Diamo un'occhiata alla gamma principale di problemi che possono essere attribuiti al principio di funzionamento dei convertitori analogico-digitali (ADC) di vario tipo. Conteggio sequenziale, bilanciamento bit a bit: cosa si nasconde dietro queste parole? Qual è il principio di funzionamento del microcontrollore ADC? Questi, così come una serie di altre domande, considereremo nel quadro dell'articolo. Dedicheremo le prime tre parti alla teoria generale, e dal quarto sottotitolo studieremo il principio del loro lavoro. Puoi incontrare i termini ADC e DAC in varie pubblicazioni. Il principio di funzionamento di questi dispositivi è leggermente diverso, quindi non confonderli. Quindi, l'articolo prenderà in considerazione la conversione dei segnali dalla forma analogica a quella digitale, mentre il DAC funziona al contrario.
Definizione
Prima di considerare il principio di funzionamento dell'ADC, scopriamo di che tipo di dispositivo si tratta. I convertitori da analogico a digitale sono dispositivi che convertono una quantità fisica in una rappresentazione numerica corrispondente. Quasi tutto può agire come parametro iniziale: corrente, tensione, capacità,resistenza, angolo dell'albero, frequenza degli impulsi e così via. Ma per essere certi, lavoreremo con una sola trasformazione. Questo è il "codice di tensione". La scelta di questo formato di lavoro non è casuale. Dopotutto, l'ADC (il principio di funzionamento di questo dispositivo) e le sue caratteristiche dipendono in gran parte dal concetto di misurazione utilizzato. Questo è inteso come il processo di confronto di un determinato valore con uno standard stabilito in precedenza.
Specifiche ADC
Le principali sono la profondità di bit e la frequenza di conversione. Il primo è espresso in bit e il secondo in conteggi al secondo. I moderni convertitori da analogico a digitale possono avere una larghezza di 24 bit o fino a unità GSPS. Tieni presente che un ADC può fornirti solo una delle sue caratteristiche alla volta. Più elevate sono le loro prestazioni, più difficile è lavorare con il dispositivo e di per sé costa di più. Ma il vantaggio è che puoi ottenere gli indicatori di profondità di bit necessari sacrificando la velocità del dispositivo.
Tipi ADC
Il principio di funzionamento varia a seconda dei diversi gruppi di dispositivi. Esamineremo i seguenti tipi:
- Con conversione diretta.
- Con approssimazione successiva.
- Con conversione parallela.
- Convertitore A/D con bilanciamento della carica (delta-sigma).
- Integrazione di ADC.
Ci sono molti altri tipi di pipeline e combinazioni che hanno le proprie caratteristiche speciali con un'architettura diversa. Ma quellii campioni che saranno presi in considerazione nell'ambito dell'articolo sono interessanti in quanto svolgono un ruolo indicativo nella loro nicchia di dispositivi di questa specificità. Pertanto, studiamo il principio dell'ADC, così come la sua dipendenza dal dispositivo fisico.
Convertitori A/D diretti
Divennero molto popolari negli anni '60 e '70 del secolo scorso. Sotto forma di circuiti integrati, sono stati prodotti dagli anni '80. Si tratta di dispositivi molto semplici, anche primitivi che non possono vantare prestazioni significative. La loro profondità di bit è solitamente di 6-8 bit e la velocità raramente supera 1 GSPS.
Il principio di funzionamento di questo tipo di ADC è il seguente: gli ingressi positivi dei comparatori ricevono contemporaneamente un segnale di ingresso. Ai terminali negativi viene applicata una tensione di una certa entità. E quindi il dispositivo determina la sua modalità di funzionamento. Questo viene fatto con la tensione di riferimento. Diciamo di avere un dispositivo con 8 comparatori. Quando si applica ½ tensione di riferimento, solo 4 di esse verranno accese. L'encoder di priorità genererà un codice binario, che verrà fissato dal registro di uscita. Per quanto riguarda vantaggi e svantaggi, possiamo dire che questo principio di funzionamento consente di creare dispositivi ad alta velocità. Ma per ottenere la profondità di bit richiesta, devi sudare molto.
