Mari kita lihat berbagai masalah utama yang dapat dikaitkan dengan prinsip pengoperasian konverter analog-ke-digital (ADC) dari berbagai jenis. Penghitungan berurutan, penyeimbangan bitwise - apa yang tersembunyi di balik kata-kata ini? Bagaimana prinsip kerja mikrokontroler ADC? Ini, serta sejumlah pertanyaan lain, akan kami pertimbangkan dalam kerangka artikel. Kami akan mencurahkan tiga bagian pertama untuk teori umum, dan dari subpos keempat kami akan mempelajari prinsip kerja mereka. Anda dapat menemukan istilah ADC dan DAC dalam berbagai literatur. Prinsip pengoperasian perangkat ini sedikit berbeda, jadi jangan bingung. Jadi, artikel ini akan mempertimbangkan konversi sinyal dari analog ke bentuk digital, sedangkan DAC bekerja sebaliknya.
Definisi
Sebelum mempertimbangkan prinsip pengoperasian ADC, mari kita cari tahu jenis perangkat apa itu. Konverter analog-ke-digital adalah perangkat yang mengubah kuantitas fisik menjadi representasi numerik yang sesuai. Hampir semua hal dapat bertindak sebagai parameter awal - arus, tegangan, kapasitansi,resistensi, sudut poros, frekuensi pulsa dan sebagainya. Tapi yang pasti, kami akan bekerja hanya dengan satu transformasi. Ini adalah "kode tegangan". Pilihan format pekerjaan ini tidak disengaja. Bagaimanapun, ADC (prinsip pengoperasian perangkat ini) dan fitur-fiturnya sangat bergantung pada konsep pengukuran yang digunakan. Ini dipahami sebagai proses membandingkan nilai tertentu dengan standar yang telah ditetapkan sebelumnya.
Spesifikasi ADC
Yang utama adalah kedalaman bit dan frekuensi konversi. Yang pertama dinyatakan dalam bit dan yang terakhir dalam hitungan per detik. Konverter analog-ke-digital modern dapat memiliki lebar 24 bit atau hingga unit GSPS. Perhatikan bahwa ADC hanya dapat memberi Anda salah satu karakteristiknya dalam satu waktu. Semakin tinggi kinerjanya, semakin sulit untuk bekerja dengan perangkat, dan itu sendiri lebih mahal. Tetapi manfaatnya adalah Anda bisa mendapatkan indikator kedalaman bit yang diperlukan dengan mengorbankan kecepatan perangkat.
tipe ADC
Prinsip operasi bervariasi untuk berbagai kelompok perangkat. Kita akan melihat tipe berikut:
- Dengan konversi langsung.
- Dengan pendekatan berurutan.
- Dengan konversi paralel.
- A/D converter dengan penyeimbangan muatan (delta-sigma).
- Mengintegrasikan ADC.
Ada banyak jenis pipeline dan kombinasi lainnya yang memiliki karakteristik khusus dengan arsitektur yang berbeda. Tapi itusampel yang akan dipertimbangkan dalam kerangka artikel menarik karena fakta bahwa mereka memainkan peran indikatif dalam ceruk perangkat mereka dengan kekhususan ini. Oleh karena itu, mari kita pelajari prinsip ADC, serta ketergantungannya pada perangkat fisik.
Konverter A/D Langsung
Mereka menjadi sangat populer di tahun 60-an dan 70-an abad terakhir. Dalam bentuk sirkuit terpadu, mereka telah diproduksi sejak tahun 80-an. Ini adalah perangkat yang sangat sederhana, bahkan primitif yang tidak dapat membanggakan kinerja yang signifikan. Kedalaman bitnya biasanya 6-8 bit, dan kecepatannya jarang melebihi 1 GSPS.
Prinsip operasi jenis ADC ini adalah sebagai berikut: input positif dari komparator secara bersamaan menerima sinyal input. Tegangan dengan besaran tertentu diterapkan ke terminal negatif. Dan kemudian perangkat menentukan mode operasinya. Ini dilakukan dengan tegangan referensi. Katakanlah kita memiliki perangkat dengan 8 pembanding. Saat menerapkan tegangan referensi, hanya 4 di antaranya yang akan dihidupkan. Encoder prioritas akan menghasilkan kode biner, yang akan diperbaiki oleh register keluaran. Mengenai kelebihan dan kekurangannya, kami dapat mengatakan bahwa prinsip operasi ini memungkinkan Anda untuk membuat perangkat berkecepatan tinggi. Tapi untuk mendapatkan kedalaman bit yang dibutuhkan, Anda harus banyak berkeringat.
