Anem a veure la gamma principal de problemes que es poden atribuir al principi de funcionament dels convertidors analògic-digital (ADC) de diversos tipus. Recompte seqüencial, equilibri per bits: què s'amaga darrere d'aquestes paraules? Quin és el principi de funcionament del microcontrolador ADC? Aquestes, així com una sèrie d' altres preguntes, les considerarem en el marc de l'article. Dedicarem les tres primeres parts a la teoria general, i a partir del quart subtítol estudiarem el principi del seu treball. Podeu trobar els termes ADC i DAC en diverses bibliografies. El principi de funcionament d'aquests dispositius és lleugerament diferent, així que no els confongueu. Per tant, l'article considerarà la conversió de senyals de forma analògica a digital, mentre que el DAC funciona al revés.
Definició
Abans de considerar el principi de funcionament de l'ADC, anem a esbrinar quin tipus de dispositiu és. Els convertidors analògic-digital són dispositius que converteixen una magnitud física en una representació numèrica corresponent. Gairebé qualsevol cosa pot actuar com a paràmetre inicial: corrent, voltatge, capacitat, etc.resistència, angle de l'eix, freqüència de pols, etc. Però per estar segurs, treballarem amb una sola transformació. Això és "codi de tensió". L'elecció d'aquest format de treball no és casual. Després de tot, l'ADC (el principi de funcionament d'aquest dispositiu) i les seves característiques depenen en gran mesura del concepte de mesura que s'utilitzi. S'entén com el procés de comparació d'un valor determinat amb un estàndard establert prèviament.
Especificacions ADC
Els principals són la profunditat de bits i la freqüència de conversió. El primer s'expressa en bits i el segon en recomptes per segon. Els convertidors analògics-digitals moderns poden tenir 24 bits d'ample o fins a unitats GSPS. Tingueu en compte que un ADC només us pot proporcionar una de les seves característiques alhora. Com més gran sigui el seu rendiment, més difícil serà treballar amb el dispositiu i costa més. Però l'avantatge és que podeu obtenir els indicadors de profunditat de bits necessaris sacrificant la velocitat del dispositiu.
Tipus ADC
El principi de funcionament varia segons els diferents grups de dispositius. Veurem els tipus següents:
- Amb conversió directa.
- Amb aproximació successiva.
- Amb conversió paral·lela.
- Convertidor A/D amb equilibri de càrrega (delta-sigma).
- Integració d'ADC.
Hi ha molts altres tipus de canonades i combinacions que tenen les seves pròpies característiques especials amb una arquitectura diferent. Però aquellsles mostres que es consideraran en el marc de l'article són d'interès pel fet que tenen un paper indicatiu en el seu nínxol de dispositius d'aquesta especificitat. Per tant, estudiem el principi de l'ADC, així com la seva dependència del dispositiu físic.
Convertidors directes A/D
Es van fer molt populars als anys 60 i 70 del segle passat. En forma de circuits integrats, es produeixen des dels anys 80. Es tracta de dispositius molt senzills, fins i tot primitius, que no poden presumir d'un rendiment significatiu. La seva profunditat de bits sol ser de 6-8 bits i la velocitat rarament supera 1 GSPS.
El principi de funcionament d'aquest tipus d'ADC és el següent: les entrades positives dels comparadors reben simultàniament un senyal d'entrada. S'aplica una tensió d'una certa magnitud als terminals negatius. I llavors el dispositiu determina el seu mode de funcionament. Això es fa amb tensió de referència. Suposem que tenim un dispositiu amb 8 comparadors. Quan s'aplica ½ tensió de referència, només s'activaran 4 d'elles. El codificador de prioritat generarà un codi binari, que serà fixat pel registre de sortida. Pel que fa als avantatges i desavantatges, podem dir que aquest principi de funcionament permet crear dispositius d' alta velocitat. Però per obtenir la profunditat de bits necessària, has de suar molt.
