بیایید به طیف اصلی مسائلی که می توان به اصل عملکرد مبدل های آنالوگ به دیجیتال (ADC) در انواع مختلف نسبت داد نگاه کنیم. شمارش متوالی، تعادل بیتی - چه چیزی در پشت این کلمات پنهان شده است؟ اصل کارکرد میکروکنترلر ADC چیست؟ اینها و همچنین تعدادی سؤال دیگر را در چارچوب مقاله بررسی خواهیم کرد. سه قسمت اول را به نظریه کلی اختصاص می دهیم و از زیر عنوان چهارم به بررسی اصل کار آنها می پردازیم. شما می توانید اصطلاحات ADC و DAC را در ادبیات مختلف مشاهده کنید. اصل عملکرد این دستگاه ها کمی متفاوت است، بنابراین آنها را اشتباه نگیرید. بنابراین، این مقاله تبدیل سیگنال‌ها را از شکل آنالوگ به دیجیتال در نظر می‌گیرد، در حالی که DAC برعکس عمل می‌کند.
تعریف
قبل از در نظر گرفتن اصل عملکرد ADC، بیایید بفهمیم که چه نوع دستگاهی است. مبدل های آنالوگ به دیجیتال دستگاه هایی هستند که یک کمیت فیزیکی را به یک نمایش عددی مربوطه تبدیل می کنند. تقریباً هر چیزی می تواند به عنوان یک پارامتر اولیه عمل کند - جریان، ولتاژ، ظرفیت،مقاومت، زاویه شفت، فرکانس پالس و غیره. اما برای اطمینان، ما تنها با یک تحول کار خواهیم کرد. این "کد ولتاژ" است. انتخاب این قالب کار تصادفی نیست. از این گذشته ، ADC (اصل عملکرد این دستگاه) و ویژگی های آن تا حد زیادی به مفهوم اندازه گیری بستگی دارد. این به عنوان فرآیند مقایسه یک مقدار مشخص با یک استاندارد از قبل تعیین شده درک می شود.
مشخصات ADC
مهمترین آنها عمق بیت و فرکانس تبدیل است. اولی در بیت و دومی در تعداد در ثانیه بیان می شود. مبدل های مدرن آنالوگ به دیجیتال می توانند 24 بیت عرض یا تا واحدهای GSPS داشته باشند. توجه داشته باشید که یک ADC تنها می تواند یکی از ویژگی های خود را در یک زمان به شما ارائه دهد. هرچه عملکرد آنها بالاتر باشد، کار با دستگاه دشوارتر است و خود هزینه بیشتری نیز دارد. اما مزیت این است که می توانید با کاهش سرعت دستگاه، نشانگرهای عمق بیت لازم را بدست آورید.
انواع ADC
اصل عملکرد برای گروه های مختلف دستگاه ها متفاوت است. ما به انواع زیر نگاه خواهیم کرد:
- با تبدیل مستقیم.
- با تقریب متوالی.
- با تبدیل موازی.
- مبدل A/D با متعادل کننده شارژ (دلتا سیگما).
- ادغام ADC.
خیلی دیگر انواع خطوط لوله و ترکیبی وجود دارد که ویژگی های خاص خود را با معماری متفاوت دارند. اما آن هانمونه هایی که در چارچوب مقاله در نظر گرفته می شوند، به دلیل این که نقش شاخصی در طاقچه دستگاه های خود با این ویژگی دارند، مورد توجه هستند. بنابراین، اجازه دهید اصل ADC و همچنین وابستگی آن به دستگاه فیزیکی را مطالعه کنیم.
مبدل مستقیم A/D
آنها در دهه های 60 و 70 قرن گذشته بسیار محبوب شدند. در قالب مدارهای مجتمع از دهه 80 تولید شده اند. اینها دستگاه های بسیار ساده و حتی ابتدایی هستند که نمی توانند عملکرد قابل توجهی داشته باشند. عمق بیت آنها معمولاً 6-8 بیت است و سرعت به ندرت از 1 GSPS تجاوز می کند.
اصل عملکرد این نوع ADC به شرح زیر است: ورودی های مثبت مقایسه کننده ها به طور همزمان یک سیگنال ورودی دریافت می کنند. ولتاژی با قدر معین به پایانه های منفی اعمال می شود. و سپس دستگاه نحوه عملکرد خود را تعیین می کند. این کار با ولتاژ مرجع انجام می شود. فرض کنید دستگاهی با 8 مقایسه کننده داریم. هنگام اعمال ½ ولتاژ مرجع، تنها 4 مورد از آنها روشن می شود. رمزگذار اولویت یک کد باینری تولید می کند که توسط رجیستر خروجی ثابت می شود. با توجه به مزایا و معایب، می توان گفت که این اصل کار به شما امکان می دهد دستگاه هایی با سرعت بالا ایجاد کنید. اما برای بدست آوردن عمق بیت مورد نیاز، باید زیاد عرق کنید.
