Әртүрлі типтегі аналогты-цифрлық түрлендіргіштердің (ADC) жұмыс істеу принципіне жатқызуға болатын мәселелердің негізгі ауқымын қарастырайық. Тізбектелген санау, разрядтық теңдестіру – бұл сөздердің артында не жасырылған? ADC микроконтроллерінің жұмыс істеу принципі қандай? Бұл, сондай-ақ басқа да бірқатар сұрақтарды біз мақала аясында қарастырамыз. Алғашқы үш бөлімді жалпы теорияға арнаймыз, ал төртінші тақырыпшадан бастап олардың жұмыс істеу принципін зерттейміз. ADC және DAC терминдерін әртүрлі әдебиеттерде кездестіруге болады. Бұл құрылғылардың жұмыс принципі сәл өзгеше, сондықтан оларды шатастырмаңыз. Сонымен, мақалада сигналдарды аналогтық пішіннен цифрлық түрге түрлендіру қарастырылады, ал DAC керісінше жұмыс істейді.
Анықтама
АЦП жұмыс істеу принципін қарастырмас бұрын оның қандай құрылғы екенін анықтап алайық. Аналогты-цифрлық түрлендіргіштер – физикалық шаманы сәйкес сандық кескінге түрлендіретін құрылғылар. Кез келген дерлік бастапқы параметр ретінде әрекет ете алады - ток, кернеу, сыйымдылық,кедергі, білік бұрышы, импульс жиілігі және т.б. Бірақ сенімді болу үшін біз тек бір түрлендірумен жұмыс істейтін боламыз. Бұл «кернеу коды». Жұмыстың бұл форматын таңдау кездейсоқ емес. Өйткені, ADC (осы құрылғының жұмыс істеу принципі) және оның ерекшеліктері көбінесе қандай өлшем тұжырымдамасы қолданылатынына байланысты. Бұл белгілі бір мәнді бұрын белгіленген стандартпен салыстыру процесі ретінде түсініледі.
ADC техникалық сипаттамалары
Негізгілері бит тереңдігі және түрлендіру жиілігі. Біріншісі битпен, ал екіншісі секундтағы санмен көрсетіледі. Қазіргі заманғы аналогты-цифрлық түрлендіргіштер ені 24 бит немесе GSPS бірліктеріне дейін болуы мүмкін. ADC бір уақытта оның сипаттамаларының біреуін ғана қамтамасыз ете алатынын ескеріңіз. Олардың өнімділігі неғұрлым жоғары болса, соғұрлым құрылғымен жұмыс істеу қиынырақ болады және оның өзі қымбатырақ. Бірақ артықшылығы - құрылғының жылдамдығын жоғалту арқылы қажетті разрядтық тереңдік көрсеткіштерін алуға болады.
ADC түрлері
Әртүрлі құрылғылар топтары үшін жұмыс принципі әртүрлі. Біз келесі түрлерді қарастырамыз:
- Тікелей түрлендірумен.
- Кейінгі жуықтаумен.
- Параллель түрлендірумен.
- Заряд теңгерімі бар A/D түрлендіргіші (дельта-сигма).
- ADC біріктіру.
Архитектурасы әртүрлі өзіндік ерекше сипаттамалары бар көптеген басқа құбырлар мен комбинация түрлері бар. Бірақ солмақала аясында қарастырылатын үлгілер олардың осы ерекшеліктегі құрылғылардың тауашасында индикативтік рөл атқаратындығына байланысты қызығушылық тудырады. Сондықтан ADC принципін, сонымен қатар оның физикалық құрылғыға тәуелділігін зерттейік.
Тікелей A/D түрлендіргіштері
Олар өткен ғасырдың 60-70-ші жылдары өте танымал болды. Интегралдық микросхемалар түрінде олар 80-ші жылдардан бастап шығарыла бастады. Бұл айтарлықтай өнімділігімен мақтана алмайтын өте қарапайым, тіпті қарабайыр құрылғылар. Олардың бит тереңдігі әдетте 6-8 бит, ал жылдамдығы сирек 1 GSPS асады.
АЦТ-ның бұл түрінің жұмыс істеу принципі келесідей: компараторлардың оң кірістері бір уақытта кіріс сигналын алады. Теріс терминалдарға белгілі бір шамадағы кернеу қолданылады. Содан кейін құрылғы оның жұмыс режимін анықтайды. Бұл анықтамалық кернеумен орындалады. Бізде 8 компараторы бар құрылғы бар делік. ½ анықтамалық кернеуді қолданғанда олардың тек 4-і ғана қосылады. Басымдық кодтаушы екілік кодты жасайды, ол шығыс регистрімен бекітіледі. Артықшылықтар мен кемшіліктерге келетін болсақ, бұл жұмыс принципі жоғары жылдамдықты құрылғыларды жасауға мүмкіндік береді деп айта аламыз. Бірақ қажетті бит тереңдігін алу үшін көп терлеу керек.
