Har xil turdagi analog-raqamli konvertorlarning (ADC) ishlash printsipiga taalluqli bo'lishi mumkin bo'lgan asosiy masalalar doirasini ko'rib chiqaylik. Ketma-ket hisoblash, bitli muvozanat - bu so'zlar ortida nima yashiringan? ADC mikrokontrollerining ishlash printsipi nima? Bular, shuningdek, bir qator boshqa savollar, biz maqola doirasida ko'rib chiqamiz. Birinchi uch qismni umumiy nazariyaga bag'ishlaymiz va to'rtinchi kichik sarlavhadan boshlab biz ularning ishlash printsipini o'rganamiz. ADC va DAC atamalarini turli adabiyotlarda uchratishingiz mumkin. Ushbu qurilmalarning ishlash printsipi biroz boshqacha, shuning uchun ularni chalkashtirmang. Shunday qilib, maqolada signallarni analogdan raqamli shaklga o'tkazish ko'rib chiqiladi, DAC esa aksincha ishlaydi.
Tanrif
ADC ning ishlash printsipini ko'rib chiqishdan oldin uning qanday qurilma ekanligini bilib olaylik. Analog-raqamli konvertorlar jismoniy miqdorni mos keladigan raqamli ko'rinishga aylantiradigan qurilmalardir. Deyarli hamma narsa boshlang'ich parametr sifatida harakat qilishi mumkin - oqim, kuchlanish, sig'im,qarshilik, mil burchagi, impuls chastotasi va boshqalar. Ammo ishonch hosil qilish uchun biz faqat bitta transformatsiya bilan ishlaymiz. Bu "kuchlanish kodi". Ushbu ish formatini tanlash tasodifiy emas. Axir, ADC (ushbu qurilmaning ishlash printsipi) va uning xususiyatlari asosan qaysi o'lchov kontseptsiyasidan foydalanilganiga bog'liq. Bu ma'lum bir qiymatni avval belgilangan standart bilan solishtirish jarayoni sifatida tushuniladi.
ADC texnik xususiyatlari
Asosiylari bit chuqurligi va konvertatsiya chastotasi. Birinchisi bitlarda, ikkinchisi esa soniyada hisoblashda ifodalanadi. Zamonaviy analog-raqamli konvertorlar kengligi 24 bit yoki GSPS birliklarigacha bo'lishi mumkin. E'tibor bering, ADC bir vaqtning o'zida sizga faqat bitta xususiyatni taqdim etishi mumkin. Ularning ishlashi qanchalik yuqori bo'lsa, qurilma bilan ishlash shunchalik qiyin bo'ladi va uning o'zi ham qimmatga tushadi. Ammo afzalligi shundaki, siz qurilma tezligidan voz kechish orqali kerakli bit chuqurligi ko'rsatkichlarini olishingiz mumkin.
ADC turlari
Har xil qurilmalar guruhlari uchun ishlash printsipi farq qiladi. Biz quyidagi turlarni ko'rib chiqamiz:
- Toʻgʻridan-toʻgʻri konvertatsiya bilan.
- Keyinchalik taxminlar bilan.
- Paralel konvertatsiya bilan.
- A/D konvertor zaryad balansi (delta-sigma).
- ADC-larni integratsiyalash.
Har xil arxitekturaga ega oʻziga xos xususiyatlarga ega boʻlgan boshqa koʻplab quvur liniyasi va kombinatsiya turlari mavjud. Lekin bularmaqola doirasida ko'rib chiqiladigan namunalar ushbu o'ziga xoslikdagi qurilmalarning o'rnida ko'rsatkich rolini o'ynashi sababli qiziqish uyg'otadi. Shuning uchun keling, ADC printsipini, shuningdek, uning jismoniy qurilmaga bog'liqligini o'rganamiz.