فرمول کلی برای تعداد مقایسه کننده ها به این صورت است: 2^N. در زیر N باید تعداد ارقام را قرار دهید. مثالی که قبلا در نظر گرفته شد را می توان دوباره استفاده کرد: 2^3=8. در مجموع برای به دست آوردن دسته سوم لازم است8 مقایسه کننده این اصل عملکرد ADCها است که ابتدا ایجاد شدند. خیلی راحت نیست، بنابراین معماری های دیگری بعدا ظاهر شدند.
مبدل های تقریبی متوالی آنالوگ به دیجیتال
در اینجا از الگوریتم "وزنینگ" استفاده شده است. به طور خلاصه، دستگاه هایی که بر اساس این تکنیک کار می کنند، به سادگی ADC های شمارش سریال نامیده می شوند. اصل کار به شرح زیر است: دستگاه مقدار سیگنال ورودی را اندازه گیری می کند و سپس با اعدادی که طبق روش خاصی تولید می شوند مقایسه می شود:
- نیمی از ولتاژ مرجع ممکن را تنظیم می کند.
- اگر سیگنال از محدودیت مقدار از نقطه 1 عبور کرده باشد، آنگاه با عددی که در وسط بین مقدار باقی مانده قرار دارد مقایسه می شود. بنابراین، در مورد ما ¾ ولتاژ مرجع خواهد بود. اگر سیگنال مرجع به این نشانگر نرسد، مقایسه با قسمت دیگر فاصله طبق همان اصل انجام می شود. در این مثال، این ¼ ولتاژ مرجع است.
- مرحله 2 باید N بار تکرار شود، که N بیت از نتیجه را به ما می دهد. این به دلیل انجام تعداد H مقایسه است.
این اصل عملکرد به دست آوردن دستگاه هایی با نرخ تبدیل نسبتاً بالا را امکان پذیر می کند که ADC های تقریبی متوالی هستند. اصل کار، همانطور که می بینید، ساده است و این دستگاه ها برای مناسبت های مختلف عالی هستند.
مبدل موازی آنالوگ به دیجیتال
آنها مانند دستگاه های سریال کار می کنند. فرمول محاسبه (2 ^ H) -1 است. برایدر مورد قبلی به مقایسه کننده های (2^3)-1 نیاز داریم. برای عملکرد، آرایه خاصی از این دستگاه ها استفاده می شود که هر کدام می توانند ولتاژ ورودی و مرجع جداگانه را با هم مقایسه کنند. مبدل های موازی آنالوگ به دیجیتال دستگاه های نسبتا سریعی هستند. اما اصل ساخت این دستگاه ها به گونه ای است که توان قابل توجهی برای پشتیبانی از عملکرد آنها مورد نیاز است. بنابراین، استفاده از آنها بر روی باتری عملی نیست.
مبدل A/D متعادل کننده بیتی
به روشی مشابه دستگاه قبلی عمل می کند. بنابراین، به منظور توضیح عملکرد یک ADC متعادل کننده بیت به بیت، اصل کار برای مبتدیان به معنای واقعی کلمه روی انگشتان در نظر گرفته می شود. در قلب این دستگاه ها پدیده دوگانگی قرار دارد. به عبارت دیگر، یک مقایسه ثابت از مقدار اندازه‌گیری شده با بخش معینی از مقدار حداکثر انجام می‌شود. مقادیر ½، 1/8، 1/16 و غیره را می توان گرفت. بنابراین، مبدل آنالوگ به دیجیتال می تواند کل فرآیند را در N تکرار (مراحل متوالی) تکمیل کند. علاوه بر این، H برابر است با عمق بیت ADC (به فرمول های داده شده قبلی نگاه کنید). بنابراین، اگر سرعت تکنیک اهمیت ویژه ای داشته باشد، در زمان سود قابل توجهی خواهیم داشت. این دستگاه ها علیرغم سرعت قابل توجهی که دارند، دقت استاتیکی پایینی نیز دارند.
مبدل A/D با متعادل کننده شارژ (دلتا سیگما)
این جالب ترین نوع دستگاه است، نه کمبه لطف اصل عملکرد آن در این واقعیت نهفته است که ولتاژ ورودی با ولتاژ انباشته شده توسط یکپارچه ساز مقایسه می شود. پالس هایی با قطب منفی یا مثبت به ورودی تغذیه می شوند (همه به نتیجه عملیات قبلی بستگی دارد). بنابراین، می توان گفت که چنین مبدل آنالوگ به دیجیتال یک سیستم سروو ساده است. اما این فقط یک مثال برای مقایسه است، بنابراین می توانید بفهمید که ADC دلتا سیگما چیست. اصل کار سیستمیک است، اما برای عملکرد موثر این مبدل آنالوگ به دیجیتال کافی نیست. نتیجه نهایی یک جریان بی پایان از 1s و 0s از طریق فیلتر پایین گذر دیجیتال است. دنباله بیت خاصی از آنها تشکیل می شود. بین مبدل های ADC مرتبه اول و دوم تمایز قائل می شود.