La formula generale per il numero di comparatori si presenta così: 2^N. Sotto N devi inserire il numero di cifre. L'esempio considerato in precedenza può essere riutilizzato: 2^3=8. In totale, per ottenere la terza categoria, è necessario8 comparatori. Questo è il principio di funzionamento degli ADC, che sono stati creati per primi. Non molto conveniente, quindi sono apparse altre architetture in seguito.
Convertitori da analogico a digitale ad approssimazione successiva
Qui viene utilizzato l'algoritmo di "ponderazione". In breve, i dispositivi che funzionano secondo questa tecnica sono semplicemente chiamati ADC a conteggio seriale. Il principio di funzionamento è il seguente: il dispositivo misura il valore del segnale in ingresso, quindi viene confrontato con i numeri che vengono generati secondo un determinato metodo:
- Imposta metà della possibile tensione di riferimento.
- Se il segnale ha superato il valore limite dal punto 1, viene confrontato con il numero che si trova a metà tra il valore rimanente. Quindi, nel nostro caso sarà ¾ della tensione di riferimento. Se il segnale di riferimento non raggiunge questo indicatore, il confronto verrà effettuato con l' altra parte dell'intervallo secondo lo stesso principio. In questo esempio, questo è ¼ della tensione di riferimento.
- Il passaggio 2 deve essere ripetuto N volte, il che ci darà N bit del risultato. Ciò è dovuto al numero H di confronti.
Questo principio di funzionamento permette di ottenere dispositivi con un tasso di conversione relativamente alto, che sono ADC ad approssimazione successiva. Il principio di funzionamento, come puoi vedere, è semplice e questi dispositivi sono ottimi per varie occasioni.
Convertitori da analogico a digitale in parallelo
Funzionano come dispositivi seriali. La formula di calcolo è (2 ^ H) -1. PerNel caso precedente, abbiamo bisogno di (2^3)-1 comparatori. Per il funzionamento viene utilizzata una determinata matrice di questi dispositivi, ognuno dei quali può confrontare l'ingresso e la tensione di riferimento individuale. I convertitori analogico-digitali paralleli sono dispositivi abbastanza veloci. Ma il principio di costruzione di questi dispositivi è tale che è necessaria una potenza significativa per supportarne le prestazioni. Pertanto, non è pratico utilizzarli a batteria.
Convertitore A/D bilanciato bit a bit
Funziona in modo simile al dispositivo precedente. Pertanto, per spiegare il funzionamento di un ADC di bilanciamento bit per bit, il principio di funzionamento per principianti sarà considerato letteralmente sulle dita. Al centro di questi dispositivi c'è il fenomeno della dicotomia. In altre parole, viene effettuato un confronto coerente del valore misurato con una certa parte del valore massimo. Si possono prendere valori in ½, 1/8, 1/16 e così via. Pertanto, il convertitore analogico-digitale può completare l'intero processo in N iterazioni (passi consecutivi). Inoltre, H è uguale alla profondità di bit dell'ADC (guarda le formule precedentemente fornite). Pertanto, abbiamo un notevole guadagno di tempo, se la velocità della tecnica è particolarmente importante. Nonostante la loro notevole velocità, questi dispositivi hanno anche una bassa precisione statica.
Convertitori A/D con bilanciamento della carica (delta-sigma)
Questo è il tipo di dispositivo più interessante, non ultimograzie al suo principio di funzionamento. Sta nel fatto che la tensione di ingresso viene confrontata con quella accumulata dall'integratore. Impulsi con polarità negativa o positiva vengono inviati all'ingresso (tutto dipende dal risultato dell'operazione precedente). Pertanto, possiamo dire che un tale convertitore analogico-digitale è un semplice servosistema. Ma questo è solo un esempio di confronto, quindi puoi capire cos'è un ADC delta-sigma. Il principio di funzionamento è sistemico, ma per l'efficace funzionamento di questo convertitore analogico-digitale non è sufficiente. Il risultato finale è un flusso infinito di 1 e 0 attraverso il filtro digitale passa-basso. Da essi si forma una certa sequenza di bit. Viene fatta una distinzione tra convertitori ADC di primo e secondo ordine.
