Prinsip umum dari operasi ADC

Mari kita lihat pada kisaran utama isu yang dapat dikaitkan dengan prinsip konverter analog-ke-digital (ADC) dari berbagai jenis. akun berurutan, balancing berturut - apa yang ada di balik kata-kata ini? Apa prinsip kerja ADC dari mikrokontroler? Ini dan isu-isu lainnya akan dibahas dalam rangka artikel. Tiga pertama akan ditujukan untuk teori umum, dan subtitle keempat akan mempelajari bagaimana mereka bekerja. Anda dapat memenuhi berbagai ADC sastra dan DAC istilah. Prinsip operasi dari perangkat ini sedikit berbeda, jadi jangan membingungkan mereka. Dengan demikian, artikel ini akan dianggap konversi sinyal dari analog ke digital, sedangkan DAC bekerja secara terbalik.

definisi

Sebelum mempertimbangkan prinsip ADC, mari kita cari tahu apa perangkat ini. Konverter analog ke digital adalah perangkat yang kuantitas fisik diubah menjadi representasi numerik yang sesuai. Parameter awal dapat bertindak hampir apa pun - saat ini, tegangan, kapasitansi, resistansi, rotasi poros, denyut nadi dan sebagainya. Tetapi untuk memiliki kepastian, kami akan bekerja dengan hanya satu konversi. Ini "kode tegangan". Pilihan format pekerjaan ini tidak disengaja. Setelah ADC (prinsip pengoperasian perangkat ini) dan fitur-fiturnya sangat tergantung pada jenis konsep pengukuran yang digunakan. Hal ini mengacu pada proses membandingkan nilai tertentu dengan standar ditetapkan sebelumnya.

karakteristik ADC

Sedikit utama bisa disebut, dan tingkat konversi. Pertama dinyatakan dalam bit, dan yang kedua - di sampel kedua. konverter analog-ke-digital modern mungkin memiliki 24-bit atau kecepatan konversi, yang datang ke unit GSPS. Perhatikan bahwa ADC secara bersamaan dapat memberikan Anda dengan menggunakan hanya satu karakteristik nya. Semakin besar kinerja mereka, semakin sulit untuk bekerja dengan perangkat, dan itu lebih mahal itu sendiri. Tapi manfaat mungkin untuk mendapatkan kinerja sedikit mendalam diperlukan dengan mengorbankan kecepatan instrumen.

jenis ADC

Prinsip operasi bervariasi antara kelompok-kelompok yang berbeda dari perangkat. Kami menganggap jenis berikut:

1. Sejak konversi langsung.
2. Dengan pendekatan berturut-turut.
3. Dengan transformasi paralel.
4. Analog-ke-digital converter dengan biaya balancing (delta-sigma).
5. Mengintegrasikan ADC.

Ada banyak jenis conveyor dan gabungan, yang memiliki karakteristik khusus mereka sendiri arsitektur yang berbeda. Tapi orang-orang sampel, yang akan dipertimbangkan dalam rangka artikel yang menarik karena mereka memainkan peran teladan dalam perangkat ceruk kekhususan tersebut. Jadi mari kita memeriksa prinsip ADC, serta ketergantungan pada perangkat fisik.

analog langsung ke digital converter

Mereka telah menjadi sangat populer di 60-70-ies dari abad terakhir. Dalam bentuk sirkuit terpadu yang diproduksi dengan 80-an. Hal ini sangat sederhana, bahkan perangkat primitif yang tidak bisa membanggakan angka signifikan. kapasitas mereka biasanya 6-8 bit, dan kecepatan jarang melebihi 1 GSPS.

Prinsip operasi dari jenis ADC adalah bahwa pada input ditambah pembanding sinyal input secara bersamaan. Pada tegangan terminal negatif adalah nilai tertentu. Dan kemudian perangkat menentukan operasinya. Hal ini dilakukan berkat tegangan referensi. Mari kita asumsikan bahwa kita memiliki perangkat di mana 8 pembanding. Ketika makan ½ dari tegangan referensi diaktifkan hanya 4 dari mereka. Prioritas encoder membentuk kode biner, yang merupakan output yang mendaftar dan kait. kekuatan dan kelemahan relatif dapat dikatakan bahwa prinsip ini dari operasi memungkinkan Anda untuk membuat perangkat berkecepatan tinggi. Tapi untuk mendapatkan panjang kata yang diperlukan harus berkeringat berat.

