Общ принцип на ADC

Нека разгледаме основния набор от въпроси, които могат да бъдат приписани на принципа на действие аналогово-цифрови преобразуватели (ADC) различни видове. Последен профил, бит балансиране - какво се крие зад тези думи? Какъв е принципът на работа на микроконтролера ADC? Тези, както и редица други въпроси, ще разгледаме в рамките на статията. Първите три части ще бъдат посветени на общата теория, а от четвъртата подпозиция ще разгледаме принципа на тяхната работа. Можете да отговаряте на условията на ADC и КПР в различни литература. Принципът на действие на тези устройства е малко по-различен, така че не ги бъркайте. Така ще бъде разгледана статията преобразуване на сигнала от аналогово към цифрово, докато КПР работи в обратна посока.

дефиниция

Преди да разгледаме принципа на ADC, нека разберем какъв вид устройство е. Аналогово-цифровите преобразуватели са устройства, които преобразуват физическата стойност в съответното цифрово представяне. Като начален параметър почти всичко може да действа: ток, напрежение, капацитет, съпротивление, ъгъл на въртене на вала, честота на пулса и т.н. Но за да имаме сигурност, ще работим само с една трансформация. Това е "кода на напрежението". Изборът на този формат не е случайно. В крайна сметка, ADC (принципът на работа на това устройство) и неговите характеристики до голяма степен зависят от това какво концепция за измерване се използва. С това се има предвид процесът на сравняване на определена стойност с предварително определен стандарт.

Характеристики на ADC

Основните са битовата дълбочина и честотата на преобразуването. Първата се изразява в бита, а втората се изразява в брой на секундата. Модерните аналого-цифрови преобразуватели могат да имат 24-битов капацитет или скорост на преобразуване, достигаща единици GSPS. Имайте предвид, че ADC може едновременно да ви предостави само една от характеристиките си. Колкото по-голяма е ефективността им, толкова по-трудно е да се работи с устройството, а самата тя е по-скъпа. Но ползата може да се получи необходимите цифри, жертвайки скоростта на устройството.

Видове ADC

Принципът на действие се различава между различните групи устройства. Ще разгледаме следните видове:

1. С директна трансформация.
2. С последващо сближаване.
3. С паралелна трансформация.
4. Аналого-цифров преобразувател с балансиране на заряда (делта-сигма).
5. Интегриране на ADC.

Има много други конвейери и комбинирани типове, които имат свои собствени специални характеристики с различни архитектури. Но тези проби, които ще бъдат разгледани в рамките на статията, представляват интерес, защото те играят индикативна роля в тяхната ниша на устройствата с тази специфичност. Ето защо нека проучим принципа на ADC, както и зависимостта му от физическото устройство.

Директни аналого-цифрови преобразуватели

Те станаха много популярни през 60-70-те години на миналия век. Във формата интегрални схеми се произвеждат от 80-те. Това са много прости, дори примитивни устройства, които не могат да се похвалят със значителни показатели. Тяхната битова дълбочина обикновено е 6-8 бита, а скоростта рядко надвишава 1 GSPS.

Принципът на работа на ADC от този тип е следният: един входен сигнал се въвежда едновременно към плюсовите входове на компараторите. Негативните терминали се доставят с напрежение с определена стойност. Тогава устройството определя неговия режим на работа. Това се прави благодарение на еталонното напрежение. Да приемем, че имаме устройство с 8 контролера. При изпращане Референтното напрежение frac12 ще включва само 4 от тях. Ще се формира приоритетният енкодер двоен код, който се фиксира от изходния регистър. По отношение на заслугите и недостатъците е възможно да се каже, че такъв принцип ви позволява да създавате устройства с висока скорост. Но за да получите необходимия капацитет, трябва да се потите много.

Общата формула за броя на сравнителите изглежда така: 2 ^ N. Под N трябва да зададете броя на цифрите. Примерът, разгледан по-рано, може да се използва отново: 2 ^ 3 = 8. За получаване на третата цифра са необходими 8 сравнения. Това е принципът на ADC, които бяха създадени на първо място. Не е много удобно, така че в последвалото имаше и други архитектури.

Аналогови към цифрови преобразуватели

Тук използваме алгоритъма "претегляне". Накратко, устройствата, използващи тази техника, се наричат ​​просто ADC за последователно преброяване. Принципът на работа е както следва: устройството измерва стойността на входния сигнал и след това се сравнява с числата, които се генерират по определена техника:

1. Използва се половината от възможното еталонно напрежение.
2. Ако сигналът е преодолял границата на стойността от точка # 1, той се сравнява с числото, което се намира в средата между оставащата стойност. Така че, в нашия случай ще бъде frac34- референтно напрежение. Ако референтният сигнал не достигне този индекс, тогава сравнението ще се извърши с друга част от интервала по същия начин. В този пример това е frac14- еталонно напрежение.
3. Стъпка 2 трябва да се повтори N пъти, което ще ни даде N bit резултат. Това се дължи на броя на сравненията с H.

Този принцип на работа прави възможно да се получат устройства с относително висока скорост на преобразуване, които са ADCs на последователното сближаване. Принципът на действие, както можете да видите, е прост и тези устройства са отлични за различни случаи.

Паралелни аналогово-цифрови преобразуватели

Те работят като серийни устройства. Формулата за изчисление е (2 ^ H) -1. За случая, разгледан по-рано, имаме нужда от (2 ^ 3) -1 сравнения. Използват се определени масиви от тези устройства, всеки от които може да сравнява входното и индивидуалното референтно напрежение. Паралелните аналогово-цифрови преобразуватели са доста бързи устройства. Но принципът на изграждане на тези устройства е такъв, че да подкрепят тяхното изпълнение изисква значителна мощност. Ето защо не е препоръчително да ги използвате с батерия.

