La oss se på hovedutvalget av problemer som kan tilskrives driftsprinsippet for analog-til-digital-omformere (ADC) av ulike typer. Sekvensiell telling, bitvis balansering - hva skjuler seg bak disse ordene? Hva er driftsprinsippet til ADC-mikrokontrolleren? Disse, så vel som en rekke andre spørsmål, vil vi vurdere innenfor rammen av artikkelen. Vi vil vie de tre første delene til den generelle teorien, og fra den fjerde underoverskriften vil vi studere prinsippet for deres arbeid. Du kan møte begrepene ADC og DAC i forskjellig litteratur. Prinsippet for drift av disse enhetene er litt annerledes, så ikke forveksle dem. Så artikkelen vil vurdere konvertering av signaler fra analog til digital form, mens DAC fungerer omvendt.
Definition
Før vi vurderer prinsippet for drift av ADC, la oss finne ut hva slags enhet det er. Analog-til-digital-omformere er enheter som konverterer en fysisk mengde til en tilsvarende numerisk representasjon. Nesten alt kan fungere som en startparameter - strøm, spenning, kapasitans,motstand, akselvinkel, pulsfrekvens og så videre. Men for å være sikker, vil vi jobbe med bare én transformasjon. Dette er "spenningskode". Valget av dette arbeidsformatet er ikke tilfeldig. Tross alt avhenger ADC (prinsippet for drift av denne enheten) og dens funksjoner i stor grad av hvilket målebegrep som brukes. Dette forstås som prosessen med å sammenligne en viss verdi med en tidligere etablert standard.
ADC-spesifikasjoner
De viktigste er bitdybde og konverteringsfrekvens. Førstnevnte uttrykkes i biter og sistnevnte i antall per sekund. Moderne analog-til-digital-omformere kan være 24 bits brede eller opptil GSPS-enheter. Merk at en ADC bare kan gi deg én av egenskapene om gangen. Jo høyere ytelse de har, desto vanskeligere er det å jobbe med enheten, og den koster i seg selv mer. Men fordelen er at du kan få de nødvendige bitdybdeindikatorene ved å ofre enhetens hastighet.
ADC-typer
Operasjonsprinsippet varierer for ulike grupper av enheter. Vi skal se på følgende typer:
- Med direkte konvertering.
- Med påfølgende tilnærming.
- Med parallell konvertering.
- A/D-omformer med ladebalansering (delta-sigma).
- Integrating ADCs.
Det finnes mange andre rørlednings- og kombinasjonstyper som har sine egne spesielle egenskaper med forskjellig arkitektur. Men deprøvene som vil bli vurdert innenfor rammen av artikkelen er av interesse på grunn av det faktum at de spiller en veiledende rolle i deres nisje av enheter med denne spesifisiteten. La oss derfor studere prinsippet for ADC, så vel som dets avhengighet av den fysiske enheten.
Direkte A/D-konverterere
De ble veldig populære på 60- og 70-tallet av forrige århundre. I form av integrerte kretser har de blitt produsert siden 80-tallet. Dette er veldig enkle, til og med primitive enheter som ikke kan skryte av betydelig ytelse. Bitdybden deres er vanligvis 6-8 biter, og hastigheten overstiger sjelden 1 GSPS.
Operasjonsprinsippet for denne typen ADC er som følger: de positive inngangene til komparatorene mottar samtidig et inngangssignal. En spenning av en viss størrelse påføres de negative terminalene. Og deretter bestemmer enheten driftsmodusen. Dette gjøres med referansespenning. La oss si at vi har en enhet med 8 komparatorer. Når du bruker ½ referansespenning, vil bare 4 av dem være slått på. Prioritetskoderen vil generere en binær kode, som vil bli fikset av utgangsregisteret. Når det gjelder fordeler og ulemper, kan vi si at dette operasjonsprinsippet lar deg lage høyhastighetsenheter. Men for å få den nødvendige bitdybden må du svette mye.