Toʻgʻridan-toʻgʻri A/D konvertorlari
Ular oʻtgan asrning 60-70-yillarida juda mashhur boʻlgan. Integral mikrosxemalar ko'rinishida ular 80-yillardan boshlab ishlab chiqarilgan. Bu juda oddiy, hatto ibtidoiy qurilmalar bo'lib, ular sezilarli ishlash bilan maqtana olmaydi. Ularning bit chuqurligi odatda 6-8 bitni tashkil qiladi va tezligi kamdan-kam hollarda 1 GSPS dan oshadi.
Ushbu turdagi ADC ning ishlash printsipi quyidagicha: komparatorlarning ijobiy kirishlari bir vaqtning o'zida kirish signalini oladi. Salbiy terminallarga ma'lum bir kattalikdagi kuchlanish qo'llaniladi. Va keyin qurilma uning ishlash rejimini belgilaydi. Bu mos yozuvlar kuchlanishi bilan amalga oshiriladi. Aytaylik, bizda 8 ta komparatorli qurilma bor. ½ mos yozuvlar kuchlanishini qo'llashda ulardan faqat 4 tasi yoqiladi. Prioritet enkoder ikkilik kodni yaratadi, u chiqish registrida o'rnatiladi. Afzalliklar va kamchiliklarga kelsak, ushbu ish printsipi yuqori tezlikda ishlaydigan qurilmalarni yaratishga imkon beradi, deb aytishimiz mumkin. Lekin kerakli bit chuqurligini olish uchun siz ko'p terlashingiz kerak.
Komporatorlar sonining umumiy formulasi quyidagicha ko'rinadi: 2^N. N ostida siz raqamlar sonini qo'yishingiz kerak. Yuqorida ko'rib chiqilgan misolni yana ishlatish mumkin: 2^3=8. Umuman olganda, uchinchi toifani olish uchun bu kerak8 ta taqqoslash. Bu birinchi bo'lib yaratilgan ADC larning ishlash printsipi. Juda qulay emas, shuning uchun boshqa arxitekturalar keyinroq paydo bo'ldi.
Analogdan raqamliga ketma-ket yaqinlashuvchi konvertorlar
Bu yerda "tortishish" algoritmidan foydalaniladi. Qisqacha aytganda, ushbu texnikaga muvofiq ishlaydigan qurilmalar oddiygina ketma-ket hisoblash ADC deb ataladi. Ishlash printsipi quyidagicha: qurilma kirish signalining qiymatini o'lchaydi va keyin ma'lum bir usul bo'yicha hosil qilingan raqamlar bilan taqqoslanadi:
- Mumkin mos yozuvlar kuchlanishining yarmini oʻrnatadi.
- Agar signal №1 nuqtadagi qiymat chegarasidan oshib ketgan boʻlsa, u qolgan qiymat orasidagi oʻrtadagi raqam bilan solishtiriladi. Shunday qilib, bizning holatlarimizda u mos yozuvlar kuchlanishining ¾ qismi bo'ladi. Agar mos yozuvlar signali ushbu ko'rsatkichga etib bormasa, u holda taqqoslash intervalning boshqa qismi bilan xuddi shu printsip bo'yicha amalga oshiriladi. Bu misolda bu mos yozuvlar kuchlanishining ¼ qismidir.
- 2-qadam N marta takrorlanishi kerak, bu bizga natijaning N bitini beradi. Bu H sonli taqqoslashlar tufayli.
Ushbu ish printsipi ADC-larning ketma-ket yaqinlashuvi bo'lgan nisbatan yuqori konversiya tezligiga ega qurilmalarni olish imkonini beradi. Ko'rib turganingizdek, ishlash printsipi oddiy va bu qurilmalar turli holatlar uchun juda mos keladi.
Parallel analog-raqamli konvertorlar
Ular ketma-ket qurilmalar kabi ishlaydi. Hisoblash formulasi (2 ^ H) -1. UchunOldingi holatda bizga (2^3)-1 taqqoslagich kerak. Ishlash uchun ushbu qurilmalarning ma'lum bir qatori ishlatiladi, ularning har biri kirish va individual mos yozuvlar kuchlanishini solishtirishi mumkin. Parallel analog-raqamli konvertorlar juda tez qurilmalardir. Ammo bu qurilmalarni qurish printsipi shundan iboratki, ularning ishlashini qo'llab-quvvatlash uchun sezilarli quvvat talab etiladi. Shuning uchun ularni batareya quvvatida ishlatish amaliy emas.
