หลักการทั่วไปของ ADC

ลองดูที่ประเด็นหลักของปัญหาซึ่งสามารถนำมาประกอบกับหลักการของการดำเนินการของตัวแปลงสัญญาณอนาล็อกเป็นดิจิตอล (ADCs) ในรูปแบบต่างๆ บัญชีตามลำดับการปรับสมดุลบิต - สิ่งที่ซ่อนอยู่หลังคำเหล่านี้? หลักการของการดำเนินงานของไมโครคอนโทรลเลอร์เซอร์ ADC คืออะไร? เหล่านี้รวมทั้งประเด็นอื่น ๆ อีกมากมายเราจะพิจารณาในกรอบของบทความ สามส่วนแรกจะทุ่มเทให้กับทฤษฎีทั่วไปและจากหัวข้อย่อยที่สี่เราจะศึกษาหลักการของงานของพวกเขา คุณสามารถตอบสนองข้อกำหนดของ ADC และ DAC ในเอกสารอื่น หลักการของการทำงานของอุปกรณ์เหล่านี้แตกต่างกันเล็กน้อยดังนั้นอย่าสับสน ดังนั้นบทความนี้จะพิจารณาการแปลงสัญญาณจากรูปแบบอะนาล็อกไปเป็นดิจิตอลหนึ่งตัวในขณะที่ DAC ใช้วิธีอื่น ๆ

คำนิยาม

ก่อนที่จะพิจารณาหลักการของ ADC,มาดูกันดีว่าเป็นอุปกรณ์ชนิดไหน ตัวแปลงสัญญาณอนาล็อกเป็นดิจิตอลเป็นอุปกรณ์ที่แปลงค่าทางกายภาพให้เป็นค่าแทนตัวเลขที่สอดคล้องกัน เป็นค่าเริ่มต้นเกือบทุกอย่างสามารถทำหน้าที่: กระแสแรงดันไฟฟ้าความต้านทานความต้านทานมุมหมุนเพลาความถี่ชีพจรและอื่น ๆ แต่เพื่อให้มีความมั่นใจเราจะทำงานร่วมกับการเปลี่ยนแปลงเพียงอย่างเดียวเท่านั้น นี่คือ "รหัสแรงดันไฟฟ้า" การเลือกรูปแบบนี้ไม่ใช่เรื่องบังเอิญ หลังจากที่ทุก ADC (หลักการของการทำงานของอุปกรณ์นี้) และคุณสมบัติของมันขึ้นอยู่กับขอบเขตขนาดใหญ่ในสิ่งที่แนวคิดการวัดจะใช้ โดยนี่หมายถึงกระบวนการเปรียบเทียบค่าบางอย่างกับมาตรฐานที่กำหนดไว้ก่อนหน้านี้

ลักษณะของ ADC

คนหลักคือบิตเรทและความถี่การแปลง อันดับแรกจะแสดงเป็นบิตและส่วนที่สองจะแสดงเป็นจำนวนเต็มต่อวินาที ตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอลที่ทันสมัยสามารถมีความจุ 24 บิตหรือความเร็วในการแปลงซึ่งไปถึงหน่วย GSPS โปรดทราบว่า ADC สามารถให้คุณได้เพียงลักษณะเดียวเท่านั้น ยิ่งมีประสิทธิภาพมากเท่าใดยิ่งยากที่จะทำงานกับอุปกรณ์และตัวมันเองมีราคาแพงกว่า แต่ประโยชน์ที่จะได้รับตัวเลขที่จำเป็นเสียสละความเร็วของอุปกรณ์

ประเภทของ ADCs

หลักการทำงานแตกต่างกันไปในกลุ่มอุปกรณ์ต่างๆ เราจะพิจารณาประเภทต่อไปนี้:

1. มีการเปลี่ยนแปลงโดยตรง
2. มีการประมาณอย่างต่อเนื่อง
3. ด้วยการแปลงขนาน
4. ตัวแปลงสัญญาณอนาล็อกดิจิตอลพร้อมด้วยการปรับสมดุลประจุ (delta-sigma)
5. การรวม ADCs

