta är inte förvånande, eftersom de ger hög noggrannhet och samtidigt undertrycker störningar väl.
Låt oss nu fokusera på hur det fungerar. Det ligger i det faktum att insignalen laddar kondensatorn under en bestämd tid. Som regel är denna period en enhet av frekvensen för nätverket som driver enheten (50 Hz eller 60 Hz). Det kan också vara flera. Således undertrycks de höga frekvenserna.interferens. Samtidigt utjämnas inverkan av den instabila spänningen från elnätskällan för elproduktion på resultatets noggrannhet.
När laddningstiden för analog-till-digitalomvandlaren slutar, börjar kondensatorn laddas ur med en viss fast hastighet. Enhetens interna räknare räknar antalet klockpulser som genereras under denna process. Således, ju längre tidsperiod, desto mer betydelsefulla indikatorer.
ADC push-pull-integrering har hög noggrannhet och upplösning. På grund av detta, såväl som en relativt enkel konstruktionsstruktur, implementeras de som mikrokretsar. Den största nackdelen med denna funktionsprincip är beroendet av nätverksindikatorn. Kom ihåg att dess kapacitet är bunden till frekvensperioden för strömförsörjningen.
Så här fungerar en ADC för dubbelintegrering. Principen för driften av denna enhet, även om den är ganska komplicerad, men den ger kvalitetsindikatorer. I vissa fall är detta helt enkelt nödvändigt.
Välj APC med den funktionsprincip vi behöver
Låt oss säga att vi har en viss uppgift framför oss. Vilken enhet ska man välja så att den kan tillgodose alla våra önskemål? Låt oss först prata om upplösning och noggrannhet. Mycket ofta är de förvirrade, även om de i praktiken är väldigt lite beroende av varandra. Tänk på att en 12-bitars A/D-omvandlare kan vara mindre exakt än en 8-bitars A/D-omvandlare. I detI detta fall är upplösningen ett mått på hur många segment som kan extraheras från ingångsområdet för den uppmätta signalen. Så, 8-bitars ADC har 28=256 sådana enheter.
Noggrannhet är den totala avvikelsen för det erhållna omvandlingsresultatet från det ideala värdet, som bör vara vid en given inspänning. Det vill säga, den första parametern kännetecknar de potentiella kapaciteterna som ADC har, och den andra visar vad vi har i praktiken. Därför kan en enklare typ (som direkta analog-till-digital-omvandlare) vara lämplig för oss, som kommer att tillfredsställa behoven på grund av hög noggrannhet.
För att ha en uppfattning om vad som behövs måste du först beräkna de fysiska parametrarna och bygga en matematisk formel för interaktion. Viktiga i dem är statiska och dynamiska fel, för när du använder olika komponenter och principer för att bygga en enhet kommer de att påverka dess egenskaper på olika sätt. Mer detaljerad information finns i den tekniska dokumentationen som erbjuds av tillverkaren av varje specifik enhet.
Exempel
Låt oss ta en titt på SC9711 ADC. Funktionsprincipen för denna enhet är komplicerad på grund av dess storlek och kapacitet. Förresten, på tal om det senare, bör det noteras att de verkligen är olika. Så till exempel sträcker sig frekvensen för möjlig drift från 10 Hz till 10 MHz. Med andra ord kan den ta 10 miljoner prover per sekund! Och själva enheten är inte något solid, menhar en modulär konstruktion. Men det används som regel i komplex teknik, där det är nödvändigt att arbeta med ett stort antal signaler.
Slutsats
Som du kan se har ADC:er i grunden olika funktionsprinciper. Detta gör att vi kan välja enheter som kommer att tillfredsställa de behov som uppstår, samtidigt som vi kan hantera våra tillgängliga medel på ett klokt sätt.