Den generelle formelen for antall komparatorer ser slik ut: 2^N. Under N må du sette antall sifre. Eksemplet som ble vurdert tidligere kan brukes igjen: 2^3=8. Tot alt, for å oppnå den tredje kategorien, er det nødvendig8 komparatorer. Dette er prinsippet for drift av ADC-er, som ble opprettet først. Ikke veldig praktisk, så andre arkitekturer dukket opp senere.
Analog-til-digital suksessive tilnærmingsomformere
Her brukes "vekting"-algoritmen. Kort sagt, enheter som fungerer i henhold til denne teknikken kalles ganske enkelt ADC-er for serietelling. Driftsprinsippet er som følger: enheten måler verdien av inngangssignalet, og deretter sammenlignes det med tall som genereres i henhold til en bestemt metode:
- Setter halvparten av mulig referansespenning.
- Hvis signalet har overvunnet verdigrensen fra punkt 1, sammenlignes det med tallet som ligger i midten mellom gjenværende verdi. Så i vårt tilfelle vil det være ¾ av referansespenningen. Hvis referansesignalet ikke når denne indikatoren, vil sammenligningen bli utført med den andre delen av intervallet i henhold til samme prinsipp. I dette eksemplet er dette ¼ av referansespenningen.
- Trinn 2 må gjentas N ganger, noe som vil gi oss N biter av resultatet. Dette skyldes å gjøre H-antall sammenligninger.
Dette operasjonsprinsippet gjør det mulig å skaffe enheter med en relativt høy konverteringsfrekvens, som er suksessive tilnærmings-ADC-er. Operasjonsprinsippet, som du kan se, er enkelt, og disse enhetene er flotte for ulike anledninger.
Parallelle analog-til-digital-omformere
De fungerer som serielle enheter. Beregningsformelen er (2 ^ H) -1. TilI det forrige tilfellet trenger vi (2^3)-1 komparatorer. For drift brukes en viss rekke av disse enhetene, som hver kan sammenligne inngangs- og individuell referansespenning. Parallelle analog-til-digital-omformere er ganske raske enheter. Men prinsippet om konstruksjon av disse enhetene er slik at det kreves betydelig kraft for å støtte ytelsen deres. Derfor er det ikke praktisk å bruke dem på batteristrøm.
Bitwise Balanced A/D Converter
Den fungerer på samme måte som den forrige enheten. Derfor, for å forklare funksjonen til en bit-for-bit balanserende ADC, vil operasjonsprinsippet for nybegynnere bli vurdert bokstavelig t alt på fingrene. I hjertet av disse enhetene er fenomenet dikotomi. Det gjennomføres med andre ord en konsistent sammenligning av den målte verdien med en viss del av maksimumsverdien. Verdier i ½, 1/8, 1/16 og så videre kan tas. Derfor kan analog-til-digital-omformeren fullføre hele prosessen i N iterasjoner (påfølgende trinn). Dessuten er H lik bitdybden til ADC (se på de tidligere gitte formlene). Dermed har vi en betydelig gevinst i tid, dersom hastigheten på teknikken er spesielt viktig. Til tross for deres betydelige hastighet, har disse enhetene også lav statisk nøyaktighet.
A/D-omformere med ladebalansering (delta-sigma)
Dette er den mest interessante typen enhet, ikke minsttakket være driftsprinsippet. Det ligger i at inngangsspenningen sammenlignes med det som er akkumulert av integratoren. Pulser med negativ eller positiv polaritet mates til inngangen (alt avhenger av resultatet av forrige operasjon). Dermed kan vi si at en slik analog-til-digital-omformer er et enkelt servosystem. Men dette er bare et eksempel for sammenligning, slik at du kan forstå hva en delta-sigma ADC er. Driftsprinsippet er systemisk, men for effektiv funksjon av denne analog-til-digital-omformeren er ikke nok. Sluttresultatet er en uendelig strøm av 1-er og 0-er gjennom det digitale lavpassfilteret. En viss bitsekvens dannes fra dem. Det skilles mellom første- og andreordens ADC-omformere.