Integrazione di convertitori da analogico a digitale
Questo è l'ultimo caso speciale che verrà considerato nell'articolo. Successivamente, descriveremo il principio di funzionamento di questi dispositivi, ma a livello generale. Questo ADC è un convertitore analogico-digitale push-pull. Puoi incontrare un dispositivo simile in un multimetro digitale. E questo non sorprende, perché forniscono un'elevata precisione e allo stesso tempo sopprimono bene le interferenze.
Ora concentriamoci su come funziona. Sta nel fatto che il segnale di ingresso carica il condensatore per un tempo fisso. Di norma, questo periodo è un'unità della frequenza della rete che alimenta il dispositivo (50 Hz o 60 Hz). Può anche essere multiplo. Pertanto, le alte frequenze vengono soppresse.interferenza. Allo stesso tempo, l'influenza della tensione instabile della fonte di produzione di elettricità sulla precisione del risultato è livellata.
Al termine del tempo di carica del convertitore analogico-digitale, il condensatore inizia a scaricarsi a una certa velocità fissa. Il contatore interno del dispositivo conta il numero di impulsi di clock generati durante questo processo. Pertanto, più lungo è il periodo di tempo, più significativi saranno gli indicatori.
L'integrazione push-pull ADC ha un'elevata precisione e risoluzione. Per questo motivo, oltre a una struttura costruttiva relativamente semplice, sono implementati come microcircuiti. Il principale svantaggio di questo principio di funzionamento è la dipendenza dall'indicatore di rete. Ricorda che le sue capacità sono legate al periodo di frequenza dell'alimentatore.
Così funziona un ADC a doppia integrazione. Il principio di funzionamento di questo dispositivo, sebbene sia piuttosto complicato, fornisce indicatori di qualità. In alcuni casi, questo è semplicemente necessario.
Scegli l'APC con il principio di funzionamento di cui abbiamo bisogno
Diciamo che abbiamo un certo compito davanti a noi. Quale dispositivo scegliere affinché possa soddisfare tutte le nostre richieste? Per prima cosa, parliamo di risoluzione e precisione. Molto spesso sono confuse, anche se in pratica dipendono molto poco l'una dall' altra. Tieni presente che un convertitore A/D a 12 bit potrebbe essere meno preciso di un convertitore A/D a 8 bit. In ciòIn questo caso, la risoluzione è una misura di quanti segmenti possono essere estratti dall'intervallo di ingresso del segnale misurato. Quindi, gli ADC a 8 bit hanno 28=256 di queste unità.
La precisione è la deviazione totale del risultato di conversione ottenuto dal valore ideale, che dovrebbe essere a una data tensione di ingresso. Cioè, il primo parametro caratterizza le potenziali capacità di cui dispone l'ADC e il secondo mostra ciò che abbiamo in pratica. Pertanto, un tipo più semplice (come i convertitori diretti da analogico a digitale) potrebbe essere adatto a noi, che soddisferà le esigenze grazie all'elevata precisione.
Per avere un'idea di ciò che serve, devi prima calcolare i parametri fisici e costruire una formula matematica per l'interazione. Importanti in essi sono gli errori statici e dinamici, perché quando si utilizzano vari componenti e principi di costruzione di un dispositivo, ne influenzeranno le caratteristiche in modi diversi. Informazioni più dettagliate possono essere trovate nella documentazione tecnica offerta dal produttore di ogni specifico dispositivo.
Esempio
Diamo un'occhiata all'ADC SC9711. Il principio di funzionamento di questo dispositivo è complicato a causa delle sue dimensioni e capacità. A proposito, parlando di questi ultimi, va notato che sono veramente diversi. Quindi, ad esempio, la frequenza del possibile funzionamento varia da 10 Hz a 10 MHz. In altre parole, può richiedere 10 milioni di campioni al secondo! E il dispositivo stesso non è qualcosa di solido, maha una struttura costruttiva modulare. Ma viene utilizzato, di regola, nella tecnologia complessa, dove è necessario lavorare con un gran numero di segnali.
Conclusione
Come puoi vedere, gli ADC hanno fondamentalmente diversi principi di funzionamento. Questo ci consente di selezionare dispositivi in grado di soddisfare le esigenze che si presentano, consentendoci anche di gestire con saggezza i nostri fondi disponibili.
