Çeşitli türlerdeki analogdan dijitale dönüştürücülerin (ADC'ler) çalışma prensibine atfedilebilecek ana konulara bakalım. Sıralı sayma, bit düzeyinde dengeleme - bu kelimelerin arkasında ne gizli? ADC mikrodenetleyicinin çalışma prensibi nedir? Bunları ve bir dizi başka soruyu makale çerçevesinde ele alacağız. İlk üç bölümü genel teoriye ayıracağız ve dördüncü alt başlıktan çalışmalarının prensibini inceleyeceğiz. ADC ve DAC terimlerine çeşitli literatürlerde rastlayabilirsiniz. Bu cihazların çalışma prensibi biraz farklıdır, bu yüzden onları karıştırmayın. Bu nedenle makale, DAC tam tersi şekilde çalışırken sinyallerin analogdan dijital forma dönüştürülmesini ele alacaktır.
Tanım
ADC'nin çalışma prensibini düşünmeden önce nasıl bir cihaz olduğunu öğrenelim. Analogdan dijitale dönüştürücüler, fiziksel bir miktarı karşılık gelen sayısal temsile dönüştüren cihazlardır. Hemen hemen her şey bir başlangıç parametresi olarak hareket edebilir - akım, voltaj, kapasitans,direnç, mil açısı, darbe frekansı vb. Ama emin olmak için tek bir dönüşümle çalışacağız. Bu "voltaj kodu"dur. Bu çalışma biçiminin seçimi tesadüfi değildir. Sonuçta, ADC (bu cihazın çalışma prensibi) ve özellikleri büyük ölçüde hangi ölçüm kavramının kullanıldığına bağlıdır. Bu, belirli bir değeri önceden belirlenmiş bir standartla karşılaştırma süreci olarak anlaşılır.
ADC Spesifikasyonları
Başlıcaları bit derinliği ve dönüştürme frekansıdır. İlki bit olarak, ikincisi ise saniyedeki sayı olarak ifade edilir. Modern analogdan dijitale dönüştürücüler 24 bit genişliğinde veya GSPS birimlerine kadar olabilir. Bir ADC'nin size aynı anda yalnızca özelliklerinden birini sağlayabileceğini unutmayın. Performansları ne kadar yüksek olursa, cihazla çalışmak o kadar zor olur ve kendisi daha pahalıya mal olur. Ancak faydası, cihazın hızından ödün vererek gerekli bit derinliği göstergelerini elde edebilmenizdir.
ADC türleri
Çalışma prensibi farklı cihaz grupları için değişiklik gösterir. Aşağıdaki türlere bakacağız:
- Doğrudan dönüştürme ile.
- Ardışık yaklaşımla.
- Paralel dönüştürme ile.
- Yük dengelemeli (delta-sigma) A/D dönüştürücü.
- ADC'leri entegre etme.
Farklı mimariye sahip kendine has özellikleri olan başka birçok boru hattı ve kombinasyon türü vardır. Ama bunlarmakale çerçevesinde ele alınacak örnekler, bu özgüllükteki cihazların nişlerinde belirleyici bir rol oynamaları nedeniyle ilgi çekicidir. Bu nedenle, ADC'nin ilkesini ve fiziksel cihaza bağımlılığını inceleyelim.
Doğrudan A/D Dönüştürücüler
Geçen yüzyılın 60'lı ve 70'li yıllarında çok popüler oldular. Entegre devreler şeklinde 80'li yıllardan beri üretilmektedir. Bunlar, önemli bir performansla övünemeyen çok basit, hatta ilkel cihazlardır. Bit derinlikleri genellikle 6-8 bittir ve hızları nadiren 1 GSPS'yi geçer.
Bu tip ADC'nin çalışma prensibi şu şekildedir: karşılaştırıcıların pozitif girişleri aynı anda bir giriş sinyali alır. Negatif terminallere belirli bir büyüklükte bir voltaj uygulanır. Ardından cihaz çalışma modunu belirler. Bu, referans voltajı ile yapılır. Diyelim ki 8 karşılaştırıcılı bir cihazımız var. ½ referans voltajı uygulandığında bunlardan sadece 4 tanesi açılacaktır. Öncelik kodlayıcı, çıkış kaydı tarafından sabitlenecek olan bir ikili kod üretecektir. Avantajları ve dezavantajları ile ilgili olarak, bu çalışma prensibinin yüksek hızlı cihazlar oluşturmanıza izin verdiğini söyleyebiliriz. Ancak gerekli bit derinliğini elde etmek için çok terlemelisiniz.