ادغام مبدل های آنالوگ به دیجیتال
این آخرین مورد ویژه ای است که در مقاله بررسی می شود. در ادامه به شرح اصل عملکرد این دستگاه ها می پردازیم اما در سطح کلی. این ADC یک مبدل فشاری آنالوگ به دیجیتال است. شما می توانید یک دستگاه مشابه را در یک مولتی متر دیجیتال ملاقات کنید. و این تعجب آور نیست، زیرا آنها دقت بالایی ارائه می دهند و در عین حال تداخل را به خوبی سرکوب می کنند.
حالا بیایید روی نحوه عملکرد آن تمرکز کنیم. این در این واقعیت نهفته است که سیگنال ورودی خازن را برای مدت زمان ثابتی شارژ می کند. به عنوان یک قاعده، این دوره واحدی از فرکانس شبکه است که دستگاه را تغذیه می کند (50 هرتز یا 60 هرتز). همچنین می تواند چندگانه باشد. بنابراین، فرکانس های بالا سرکوب می شوند.دخالت. در عین حال، تأثیر ولتاژ ناپایدار منبع اصلی تولید برق بر روی دقت نتیجه یکسان می شود.
هنگامی که زمان شارژ مبدل آنالوگ به دیجیتال به پایان می رسد، خازن با نرخ ثابت مشخصی شروع به تخلیه می کند. شمارنده داخلی دستگاه تعداد پالس های ساعتی را که در طی این فرآیند تولید می شوند، شمارش می کند. بنابراین، هر چه بازه زمانی طولانی‌تر باشد، شاخص‌ها مهم‌تر هستند.
ادغام فشار کش ADC دقت و وضوح بالایی دارد. با توجه به این، و همچنین ساختار نسبتاً ساده، آنها به عنوان ریز مدار اجرا می شوند. نقطه ضعف اصلی این اصل عملکرد، وابستگی به نشانگر شبکه است. به یاد داشته باشید که قابلیت های آن به دوره فرکانس منبع تغذیه گره خورده است.
به این صورت است که ADC یکپارچه دوگانه کار می کند. اصل عملکرد این دستگاه، اگرچه کاملاً پیچیده است، اما شاخص های کیفیت را ارائه می دهد. در برخی موارد، این به سادگی ضروری است.
APC را با اصل عملکرد مورد نیاز خود انتخاب کنید
بیایید بگوییم که کار خاصی در پیش داریم. کدام دستگاه را انتخاب کنیم تا بتواند تمام درخواست های ما را برآورده کند؟ ابتدا اجازه دهید در مورد وضوح و دقت صحبت کنیم. اغلب آنها گیج می شوند، اگرچه در عمل بسیار کمی به یکدیگر وابسته هستند. توجه داشته باشید که مبدل A/D 12 بیتی ممکن است دقت کمتری نسبت به مبدل A/D 8 بیتی داشته باشد. در آندر این مورد، وضوح معیاری است برای اینکه چند بخش را می توان از محدوده ورودی سیگنال اندازه گیری شده استخراج کرد. بنابراین، ADC های 8 بیتی 28=256 واحد دارند.
دقت انحراف کل نتیجه تبدیل به دست آمده از مقدار ایده آل است که باید در یک ولتاژ ورودی معین باشد. یعنی پارامتر اول قابلیت های بالقوه ای را که ADC دارد مشخص می کند و دومی نشان می دهد که ما در عمل چه داریم. بنابراین ممکن است نوع ساده تری (مانند مبدل مستقیم آنالوگ به دیجیتال) برای ما مناسب باشد که به دلیل دقت بالا پاسخگوی نیازها باشد.
برای داشتن ایده ای از آنچه مورد نیاز است، ابتدا باید پارامترهای فیزیکی را محاسبه کنید و یک فرمول ریاضی برای تعامل بسازید. خطاهای استاتیکی و دینامیکی در آنها مهم است، زیرا هنگام استفاده از اجزا و اصول مختلف ساخت یک دستگاه، به طرق مختلف بر ویژگی های آن تأثیر می گذارد. اطلاعات دقیق تر را می توان در مستندات فنی ارائه شده توسط سازنده هر دستگاه خاص یافت.
مثال
بیایید نگاهی به SC9711 ADC بیندازیم. اصل عملکرد این دستگاه به دلیل اندازه و قابلیت های آن پیچیده است. به هر حال، در مورد دومی صحبت می کنیم، باید توجه داشت که آنها واقعا متنوع هستند. بنابراین، برای مثال، فرکانس عملیات ممکن از 10 هرتز تا 10 مگاهرتز متغیر است. به عبارت دیگر می تواند در هر ثانیه 10 میلیون نمونه بگیرد! و خود دستگاه چیزی جامد نیست، امادارای ساختار ساختمانی مدولار است. اما به عنوان یک قاعده، در فناوری پیچیده استفاده می شود، جایی که لازم است با تعداد زیادی سیگنال کار کرد.
نتیجه گیری
همانطور که می بینید، ADCها اساساً اصول عملکرد متفاوتی دارند. این به ما امکان می‌دهد دستگاه‌هایی را انتخاب کنیم که نیازهای ایجاد شده را برآورده کنند، در حالی که به ما امکان می‌دهد وجوه موجود خود را هوشمندانه مدیریت کنیم.