La fórmula general per al nombre de comparadors és així: 2^N. Sota N cal posar el nombre de dígits. L'exemple considerat anteriorment es pot tornar a utilitzar: 2^3=8. En total, per obtenir la tercera categoria, cal8 comparadors. Aquest és el principi de funcionament dels ADC, que es van crear primer. No és gaire convenient, així que més tard van aparèixer altres arquitectures.
Convertidors d'aproximació successius d'analògic a digital
Aquí s'utilitza l'algoritme de "ponderació". En resum, els dispositius que funcionen segons aquesta tècnica s'anomenen simplement ADC de recompte en sèrie. El principi de funcionament és el següent: el dispositiu mesura el valor del senyal d'entrada i després es compara amb els números que es generen segons un mètode determinat:
- Defineix la meitat de la possible tensió de referència.
- Si el senyal ha superat el límit de valor del punt 1, es compara amb el nombre que es troba al mig entre el valor restant. Per tant, en el nostre cas serà ¾ de la tensió de referència. Si el senyal de referència no arriba a aquest indicador, la comparació es realitzarà amb l' altra part de l'interval segons el mateix principi. En aquest exemple, això és ¼ de la tensió de referència.
- El pas 2 s'ha de repetir N vegades, cosa que ens donarà N bits del resultat. Això es deu al fet de fer un nombre H de comparacions.
Aquest principi de funcionament permet obtenir dispositius amb una taxa de conversió relativament elevada, que són ADC d'aproximació successives. El principi de funcionament, com podeu veure, és senzill i aquests dispositius són ideals per a diverses ocasions.
Convertidors analògic-digital paral·lels
Funcionen com dispositius sèrie. La fórmula de càlcul és (2 ^ H) -1. PerEn el cas anterior, necessitem (2^3)-1 comparadors. Per al funcionament, s'utilitza una sèrie d'aquests dispositius, cadascun dels quals pot comparar la tensió d'entrada i de referència individual. Els convertidors paral·lels d'analògic a digital són dispositius bastant ràpids. Però el principi de construcció d'aquests dispositius és tal que es requereix una potència significativa per suportar el seu rendiment. Per tant, no és pràctic utilitzar-los amb bateria.
Conversor A/D equilibrat per bits
Funciona de la mateixa manera que el dispositiu anterior. Per tant, per explicar el funcionament d'un ADC d'equilibri bit a bit, el principi de funcionament per a principiants es considerarà literalment als dits. Al cor d'aquests dispositius hi ha el fenomen de la dicotomia. En altres paraules, es realitza una comparació coherent del valor mesurat amb una part determinada del valor màxim. Es poden prendre valors en ½, 1/8, 1/16 i així successivament. Per tant, el convertidor analògic a digital pot completar tot el procés en N iteracions (passos consecutius). A més, H és igual a la profunditat de bits de l'ADC (mireu les fórmules donades anteriorment). Així, tenim un important guany de temps, si la velocitat de la tècnica és especialment important. Malgrat la seva velocitat considerable, aquests dispositius també tenen poca precisió estàtica.
Convertidors A/D amb equilibri de càrrega (delta-sigma)
Aquest és el tipus de dispositiu més interessant, sobretotgràcies al seu principi de funcionament. Rau en el fet que la tensió d'entrada es compara amb la que ha acumulat l'integrador. Els polsos amb polaritat negativa o positiva s'alimenten a l'entrada (tot depèn del resultat de l'operació anterior). Així, podem dir que aquest convertidor analògic a digital és un sistema servo senzill. Però això és només un exemple de comparació, de manera que pugueu entendre què és un ADC delta-sigma. El principi de funcionament és sistèmic, però per al funcionament efectiu d'aquest convertidor analògic a digital no n'hi ha prou. El resultat final és un flux interminable d'1 i 0 a través del filtre digital de pas baix. A partir d'ells es forma una determinada seqüència de bits. Es fa una distinció entre els convertidors ADC de primer i segon ordre.