มีสายพานลำเลียงอื่น ๆ อีกมากมายและรวมกันประเภทที่มีลักษณะเฉพาะของตัวเองกับสถาปัตยกรรมที่แตกต่างกัน แต่ตัวอย่างที่จะได้รับการพิจารณาภายใต้กรอบของบทความนั้นมีความน่าสนใจเพราะพวกเขามีบทบาทบ่งชี้ในซอกอุปกรณ์เฉพาะของพวกเขา ดังนั้นขอศึกษาหลักการของ ADC รวมถึงการพึ่งพาอุปกรณ์ทางกายภาพ

ตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอลโดยตรง

พวกเขากลายเป็นที่นิยมมากในยุค 60-70ศตวรรษที่ ในรูปแบบของวงจรรวมจะผลิตตั้งแต่ยุค 80 สิ่งเหล่านี้ง่ายมากแม้แต่อุปกรณ์ดั้งเดิมที่ไม่สามารถพูดถึงตัวบ่งชี้ที่มีนัยสำคัญได้ ความลึกของบิตมักเป็น 6-8 บิตและความเร็วไม่เกิน 1 GSPS

หลักการทำงานของ ADCs ประเภทนี้มีดังนี้ อินพุทบวกของตัวเปรียบเทียบจะรับสัญญาณอินพุตได้ในเวลาเดียวกัน เทอร์มินัลเชิงลบจะมาพร้อมกับแรงดันไฟฟ้าที่มีค่าหนึ่ง จากนั้นอุปกรณ์จะกำหนดโหมดการทำงาน นี้จะกระทำเนื่องจากแรงดันอ้างอิง สมมุติว่าเรามีอุปกรณ์ที่มีตัวเปรียบเทียบ 8 ตัว เมื่อนำแรงดันอ้างอิง½ไปใช้งานจะเปิดใช้งานเพียง 4 รูปแบบเท่านั้น ตัวเข้ารหัสลำดับความสำคัญจะสร้างรหัสไบนารีซึ่งได้รับการแก้ไขโดยรีจิสเตอร์ที่ส่งออก เกี่ยวกับคุณธรรมและ demerits อาจกล่าวได้ว่าหลักการของการดำเนินงานนี้ช่วยให้การสร้างอุปกรณ์ความเร็วสูง แต่เพื่อให้ได้ความจุบิตที่ต้องการคุณต้องเหงื่อออกมาก

สูตรทั่วไปสำหรับจำนวนเครื่องเปรียบเทียบคือดังนั้น: 2 ^ N. ภายใต้ N คุณต้องกำหนดจำนวนหลัก ตัวอย่างที่พิจารณาก่อนหน้านี้สามารถใช้งานได้อีกครั้ง: 2 ^ 3 = 8 จำเป็นต้องใช้ 8 ตัวเปรียบเทียบเพื่อให้ได้ตัวเลขที่สาม นี่คือหลักการของ ADC ซึ่งถูกสร้างขึ้นก่อน ไม่สะดวกมากดังนั้นในภายหลังมีสถาปัตยกรรมอื่น ๆ

ตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอล

ที่นี่เราใช้อัลกอริธึม "weighting" ในระยะสั้นอุปกรณ์ที่ใช้เทคนิคนี้เรียกว่า ADCs เพียงอย่างเดียวสำหรับการนับตามลำดับ หลักการของการทำงานมีดังนี้: อุปกรณ์วัดค่าของสัญญาณขาเข้าและเปรียบเทียบกับตัวเลขที่สร้างขึ้นตามเทคนิคบางอย่าง:

1. ตั้งครึ่งหนึ่งของแรงดันไฟฟ้าอ้างอิงที่เป็นไปได้
2. หากสัญญาณเอาชนะขีด จำกัด ของค่าจากรายการ# 1 จากนั้นจะเปรียบเทียบกับตัวเลขที่อยู่ตรงกลางระหว่างค่าที่เหลือ ดังนั้นในกรณีของเราจะเป็น¾ของแรงดันไฟฟ้าอ้างอิง ถ้าสัญญาณอ้างอิงไม่ถึงดัชนีนี้การเปรียบเทียบจะทำกับอีกส่วนหนึ่งของช่วงเวลาในลักษณะเดียวกัน ในตัวอย่างนี้เป็น¼ของแรงดันอ้างอิง
3. ขั้นตอนที่ 2 ต้องทำซ้ำ N ครั้งซึ่งจะทำให้เราได้ผลลัพธ์ N บิต นี่เป็นเพราะจำนวน H เปรียบเทียบ

หลักการทำงานนี้ช่วยให้คุณได้รับอุปกรณ์ที่มีความเร็วในการแปลงสูงซึ่งเป็น ADC ของการประมาณค่าต่อเนื่อง หลักการทำงานตามที่เห็นได้ง่ายและอุปกรณ์เหล่านี้เหมาะสำหรับกรณีที่แตกต่างกัน

ตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอลแบบขนาน

พวกเขาทำงานเหมือนอุปกรณ์แบบอนุกรม สูตรสำหรับคำนวณคือ (2 ^ H) -1 สำหรับกรณีที่พิจารณาก่อนหน้านี้เราจำเป็นต้องเปรียบเทียบ (2 ^ 3) -1 อุปกรณ์เหล่านี้บางประเภทใช้เพื่อดำเนินการซึ่งแต่ละอันสามารถเปรียบเทียบแรงดันไฟฟ้าเข้ากับแรงดันไฟฟ้าอ้างอิงแต่ละแบบได้ ตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอลแบบคู่ขนานเป็นอุปกรณ์ที่รวดเร็วมาก แต่หลักการของการสร้างอุปกรณ์เหล่านี้เป็นเช่นที่เพื่อสนับสนุนประสิทธิภาพของพวกเขาต้องการพลังงานมาก ดังนั้นจึงไม่ควรใช้แบตเตอรี่กับแบตเตอรี่

ตัวแปลงสัญญาณอนาล็อกดิจิตอลพร้อมด้วยบาลานซ์บิตบาลานซ์

มันทำงานตามโครงการเช่นเดียวกับที่ก่อนหน้านี้เครื่อง ดังนั้นเพื่อที่จะอธิบายการดำเนินงานของ ADC ของการปรับสมดุลบิตหลักการของการทำงานสำหรับผู้เริ่มต้นจะได้รับการพิจารณาอย่างแท้จริงบนนิ้วมือ ที่หัวใจของอุปกรณ์เหล่านี้เป็นปรากฏการณ์ของ dichotomy กล่าวอีกนัยหนึ่งจะมีการเปรียบเทียบปริมาณที่วัดได้อย่างสม่ำเสมอกับบางส่วนของค่าสูงสุด สามารถใช้ค่าใน½, 1/8, 1/16 และอื่น ๆ ได้ ตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอลสามารถทำกระบวนการทั้งหมดสำหรับ H ซ้ำ (ขั้นตอนต่อเนื่อง) และ H เท่ากับความกว้างบิต ADC (ดูสูตรที่กำหนดไว้ก่อนหน้านี้) ดังนั้นเราจึงได้รับประโยชน์อย่างมากในเวลาถ้าความเร็วของเทคนิคมีความสำคัญเป็นพิเศษ แม้จะมีความเร็วมากอุปกรณ์เหล่านี้ยังมีลักษณะข้อผิดพลาดแบบคงที่ต่ำ

ตัวแปลงสัญญาณอนาล็อกดิจิตอลที่มีการปรับสมดุลประจุ (delta-sigma)

