Tingnan natin ang pangunahing hanay ng mga isyu na maaaring maiugnay sa prinsipyo ng pagpapatakbo ng mga analog-to-digital converter (ADC) ng iba't ibang uri. Sequential counting, bitwise balancing - ano ang nakatago sa likod ng mga salitang ito? Ano ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng ADC microcontroller? Ang mga ito, pati na rin ang ilang iba pang mga katanungan, isasaalang-alang namin sa balangkas ng artikulo. Ilalaan natin ang unang tatlong bahagi sa pangkalahatang teorya, at mula sa ikaapat na subheading ay pag-aaralan natin ang prinsipyo ng kanilang gawain. Maaari mong matugunan ang mga terminong ADC at DAC sa iba't ibang panitikan. Ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng mga device na ito ay bahagyang naiiba, kaya huwag malito ang mga ito. Kaya, isasaalang-alang ng artikulo ang pag-convert ng mga signal mula sa analog patungo sa digital na anyo, habang gumagana ang DAC sa kabaligtaran.
Definition
Bago isaalang-alang ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng ADC, alamin natin kung anong uri ito ng device. Ang mga analog-to-digital converter ay mga device na nagko-convert ng pisikal na dami sa isang katumbas na representasyong numero. Halos anumang bagay ay maaaring kumilos bilang isang paunang parameter - kasalukuyang, boltahe, kapasidad,paglaban, anggulo ng baras, dalas ng pulso at iba pa. Ngunit para makatiyak, isang pagbabago lang ang gagawin natin. Ito ay "voltage-code". Ang pagpili ng ganitong format ng trabaho ay hindi sinasadya. Pagkatapos ng lahat, ang ADC (ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng aparatong ito) at ang mga tampok nito ay higit na nakasalalay sa kung aling konsepto ng pagsukat ang ginagamit. Ito ay nauunawaan bilang ang proseso ng paghahambing ng isang tiyak na halaga sa isang dating itinatag na pamantayan.
Mga Detalye ng ADC
Ang mga pangunahing ay bit depth at dalas ng conversion. Ang una ay ipinahayag sa mga bit at ang huli sa mga bilang sa bawat segundo. Ang mga modernong analog-to-digital converter ay maaaring 24 bits ang lapad o hanggang sa GSPS units. Tandaan na ang isang ADC ay maaari lamang magbigay sa iyo ng isa sa mga katangian nito sa isang pagkakataon. Kung mas mataas ang kanilang pagganap, mas mahirap na magtrabaho kasama ang aparato, at ito mismo ay nagkakahalaga ng higit pa. Ngunit ang benepisyo ay makukuha mo ang mga kinakailangang bit depth indicator sa pamamagitan ng pagsasakripisyo sa bilis ng device.
mga uri ng ADC
Ang prinsipyo ng pagpapatakbo ay nag-iiba para sa iba't ibang grupo ng mga device. Titingnan natin ang mga sumusunod na uri:
- Na may direktang conversion.
- Na may sunud-sunod na pagtatantya.
- Na may parallel na conversion.
- A/D converter na may charge balancing (delta-sigma).
- Pagsasama-sama ng mga ADC.
Maraming iba pang uri ng pipeline at kumbinasyon na may sariling mga espesyal na katangian na may iba't ibang arkitektura. Ngunit ang mga iyonang mga sample na isasaalang-alang sa loob ng balangkas ng artikulo ay kawili-wili dahil sa ang katunayan na sila ay gumaganap ng isang indikatibong papel sa kanilang angkop na lugar ng mga device na may ganitong pagtitiyak. Samakatuwid, pag-aralan natin ang prinsipyo ng ADC, gayundin ang pagdepende nito sa pisikal na device.
Direct A/D Converters
Naging napakasikat sila noong 60s at 70s ng huling siglo. Sa anyo ng mga integrated circuit, ginawa ang mga ito mula noong 80s. Ang mga ito ay napaka-simple, kahit na mga primitive na device na hindi maaaring magyabang ng makabuluhang pagganap. Ang kanilang bit depth ay karaniwang 6-8 bits, at ang bilis ay bihirang lumampas sa 1 GSPS.
Ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng ganitong uri ng ADC ay ang mga sumusunod: ang mga positibong input ng mga comparator ay sabay na tumatanggap ng input signal. Ang isang boltahe ng isang tiyak na magnitude ay inilalapat sa mga negatibong terminal. At pagkatapos ay tinutukoy ng aparato ang mode ng operasyon nito. Ginagawa ito gamit ang reference na boltahe. Sabihin nating mayroon tayong device na may 8 comparator. Kapag nag-aaplay ng ½ reference na boltahe, 4 lang sa mga ito ang i-on. Ang priority encoder ay bubuo ng binary code, na aayusin ng output register. Tungkol sa mga pakinabang at disadvantages, maaari naming sabihin na ang prinsipyong ito ng operasyon ay nagpapahintulot sa iyo na lumikha ng mga high-speed na aparato. Ngunit para makuha ang kinakailangang bit depth, kailangan mong magpawis ng husto.
Ang pangkalahatang formula para sa bilang ng mga comparator ay ganito ang hitsura: 2^N. Sa ilalim ng N kailangan mong ilagay ang bilang ng mga digit. Maaaring gamitin muli ang halimbawang isinasaalang-alang nang mas maaga: 2^3=8. Sa kabuuan, upang makuha ang ikatlong kategorya, ito ay kinakailangan8 kumpare. Ito ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng mga ADC, na unang nilikha. Hindi masyadong maginhawa, kaya lumitaw ang ibang mga arkitektura sa ibang pagkakataon.
Analog-to-digital na magkakasunod na approximation converter
Dito ginagamit ang "weighting" algorithm. Sa madaling salita, ang mga device na gumagana ayon sa pamamaraang ito ay tinatawag na mga serial counting ADC. Ang prinsipyo ng pagpapatakbo ay ang mga sumusunod: sinusukat ng device ang halaga ng input signal, at pagkatapos ay inihambing ito sa mga numero na nabuo ayon sa isang tiyak na paraan:
- Itinatakda ang kalahati ng posibleng reference na boltahe.
- Kung nalampasan ng signal ang limitasyon ng halaga mula sa punto 1, ihahambing ito sa numerong nasa gitna sa pagitan ng natitirang halaga. Kaya, sa aming kaso ito ay magiging ¾ ng boltahe ng sanggunian. Kung ang reference signal ay hindi umabot sa tagapagpahiwatig na ito, ang paghahambing ay isasagawa sa iba pang bahagi ng agwat ayon sa parehong prinsipyo. Sa halimbawang ito, ito ay ¼ ng reference na boltahe.
- Step 2 ay kailangang ulitin nang N beses, na magbibigay sa amin ng N bits ng resulta. Ito ay dahil sa paggawa ng H bilang ng mga paghahambing.
Ang prinsipyong ito ng pagpapatakbo ay ginagawang posible na makakuha ng mga device na may medyo mataas na rate ng conversion, na mga sunud-sunod na tinatayang ADC. Ang prinsipyo ng pagpapatakbo, tulad ng nakikita mo, ay simple, at ang mga device na ito ay mahusay para sa iba't ibang okasyon.
Parallel analog-to-digital converter
Gumagana ang mga ito tulad ng mga serial device. Ang formula ng pagkalkula ay (2 ^ H) -1. Para saSa nakaraang kaso, kailangan namin ng (2^3)-1 comparator. Para sa operasyon, ginagamit ang isang tiyak na hanay ng mga device na ito, na ang bawat isa ay maaaring ihambing ang input at indibidwal na boltahe ng sanggunian. Ang mga parallel na analog-to-digital converter ay medyo mabilis na mga device. Ngunit ang prinsipyo ng pagtatayo ng mga device na ito ay tulad na ang makabuluhang kapangyarihan ay kinakailangan upang suportahan ang kanilang pagganap. Samakatuwid, hindi praktikal na gamitin ang mga ito sa lakas ng baterya.
