Lad os se på hovedområdet af problemer, der kan tilskrives princippet om drift af analog-til-digital-konvertere (ADC'er) af forskellige typer. Sekventiel optælling, bitvis balancering - hvad gemmer sig bag disse ord? Hvad er driftsprincippet for ADC-mikrocontrolleren? Disse, samt en række andre spørgsmål, vil vi overveje inden for rammerne af artiklen. Vi vil afsætte de første tre dele til den generelle teori, og fra den fjerde underoverskrift vil vi studere princippet om deres arbejde. Du kan møde begreberne ADC og DAC i forskellig litteratur. Funktionsprincippet for disse enheder er lidt anderledes, så forveksle dem ikke. Så artiklen vil overveje konverteringen af signaler fra analog til digital form, mens DAC'en fungerer omvendt.
Definition
Før vi overvejer ADC'ens funktionsprincip, lad os finde ud af, hvilken slags enhed det er. Analog-til-digital-omformere er enheder, der konverterer en fysisk mængde til en tilsvarende numerisk repræsentation. Næsten alt kan fungere som en indledende parameter - strøm, spænding, kapacitans,modstand, akselvinkel, pulsfrekvens og så videre. Men for at være sikker, vil vi kun arbejde med én transformation. Dette er "spændingskode". Valget af dette arbejdsformat er ikke tilfældigt. Når alt kommer til alt, afhænger ADC'en (princippet om denne enheds funktion) og dens funktioner i høj grad af, hvilket målekoncept der bruges. Dette forstås som processen med at sammenligne en bestemt værdi med en tidligere etableret standard.
ADC-specifikationer
De vigtigste er bitdybde og konverteringsfrekvens. Førstnævnte udtrykkes i bits og sidstnævnte i tællinger pr. sekund. Moderne analog-til-digital-konvertere kan være 24 bit brede eller op til GSPS-enheder. Bemærk, at en ADC kun kan give dig én af dens egenskaber ad gangen. Jo højere deres ydeevne er, jo sværere er det at arbejde med enheden, og det koster i sig selv mere. Men fordelen er, at du kan få de nødvendige bitdybdeindikatorer ved at ofre enhedens hastighed.
ADC-typer
Betjeningsprincippet varierer for forskellige grupper af enheder. Vi vil se på følgende typer:
- Med direkte konvertering.
- Med successiv tilnærmelse.
- Med parallel konvertering.
- A/D-konverter med ladningsbalancering (delta-sigma).
- Integration ADC'er.
Der er mange andre pipeline- og kombinationstyper, der har deres egne specielle karakteristika med forskellig arkitektur. Men dede prøver, der vil blive overvejet inden for rammerne af artiklen, er af interesse på grund af det faktum, at de spiller en vejledende rolle i deres niche af enheder af denne specificitet. Lad os derfor studere princippet om ADC, såvel som dets afhængighed af den fysiske enhed.
Direkte A/D-konvertere
De blev meget populære i 60'erne og 70'erne af forrige århundrede. I form af integrerede kredsløb er de blevet produceret siden 80'erne. Disse er meget enkle, selv primitive enheder, der ikke kan prale af betydelig ydeevne. Deres bitdybde er norm alt 6-8 bit, og hastigheden overstiger sjældent 1 GSPS.
Funktionsprincippet for denne type ADC er som følger: de positive indgange på komparatorerne modtager samtidigt et indgangssignal. En spænding af en vis størrelse påføres de negative terminaler. Og så bestemmer enheden sin funktionsmåde. Dette gøres med referencespænding. Lad os sige, at vi har en enhed med 8 komparatorer. Når der påføres ½ referencespænding, vil kun 4 af dem være tændt. Prioritetskoderen vil generere en binær kode, som vil blive fastsat af outputregisteret. Med hensyn til fordele og ulemper kan vi sige, at dette driftsprincip giver dig mulighed for at skabe højhastighedsenheder. Men for at få den nødvendige bitdybde, skal du svede meget.
Den generelle formel for antallet af komparatorer ser sådan ud: 2^N. Under N skal du sætte antallet af cifre. Det tidligere nævnte eksempel kan bruges igen: 2^3=8. I alt er det nødvendigt for at opnå den tredje kategori8 komparatorer. Dette er princippet om drift af ADC'er, som blev oprettet først. Ikke særlig praktisk, så andre arkitekturer dukkede op senere.
Analog-til-digital successive tilnærmelsesomformere
Her bruges "vægtnings"-algoritmen. Kort sagt kaldes enheder, der fungerer i henhold til denne teknik, simpelthen seriel tælling ADC'er. Funktionsprincippet er som følger: enheden måler værdien af inputsignalet, og derefter sammenlignes det med tal, der genereres efter en bestemt metode:
- Indstiller halvdelen af den mulige referencespænding.
- Hvis signalet har overskredet værdigrænsen fra punkt 1, sammenlignes det med det tal, der ligger i midten mellem den resterende værdi. Så i vores tilfælde vil det være ¾ af referencespændingen. Hvis referencesignalet ikke når denne indikator, vil sammenligningen blive udført med den anden del af intervallet efter samme princip. I dette eksempel er dette ¼ af referencespændingen.
- Trin 2 skal gentages N gange, hvilket vil give os N bits af resultatet. Dette skyldes, at man har udført H antal sammenligninger.
Dette funktionsprincip gør det muligt at opnå enheder med en relativt høj konverteringsrate, som er successive tilnærmede ADC'er. Funktionsprincippet, som du kan se, er enkelt, og disse enheder er fantastiske til forskellige lejligheder.
Parallelle analog-til-digital-konvertere
De fungerer som serielle enheder. Beregningsformlen er (2 ^ H) -1. TilI det foregående tilfælde har vi brug for (2^3)-1 komparatorer. Til drift bruges en vis række af disse enheder, som hver især kan sammenligne input og individuelle referencespænding. Parallelle analog-til-digital-omformere er ret hurtige enheder. Men princippet om konstruktion af disse enheder er sådan, at der kræves betydelig strøm for at understøtte deres ydeevne. Derfor er det ikke praktisk at bruge dem på batteristrøm.
Bitwise Balanced A/D Converter
Den fungerer på samme måde som den forrige enhed. Derfor, for at forklare funktionen af en bit-for-bit balancerende ADC, vil driftsprincippet for begyndere blive betragtet bogstaveligt t alt på fingrene. Kernen i disse enheder er fænomenet dikotomi. Der udføres med andre ord en konsistent sammenligning af den målte værdi med en vis del af maksimumværdien. Værdier i ½, 1/8, 1/16 og så videre kan tages. Derfor kan analog-til-digital-konverteren fuldføre hele processen i N iterationer (på hinanden følgende trin). Desuden er H lig med bitdybden af ADC'en (se de tidligere givne formler). Vi har således en betydelig tidsgevinst, hvis teknikkens hastighed er særlig vigtig. På trods af deres betydelige hastighed har disse enheder også lav statisk nøjagtighed.
A/D-konvertere med ladningsbalancering (delta-sigma)
Dette er den mest interessante type enhed, ikke mindsttakket være dets funktionsprincip. Det ligger i, at indgangsspændingen sammenlignes med, hvad der er blevet akkumuleret af integratoren. Pulser med negativ eller positiv polaritet føres til indgangen (det hele afhænger af resultatet af den tidligere operation). Således kan vi sige, at sådan en analog-til-digital konverter er et simpelt servosystem. Men dette er blot et eksempel til sammenligning, så du kan forstå, hvad en delta-sigma ADC er. Driftsprincippet er systemisk, men for den effektive funktion af denne analog-til-digital-konverter er det ikke nok. Slutresultatet er en uendelig strøm af 1'ere og 0'ere gennem det digitale lavpasfilter. Der dannes en bestemt bitsekvens ud fra dem. Der skelnes mellem første- og andenordens ADC-konvertere.
Integration af analog-til-digital-konvertere
Dette er det sidste særlige tilfælde, der vil blive behandlet i artiklen. Dernæst vil vi beskrive princippet om driften af disse enheder, men på et generelt niveau. Denne ADC er en push-pull analog-til-digital konverter. Du kan møde en lignende enhed i et digit alt multimeter. Og det er ikke overraskende, fordi de giver høj nøjagtighed og samtidig undertrykker interferens godt.
Lad os nu fokusere på, hvordan det fungerer. Det ligger i, at indgangssignalet oplader kondensatoren i et fast tidsrum. Som regel er denne periode en enhed af frekvensen af netværket, der driver enheden (50 Hz eller 60 Hz). Det kan også være flere. Således undertrykkes de høje frekvenser.interferens. Samtidig udjævnes påvirkningen af den ustabile spænding fra netkilden til elproduktion på nøjagtigheden af resultatet.
Når analog-til-digital-konverterens ladetid slutter, begynder kondensatoren at aflade med en bestemt fast hastighed. Enhedens interne tæller tæller antallet af clock-impulser, der genereres under denne proces. Jo længere tidsperioden er, desto vigtigere er indikatorerne.
ADC push-pull integration har høj nøjagtighed og opløsning. På grund af dette, såvel som en relativt enkel konstruktionsstruktur, er de implementeret som mikrokredsløb. Den største ulempe ved dette operationsprincip er afhængigheden af netværksindikatoren. Husk, at dens muligheder er knyttet til strømforsyningens frekvensperiode.
Sådan fungerer en ADC med dobbelt integration. Princippet om drift af denne enhed, selvom det er ret kompliceret, men det giver kvalitetsindikatorer. I nogle tilfælde er dette simpelthen nødvendigt.
Vælg den APC med det funktionsprincip, vi har brug for
Lad os sige, at vi har en bestemt opgave foran os. Hvilken enhed skal jeg vælge, så den kan opfylde alle vores ønsker? Lad os først tale om opløsning og nøjagtighed. Meget ofte er de forvirrede, selvom de i praksis er meget afhængige af hinanden. Vær opmærksom på, at en 12-bit A/D-konverter kan være mindre nøjagtig end en 8-bit A/D-konverter. I detI dette tilfælde er opløsning et mål for, hvor mange segmenter der kan udtrækkes fra indgangsområdet for det målte signal. Så 8-bit ADC'er har 28=256 sådanne enheder.
Nøjagtighed er den totale afvigelse af det opnåede konverteringsresultat fra den ideelle værdi, som bør være ved en given indgangsspænding. Det vil sige, at den første parameter karakteriserer de potentielle muligheder, som ADC'en har, og den anden viser, hvad vi har i praksis. Derfor kan en enklere type (såsom direkte analog-til-digital-konvertere) være velegnet til os, som vil tilfredsstille behovene på grund af høj nøjagtighed.
For at få en idé om, hvad der er nødvendigt, skal du først beregne de fysiske parametre og bygge en matematisk formel for interaktion. Vigtige i dem er statiske og dynamiske fejl, for når du bruger forskellige komponenter og principper for at bygge en enhed, vil de påvirke dens egenskaber på forskellige måder. Mere detaljerede oplysninger kan findes i den tekniske dokumentation, der tilbydes af producenten af hver specifik enhed.
Eksempel
Lad os tage et kig på SC9711 ADC. Princippet om driften af denne enhed er kompliceret på grund af dens størrelse og muligheder. Forresten, når vi taler om sidstnævnte, skal det bemærkes, at de virkelig er forskellige. Så for eksempel varierer frekvensen af mulig drift fra 10 Hz til 10 MHz. Med andre ord kan den tage 10 millioner prøver i sekundet! Og selve enheden er ikke noget solidt, menhar en modulær opbygning. Men det bruges som regel i kompleks teknologi, hvor det er nødvendigt at arbejde med et stort antal signaler.
Konklusion
Som du kan se, har ADC'er grundlæggende forskellige funktionsprincipper. Dette giver os mulighed for at vælge enheder, der vil tilfredsstille de behov, der opstår, samtidig med at vi kan administrere vores tilgængelige midler klogt.