Салыстырушылар санының жалпы формуласы келесідей: 2^N. N астына цифрлар санын қою керек. Бұрын қарастырылған мысалды қайта пайдалануға болады: 2^3=8. Жалпы алғанда, үшінші санатты алу үшін қажет8 салыстырушы. Бұл ең алғаш құрылған АДК жұмыс істеу принципі. Өте ыңғайлы емес, сондықтан басқа архитектуралар кейінірек пайда болды.
Аналогты-цифрлық дәйекті жуықтау түрлендіргіштері
Мұнда «салмақтау» алгоритмі қолданылады. Қысқаша айтқанда, осы техникаға сәйкес жұмыс істейтін құрылғылар жай ғана сериялық санау ADC деп аталады. Жұмыс принципі келесідей: құрылғы кіріс сигналының мәнін өлшейді, содан кейін ол белгілі бір әдіс бойынша құрылған сандармен салыстырылады:
- Мүмкін анықтамалық кернеудің жартысын орнатады.
- Егер сигнал 1 тармақтағы мән шегінен асып кетсе, онда ол қалған мәннің ортасында орналасқан санмен салыстырылады. Сонымен, біздің жағдайда ол анықтамалық кернеудің ¾ болады. Егер анықтамалық сигнал бұл көрсеткішке жетпесе, онда салыстыру сол принцип бойынша интервалдың басқа бөлігімен жүзеге асырылады. Бұл мысалда бұл анықтамалық кернеудің ¼ бөлігі.
- 2-қадамды N рет қайталау керек, бұл бізге нәтиженің N бит береді. Бұл салыстырулардың H санына байланысты.
Бұл жұмыс принципі дәйекті жуықтау ADC болып табылатын салыстырмалы түрде жоғары түрлендіру жылдамдығы бар құрылғыларды алуға мүмкіндік береді. Жұмыс принципі, көріп отырғаныңыздай, қарапайым және бұл құрылғылар әртүрлі жағдайлар үшін тамаша.
Параллельді аналогты-цифрлық түрлендіргіштер
Олар сериялы құрылғылар сияқты жұмыс істейді. Есептеу формуласы (2 ^ H) -1. ҮшінАлдыңғы жағдайда бізге (2^3)-1 компараторлар қажет. Жұмыс істеу үшін осы құрылғылардың белгілі бір массиві пайдаланылады, олардың әрқайсысы кіріс және жеке анықтамалық кернеуді салыстыра алады. Параллельді аналогты-цифрлық түрлендіргіштер өте жылдам құрылғылар болып табылады. Бірақ бұл құрылғылардың құрылыс принципі олардың жұмысын қолдау үшін айтарлықтай қуат қажет. Сондықтан оларды батарея қуатымен пайдалану практикалық емес.
Биттік теңдестірілген A/D түрлендіргіш
Ол алдыңғы құрылғы сияқты жұмыс істейді. Сондықтан, биттік теңестіретін ADC жұмысын түсіндіру үшін жаңадан бастағандар үшін жұмыс принципі саусақтарда сөзбе-сөз қарастырылады. Бұл құрылғылардың негізінде дихотомия құбылысы жатыр. Басқаша айтқанда, өлшенетін шаманы максималды шаманың белгілі бір бөлігімен дәйекті салыстыру жүзеге асырылады. ½, 1/8, 1/16 және т.б. мәндерді алуға болады. Сондықтан аналогты-цифрлық түрлендіргіш бүкіл процесті N итерацияда (қатарынан қадамдар) аяқтай алады. Сонымен қатар, H ADC бит тереңдігіне тең (бұрын берілген формулаларды қараңыз). Осылайша, техниканың жылдамдығы ерекше маңызды болса, біз уақыт бойынша айтарлықтай табысқа ие боламыз. Айтарлықтай жылдамдығына қарамастан, бұл құрылғылардың статикалық дәлдігі де төмен.
Заряд теңгерімі бар A/D түрлендіргіштері (дельта-сигма)
Бұл құрылғының ең қызықты түріжұмыс істеу принципінің арқасында. Бұл кіріс кернеуін интегратор жинақтағанмен салыстыру фактісі болып табылады. Теріс немесе оң полярлығы бар импульстар кіріске беріледі (бәрі алдыңғы операцияның нәтижесіне байланысты). Осылайша, мұндай аналогты-цифрлық түрлендіргіш қарапайым сервожүйе деп айта аламыз. Бірақ бұл салыстыру үшін ғана мысал, сондықтан сіз delta-sigma ADC не екенін түсінуге болады. Жұмыс принципі жүйелі, бірақ бұл аналогты-цифрлық түрлендіргіштің тиімді жұмыс істеуі үшін жеткіліксіз. Ақырғы нәтиже сандық төмен жиілікті сүзгі арқылы 1 және 0 секундтардың ешқашан аяқталмайтын ағыны болып табылады. Олардан белгілі бір разряд тізбегі қалыптасады. Бірінші және екінші ретті ADC түрлендіргіштері арасында айырмашылық бар.
Аналогты-цифрлық түрлендіргіштерді біріктіру
Бұл мақалада қарастырылатын соңғы ерекше жағдай. Әрі қарай, біз осы құрылғылардың жұмыс принципін сипаттаймыз, бірақ жалпы деңгейде. Бұл ADC аналогты-цифрлық түрлендіргіш. Ұқсас құрылғыны сандық мультиметрде кездестіруге болады. Және бұл таңқаларлық емес, өйткені олар жоғары дәлдікті қамтамасыз етеді және сонымен бірге кедергілерді жақсы басады.
Енді оның қалай жұмыс істейтініне тоқталайық. Бұл кіріс сигналының конденсаторды белгілі бір уақытқа зарядтауында жатыр. Әдетте, бұл кезең құрылғыны қуаттандыратын желі жиілігінің бірлігі болып табылады (50 Гц немесе 60 Гц). Ол бірнеше болуы да мүмкін. Осылайша, жоғары жиіліктер басылады.кедергі. Сонымен бірге электр энергиясын өндірудің негізгі көзінің тұрақсыз кернеуінің нәтиженің дәлдігіне әсері теңестіріледі.
Аналогты-цифрлық түрлендіргішті зарядтау уақыты аяқталғанда, конденсатор белгілі бір бекітілген жылдамдықпен зарядсыздана бастайды. Құрылғының ішкі есептегіші осы процесс кезінде пайда болатын тактілік импульстардың санын есептейді. Осылайша, уақыт кезеңі неғұрлым ұзақ болса, көрсеткіштер соғұрлым маңызды болады.
ADC push-pull интеграциясы жоғары дәлдік пен ажыратымдылыққа ие. Осыған байланысты, сондай-ақ салыстырмалы қарапайым құрылыс құрылымы, олар микросұлбалар ретінде жүзеге асырылады. Бұл жұмыс принципінің негізгі кемшілігі желі көрсеткішіне тәуелділік болып табылады. Оның мүмкіндіктері қуат көзінің жиілік кезеңіне байланысты екенін есте сақтаңыз.
Қос интеграцияланған ADC осылай жұмыс істейді. Бұл құрылғының жұмыс принципі, ол жеткілікті күрделі болса да, бірақ ол сапа көрсеткіштерін береді. Кейбір жағдайларда бұл жай ғана қажет.
Бізге қажет жұмыс принципі бар APC таңдаңыз
Алдымызда белгілі бір міндет тұр делік. Біздің барлық сұраныстарымызды қанағаттандыру үшін қандай құрылғыны таңдау керек? Алдымен ажыратымдылық пен дәлдік туралы сөйлесейік. Іс жүзінде олар бір-біріне өте аз тәуелді болса да, олар жиі шатастырылады. 12 биттік A/D түрлендіргіші 8 биттік A/D түрлендіргішінен дәлірек болуы мүмкін екенін ескеріңіз. ОсыдаБұл жағдайда ажыратымдылық өлшенетін сигналдың кіріс диапазонынан қанша сегментті шығаруға болатындығын көрсететін өлшем болып табылады. Сонымен, 8-биттік ADC-де 28=256 осындай бірлік бар.
Дәлдік – алынған түрлендіру нәтижесінің берілген кіріс кернеуінде болуы керек идеал мәннен жалпы ауытқуы. Яғни, бірінші параметр ADC ие болатын потенциалды мүмкіндіктерді сипаттайды, ал екіншісі тәжірибеде бізде не бар екенін көрсетеді. Сондықтан, жоғары дәлдікке байланысты қажеттіліктерді қанағаттандыратын қарапайым түрі (мысалы, тікелей аналогты-цифрлық түрлендіргіштер) бізге қолайлы болуы мүмкін.
Не қажет екендігі туралы түсінікке ие болу үшін алдымен физикалық параметрлерді есептеп, өзара әрекеттесу үшін математикалық формуланы құру керек. Оларда статикалық және динамикалық қателер маңызды, өйткені құрылғыны құрудың әртүрлі компоненттері мен принциптерін пайдаланған кезде олар оның сипаттамаларына әртүрлі әсер етеді. Толық ақпаратты әрбір нақты құрылғының өндірушісі ұсынатын техникалық құжаттамадан табуға болады.
Мысалы
SC9711 ADC-ті қарастырайық. Бұл құрылғының жұмыс принципі оның көлемі мен мүмкіндіктеріне байланысты күрделі. Айтпақшы, соңғысы туралы айта отырып, олардың шын мәнінде әртүрлі екенін атап өткен жөн. Мәселен, мысалы, ықтимал жұмыс жиілігі 10 Гц-тен 10 МГц-ке дейін. Басқаша айтқанда, ол секундына 10 миллион үлгіні қабылдай алады! Ал құрылғының өзі қатты нәрсе емес, бірақмодульдік құрылыс құрылымы бар. Бірақ ол, әдетте, көп сигналдармен жұмыс істеу қажет болатын күрделі технологияда қолданылады.
Қорытынды
Көріп отырғаныңыздай, ADC құрылғыларының жұмыс істеу принциптері әртүрлі. Бұл бізге пайда болатын қажеттіліктерді қанағаттандыратын құрылғыларды таңдауға мүмкіндік береді, сонымен қатар қол жетімді қаражатты ақылмен басқаруға мүмкіндік береді.