Karşılaştırıcı sayısı için genel formül şuna benzer: 2^N. N altında basamak sayısını girmeniz gerekir. Daha önce ele alınan örnek tekrar kullanılabilir: 2^3=8. Toplamda, üçüncü kategoriyi elde etmek için gereklidir8 karşılaştırıcı. İlk yaratılan ADC'lerin çalışma prensibi budur. Çok uygun değil, bu yüzden daha sonra başka mimariler ortaya çıktı.
Analogdan dijitale ardışık yaklaşım dönüştürücüler
Burada "ağırlıklandırma" algoritması kullanılır. Kısacası, bu tekniğe göre çalışan cihazlara basitçe seri sayma ADC'leri denir. Çalışma prensibi şu şekildedir: cihaz giriş sinyalinin değerini ölçer ve ardından belirli bir metoda göre üretilen sayılarla karşılaştırılır:
- Olası referans voltajının yarısını ayarlar.
- Sinyal 1 numaralı noktadan itibaren değer sınırını aştıysa, kalan değerin ortasındaki sayı ile karşılaştırılır. Yani, bizim durumumuzda referans voltajının ¾'ü olacaktır. Referans sinyali bu göstergeye ulaşmazsa, aynı prensibe göre aralığın diğer kısmı ile karşılaştırma yapılacaktır. Bu örnekte, bu referans voltajın ¼'üdür.
- Adım 2'nin N kez tekrarlanması gerekiyor, bu bize sonucun N bitini verecektir. Bunun nedeni H sayıda karşılaştırma yapmaktır.
Bu çalışma prensibi, ardışık yaklaşım ADC'leri olan nispeten yüksek dönüştürme oranına sahip cihazların elde edilmesini mümkün kılar. Gördüğünüz gibi çalışma prensibi basittir ve bu cihazlar çeşitli durumlar için mükemmeldir.
Paralel analogdan dijitale dönüştürücüler
Seri cihazlar gibi çalışırlar. Hesaplama formülü (2 ^ H) -1'dir. İçinÖnceki durumda (2^3)-1 karşılaştırıcıya ihtiyacımız var. Çalışma için, her biri giriş ve bireysel referans voltajını karşılaştırabilen bu cihazların belirli bir dizisi kullanılır. Paralel analogdan dijitale dönüştürücüler oldukça hızlı cihazlardır. Ancak bu cihazların yapım ilkesi, performanslarını desteklemek için önemli miktarda güç gerektirecek şekildedir. Bu nedenle pil gücüyle kullanmak pratik değildir.
Bitwise Dengeli A/D Dönüştürücü
Önceki cihazla benzer şekilde çalışır. Bu nedenle, bit-bit dengeleyici ADC'nin işleyişini açıklamak için, yeni başlayanlar için çalışma prensibi tam anlamıyla parmaklarda ele alınacaktır. Bu cihazların kalbinde ikilik olgusu yer alır. Başka bir deyişle, ölçülen değerin maksimum değerin belirli bir kısmı ile tutarlı bir karşılaştırması gerçekleştirilir. ½, 1/8, 1/16 ve benzeri değerler alınabilir. Bu nedenle, analogdan dijitale dönüştürücü, tüm süreci N yinelemede (ardışık adımlar) tamamlayabilir. Ayrıca H, ADC'nin bit derinliğine eşittir (önceden verilen formüllere bakın). Bu nedenle, tekniğin hızı özellikle önemliyse, önemli bir zaman kazancımız var. Önemli hızlarına rağmen, bu cihazların statik doğruluğu da düşüktür.
Yük dengelemeli A/D dönüştürücüler (delta-sigma)
Bu, en ilginç cihaz türüdür, en az değilçalışma prensibi sayesinde. Giriş voltajının, entegratörün biriktirdiğiyle karşılaştırılması gerçeğinde yatmaktadır. Girişe negatif veya pozitif polariteye sahip darbeler beslenir (hepsi önceki işlemin sonucuna bağlıdır). Dolayısıyla böyle bir analogdan dijitale dönüştürücünün basit bir servo sistem olduğunu söyleyebiliriz. Ancak bu sadece bir karşılaştırma örneğidir, böylece delta-sigma ADC'nin ne olduğunu anlayabilirsiniz. Çalışma prensibi sistemiktir, ancak bu analogdan dijitale dönüştürücünün etkin çalışması için yeterli değildir. Sonuç, dijital düşük geçişli filtreden hiç bitmeyen 1'ler ve 0'lar akışıdır. Onlardan belirli bir bit dizisi oluşturulur. Birinci ve ikinci derece ADC dönüştürücüler arasında bir ayrım yapılır.