Rumus umum untuk jumlah pembanding terlihat seperti ini: 2^N. Di bawah N Anda harus memasukkan jumlah digit. Contoh yang dipertimbangkan sebelumnya dapat digunakan lagi: 2^3=8. Secara total, untuk mendapatkan kategori ketiga, perlu8 pembanding. Ini adalah prinsip pengoperasian ADC, yang dibuat terlebih dahulu. Sangat tidak nyaman, sehingga arsitektur lain kemudian muncul.
Konverter aproksimasi berurutan analog-ke-digital
Di sini algoritma "pembobotan" digunakan. Singkatnya, perangkat yang bekerja sesuai dengan teknik ini disebut ADC penghitungan serial. Prinsip operasinya adalah sebagai berikut: perangkat mengukur nilai sinyal input, dan kemudian dibandingkan dengan angka yang dihasilkan menurut metode tertentu:
- Menyetel setengah dari tegangan referensi yang mungkin.
- Jika sinyal telah melewati batas nilai dari titik 1, maka dibandingkan dengan angka yang terletak di tengah antara nilai yang tersisa. Jadi, dalam kasus kami ini akan menjadi dari tegangan referensi. Jika sinyal referensi tidak mencapai indikator ini, maka perbandingan akan dilakukan dengan bagian lain dari interval menurut prinsip yang sama. Dalam contoh ini, ini adalah dari tegangan referensi.
- Langkah 2 perlu diulang N kali, yang akan memberi kita N bit hasilnya. Hal ini karena melakukan perbandingan jumlah H.
Prinsip operasi ini memungkinkan untuk mendapatkan perangkat dengan tingkat konversi yang relatif tinggi, yang merupakan ADC aproksimasi yang berurutan. Prinsip pengoperasiannya, seperti yang Anda lihat, sederhana, dan perangkat ini bagus untuk berbagai kesempatan.
Konverter analog-ke-digital paralel
Mereka bekerja seperti perangkat serial. Rumus perhitungannya adalah (2 ^ H) -1. UntukDalam kasus sebelumnya, kita membutuhkan (2^3)-1 pembanding. Untuk operasi, array tertentu dari perangkat ini digunakan, yang masing-masing dapat membandingkan input dan tegangan referensi individu. Konverter analog-ke-digital paralel adalah perangkat yang cukup cepat. Tetapi prinsip konstruksi perangkat ini sedemikian rupa sehingga diperlukan daya yang signifikan untuk mendukung kinerjanya. Oleh karena itu, tidak praktis untuk menggunakannya dengan daya baterai.
Konverter A/D Seimbang Bitwise
Ini beroperasi dengan cara yang sama seperti perangkat sebelumnya. Oleh karena itu, untuk menjelaskan fungsi ADC penyeimbang sedikit demi sedikit, prinsip pengoperasian untuk pemula akan dipertimbangkan secara harfiah. Inti dari perangkat ini adalah fenomena dikotomi. Dengan kata lain, dilakukan perbandingan yang konsisten antara nilai terukur dengan bagian tertentu dari nilai maksimum. Nilai dalam, 1/8, 1/16 dan seterusnya dapat diambil. Oleh karena itu, konverter analog-ke-digital dapat menyelesaikan seluruh proses dalam N iterasi (langkah berurutan). Selain itu, H sama dengan kedalaman bit ADC (lihat rumus yang diberikan sebelumnya). Jadi, kami memiliki keuntungan yang signifikan dalam waktu, jika kecepatan teknik sangat penting. Meskipun kecepatannya cukup besar, perangkat ini juga memiliki akurasi statis yang rendah.
Konverter A/D dengan penyeimbangan muatan (delta-sigma)
Ini adalah jenis perangkat yang paling menarik, paling tidakberkat prinsip operasinya. Itu terletak pada kenyataan bahwa tegangan input dibandingkan dengan apa yang telah dikumpulkan oleh integrator. Pulsa dengan polaritas negatif atau positif diumpankan ke input (semuanya tergantung pada hasil operasi sebelumnya). Dengan demikian, kita dapat mengatakan bahwa konverter analog-ke-digital semacam itu adalah sistem servo sederhana. Tapi ini hanya contoh untuk perbandingan, jadi Anda bisa mengerti apa itu ADC delta-sigma. Prinsip operasinya sistemik, tetapi untuk berfungsinya konverter analog-ke-digital ini secara efektif tidak cukup. Hasil akhirnya adalah aliran 1s dan 0s yang tidak pernah berakhir melalui filter low-pass digital. Urutan bit tertentu terbentuk dari mereka. Perbedaan dibuat antara konverter ADC orde pertama dan kedua.