Bitwise Balanced A/D Converter
U avvalgi qurilmaga oʻxshash tarzda ishlaydi. Shuning uchun, bir oz muvozanatlashtiruvchi ADC ishlashini tushuntirish uchun, yangi boshlanuvchilar uchun ishlash printsipi barmoqlarda tom ma'noda ko'rib chiqiladi. Bu qurilmalarning zamirida dixotomiya hodisasi yotadi. Boshqacha qilib aytganda, o'lchangan qiymatni maksimal qiymatning ma'lum bir qismi bilan izchil taqqoslash amalga oshiriladi. ½, 1/8, 1/16 va shunga o'xshash qiymatlarni olish mumkin. Shu sababli, analog-raqamli konvertor butun jarayonni N iteratsiyada (ketma-ket qadamlar) yakunlashi mumkin. Bundan tashqari, H ADC ning bit chuqurligiga teng (oldin berilgan formulalarga qarang). Shunday qilib, texnikaning tezligi ayniqsa muhim bo'lsa, biz vaqt ichida sezilarli daromadga ega bo'lamiz. Katta tezlikka qaramay, bu qurilmalar past statik aniqlikka ega.
A/D konvertorlari zaryad balansi (delta-sigma)
Bu qurilmaning eng qiziqarli turiuning ishlash printsipi tufayli. Bu kirish kuchlanishining integrator tomonidan to'plangani bilan taqqoslanishida yotadi. Kirishga salbiy yoki musbat polariteli impulslar beriladi (barchasi oldingi operatsiya natijasiga bog'liq). Shunday qilib, biz bunday analog-raqamli konvertorni oddiy servo tizim deb aytishimiz mumkin. Ammo bu taqqoslash uchun misol, shuning uchun siz delta-sigma ADC nima ekanligini tushunishingiz mumkin. Ishlash printsipi tizimli, ammo bu analog-raqamli konvertorning samarali ishlashi uchun etarli emas. Yakuniy natija raqamli past chastotali filtr orqali 1 va 0 larning hech qachon tugamaydigan oqimidir. Ulardan ma'lum bir bit ketma-ketligi hosil bo'ladi. Birinchi va ikkinchi tartibli ADC konvertorlari o'rtasida farq bor.
Analog-raqamli konvertorlarni birlashtirish
Bu maqolada ko'rib chiqiladigan oxirgi maxsus holat. Keyinchalik, biz ushbu qurilmalarning ishlash printsipini tasvirlaymiz, ammo umumiy darajada. Ushbu ADC - bu surish-pull analog-raqamli konvertor. Shu kabi qurilmani raqamli multimetrda uchratishingiz mumkin. Buning ajablanarli joyi yo'q, chunki ular yuqori aniqlikni ta'minlaydi va shu bilan birga shovqinni yaxshi bostiradi.
Endi uning qanday ishlashiga e'tibor qaratamiz. Bu kirish signali kondensatorni ma'lum vaqt davomida zaryadlashida yotadi. Qoida tariqasida, bu davr qurilmani quvvatlantiradigan tarmoq chastotasining birligi (50 Gts yoki 60 Gts). Bundan tashqari, bir nechta bo'lishi mumkin. Shunday qilib, yuqori chastotalar bostiriladi.aralashuv. Shu bilan birga, elektr energiyasini ishlab chiqaruvchi tarmoq manbasining beqaror kuchlanishining natijaning aniqligiga ta'siri tekislanadi.
Analog-raqamli konvertorni zaryadlash vaqti tugagach, kondansatör ma'lum bir belgilangan tezlikda zaryadsizlana boshlaydi. Qurilmaning ichki hisoblagichi ushbu jarayon davomida hosil bo'lgan soat pulslari sonini hisoblaydi. Shunday qilib, vaqt oralig'i qancha uzoq bo'lsa, ko'rsatkichlar shunchalik ahamiyatli bo'ladi.
ADC push-pull integratsiyasi yuqori aniqlik va ruxsatga ega. Shu sababli, nisbatan oddiy qurilish tuzilishi bilan bir qatorda, ular mikrosxemalar sifatida amalga oshiriladi. Ushbu ishlash printsipining asosiy kamchiliklari tarmoq indikatoriga bog'liqlikdir. Esda tutingki, uning imkoniyatlari quvvat manbai chastotasi davriga bog'liq.
Ikki tomonlama integratsiyalashgan ADC shunday ishlaydi. Ushbu qurilmaning ishlash printsipi, garchi u ancha murakkab bo'lsa-da, lekin u sifat ko'rsatkichlarini ta'minlaydi. Ayrim hollarda bu shunchaki zarur.
Bizga kerak boʻlgan ishlash prinsipiga ega APC ni tanlang
Deylik, oldimizda qandaydir vazifa turibdi. Barcha talablarimizni qondirish uchun qaysi qurilmani tanlash kerak? Birinchidan, aniqlik va aniqlik haqida gapiraylik. Ko'pincha ular chalkashib ketishadi, garchi amalda ular bir-biriga juda bog'liq emas. Shuni yodda tutingki, 12-bitli A/D konvertor 8-bitli A/D konvertordan kamroq aniq bo'lishi mumkin. UndaBunday holda, rezolyutsiya o'lchangan signalning kirish diapazonidan qancha segmentni olish mumkinligini ko'rsatadigan o'lchovdir. Shunday qilib, 8-bitli ADClarda 28=256 ta shunday birlik mavjud.
Aniqlik - olingan konvertatsiya natijasining berilgan kirish kuchlanishida bo'lishi kerak bo'lgan ideal qiymatdan umumiy og'ishi. Ya'ni, birinchi parametr ADC ning potentsial imkoniyatlarini tavsiflaydi, ikkinchisi esa bizda amalda nima borligini ko'rsatadi. Shuning uchun biz uchun oddiyroq tur (masalan, to'g'ridan-to'g'ri analog-raqamli konvertorlar) mos kelishi mumkin, bu esa yuqori aniqlik tufayli ehtiyojlarni qondiradi.
Nima kerakligi haqida tasavvurga ega bo'lish uchun avval fizik parametrlarni hisoblashingiz va o'zaro ta'sir qilish uchun matematik formulani yaratishingiz kerak. Ularda statik va dinamik xatolar muhim ahamiyatga ega, chunki qurilmani qurishning turli komponentlari va tamoyillaridan foydalanganda ular uning xususiyatlariga turli yo'llar bilan ta'sir qiladi. Batafsil ma'lumotni har bir qurilma ishlab chiqaruvchisi tomonidan taqdim etilgan texnik hujjatlarda topishingiz mumkin.
Misol
Keling, SC9711 ADC-ni ko'rib chiqaylik. Ushbu qurilmaning ishlash printsipi uning hajmi va imkoniyatlari tufayli murakkab. Aytgancha, ikkinchisi haqida gapirganda, ular haqiqatan ham xilma-xil ekanligini ta'kidlash kerak. Shunday qilib, masalan, mumkin bo'lgan ish chastotasi 10 Gts dan 10 MGts gacha. Boshqacha qilib aytganda, u soniyada 10 million namuna olishi mumkin! Va qurilmaning o'zi qattiq narsa emas, balkimodulli qurilish strukturasiga ega. Lekin u, qoida tariqasida, ko'p sonli signallar bilan ishlash zarur bo'lgan murakkab texnologiyada qo'llaniladi.
Xulosa
Koʻrib turganingizdek, ADClar asosan turlicha ishlash tamoyillariga ega. Bu bizga paydo bo'ladigan ehtiyojlarni qondiradigan qurilmalarni tanlash va mavjud mablag'larimizni oqilona boshqarish imkonini beradi.