Bitwise Balanced A/D Converter
Gumagana ito sa katulad na paraan tulad ng nakaraang device. Samakatuwid, upang maipaliwanag ang paggana ng isang bit-by-bit na pagbabalanse ng ADC, ang prinsipyo ng operasyon para sa mga nagsisimula ay literal na isasaalang-alang sa mga daliri. Sa puso ng mga device na ito ay ang phenomenon ng dichotomy. Sa madaling salita, ang isang pare-parehong paghahambing ng sinusukat na halaga sa isang tiyak na bahagi ng pinakamataas na halaga ay isinasagawa. Maaaring kunin ang mga halaga sa ½, 1/8, 1/16 at iba pa. Samakatuwid, ang analog-to-digital converter ay maaaring kumpletuhin ang buong proseso sa N iterations (magkakasunod na hakbang). Bukod dito, ang H ay katumbas ng bit depth ng ADC (tingnan ang naunang ibinigay na mga formula). Kaya, mayroon kaming isang makabuluhang pakinabang sa oras, kung ang bilis ng pamamaraan ay lalong mahalaga. Sa kabila ng kanilang napakabilis na bilis, ang mga device na ito ay mayroon ding mababang static na katumpakan.
A/D converter na may charge balancing (delta-sigma)
Ito ang pinakakawili-wiling uri ng device, hindi bababa sasalamat sa prinsipyo ng operasyon nito. Ito ay nakasalalay sa katotohanan na ang input boltahe ay inihambing sa kung ano ang naipon ng integrator. Ang mga pulso na may negatibo o positibong polarity ay pinapakain sa input (lahat ito ay nakasalalay sa resulta ng nakaraang operasyon). Kaya, maaari nating sabihin na ang naturang analog-to-digital converter ay isang simpleng servo system. Ngunit ito ay isang halimbawa lamang para sa paghahambing, upang maunawaan mo kung ano ang delta-sigma ADC. Ang prinsipyo ng operasyon ay systemic, ngunit para sa epektibong paggana ng analog-to-digital converter na ito ay hindi sapat. Ang resulta ay isang walang katapusang stream ng 1s at 0s sa pamamagitan ng digital low-pass na filter. Ang isang tiyak na bit sequence ay nabuo mula sa kanila. Ginagawa ang pagkakaiba sa pagitan ng una at pangalawang order na mga ADC converter.
Pagsasama ng mga analog-to-digital converter
Ito ang huling espesyal na kaso na isasaalang-alang sa artikulo. Susunod, ilalarawan namin ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng mga device na ito, ngunit sa isang pangkalahatang antas. Ang ADC na ito ay isang push-pull analog-to-digital converter. Maaari mong matugunan ang isang katulad na aparato sa isang digital multimeter. At hindi ito nakakagulat, dahil nagbibigay sila ng mataas na katumpakan at kasabay nito ay mahusay na pinipigilan ang interference.
Ngayon, tumuon tayo sa kung paano ito gumagana. Ito ay namamalagi sa katotohanan na ang input signal ay sinisingil ang kapasitor para sa isang nakapirming oras. Bilang isang patakaran, ang panahong ito ay isang yunit ng dalas ng network na nagpapagana sa device (50 Hz o 60 Hz). Maaari rin itong maramihan. Kaya, ang mga mataas na frequency ay pinigilan.panghihimasok. Kasabay nito, ang impluwensya ng hindi matatag na boltahe ng pangunahing pinagmumulan ng pagbuo ng kuryente sa katumpakan ng resulta ay na-level.
Kapag natapos ang analog-to-digital converter charge time, magsisimulang magdischarge ang capacitor sa isang tiyak na fixed rate. Binibilang ng internal counter ng device ang bilang ng mga pulso ng orasan na nabuo sa prosesong ito. Kaya, mas mahaba ang yugto ng panahon, mas makabuluhan ang mga indicator.
