בואו נסתכל על מגוון הבעיות העיקריות שניתן לייחס לעקרון הפעולה של ממירים אנלוגיים לדיגיטליים (ADC) מסוגים שונים. ספירה ברצף, איזון חלקי - מה מסתתר מאחורי המילים הללו? מהו עקרון הפעולה של המיקרו-בקר ADC? אלו, כמו גם מספר שאלות נוספות, נשקול במסגרת המאמר. את שלושת החלקים הראשונים נקדיש לתיאוריה הכללית, ומתוך כותרת המשנה הרביעית נלמד את עקרון עבודתם. אתה יכול לעמוד במונחים ADC ו-DAC בספרות שונות. עקרון הפעולה של מכשירים אלה שונה במקצת, אז אל תבלבל ביניהם. לכן, המאמר ישקול את ההמרה של אותות מצורה אנלוגית לדיגיטל, בעוד שה-DAC עובד הפוך.
הגדרה
לפני שנשקול את עקרון הפעולה של ה-ADC, בואו נגלה באיזה סוג של מכשיר מדובר. ממירים אנלוגיים לדיגיטליים הם מכשירים הממירים כמות פיזית לייצוג מספרי מתאים. כמעט כל דבר יכול לשמש כפרמטר ראשוני - זרם, מתח, קיבול,התנגדות, זווית פיר, תדר דופק וכן הלאה. אבל ליתר ביטחון, נעבוד עם טרנספורמציה אחת בלבד. זהו "קוד מתח". הבחירה בפורמט זה של עבודה אינה מקרית. אחרי הכל, ה-ADC (עקרון הפעולה של מכשיר זה) ותכונותיו תלויים במידה רבה באיזה מושג של מדידה משמש. זה מובן כתהליך של השוואה בין ערך מסוים לתקן שנקבע בעבר.
ADC מפרטי
העיקריים שבהם הם עומק סיביות ותדירות המרה. הראשון מתבטא בסיביות והשני בספירות לשנייה. ממירים אנלוגיים לדיגיטליים מודרניים יכולים להיות ברוחב של 24 סיביות או עד יחידות GSPS. שים לב ש-ADC יכול לספק לך רק אחד מהמאפיינים שלו בכל פעם. ככל שהביצועים שלהם גבוהים יותר, כך קשה יותר לעבוד עם המכשיר, והוא עצמו עולה יותר. אבל היתרון הוא שאתה יכול לקבל את מחווני עומק הסיביות הדרושים על ידי הקרבת מהירות המכשיר.
סוגי ADC
עקרון הפעולה משתנה עבור קבוצות שונות של מכשירים. נסתכל על הסוגים הבאים:
- עם המרה ישירה.
- עם קירוב עוקב.
- עם המרה מקבילה.
- ממיר A/D עם איזון טעינה (דלתא-סיגמה).
- שילוב ADCs.
ישנם סוגי צינורות ושילובים רבים אחרים בעלי מאפיינים מיוחדים משלהם עם ארכיטקטורה שונה. אבל אלההדגימות שיישקלו במסגרת המאמר הן מעניינות בשל העובדה שהן ממלאות תפקיד אינדיקטיבי בנישת המכשירים הספציפיים שלהן. לכן, בואו נלמד את עקרון ה-ADC, כמו גם את התלות שלו במכשיר הפיזי.
ממירי A/D ישירים
הם הפכו פופולריים מאוד בשנות ה-60 וה-70 של המאה הקודמת. בצורת מעגלים משולבים, הם מיוצרים מאז שנות ה-80. מדובר במכשירים פשוטים מאוד, אפילו פרימיטיביים, שאינם יכולים להתפאר בביצועים משמעותיים. עומק הסיביות שלהם הוא בדרך כלל 6-8 סיביות, ולעתים רחוקות המהירות עולה על 1 GSPS.
עקרון הפעולה של ADC מסוג זה הוא כדלקמן: הכניסות החיוביות של המשווים מקבלים בו זמנית אות כניסה. מתח בסדר גודל מסוים מופעל על המסופים השליליים. ואז המכשיר קובע את אופן הפעולה שלו. זה נעשה עם מתח ייחוס. נניח שיש לנו מכשיר עם 8 השוואות. בעת הפעלת ½ מתח ייחוס, רק 4 מהם יופעלו. מקודד העדיפות יפיק קוד בינארי, אשר יתוקן על ידי אוגר הפלט. לגבי היתרונות והחסרונות, אנו יכולים לומר כי עקרון פעולה זה מאפשר לך ליצור מכשירים במהירות גבוהה. אבל כדי לקבל את עומק הסיביות הנדרש, אתה צריך להזיע הרבה.
הנוסחה הכללית למספר המשווים נראית כך: 2^N. תחת N אתה צריך לשים את מספר הספרות. ניתן להשתמש שוב בדוגמה שנחשבה קודם לכן: 2^3=8. בסך הכל, כדי להשיג את הקטגוריה השלישית, זה הכרחי8 משווים. זהו עקרון הפעולה של ADCs, שנוצרו תחילה. לא מאוד נוח, אז מאוחר יותר הופיעו ארכיטקטורות אחרות.
ממירי קירוב עוקבים אנלוגיים לדיגיטליים
כאן נעשה שימוש באלגוריתם "השקלול". בקיצור, מכשירים שעובדים לפי הטכניקה הזו נקראים פשוט ADCs Serial Counting. עקרון הפעולה הוא כדלקמן: המכשיר מודד את ערך אות הקלט, ולאחר מכן הוא מושווה למספרים שנוצרים לפי שיטה מסוימת:
- מגדיר מחצית ממתח הייחוס האפשרי.
- אם האות התגבר על מגבלת הערך מנקודה 1, הוא מושווה למספר שנמצא באמצע בין הערך הנותר. אז במקרה שלנו זה יהיה ¾ ממתח הייחוס. אם אות הייחוס לא מגיע לאינדיקטור זה, ההשוואה תתבצע עם החלק השני של המרווח על פי אותו עיקרון. בדוגמה זו, זהו ¼ ממתח הייחוס.
- יש לחזור על שלב 2 N פעמים, מה שייתן לנו N סיביות מהתוצאה. זה נובע מביצוע H מספר השוואות.
עקרון הפעולה הזה מאפשר להשיג מכשירים בעלי שיעור המרה גבוה יחסית, שהם ADCs בקירוב עוקבים. עקרון הפעולה, כפי שאתה יכול לראות, הוא פשוט, והמכשירים הללו מעולים לאירועים שונים.
ממירים אנלוגיים-דיגיטליים מקבילים
הם עובדים כמו מכשירים טוריים. נוסחת החישוב היא (2 ^ H) -1. לבמקרה הקודם, אנחנו צריכים (2^3)-1 השוואות. לצורך הפעלה, נעשה שימוש במערך מסוים של מכשירים אלה, שכל אחד מהם יכול להשוות את הקלט ומתח הייחוס הפרטני. ממירים אנלוגיים לדיגיטליים מקבילים הם מכשירים מהירים למדי. אבל עקרון הבנייה של מכשירים אלה הוא כזה שנדרש כוח משמעותי כדי לתמוך בביצועים שלהם. לכן, זה לא מעשי להשתמש בהם על סוללה.
Bitwise Balanced A/D Converter
הוא פועל בצורה דומה למכשיר הקודם. לכן, על מנת להסביר את התפקוד של ADC איזון ביט אחר ביט, עקרון הפעולה למתחילים ייחשב ממש על האצבעות. בלב התקנים אלו עומדת תופעת הדיכוטומיה. במילים אחרות, מתבצעת השוואה עקבית של הערך הנמדד עם חלק מסוים מהערך המרבי. ניתן לקחת ערכים ב-½, 1/8, 1/16 וכן הלאה. לכן, הממיר האנלוגי לדיגיטלי יכול להשלים את כל התהליך ב-N איטרציות (שלבים עוקבים). יתר על כן, H שווה לעומק הסיביות של ה-ADC (הסתכל על הנוסחאות שניתנו קודם לכן). לפיכך, יש לנו רווח משמעותי בזמן, אם מהירות הטכניקה חשובה במיוחד. למרות המהירות הניכרת שלהם, למכשירים הללו יש גם דיוק סטטי נמוך.
ממירי A/D עם איזון טעינה (דלתא-סיגמה)
זהו סוג המכשיר המעניין ביותר, לא פחות חשובהודות לעקרון הפעולה שלו. זה טמון בעובדה שמתח הכניסה מושווה למה שנצבר על ידי האינטגרטור. פולסים עם קוטביות שלילית או חיובית מוזנים לקלט (הכל תלוי בתוצאה של הפעולה הקודמת). לפיכך, אנו יכולים לומר שממיר אנלוגי לדיגיטלי כזה הוא מערכת סרוו פשוטה. אבל זו רק דוגמה להשוואה, כדי שתוכלו להבין מה זה דלתא-סיגמה ADC. עקרון הפעולה הוא מערכתי, אך לתפקוד יעיל של ממיר אנלוגי-דיגיטלי זה אינו מספיק. התוצאה הסופית היא זרם בלתי פוסק של שניות ו-0 שניות דרך מסנן המעבר הנמוך הדיגיטלי. נוצר מהם רצף סיביות מסוים. מתבצעת הבחנה בין ממירי ADC מסדר ראשון ושני.