Analogdan dijitale dönüştürücüleri entegre etme
Bu, makalede ele alınacak son özel durumdur. Daha sonra, bu cihazların çalışma prensibini açıklayacağız, ancak genel düzeyde. Bu ADC, bir push-pull analogdan dijitale dönüştürücüdür. Dijital bir multimetrede benzer bir cihazla tanışabilirsiniz. Ve bu şaşırtıcı değil çünkü yüksek doğruluk sağlıyorlar ve aynı zamanda paraziti iyi bir şekilde bastırıyorlar.
Şimdi nasıl çalıştığına odaklanalım. Giriş sinyalinin kapasitörü sabit bir süre şarj etmesi gerçeğinde yatmaktadır. Kural olarak, bu süre, cihaza güç sağlayan ağın frekansının bir birimidir (50 Hz veya 60 Hz). Ayrıca birden fazla olabilir. Böylece yüksek frekanslar bastırılır.parazit yapmak. Aynı zamanda, elektrik üretiminin ana kaynağının kararsız voltajının sonucun doğruluğu üzerindeki etkisi dengelenir.
Analogdan dijitale dönüştürücü şarj süresi sona erdiğinde, kapasitör belirli bir sabit hızda boşalmaya başlar. Cihazın dahili sayacı, bu işlem sırasında üretilen saat darbelerinin sayısını sayar. Bu nedenle, süre ne kadar uzun olursa göstergeler o kadar anlamlı olur.
ADC push-pull entegrasyonu yüksek doğruluk ve çözünürlüğe sahiptir. Bu nedenle, nispeten basit bir yapı yapısının yanı sıra, mikro devreler olarak uygulanırlar. Bu çalışma prensibinin ana dezavantajı, ağ göstergesine bağımlılıktır. Yeteneklerinin güç kaynağının frekans periyoduna bağlı olduğunu unutmayın.
Çift entegrasyon ADC'si bu şekilde çalışır. Bu cihazın çalışma prensibi oldukça karmaşık olmasına rağmen kalite göstergeleri sağlar. Bazı durumlarda bu basitçe gereklidir.
İhtiyacımız olan çalışma prensibine sahip APC'yi seçin
Diyelim ki önümüzde belli bir görev var. Tüm isteklerimizi karşılayabilmesi için hangi cihazı seçmeli? İlk olarak, çözünürlük ve doğruluk hakkında konuşalım. Pratikte birbirlerine çok az bağımlı olmalarına rağmen çoğu zaman kafaları karışır. 12 bitlik bir A/D dönüştürücünün 8 bitlik bir A/D dönüştürücüden daha az doğru olabileceğini unutmayın. ŞöyleBu durumda çözünürlük, ölçülen sinyalin giriş aralığından kaç segmentin çıkarılabileceğinin bir ölçüsüdür. Yani, 8-bit ADC'ler 28=256 böyle birime sahiptir.
Doğruluk, belirli bir giriş voltajında olması gereken ideal değerden elde edilen dönüştürme sonucunun toplam sapmasıdır. Yani, ilk parametre ADC'nin sahip olduğu potansiyel yetenekleri karakterize eder ve ikincisi pratikte sahip olduğumuz şeyi gösterir. Bu nedenle, yüksek doğruluk nedeniyle ihtiyaçları karşılayacak daha basit bir tip (doğrudan analogdan dijitale dönüştürücüler gibi) bizim için uygun olabilir.
Neyin gerekli olduğu hakkında bir fikir sahibi olmak için önce fiziksel parametreleri hesaplamanız ve etkileşim için matematiksel bir formül oluşturmanız gerekir. Statik ve dinamik hatalar önemlidir, çünkü bir cihaz oluşturmanın çeşitli bileşenlerini ve ilkelerini kullanırken, özelliklerini farklı şekillerde etkilerler. Daha ayrıntılı bilgi, her bir belirli cihazın üreticisi tarafından sunulan teknik belgelerde bulunabilir.
Örnek
SC9711 ADC'ye bir göz atalım. Bu cihazın çalışma prensibi, boyutu ve yetenekleri nedeniyle karmaşıktır. Bu arada, ikincisinden bahsetmişken, gerçekten çeşitli olduklarına dikkat edilmelidir. Bu nedenle, örneğin, olası çalışma frekansı 10 Hz ila 10 MHz arasındadır. Başka bir deyişle, saniyede 10 milyon örnek alabilir! Ve cihazın kendisi sağlam bir şey değil,modüler bir yapı yapısına sahiptir. Ancak, kural olarak, çok sayıda sinyalle çalışmanın gerekli olduğu karmaşık teknolojide kullanılır.
Sonuç
Gördüğünüz gibi, ADC'lerin temel olarak farklı çalışma prensipleri vardır. Bu, ortaya çıkan ihtiyaçları karşılayacak cihazları seçmemize ve aynı zamanda mevcut fonlarımızı akıllıca yönetmemize olanak tanır.