Rumus umum untuk jumlah pembanding adalah sebagai berikut: 2 ^ N. Di bawah N diperlukan untuk menempatkan jumlah digit. Dilihat contoh sebelumnya dapat digunakan lagi: 2 ^ 3 = 8. Subtotal untuk debit ketiga harus 8 pembanding. Ini adalah prinsip ADC, yang diciptakan pertama. Sangat tidak nyaman, sehingga kemudian ada arsitektur lainnya.

Analog-ke-digital converter, pendekatan berturut-turut

algoritma "bobot" digunakan di sini. Mempersingkat perangkat beroperasi pada prosedur tersebut, disebut hanya sebagai tagihan berturut-turut ADC. Prinsip operasi adalah sebagai berikut: perangkat diukur dengan sinyal input, dan kemudian dibandingkan dengan angka, yang dihasilkan sesuai dengan prosedur tertentu:

1. Set mungkin setengah tegangan referensi.
2. Jika batas besarnya sinyal mengatasi perjalanan №1, itu dibandingkan dengan sejumlah yang terletak di tengah antara nilai yang tersisa. Jadi, dalam kasus kami itu akan menjadi ¾ dari tegangan referensi. Jika sinyal referensi jatuh pendek dari angka ini, perbandingan akan dilakukan dengan bagian lain dari interval dengan prinsip yang sama. Dalam contoh ini, ¼ dari tegangan referensi.
3. Langkah 2 harus diulang n kali, yang akan memberi kita N bit hasilnya. Hal ini disebabkan perilaku jumlah N dari perbandingan.

Prinsip ini aparatur memungkinkan untuk mendapatkan dengan relatif tingkat konversi yang tinggi, yang ADC pendekatan berturut-turut. Prinsip operasi, seperti yang Anda lihat, sederhana, dan perangkat ini ideal untuk berbagai kesempatan.

Paralel analog-to-digital converter

Mereka bekerja seperti perangkat serial. Rumus perhitungan - (2 ^ n) -1. Untuk kasus ini dianggap sebelumnya, kita perlu (2 ^ 3) -1 pembanding. Untuk operasi menggunakan array spesifik perangkat ini, yang masing-masing dapat membandingkan input dan tegangan referensi individu. konverter analog-ke-digital paralel adalah perangkat cukup cepat. Tetapi prinsip pembangunan perangkat ini adalah bahwa untuk mendukung efisiensi mereka membutuhkan daya yang signifikan. Oleh karena itu, penggunaannya dalam bertenaga baterai yang tidak pantas.

Analog-ke-digital converter dengan balancing berturut-turut

Ini beroperasi pada cara yang sama sebagai perangkat sebelumnya. Oleh karena itu, dalam rangka untuk menjelaskan operasi berturut-turut balancing ADC, prinsip operasi untuk pemula akan dipertimbangkan secara harfiah di jari. Dalam perangkat ini didasarkan pada fenomena dikotomi. Dengan kata lain, perbandingan serial dilakukan nilai diukur dengan bagian tertentu dari nilai maksimum. Dapat mengambil nilai-nilai ½, 1/8, 1/16 dan seterusnya. Oleh karena itu, analog-to-digital converter dapat melakukan proses untuk N iterasi (langkah berturut-turut). Dimana N sama dengan bit ADC (melihat rumus sebelumnya di atas). Dengan demikian, kita memiliki keuntungan yang cukup besar dalam waktu, jika teknik kinerja sangat penting. Meskipun kecepatan cukup, perangkat ini juga ditandai dengan kesalahan statis yang rendah.

Analog-ke-digital converter dengan biaya balancing (delta-sigma)

Ini adalah jenis yang paling menarik dari perangkat, tidak sedikit karena prinsip operasinya. Ini terdiri dalam bahwa tegangan input dibandingkan sehingga akumulasi integrator. Apakah pulsa masukan dengan polaritas negatif atau positif (tergantung pada hasil dari operasi sebelumnya). Dengan demikian, kita dapat mengatakan bahwa konverter seperti analog-ke-digital adalah sistem pelacakan sederhana. Tapi ini hanya sebuah contoh untuk perbandingan, sehingga Anda dapat memahami apa yang delta-sigma ADC. Prinsip sistem operasi, tetapi untuk operasi yang efektif dari analog-ke-digital converter tidak cukup. Hasil akhirnya adalah seolah tak ada habisnya satu dan nol, yang berjalan melalui digital low-pass filter. Mereka membentuk urutan bit tertentu. Membedakan konverter ADC dari urutan pertama dan kedua.