שילוב ממירים אנלוגיים לדיגיטליים
זהו המקרה המיוחד האחרון שיישקל בכתבה. לאחר מכן, נתאר את עקרון הפעולה של מכשירים אלה, אך ברמה כללית. ADC זה הוא ממיר אנלוגי לדיגיטלי בדחיפה. ניתן לפגוש מכשיר דומה במולטימטר דיגיטלי. וזה לא מפתיע, כי הם מספקים דיוק גבוה ובו בזמן מדכאים הפרעות היטב.
עכשיו בואו נתמקד איך זה עובד. זה טמון בעובדה שאות הכניסה מטעין את הקבל לזמן קבוע. ככלל, תקופה זו היא יחידה של תדר הרשת שמניעה את המכשיר (50 הרץ או 60 הרץ). זה יכול להיות גם מרובה. לפיכך, התדרים הגבוהים מדוכאים.הַפרָעָה. במקביל, מפולסת השפעת המתח הלא יציב של מקור ייצור החשמל הראשי על דיוק התוצאה.
כאשר מסתיים זמן הטעינה של הממיר האנלוגי לדיגיטלי, הקבל מתחיל להיפרק בקצב קבוע מסוים. המונה הפנימי של המכשיר סופר את מספר פולסי השעון שנוצרים במהלך תהליך זה. לפיכך, ככל שתקופת הזמן ארוכה יותר, האינדיקטורים משמעותיים יותר.
ADC אינטגרציה של push-pull הם בעלי דיוק ורזולוציה גבוהים. בשל כך, כמו גם מבנה בנייה פשוט יחסית, הם מיושמים כמיקרו-מעגלים. החיסרון העיקרי של עקרון פעולה זה הוא התלות במחוון הרשת. זכור שהיכולות שלו קשורות לתקופת התדר של ספק הכוח.
כך עובד ADC אינטגרציה כפולה. עקרון הפעולה של מכשיר זה, למרות שהוא די מסובך, אבל הוא מספק אינדיקטורים לאיכות. במקרים מסוימים, זה פשוט הכרחי.
בחר את ה-APC עם עקרון הפעולה שאנחנו צריכים
בוא נגיד שיש לפנינו משימה מסוימת. באיזה מכשיר לבחור כדי שיוכל לספק את כל הבקשות שלנו? ראשית, בואו נדבר על רזולוציה ודיוק. לעתים קרובות מאוד הם מבולבלים, אם כי בפועל הם תלויים מעט מאוד אחד בשני. שים לב שממיר A/D של 12 סיביות עשוי להיות פחות מדויק מממיר A/D של 8 סיביות. בתוך זהבמקרה זה, רזולוציה היא מדד לכמה מקטעים ניתן לחלץ מטווח הקלט של האות הנמדד. אז, ל-ADC של 8 סיביות יש 28=256 יחידות כאלה.
דיוק הוא הסטייה הכוללת של תוצאת ההמרה שהתקבלה מהערך האידיאלי, שאמור להיות במתח כניסה נתון. כלומר, הפרמטר הראשון מאפיין את היכולות הפוטנציאליות שיש ל-ADC, והשני מראה מה יש לנו בפועל. לכן, עשוי להתאים לנו סוג פשוט יותר (כגון ממירים אנלוגיים-דיגיטליים ישירים), שיספק את הצרכים עקב דיוק גבוה.
כדי לקבל מושג מה צריך, ראשית עליך לחשב את הפרמטרים הפיזיקליים ולבנות נוסחה מתמטית לאינטראקציה. חשובות בהן שגיאות סטטיות ודינמיות, שכן בעת שימוש ברכיבים ועקרונות שונים של בניית מכשיר, הן ישפיעו על מאפייניו בדרכים שונות. מידע מפורט יותר ניתן למצוא בתיעוד הטכני המוצע על ידי היצרן של כל מכשיר ספציפי.
דוגמה
בואו נסתכל על ה-SC9711 ADC. עקרון הפעולה של מכשיר זה מסובך בשל גודלו ויכולותיו. אגב, אם כבר מדברים על האחרונים, יש לציין שהם באמת מגוונים. כך, למשל, תדירות הפעולה האפשרית נעה בין 10 הרץ ל-10 מגה-הרץ. במילים אחרות, זה יכול לקחת 10 מיליון דגימות בשנייה! והמכשיר עצמו הוא לא משהו מוצק, אבלבעל מבנה בנייה מודולרי. אבל הוא משמש, ככלל, בטכנולוגיה מורכבת, שבה יש צורך לעבוד עם מספר רב של אותות.
מסקנה
כפי שאתה יכול לראות, ל-ADC יש עקרונות פעולה שונים. זה מאפשר לנו לבחור מכשירים שיספקו את הצרכים המתעוררים, ובמקביל גם מאפשר לנו לנהל את הכספים הזמינים שלנו בחוכמה.
