Եկեք դիտարկենք խնդիրների հիմնական շրջանակը, որոնք կարելի է վերագրել տարբեր տեսակի անալոգային-թվային փոխարկիչների (ADCs) աշխատանքի սկզբունքին: Հերթական հաշվում, բիթային հավասարակշռում. ի՞նչ է թաքնված այս բառերի հետևում: Ո՞րն է ADC միկրոկոնտրոլերի աշխատանքի սկզբունքը: Այս, ինչպես նաև մի շարք այլ հարցեր, մենք կքննարկենք հոդվածի շրջանակներում։ Առաջին երեք մասերը կնվիրենք ընդհանուր տեսությանը, իսկ չորրորդ ենթավերնագրից կուսումնասիրենք դրանց աշխատանքի սկզբունքը։ Դուք կարող եք հանդիպել ADC և DAC տերմիններին տարբեր գրականության մեջ: Այս սարքերի շահագործման սկզբունքը մի փոքր տարբերվում է, այնպես որ մի շփոթեք դրանք: Այսպիսով, հոդվածում կքննարկվի ազդանշանների փոխակերպումը անալոգայինից թվային ձևի, մինչդեռ DAC-ն աշխատում է հակառակը:
Սահմանում
Մինչ ADC-ի աշխատանքի սկզբունքը դիտարկելը, եկեք պարզենք, թե ինչ սարքի մասին է խոսքը։ Անալոգային թվային փոխարկիչներն այն սարքերն են, որոնք ֆիզիկական մեծությունը վերածում են համապատասխան թվային պատկերի: Գրեթե ամեն ինչ կարող է հանդես գալ որպես սկզբնական պարամետր՝ հոսանք, լարում, հզորություն,դիմադրություն, լիսեռի անկյուն, զարկերակային հաճախականություն և այլն: Բայց վստահ լինելու համար մենք աշխատելու ենք միայն մեկ փոխակերպմամբ. Սա «լարման կոդ» է։ Աշխատանքի այս ձևաչափի ընտրությունը պատահական չէ. Ի վերջո, ADC-ն (այս սարքի շահագործման սկզբունքը) և դրա առանձնահատկությունները մեծապես կախված են նրանից, թե որ չափման հայեցակարգն է օգտագործվում: Սա հասկացվում է որպես որոշակի արժեքի համեմատման գործընթաց նախկինում հաստատված ստանդարտի հետ:
ADC բնութագրեր
Հիմնականներն են բիթերի խորությունը և փոխակերպման հաճախականությունը: Առաջինն արտահայտվում է բիթերով, իսկ երկրորդը՝ վայրկյանում հաշվարկներով: Ժամանակակից անալոգային թվային փոխարկիչները կարող են ունենալ 24 բիթ լայնություն կամ մինչև GSPS միավոր: Նկատի ունեցեք, որ ADC-ն կարող է ձեզ միաժամանակ տրամադրել միայն իր բնութագրերից մեկը: Որքան բարձր են դրանց կատարումը, այնքան ավելի դժվար է սարքի հետ աշխատելը, և դա ինքնին ավելի թանկ արժե։ Բայց առավելությունն այն է, որ դուք կարող եք ստանալ անհրաժեշտ բիթերի խորության ցուցիչները՝ զոհաբերելով սարքի արագությունը:
ADC տեսակներ
Աշխատանքի սկզբունքը տարբերվում է տարբեր խմբերի սարքերի համար: Մենք կդիտարկենք հետևյալ տեսակները՝
- Ուղիղ փոխակերպմամբ։
- Հաջորդական մոտավորմամբ։
- Զուգահեռ փոխակերպմամբ։
- A/D փոխարկիչ լիցքավորման հավասարակշռմամբ (դելտա-սիգմա):
- ADC-ների ինտեգրում։
Կան բազմաթիվ այլ խողովակաշարերի և համակցման տեսակներ, որոնք ունեն իրենց հատուկ առանձնահատկությունները տարբեր ճարտարապետությամբ: Բայց դրանքՆմուշները, որոնք կդիտարկվեն հոդվածի շրջանակներում, հետաքրքրություն են ներկայացնում այն պատճառով, որ դրանք ցուցիչ դեր են խաղում այս առանձնահատկությունի սարքերի իրենց խորշում: Հետևաբար, եկեք ուսումնասիրենք ADC-ի սկզբունքը, ինչպես նաև դրա կախվածությունը ֆիզիկական սարքից։
Ուղիղ A/D փոխարկիչներ