Ang ADC push-pull integration ay may mataas na katumpakan at resolution. Dahil dito, pati na rin ang isang medyo simpleng istraktura ng konstruksiyon, ipinatupad ang mga ito bilang microcircuits. Ang pangunahing kawalan ng prinsipyong ito ng operasyon ay ang pagtitiwala sa tagapagpahiwatig ng network. Tandaan na ang mga kakayahan nito ay nakatali sa frequency period ng power supply.
Ganito gumagana ang double integration ADC. Ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng aparatong ito, kahit na ito ay medyo kumplikado, ngunit nagbibigay ito ng mga tagapagpahiwatig ng kalidad. Sa ilang sitwasyon, kailangan lang ito.
Piliin ang APC na may prinsipyo ng pagpapatakbo na kailangan natin
Sabihin nating mayroon tayong isang tiyak na gawain sa hinaharap. Aling device ang pipiliin para matugunan nito ang lahat ng aming kahilingan? Una, pag-usapan natin ang tungkol sa resolusyon at katumpakan. Kadalasan sila ay nalilito, bagama't sa pagsasagawa sila ay napakakaunting nakasalalay sa isa't isa. Magkaroon ng kamalayan na ang isang 12-bit A/D converter ay maaaring hindi gaanong tumpak kaysa sa isang 8-bit A/D converter. Sa ganyanSa kasong ito, ang resolution ay isang sukatan kung gaano karaming mga segment ang maaaring makuha mula sa saklaw ng input ng sinusukat na signal. Kaya, ang mga 8-bit na ADC ay mayroong 28=256 ganoong mga unit.
Ang Accuracy ay ang kabuuang deviation ng nakuhang resulta ng conversion mula sa ideal na value, na dapat ay nasa isang ibinigay na input voltage. Iyon ay, ang unang parameter ay nagpapakilala sa mga potensyal na kakayahan na mayroon ang ADC, at ang pangalawa ay nagpapakita kung ano ang mayroon tayo sa pagsasanay. Samakatuwid, ang isang mas simpleng uri (tulad ng mga direktang analog-to-digital converter) ay maaaring angkop para sa amin, na tutugon sa mga pangangailangan dahil sa mataas na katumpakan.
Upang magkaroon ng ideya kung ano ang kailangan, kailangan mo munang kalkulahin ang mga pisikal na parameter at bumuo ng mathematical formula para sa pakikipag-ugnayan. Mahalaga sa kanila ang mga static at dynamic na error, dahil kapag gumagamit ng iba't ibang mga bahagi at prinsipyo ng pagbuo ng isang device, maaapektuhan nila ang mga katangian nito sa iba't ibang paraan. Ang mas detalyadong impormasyon ay makikita sa teknikal na dokumentasyong inaalok ng manufacturer ng bawat partikular na device.
Halimbawa
Tingnan natin ang SC9711 ADC. Ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng device na ito ay kumplikado dahil sa laki at kakayahan nito. Sa pamamagitan ng paraan, ang pagsasalita tungkol sa huli, dapat tandaan na sila ay tunay na magkakaibang. Kaya, halimbawa, ang dalas ng posibleng operasyon ay mula 10 Hz hanggang 10 MHz. Sa madaling salita, maaari itong tumagal ng 10 milyong sample bawat segundo! At ang aparato mismo ay hindi isang bagay na solid, ngunitay may isang modular na istraktura ng konstruksiyon. Ngunit ito ay ginagamit, bilang panuntunan, sa kumplikadong teknolohiya, kung saan kinakailangan upang gumana sa isang malaking bilang ng mga signal.
Konklusyon
Tulad ng nakikita mo, ang mga ADC ay karaniwang may iba't ibang prinsipyo ng pagpapatakbo. Nagbibigay-daan ito sa amin na pumili ng mga device na makakatugon sa mga pangangailangang lumilitaw, habang pinahihintulutan din kaming pamahalaan ang aming mga magagamit na pondo nang matalino.