Mengintegrasikan analog-to-digital converter

Ini adalah kasus khusus dari yang terakhir, yang akan dianggap sebagai bagian dari artikel. Berikutnya, kami akan menjelaskan pengoperasian perangkat ini, tetapi pada tingkat umum. ADC ini adalah analog-ke-digital converter dengan integrasi push-pull. Untuk memenuhi alat tersebut dapat multimeter digital. Dan ini tidak mengherankan, karena mereka memberikan akurasi yang tinggi dan pada saat yang sama juga menekan gangguan.

Sekarang mari kita fokus pada prinsip operasinya. Ini terletak pada kenyataan bahwa kapasitor masukan dibebankan untuk waktu yang tetap. Biasanya, periode ini adalah salah satu dari frekuensi listrik yang kekuatan perangkat (50 Hz atau 60 Hz). Hal ini juga dapat beberapa a. Dengan demikian, frekuensi tinggi suara ditekan. Bersamaan diratakan pengaruh yang tidak stabil tegangan sumber listrik listrik pada keakuratan hasilnya.

Ketika waktu pengisian berakhir converter analog-digital, kapasitor mulai melepaskan dengan kecepatan tetap tertentu. perangkat counter internal menghitung jumlah jam pulsa yang dihasilkan selama proses ini. Dengan demikian, semakin lama interval waktu, semakin besar kinerja.

ADC integrasi twostroke memiliki akurasi tinggi dan resolusi. Karena ini, serta pembangunan struktur yang relatif sederhana, mereka dieksekusi sebagai sebuah chip. Kelemahan utama dari prinsip tersebut bekerja - tergantung pada jaringan kinerja. Ingat bahwa kemampuan terikat dengan durasi periode catu daya frekuensi.

Berikut adalah cara integrasi ganda ADC. Prinsip operasi dari perangkat meskipun cukup kompleks, tetapi memberikan indikator kualitas. Dalam beberapa kasus, ini hanya diperlukan.

Pilih APC kita dengan prinsip yang diperlukan

Katakanlah, kita dihadapkan dengan tugas tertentu. Yang untuk memilih perangkat sehingga dapat memenuhi semua kebutuhan kita? Pertama, mari kita bicara tentang resolusi dan akurasi. Sangat sering mereka bingung, meskipun dalam prakteknya mereka sangat lemah bergantung pada yang kedua. Perhatikan bahwa 12-bit analog-ke-digital converter mungkin kurang akurat dibandingkan dengan 8-bit. Dalam hal ini, resolusi - adalah ukuran kuantitas segmen dapat dialokasikan ke berbagai masukan sinyal diukur. Dengan demikian, 8-bit ADC memiliki 2 ⁸ = 256 unit tersebut.

Akurasi - adalah hasil konversi keseluruhan diperoleh penyimpangan dari nilai-nilai ideal, yang harus berada pada tegangan input yang diberikan. Artinya, parameter pertama ciri potensi yang memiliki ADC, dan yang kedua menunjukkan apa yang kita miliki dalam praktek. Oleh karena itu, kita dapat meningkatkan dan jenis yang lebih sederhana (misalnya, langsung analog-to-digital converter), yang akan memenuhi persyaratan karena akurasi yang tinggi.

Untuk memiliki gagasan tentang apa yang diperlukan untuk mulai menghitung parameter fisik dan membangun rumus matematika interaksi. Penting mereka kesalahan statis dan dinamis, karena ketika menggunakan berbagai komponen dan prinsip-prinsip pembangunan perangkat mereka akan memiliki dampak yang berbeda pada kinerjanya. Lebih informasi rinci dapat ditemukan dalam dokumentasi teknis yang ditawarkan oleh produsen masing-masing perangkat tertentu.

contoh

Mari kita lihat di SC9711 ADC. Prinsip operasi dari perangkat ini adalah kompleks karena ukuran dan kapasitas. Berbicara tentang yang terakhir, perlu dicatat bahwa mereka benar-benar beragam. Jadi, misalnya, mungkin frekuensi operasi bervariasi dari 10 Hz sampai 10 MHz. Dengan kata lain, hal itu dapat membuat 10 juta sampel per detik! Dan perangkat itu sendiri bukanlah sesuatu yang solid, dan memiliki konstruksi modular struktur. Tetapi biasanya digunakan dalam aplikasi yang kompleks di mana Anda perlu untuk bekerja dengan sejumlah besar sinyal.

kesimpulan

Seperti yang Anda lihat, ADC inheren memiliki prinsip-prinsip yang berbeda operasi. Hal ini memungkinkan kita untuk memilih perangkat yang akan memenuhi kebutuhan yang timbul dan dengan demikian memungkinkan penggunaan yang wajar dari sumber daya yang tersedia.