Mengintegrasikan konverter analog-ke-digital
Ini adalah kasus khusus terakhir yang akan dibahas dalam artikel. Selanjutnya, kami akan menjelaskan prinsip pengoperasian perangkat ini, tetapi pada tingkat umum. ADC ini merupakan konverter analog-ke-digital push-pull. Anda dapat menemukan perangkat serupa di multimeter digital. Dan ini tidak mengherankan, karena mereka memberikan akurasi tinggi dan pada saat yang sama menekan interferensi dengan baik.
Sekarang mari kita fokus pada cara kerjanya. Itu terletak pada kenyataan bahwa sinyal input mengisi kapasitor untuk waktu yang tetap. Sebagai aturan, periode ini adalah satuan frekuensi jaringan yang memberi daya pada perangkat (50 Hz atau 60 Hz). Itu juga bisa banyak. Dengan demikian, frekuensi tinggi ditekan.gangguan. Pada saat yang sama, pengaruh tegangan tidak stabil dari sumber utama pembangkit listrik pada akurasi hasil diratakan.
Ketika waktu pengisian konverter analog-ke-digital berakhir, kapasitor mulai melepaskan daya pada laju tetap tertentu. Penghitung internal perangkat menghitung jumlah pulsa clock yang dihasilkan selama proses ini. Jadi, semakin lama jangka waktunya, semakin signifikan indikatornya.
Integrasi push-pull ADC memiliki akurasi dan resolusi tinggi. Karena ini, serta struktur konstruksi yang relatif sederhana, mereka diimplementasikan sebagai sirkuit mikro. Kerugian utama dari prinsip operasi ini adalah ketergantungan pada indikator jaringan. Ingatlah bahwa kemampuannya terkait dengan periode frekuensi catu daya.
Inilah cara kerja ADC integrasi ganda. Prinsip pengoperasian perangkat ini, meskipun cukup rumit, tetapi memberikan indikator kualitas. Dalam beberapa kasus, ini hanya diperlukan.
Pilih APC dengan prinsip operasi yang kita butuhkan
Katakanlah kita memiliki tugas tertentu di depan kita. Perangkat mana yang harus dipilih sehingga dapat memenuhi semua permintaan kami? Pertama, mari kita bicara tentang resolusi dan akurasi. Sangat sering mereka bingung, meskipun dalam praktiknya mereka sangat sedikit bergantung satu sama lain. Ketahuilah bahwa konverter A/D 12-bit mungkin kurang akurat dibandingkan konverter A/D 8-bit. KarenaDalam hal ini, resolusi adalah ukuran berapa banyak segmen yang dapat diekstraksi dari rentang input dari sinyal yang diukur. Jadi, ADC 8-bit memiliki 28=256 unit seperti itu.
Akurasi adalah simpangan total dari hasil konversi yang diperoleh dari nilai ideal, yang seharusnya pada tegangan input yang diberikan. Artinya, parameter pertama mencirikan kemampuan potensial yang dimiliki ADC, dan yang kedua menunjukkan apa yang kita miliki dalam praktik. Oleh karena itu, jenis yang lebih sederhana (seperti konverter analog-ke-digital langsung) mungkin cocok untuk kita, yang akan memenuhi kebutuhan karena akurasi yang tinggi.
Untuk mengetahui apa yang dibutuhkan, pertama-tama Anda perlu menghitung parameter fisik dan membuat rumus matematika untuk interaksi. Penting di dalamnya adalah kesalahan statis dan dinamis, karena ketika menggunakan berbagai komponen dan prinsip membangun perangkat, mereka akan mempengaruhi karakteristiknya dengan cara yang berbeda. Informasi lebih rinci dapat ditemukan dalam dokumentasi teknis yang ditawarkan oleh produsen masing-masing perangkat tertentu.
Contoh
Mari kita lihat ADC SC9711. Prinsip pengoperasian perangkat ini rumit karena ukuran dan kemampuannya. Ngomong-ngomong, berbicara tentang yang terakhir, perlu dicatat bahwa mereka benar-benar beragam. Jadi, misalnya, frekuensi operasi yang mungkin berkisar dari 10 Hz hingga 10 MHz. Dengan kata lain, dibutuhkan 10 juta sampel per detik! Dan perangkat itu sendiri bukanlah sesuatu yang solid, tapimemiliki struktur konstruksi modular. Tetapi digunakan, sebagai suatu peraturan, dalam teknologi yang kompleks, di mana perlu untuk bekerja dengan sejumlah besar sinyal.
Kesimpulan
Seperti yang Anda lihat, ADC pada dasarnya memiliki prinsip operasi yang berbeda. Hal ini memungkinkan kami untuk memilih perangkat yang akan memenuhi kebutuhan yang muncul, sekaligus memungkinkan kami untuk mengelola dana yang tersedia dengan bijak.