Նրանք շատ հայտնի դարձան անցյալ դարի 60-70-ական թվականներին։ Ինտեգրալ սխեմաների տեսքով դրանք արտադրվել են 80-ական թվականներից։ Սրանք շատ պարզ, նույնիսկ պարզունակ սարքեր են, որոնք չեն կարող պարծենալ զգալի կատարողականությամբ: Դրանց բիթերի խորությունը սովորաբար 6-8 բիթ է, իսկ արագությունը հազվադեպ է գերազանցում 1 GSPS-ը։
Այս տեսակի ADC-ի աշխատանքի սկզբունքը հետևյալն է՝ համեմատողների դրական մուտքերը միաժամանակ մուտքային ազդանշան են ստանում։ Բացասական տերմինալների վրա կիրառվում է որոշակի մեծության լարում: Եվ հետո սարքը որոշում է իր աշխատանքի ռեժիմը: Դա արվում է հղման լարման միջոցով: Ենթադրենք՝ ունենք 8 համեմատող սարք։ ½ հղման լարում կիրառելիս դրանցից միայն 4-ը կմիանան: Առաջնահերթ կոդավորիչը կստեղծի երկուական կոդ, որը կֆիքսվի ելքային ռեգիստրի կողմից: Առավելությունների և թերությունների վերաբերյալ կարող ենք ասել, որ աշխատանքի այս սկզբունքը թույլ է տալիս ստեղծել բարձր արագությամբ սարքեր։ Բայց անհրաժեշտ բիթի խորությունը ստանալու համար պետք է շատ քրտնել։
Համեմատողների թվի ընդհանուր բանաձևն ունի հետևյալ տեսքը՝ 2^N: N-ի տակ պետք է նշել թվանշանների թիվը: Նախկինում դիտարկված օրինակը կարող է կրկին օգտագործվել՝ 2^3=8։ Ընդհանուր առմամբ, երրորդ կատեգորիան ստանալու համար անհրաժեշտ է8 համեմատող. Սա ADC-ների գործունեության սկզբունքն է, որոնք ստեղծվել են առաջինը: Շատ հարմար չէ, ուստի ավելի ուշ հայտնվեցին այլ ճարտարապետություններ:
Անալոգային-թվային հաջորդական մոտարկման փոխարկիչներ
Այստեղ օգտագործվում է «կշռման» ալգորիթմը։ Մի խոսքով, սարքերը, որոնք աշխատում են այս տեխնիկայի համաձայն, պարզապես կոչվում են սերիական հաշվող ADC: Գործողության սկզբունքը հետևյալն է. սարքը չափում է մուտքային ազդանշանի արժեքը, այնուհետև այն համեմատվում է որոշակի մեթոդով գեներացված թվերի հետ՝
- Կարգավորում է հնարավոր հղման լարման կեսը։
- Եթե ազդանշանը հաղթահարել է թիվ 1 կետի արժեքի սահմանը, ապա այն համեմատվում է այն թվի հետ, որը գտնվում է մեջտեղում մնացած արժեքի միջև: Այսպիսով, մեր դեպքում դա կլինի հղման լարման ¾-ը: Եթե հղման ազդանշանը չի հասնում այս ցուցանիշին, ապա համեմատությունը կիրականացվի ինտերվալի մյուս մասի հետ նույն սկզբունքով։ Այս օրինակում սա հղման լարման ¼-ն է։
- Քայլ 2-ը պետք է կրկնել N անգամ, ինչը մեզ կտա արդյունքի N բիթ: Սա պայմանավորված է H թվի համեմատություններով:
Գործողության այս սկզբունքը հնարավորություն է տալիս ձեռք բերել համեմատաբար բարձր փոխակերպման արագությամբ սարքեր, որոնք հաջորդական մոտավոր ADC-ներ են: Գործողության սկզբունքը, ինչպես տեսնում եք, պարզ է, և այս սարքերը հիանալի են տարբեր առիթների համար։
Զուգահեռ անալոգային թվային փոխարկիչներ
Նրանք աշխատում են սերիական սարքերի նման: Հաշվարկի բանաձևը (2 ^ H) -1 է: ՀամարՆախորդ դեպքում մեզ անհրաժեշտ են (2^3)-1 համեմատիչներ։ Գործողության համար օգտագործվում է այս սարքերի որոշակի զանգված, որոնցից յուրաքանչյուրը կարող է համեմատել մուտքային և անհատական հղման լարումը: Զուգահեռ անալոգային թվային փոխարկիչները բավականին արագ սարքեր են: Բայց այս սարքերի կառուցման սկզբունքն այնպիսին է, որ զգալի հզորություն է պահանջվում դրանց կատարման համար: Հետևաբար, գործնական չէ դրանք օգտագործել մարտկոցով:
Bitwise Balanced A/D Converter
Այն աշխատում է նույն կերպ, ինչ նախորդ սարքը: Հետևաբար, բիթ առ բիթ հավասարակշռող ADC-ի գործունեությունը բացատրելու համար սկսնակների համար գործողության սկզբունքը կդիտարկվի բառացիորեն մատների վրա: Այս սարքերի հիմքում ընկած է դիխոտոմիայի ֆենոմենը: Այլ կերպ ասած, իրականացվում է չափված արժեքի հետևողական համեմատություն առավելագույն արժեքի որոշակի մասի հետ։ ½, 1/8, 1/16 և այլնի արժեքները կարելի է վերցնել: Հետևաբար, անալոգային-թվային փոխարկիչը կարող է ամբողջ գործընթացը ավարտել N կրկնություններով (հաջորդական քայլեր): Ավելին, H-ը հավասար է ADC-ի բիթային խորությանը (նայեք նախկինում տրված բանաձևերին): Այսպիսով, մենք ունենք ժամանակի զգալի շահույթ, եթե տեխնիկայի արագությունը հատկապես կարևոր է։ Չնայած իրենց զգալի արագությանը, այս սարքերն ունեն նաև ցածր ստատիկ ճշգրտություն:
A/D փոխարկիչներ լիցքավորման հավասարակշռմամբ (դելտա-սիգմա)
Սա սարքի ամենահետաքրքիր տեսակն է, ոչ պակասիր գործունեության սկզբունքի շնորհիվ: Այն կայանում է նրանում, որ մուտքային լարումը համեմատվում է ինտեգրատորի կողմից կուտակվածի հետ: Բացասական կամ դրական բևեռականությամբ իմպուլսները սնվում են մուտքին (ամեն ինչ կախված է նախորդ գործողության արդյունքից): Այսպիսով, մենք կարող ենք ասել, որ նման անալոգային թվային փոխարկիչը պարզ սերվո համակարգ է: Բայց սա ընդամենը համեմատության օրինակ է, այնպես որ կարող եք հասկանալ, թե ինչ է դելտա-սիգմա ADC-ն: Գործողության սկզբունքը համակարգային է, բայց այս անալոգային թվային փոխարկիչի արդյունավետ աշխատանքի համար բավարար չէ: Վերջնական արդյունքը 1-երի և 0-երի անվերջ հոսքն է թվային ցածր անցումային ֆիլտրի միջոցով: Դրանցից ձևավորվում է բիթերի որոշակի հաջորդականություն։ Տարբերակվում է առաջին և երկրորդ կարգի ADC փոխարկիչների միջև:
Անալոգային-թվային փոխարկիչների ինտեգրում
Սա վերջին հատուկ դեպքն է, որը կքննարկվի հոդվածում: Հաջորդը, մենք նկարագրելու ենք այս սարքերի շահագործման սկզբունքը, բայց ընդհանուր մակարդակով: Այս ADC-ն անալոգային թվային փոխարկիչ է: Նմանատիպ սարքի կարելի է հանդիպել թվային մուլտիմետրում: Եվ դա զարմանալի չէ, քանի որ դրանք ապահովում են բարձր ճշգրտություն և միևնույն ժամանակ լավ զսպում են միջամտությունը։
Այժմ եկեք կենտրոնանանք այն վրա, թե ինչպես է այն աշխատում: Այն կայանում է նրանում, որ մուտքային ազդանշանը լիցքավորում է կոնդենսատորը ֆիքսված ժամանակով: Որպես կանոն, այս ժամանակահատվածը սարքը սնուցող ցանցի հաճախականության միավորն է (50 Հց կամ 60 Հց): Այն կարող է լինել նաև բազմակի: Այսպիսով, բարձր հաճախականությունները ճնշվում են:միջամտություն. Միաժամանակ հավասարեցվում է էլեկտրաէներգիայի արտադրության ցանցային աղբյուրի անկայուն լարման ազդեցությունը արդյունքի ճշտության վրա։
Երբ անալոգային-թվային փոխարկիչի լիցքավորման ժամանակը ավարտվում է, կոնդենսատորը սկսում է լիցքաթափվել որոշակի ֆիքսված արագությամբ: Սարքի ներքին հաշվիչը հաշվում է ժամացույցի իմպուլսների քանակը, որոնք առաջանում են այս գործընթացի ընթացքում: Այսպիսով, որքան երկար է ժամանակահատվածը, այնքան ավելի նշանակալի են ցուցանիշները։