Integrering av analog-til-digital-omformere
Dette er det siste spesielle tilfellet som vil bli vurdert i artikkelen. Deretter vil vi beskrive prinsippet for drift av disse enhetene, men på et generelt nivå. Denne ADC er en push-pull analog-til-digital-omformer. Du kan møte en lignende enhet i et digit alt multimeter. Og dette er ikke overraskende, fordi de gir høy nøyaktighet og samtidig undertrykker interferens godt.
La oss nå fokusere på hvordan det fungerer. Det ligger i det faktum at inngangssignalet lader kondensatoren for en fast tid. Som regel er denne perioden en enhet av frekvensen til nettverket som driver enheten (50 Hz eller 60 Hz). Det kan også være flere. Dermed blir de høye frekvensene undertrykt.innblanding. Samtidig utjevnes påvirkningen av den ustabile spenningen til nettkilden for elektrisitetsproduksjon på nøyaktigheten av resultatet.
Når analog-til-digital-omformerens ladetid slutter, begynner kondensatoren å lades ut med en viss fast hastighet. Enhetens interne teller teller antall klokkepulser som genereres under denne prosessen. Derfor, jo lengre tidsperiode, desto viktigere er indikatorene.
ADC push-pull-integrasjon har høy nøyaktighet og oppløsning. På grunn av dette, samt en relativt enkel konstruksjonsstruktur, er de implementert som mikrokretser. Den største ulempen med dette operasjonsprinsippet er avhengigheten av nettverksindikatoren. Husk at dens evner er knyttet til frekvensperioden til strømforsyningen.
Slik fungerer en dobbel integrasjon ADC. Prinsippet for drift av denne enheten, selv om det er ganske komplisert, men det gir kvalitetsindikatorer. I noen tilfeller er dette ganske enkelt nødvendig.
Velg APC med driftsprinsippet vi trenger
La oss si at vi har en viss oppgave foran oss. Hvilken enhet skal jeg velge slik at den kan tilfredsstille alle våre forespørsler? La oss først snakke om oppløsning og nøyaktighet. Svært ofte er de forvirret, selv om de i praksis er svært lite avhengige av hverandre. Vær oppmerksom på at en 12-bits A/D-omformer kan være mindre nøyaktig enn en 8-bits A/D-omformer. I detI dette tilfellet er oppløsning et mål på hvor mange segmenter som kan trekkes ut fra inngangsområdet til det målte signalet. Så, 8-bits ADC-er har 28=256 slike enheter.
Nøyaktighet er det totale avviket til det oppnådde konverteringsresultatet fra den ideelle verdien, som bør være ved en gitt inngangsspenning. Det vil si at den første parameteren karakteriserer de potensielle egenskapene som ADC har, og den andre viser hva vi har i praksis. Derfor kan en enklere type (som direkte analog-til-digital-omformere) være egnet for oss, som vil tilfredsstille behovene på grunn av høy nøyaktighet.
For å ha en ide om hva som trengs, må du først beregne de fysiske parameterne og bygge en matematisk formel for interaksjon. Viktige i dem er statiske og dynamiske feil, fordi når du bruker forskjellige komponenter og prinsipper for å bygge en enhet, vil de påvirke egenskapene på forskjellige måter. Mer detaljert informasjon finnes i den tekniske dokumentasjonen som tilbys av produsenten av hver enkelt enhet.
Eksempel
La oss ta en titt på SC9711 ADC. Prinsippet for drift av denne enheten er komplisert på grunn av dens størrelse og evner. Forresten, når vi snakker om sistnevnte, bør det bemerkes at de er virkelig forskjellige. Så for eksempel varierer frekvensen for mulig drift fra 10 Hz til 10 MHz. Den kan med andre ord ta 10 millioner prøver per sekund! Og selve enheten er ikke noe solid, menhar en modulær konstruksjon. Men det brukes som regel i kompleks teknologi, hvor det er nødvendig å jobbe med et stort antall signaler.
Konklusjon
Som du kan se, har ADC-er i utgangspunktet forskjellige operasjonsprinsipper. Dette lar oss velge enheter som vil tilfredsstille behovene som oppstår, samtidig som vi kan forv alte våre tilgjengelige midler på en fornuftig måte.