Integració de convertidors d'analògic a digital
Aquest és l'últim cas especial que es tindrà en compte a l'article. A continuació, descriurem el principi de funcionament d'aquests dispositius, però a nivell general. Aquest ADC és un convertidor analògic-digital push-pull. Podeu trobar un dispositiu similar en un multímetre digital. I això no és sorprenent, perquè proporcionen una gran precisió i alhora suprimeixen bé les interferències.
Ara centrem-nos en com funciona. Rau en el fet que el senyal d'entrada carrega el condensador durant un temps determinat. Per regla general, aquest període és una unitat de la freqüència de la xarxa que alimenta el dispositiu (50 Hz o 60 Hz). També pot ser múltiple. Així, les altes freqüències es suprimeixen.interferència. Al mateix temps, s'anivella la influència de la tensió inestable de la font de generació d'electricitat en la precisió del resultat.
Quan finalitza el temps de càrrega del convertidor analògic a digital, el condensador comença a descarregar-se a una velocitat determinada. El comptador intern del dispositiu compta el nombre de polsos de rellotge que es generen durant aquest procés. Així, com més llarg sigui el període de temps, més significatius són els indicadors.
La integració push-pull ADC té una alta precisió i resolució. A causa d'això, a més d'una estructura de construcció relativament senzilla, s'implementen com a microcircuits. El principal desavantatge d'aquest principi de funcionament és la dependència de l'indicador de xarxa. Recordeu que les seves capacitats estan lligades al període de freqüència de la font d'alimentació.
Així és com funciona un ADC de doble integració. El principi de funcionament d'aquest dispositiu, encara que és bastant complicat, però proporciona indicadors de qualitat. En alguns casos, això és simplement necessari.
Trieu l'APC amb el principi de funcionament que necessitem
Diguem que tenim una tasca determinada per davant. Quin dispositiu triar perquè pugui satisfer totes les nostres peticions? Primer, parlem de resolució i precisió. Molt sovint es confonen, encara que a la pràctica depenen molt poc l'un de l' altre. Tingueu en compte que un convertidor A/D de 12 bits pot ser menys precís que un convertidor A/D de 8 bits. En aquestEn aquest cas, la resolució és una mesura de quants segments es poden extreure del rang d'entrada del senyal mesurat. Per tant, els ADC de 8 bits tenen 28=256 unitats d'aquest tipus.
La precisió és la desviació total del resultat de conversió obtingut respecte al valor ideal, que hauria d'estar a una tensió d'entrada determinada. És a dir, el primer paràmetre caracteritza les capacitats potencials que té l'ADC, i el segon mostra el que tenim a la pràctica. Per tant, un tipus més senzill (com ara els convertidors directes d'analògic a digital) pot ser adequat per a nos altres, que satisfà les necessitats gràcies a l' alta precisió.
Per tenir una idea del que es necessita, primer cal calcular els paràmetres físics i construir una fórmula matemàtica per a la interacció. Són importants en ells els errors estàtics i dinàmics, ja que quan s'utilitzen diversos components i principis de construcció d'un dispositiu, afectaran les seves característiques de diferents maneres. Podeu trobar informació més detallada a la documentació tècnica que ofereix el fabricant de cada dispositiu específic.
Exemple
Fem una ullada a l'ADC SC9711. El principi de funcionament d'aquest dispositiu és complicat a causa de la seva mida i capacitat. Per cert, parlant d'aquests últims, cal destacar que són realment diversos. Així, per exemple, la freqüència d'operació possible oscil·la entre 10 Hz i 10 MHz. En altres paraules, pot prendre 10 milions de mostres per segon! I el dispositiu en si no és una cosa sòlida, peròté una estructura de construcció modular. Però s'utilitza, per regla general, en tecnologia complexa, on és necessari treballar amb un gran nombre de senyals.
Conclusió
Com podeu veure, els ADC bàsicament tenen diferents principis de funcionament. Això ens permet seleccionar dispositius que satisfan les necessitats que es plantegin, alhora que ens permet gestionar amb prudència els nostres fons disponibles.