Аналого-цифров преобразувател с битично балансиране

Той работи по подобна схема като предишното устройство. Ето защо, за да се обясни работата на ADC на битичното балансиране, принципът на работа за начинаещи ще се счита буквално на пръстите. В основата на тези устройства е феноменът на дихотомията. С други думи, се извършва последователно сравнение на измереното количество с определена част от максималната стойност. Стойностите могат да бъдат взети frac12-, 1/8, 1/16 и т.н. Следователно, аналогово-цифровият преобразувател може да извърши целия процес за повторения на H (последователни стъпки). И H ​​е равна на ADC бита ширина (погледнете по-горе дадени формули). По този начин имаме значителна печалба във времето, ако скоростта на техниката е особено важна. Въпреки значителната скорост, тези устройства също се характеризират с ниска статична грешка.

Аналого-цифрови преобразуватели с балансиране на заряда (делта-сигма)

Това е най-интересният тип устройство, не на последно място поради неговия принцип на работа. Състои се от факта, че входното напрежение се сравнява с това, което е натрупано от интегратора. Импулси с отрицателен или положителен поляритет се подават към входа (всичко зависи от резултата от предишната операция). По този начин може да се каже, че такъв аналогово-цифров преобразувател е проста система за проследяване. Но това е само пример за сравнение, за да можете да разберете, какво е делта-сигма ADC. Принципът на работа е система, но за ефективното функциониране на този аналогово-цифров преобразувател не е достатъчно. Крайният резултат е безкраен поток от единици и нули, които минават през цифров LPF. От тях се формира определена последователност от битове. Разграничение се прави между преобразувателите на ADC на първия и втория ред.

Интегрирани аналого-цифрови преобразуватели

Това е последният специален случай, който ще бъде разгледан в рамките на статията. След това ще опишем принципа на работа на тези устройства, но на общо ниво. Тази ADC е аналогово-цифров преобразувател с интеграция push-pull. Можете да срещнете подобно устройство в цифров мултицет. И това не е изненадващо, защото те осигуряват висока точност и едновременно с това потискат смущенията.

Сега нека се съсредоточим върху неговия принцип на работа. Състои се от това, че входният сигнал зарежда кондензатора за фиксирано време. Обикновено този период е единица от мрежовата честота, която захранва устройството (50 Hz или 60 Hz). Тя също може да бъде множествена. По този начин високочестотният шум се потиска. Същевременно влиянието на нестабилното напрежение на източника на електрическа енергия върху точността на резултата се изравнява.

Когато времето за зареждане на аналого-цифровия преобразувател приключи, кондензаторът започва да се разрежда с определена фиксирана скорост. Вътрешният брояч на устройството отчита броя импулси на часовника, генерирани по време на този процес. По този начин колкото по-дълъг е интервалът от време, толкова по-значими са индикаторите.

ADCs на push-pull интеграция имат висока точност и решаване на мощност. Благодарение на това, както и относително проста конструкция на конструкцията, те се изпълняват като чипове. Основният недостатък на този принцип на работа е зависимостта от индикатора на мрежата. Не забравяйте, че неговите възможности са свързани с продължителността на периодичния период на захранване.

Ето как работи двойното интегриране на ADC. Принципът на действие на това устройство, въпреки че е доста сложен, но осигурява качествени показатели. В някои случаи това е просто необходимо.

Изберете AIC с принципа на работа, от който се нуждаем

Да предположим, че сме изправени пред определена задача. Как да изберем устройство, за да удовлетвори всички наши искания? Първо, нека да поговорим за разрешаването и точността. Много често те са объркани, въпреки че на практика те са много слабо зависими от една от втората. Не забравяйте, че 12-битовият аналогово-цифров преобразувател може да има по-малка точност от 8-битова. В този случай разделителната способност е мярка за броя на сегментите, които могат да бъдат извлечени от входния диапазон на измерения сигнал. Така че, 8-битовите ADC имат 2⁸= 256 такива единици.

Точността е общото отклонение на полученото преобразуване от идеалната стойност, която трябва да бъде за дадено входно напрежение. Това означава, че първият параметър характеризира потенциалните възможности на ADC, а вторият показва това, което имаме на практика. Ето защо можем да се доближим до по-прост тип (например директни аналого-цифрови преобразуватели), които ще задоволят нуждите, дължащи се на висока точност.

За да имате представа за това, което е необходимо, първо трябва да изчислите физическите параметри и да изградите математическа формула за взаимодействие. Важно в тях са статични и динамични грешки, защото при използване на различни компоненти и принципи на конструиране на устройство, те ще имат различни ефекти върху неговите характеристики. По-подробна информация може да бъде намерена в техническата документация, която производителят на всяко отделно устройство предлага.

пример

Нека да разгледаме ADC SC9711. Принципът на работа на това устройство е сложен поради размера и възможностите му. Между другото, говорейки за последните, трябва да се отбележи, че те наистина са разнообразни. Така например честотата на възможните работи варира от 10 Hz до 10 MHz. С други думи, тя може да направи 10 милиона броя в секунда! Самият апарат не е нещо интегрално, но има модулна структура на конструкцията. Но той се използва, като правило, в сложна техника, където е необходимо да се работи с голям брой сигнали.

заключение

Както можете да видите, ADC основно имат различни принципи на работа. Това ни позволява да избираме устройства, които удовлетворяват исканията, които възникват, и в същото време ни позволяват да използваме разумно средствата.