ADC push-pull ինտեգրումն ունի բարձր ճշգրտություն և լուծում: Դրա շնորհիվ, ինչպես նաև համեմատաբար պարզ շինարարական կառուցվածքի, դրանք իրականացվում են որպես միկրոսխեմաներ: Գործողության այս սկզբունքի հիմնական թերությունը ցանցի ցուցիչից կախվածությունն է: Հիշեք, որ դրա հնարավորությունները կապված են էլեկտրամատակարարման հաճախականության հետ:
Այսպես է աշխատում կրկնակի ինտեգրացիոն ADC-ն: Այս սարքի շահագործման սկզբունքը, թեև բավականին բարդ է, բայց ապահովում է որակի ցուցանիշներ։ Որոշ դեպքերում դա պարզապես անհրաժեշտ է։
Ընտրեք APC-ն մեզ անհրաժեշտ գործողության սկզբունքով
Ենթադրենք՝ մեր առջեւ որոշակի խնդիր է դրված։ Ո՞ր սարքն ընտրել, որպեսզի այն կարողանա բավարարել մեր բոլոր պահանջները: Նախ, եկեք խոսենք լուծման և ճշգրտության մասին: Շատ հաճախ նրանք շփոթված են, թեև գործնականում շատ քիչ են կախված միմյանցից: Իմացեք, որ 12-բիթանոց A/D փոխարկիչը կարող է ավելի քիչ ճշգրիտ լինել, քան 8-բիթանոց A/D փոխարկիչը: ԴրանումԱյս դեպքում լուծումը չափում է, թե քանի հատված կարելի է հանել չափված ազդանշանի մուտքային տիրույթից: Այսպիսով, 8-բիթանոց ADC-ներն ունեն 28=256 նման միավոր:
Ճշգրտությունը ստացված փոխակերպման արդյունքի ընդհանուր շեղումն է իդեալական արժեքից, որը պետք է լինի տվյալ մուտքային լարման վրա։ Այսինքն՝ առաջին պարամետրը բնութագրում է այն պոտենցիալ հնարավորությունները, որոնք ունի ADC-ն, իսկ երկրորդը ցույց է տալիս, թե ինչ ունենք մենք գործնականում։ Հետևաբար, մեզ համար կարող է հարմար լինել ավելի պարզ տեսակը (օրինակ՝ ուղղակի անալոգային թվային փոխարկիչները), որը կբավարարի պահանջները բարձր ճշգրտության շնորհիվ։
Պատկերացում ունենալու համար, թե ինչ է անհրաժեշտ, նախ պետք է հաշվարկել ֆիզիկական պարամետրերը և կառուցել փոխազդեցության մաթեմատիկական բանաձև: Դրանցում կարևոր են ստատիկ և դինամիկ սխալները, քանի որ սարքի կառուցման տարբեր բաղադրիչներ և սկզբունքներ օգտագործելիս դրանք տարբեր կերպ կազդեն դրա բնութագրերի վրա: Ավելի մանրամասն տեղեկություններ կարելի է գտնել յուրաքանչյուր կոնկրետ սարքի արտադրողի կողմից առաջարկվող տեխնիկական փաստաթղթերում:
Օրինակ
Եկեք նայենք SC9711 ADC-ին: Այս սարքի շահագործման սկզբունքը բարդ է իր չափսերով և հնարավորություններով։ Ի դեպ, վերջիններիս մասին խոսելիս պետք է նշել, որ դրանք իսկապես բազմազան են։ Այսպիսով, օրինակ, հնարավոր գործողության հաճախականությունը տատանվում է 10 Հց-ից մինչև 10 ՄՀց: Այլ կերպ ասած, այն կարող է վերցնել 10 միլիոն նմուշ վայրկյանում: Եվ սարքն ինքնին պինդ բան չէ, այլունի մոդուլային շինարարական կառուցվածք։ Բայց այն օգտագործվում է, որպես կանոն, բարդ տեխնիկայում, որտեղ անհրաժեշտ է աշխատել մեծ թվով ազդանշանների հետ։
Եզրակացություն
Ինչպես տեսնում եք, ADC-ները հիմնականում ունեն աշխատանքի տարբեր սկզբունքներ: Սա մեզ թույլ է տալիս ընտրել այնպիսի սարքեր, որոնք կբավարարեն առաջացող կարիքները՝ միաժամանակ թույլ տալով մեզ խելամտորեն կառավարել մեր հասանելի միջոցները:
