Schauen wir uns die wichtigsten Probleme an, die dem Funktionsprinzip von Analog-Digital-Wandlern (ADCs) verschiedener Typen zugeschrieben werden können. Sequentielles Zählen, bitweises Balancieren – was verbirgt sich hinter diesen Worten? Was ist das Funktionsprinzip des ADC-Mikrocontrollers? Diese sowie eine Reihe weiterer Fragen werden wir im Rahmen des Artikels betrachten. Die ersten drei Teile werden wir der allgemeinen Theorie widmen, und ab dem vierten Teil werden wir das Prinzip ihrer Arbeit studieren. Die Begriffe ADC und DAC begegnen Ihnen in verschiedener Literatur. Das Funktionsprinzip dieser Geräte ist etwas anders, verwechseln Sie sie also nicht. Der Artikel wird also die Umwandlung von Signalen von der analogen in die digitale Form betrachten, während der DAC umgekehrt funktioniert.
Definition
Bevor wir uns mit dem Funktionsprinzip des ADC befassen, wollen wir herausfinden, um was für ein Gerät es sich handelt. Analog-Digital-Wandler sind Geräte, die eine physikalische Größe in eine entsprechende Zahlendarstellung umwandeln. Als Anfangsparameter kann fast alles dienen - Strom, Spannung, Kapazität,Widerstand, Wellenwinkel, Impulsfrequenz und so weiter. Aber um sicher zu sein, wir werden nur mit einer Transformation arbeiten. Dies ist "Spannungscode". Die Wahl dieses Arbeitsformats ist kein Zufall. Schließlich hängen der ADC (das Funktionsprinzip dieses Geräts) und seine Funktionen weitgehend davon ab, welches Messkonzept verwendet wird. Darunter versteht man den Vergleich eines bestimmten Wertes mit einem zuvor festgelegten Standard.
ADC-Spezifikationen
Die wichtigsten sind Bittiefe und Konvertierungsfrequenz. Ersteres wird in Bits ausgedrückt und letzteres in Zählungen pro Sekunde. Moderne Analog-Digital-Wandler können 24 Bit breit oder bis zu GSPS-Einheiten sein. Beachten Sie, dass ein ADC Ihnen jeweils nur eine seiner Eigenschaften zur Verfügung stellen kann. Je höher ihre Leistung, desto schwieriger ist die Arbeit mit dem Gerät und es selbst kostet mehr. Der Vorteil ist jedoch, dass Sie die erforderlichen Bittiefenindikatoren erh alten können, indem Sie die Geschwindigkeit des Geräts opfern.
ADC-Typen
Das Funktionsprinzip variiert je nach Gerätegruppe. Wir werden uns die folgenden Typen ansehen:
- Mit direkter Konvertierung.
- Mit sukzessiver Annäherung.
- Mit paralleler Konvertierung.
- A/D-Wandler mit Ladungsausgleich (Delta-Sigma).
- Integration von ADCs.
Es gibt viele andere Pipeline- und Kombinationstypen, die ihre eigenen speziellen Eigenschaften mit unterschiedlicher Architektur haben. Aber dieDie Proben, die im Rahmen des Artikels betrachtet werden, sind von Interesse, da sie in ihrer Nische von Geräten dieser Spezifität eine indikative Rolle spielen. Lassen Sie uns daher das Prinzip des ADC sowie seine Abhängigkeit vom physischen Gerät untersuchen.
Direkte A/D-Wandler
Sie wurden in den 60er und 70er Jahren des letzten Jahrhunderts sehr beliebt. In Form integrierter Sch altkreise werden sie seit den 80er Jahren hergestellt. Dies sind sehr einfache, sogar primitive Geräte, die sich keiner nennenswerten Leistung rühmen können. Ihre Bittiefe beträgt normalerweise 6-8 Bit und die Geschwindigkeit überschreitet selten 1 GSPS.
Das Funktionsprinzip dieses ADC-Typs ist wie folgt: Die positiven Eingänge der Komparatoren erh alten gleichzeitig ein Eingangssignal. An die negativen Anschlüsse wird eine Spannung einer bestimmten Größe angelegt. Und dann bestimmt das Gerät seine Arbeitsweise. Dies geschieht mit Referenzspannung. Nehmen wir an, wir haben ein Gerät mit 8 Komparatoren. Beim Anlegen von ½ Referenzspannung werden nur 4 davon eingesch altet. Der Prioritätscodierer erzeugt einen Binärcode, der durch das Ausgangsregister festgelegt wird. In Bezug auf die Vor- und Nachteile können wir sagen, dass Sie mit diesem Funktionsprinzip Hochgeschwindigkeitsgeräte erstellen können. Aber um die nötige Bittiefe zu bekommen, muss man ordentlich schwitzen.
Die allgemeine Formel für die Anzahl der Komparatoren sieht so aus: 2^N. Unter N müssen Sie die Anzahl der Ziffern eingeben. Das zuvor betrachtete Beispiel kann wieder verwendet werden: 2^3=8. Insgesamt ist es notwendig, die dritte Kategorie zu erh alten8 Komparatoren. Dies ist das Funktionsprinzip von ADCs, die zuerst erstellt wurden. Nicht sehr praktisch, daher erschienen später andere Architekturen.
Analog-Digital-Wandler mit sukzessiver Approximation
Hier kommt der "Gewichtungs"-Algorithmus zum Einsatz. Kurz gesagt, Geräte, die nach dieser Technik arbeiten, werden einfach als seriell zählende ADCs bezeichnet. Das Funktionsprinzip ist wie folgt: Das Gerät misst den Wert des Eingangssignals und vergleicht ihn dann mit Zahlen, die nach einem bestimmten Verfahren generiert werden:
- Setzt die Hälfte der möglichen Referenzspannung.
- Hat das Signal die Wertegrenze von Punkt 1 überschritten, dann wird es mit der Zahl verglichen, die in der Mitte zwischen den verbleibenden Werten liegt. In unserem Fall wird es also ¾ der Referenzspannung sein. Wenn das Referenzsignal diesen Indikator nicht erreicht, wird der Vergleich mit dem anderen Teil des Intervalls nach dem gleichen Prinzip durchgeführt. In diesem Beispiel ist dies ¼ der Referenzspannung.
- Schritt 2 muss N Mal wiederholt werden, was uns N Bits des Ergebnisses liefert. Dies ist darauf zurückzuführen, dass eine H-Anzahl von Vergleichen durchgeführt wird.
Dieses Funktionsprinzip ermöglicht es, Geräte mit einer relativ hohen Umwandlungsrate zu erh alten, die ADCs mit sukzessiver Annäherung sind. Das Funktionsprinzip ist, wie Sie sehen, einfach, und diese Geräte eignen sich hervorragend für verschiedene Gelegenheiten.
Parallele Analog-Digital-Wandler
Sie funktionieren wie serielle Geräte. Die Berechnungsformel lautet (2 ^ H) -1. ZumIm vorherigen Fall benötigen wir (2^3)-1 Komparatoren. Für den Betrieb wird ein bestimmtes Array dieser Geräte verwendet, von denen jedes die Eingangs- und individuelle Referenzspannung vergleichen kann. Parallel-Analog-Digital-Wandler sind ziemlich schnelle Geräte. Das Konstruktionsprinzip dieser Geräte ist jedoch so, dass eine erhebliche Leistung erforderlich ist, um ihre Leistung zu unterstützen. Daher ist es nicht praktikabel, sie im Akkubetrieb zu verwenden.
Bitwise Balanced A/D Converter
Es funktioniert ähnlich wie das vorherige Gerät. Um die Funktionsweise eines bitweise ausgleichenden ADC zu erklären, wird daher das Funktionsprinzip für Anfänger buchstäblich an den Fingern betrachtet. Im Mittelpunkt dieser Geräte steht das Phänomen der Dichotomie. Mit anderen Worten wird ein konsequenter Vergleich des Messwertes mit einem bestimmten Teil des Maximalwertes durchgeführt. Es können Werte in ½, 1/8, 1/16 usw. genommen werden. Daher kann der Analog-Digital-Wandler den gesamten Prozess in N Iterationen (aufeinanderfolgenden Schritten) abschließen. Darüber hinaus ist H gleich der Bittiefe des ADC (siehe die zuvor angegebenen Formeln). So haben wir einen deutlichen Zeitgewinn, wenn es besonders auf die Schnelligkeit der Technik ankommt. Trotz ihrer beachtlichen Geschwindigkeit haben diese Geräte auch eine geringe statische Genauigkeit.
A/D-Wandler mit Ladungsausgleich (Delta-Sigma)
Das ist nicht zuletzt der interessanteste Gerätetypdank seines Funktionsprinzips. Es liegt darin, dass die Eingangsspannung mit dem verglichen wird, was vom Integrator akkumuliert wurde. Impulse mit negativer oder positiver Polarität werden dem Eingang zugeführt (alles hängt vom Ergebnis der vorherigen Operation ab). Somit können wir sagen, dass ein solcher Analog-Digital-Wandler ein einfaches Servosystem ist. Dies ist jedoch nur ein Vergleichsbeispiel, damit Sie verstehen können, was ein Delta-Sigma-ADC ist. Das Funktionsprinzip ist systembedingt, aber für das effektive Funktionieren dieses Analog-Digital-Wandlers nicht ausreichend. Das Endergebnis ist ein endloser Strom von Einsen und Nullen durch den digitalen Tiefpassfilter. Aus ihnen wird eine bestimmte Bitfolge gebildet. Es wird zwischen ADC-Wandlern erster und zweiter Ordnung unterschieden.
Integration von Analog-Digital-Wandlern
Dies ist der letzte Sonderfall, der in diesem Artikel behandelt wird. Als nächstes werden wir das Funktionsprinzip dieser Geräte beschreiben, jedoch auf allgemeiner Ebene. Dieser ADC ist ein Gegentakt-Analog-Digital-Wandler. Sie können ein ähnliches Gerät in einem Digitalmultimeter treffen. Und das ist nicht verwunderlich, denn sie bieten eine hohe Genauigkeit und unterdrücken gleichzeitig Störungen gut.
Jetzt konzentrieren wir uns darauf, wie es funktioniert. Es liegt daran, dass das Eingangssignal den Kondensator für eine feste Zeit auflädt. In der Regel ist diese Periode eine Einheit der Frequenz des Netzes, das das Gerät mit Strom versorgt (50 Hz oder 60 Hz). Es kann auch mehrere sein. Dadurch werden die hohen Frequenzen unterdrückt. Interferenz. Gleichzeitig wird der Einfluss der instabilen Spannung der Netzquelle zur Stromerzeugung auf die Genauigkeit des Ergebnisses eingeebnet.
Wenn die Ladezeit des Analog-Digital-Wandlers endet, beginnt sich der Kondensator mit einer bestimmten festen Rate zu entladen. Der interne Zähler des Geräts zählt die Anzahl der Takte, die dabei erzeugt werden. Je länger der Zeitraum, desto aussagekräftiger sind also die Indikatoren.
ADC Push-Pull-Integration hat eine hohe Genauigkeit und Auflösung. Aus diesem Grund sowie aufgrund einer relativ einfachen Konstruktionsstruktur werden sie als Mikrosch altkreise implementiert. Der Hauptnachteil dieses Funktionsprinzips ist die Abhängigkeit von der Netzwerkanzeige. Denken Sie daran, dass seine Fähigkeiten an die Frequenzperiode der Stromversorgung gebunden sind.
So funktioniert ein ADC mit doppelter Integration. Das Funktionsprinzip dieses Geräts ist zwar ziemlich kompliziert, liefert jedoch Qualitätsindikatoren. In manchen Fällen ist dies einfach notwendig.
Wählen Sie den APC mit dem Funktionsprinzip, das wir brauchen
Nehmen wir an, wir haben eine bestimmte Aufgabe vor uns. Welches Gerät ist zu wählen, damit es alle unsere Anforderungen erfüllen kann? Lassen Sie uns zunächst über Auflösung und Genauigkeit sprechen. Sehr oft werden sie verwechselt, obwohl sie in der Praxis sehr wenig voneinander abhängen. Beachten Sie, dass ein 12-Bit-A/D-Wandler möglicherweise weniger genau ist als ein 8-Bit-A/D-Wandler. DarinDie Auflösung ist dabei ein Maß dafür, wie viele Segmente aus dem Eingangsbereich des gemessenen Signals extrahiert werden können. 8-Bit-ADCs haben also 28=256 solcher Einheiten.
Genauigkeit ist die Gesamtabweichung des erh altenen Umrechnungsergebnisses vom Idealwert, der bei gegebener Eingangsspannung sein sollte. Das heißt, der erste Parameter charakterisiert die potenziellen Fähigkeiten, die der ADC hat, und der zweite zeigt, was wir in der Praxis haben. Daher kann ein einfacherer Typ (z. B. direkte Analog-Digital-Wandler) für uns geeignet sein, der die Anforderungen aufgrund hoher Genauigkeit erfüllt.
Um eine Vorstellung davon zu bekommen, was benötigt wird, müssen Sie zuerst die physikalischen Parameter berechnen und eine mathematische Formel für die Interaktion erstellen. Wichtig bei ihnen sind statische und dynamische Fehler, da sie bei Verwendung verschiedener Komponenten und Prinzipien zum Bau eines Geräts seine Eigenschaften auf unterschiedliche Weise beeinflussen. Ausführlichere Informationen finden Sie in der technischen Dokumentation, die der Hersteller des jeweiligen Geräts anbietet.
Beispiel
Werfen wir einen Blick auf den SC9711 ADC. Das Funktionsprinzip dieses Geräts ist aufgrund seiner Größe und Fähigkeiten kompliziert. Übrigens, wenn man von letzterem spricht, sollte beachtet werden, dass sie wirklich vielfältig sind. So reicht beispielsweise die mögliche Betriebsfrequenz von 10 Hz bis 10 MHz. Mit anderen Worten, es kann 10 Millionen Samples pro Sekunde aufnehmen! Und das Gerät selbst ist nicht etwas Solides, aberist modular aufgebaut. Aber es wird in der Regel in der komplexen Technologie verwendet, wo mit einer großen Anzahl von Signalen gearbeitet werden muss.
Schlussfolgerung
Wie Sie sehen können, haben ADCs grundsätzlich unterschiedliche Funktionsprinzipien. Auf diese Weise können wir Geräte auswählen, die den auftretenden Anforderungen entsprechen, und gleichzeitig unsere verfügbaren Mittel sinnvoll verw alten.