นี่คืออุปกรณ์ประเภทที่น่าสนใจที่สุดที่ไม่ได้มาเป็นครั้งสุดท้ายเนื่องจากหลักการทำงาน ประกอบด้วยความจริงที่ว่าแรงดันไฟฟ้าเข้าถูกเปรียบเทียบกับสิ่งที่สะสมโดย Integrator (ทุกอย่างขึ้นอยู่กับผลการดำเนินการก่อนหน้า ดังนั้นจึงอาจกล่าวได้ว่าตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอลดังกล่าวเป็นระบบการติดตามที่ง่าย แต่นี่เป็นเพียงตัวอย่างสำหรับการเปรียบเทียบเพื่อให้คุณสามารถเข้าใจว่า ADC delta-sigma คืออะไร หลักการของการดำเนินงานคือระบบ แต่สำหรับการทำงานที่มีประสิทธิภาพของตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอลนี้ไม่เพียงพอ ผลลัพธ์ที่ได้คือหน่วยที่ไม่มีที่สิ้นสุดของหน่วยและศูนย์ที่ผ่าน LPF ดิจิตอล จากนี้ลำดับบิตบางอย่างจะเกิดขึ้น มีความแตกต่างระหว่างตัวแปลง ADC ของคำสั่งแรกและคำสั่งที่สอง

ตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอลแบบบูรณาการ

นี่เป็นกรณีพิเศษสุดที่จะเกิดขึ้นพิจารณาภายในกรอบของบทความ ต่อไปเราจะอธิบายหลักการของการทำงานของอุปกรณ์เหล่านี้ แต่ในระดับทั่วไป ADC นี้เป็นตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอลพร้อมด้วยการรวมแบบผลักดัน คุณสามารถพบอุปกรณ์ที่คล้ายกันในเครื่องมัลติมิเตอร์แบบดิจิตอล และนี่ก็ไม่น่าแปลกใจเพราะพวกเขาให้ความแม่นยำสูงและพร้อมกันปราบปรามการแทรกแซง

ตอนนี้ขอให้เน้นหลักการของมันทำงาน ประกอบด้วยสัญญาณอินพุตค่าประจุตัวเก็บประจุเป็นเวลาที่กำหนด โดยปกติระยะเวลานี้เป็นหน่วยของความถี่เครือข่ายที่จะจ่ายพลังงานให้กับอุปกรณ์ (50 Hz หรือ 60 Hz) นอกจากนี้ยังสามารถเป็นแบบ multiple ดังนั้นเสียงรบกวนความถี่สูงจะถูกระงับ ในเวลาเดียวกันอิทธิพลของแรงดันไฟฟ้าที่ไม่เสถียรของแหล่งกำเนิดไฟฟ้าของสายส่งไฟฟ้าที่มีต่อความถูกต้องของผลจะถูกปรับระดับ

เมื่อชาร์จไฟแบบอะนาล็อกดิจิตอลตัวเก็บประจุจะเริ่มไหลเวียนที่ความเร็วคงที่บางอย่าง ตัวนับภายในของอุปกรณ์จะนับจำนวนพัลส์นาฬิกาที่สร้างขึ้นในระหว่างขั้นตอนนี้ ดังนั้นช่วงเวลาที่ยาวขึ้นตัวบ่งชี้ที่สำคัญมากขึ้น

ADC ของการรวม Push-Pull มีค่าสูงความถูกต้องและความละเอียด ด้วยเหตุนี้และโครงสร้างที่เรียบง่ายของการก่อสร้างพวกเขาจะดำเนินการเป็นชิป ข้อเสียเปรียบหลักของหลักการทำงานนี้คือการพึ่งพาตัวบ่งชี้ของเครือข่าย โปรดจำไว้ว่าความสามารถของมันจะเชื่อมโยงกับระยะเวลาของช่วงความถี่ของแหล่งจ่ายไฟ

นี่คือวิธีที่ ADC ทำงานร่วมกัน หลักการของการทำงานของอุปกรณ์นี้แม้ว่าจะค่อนข้างซับซ้อน แต่ก็มีตัวบ่งชี้ที่มีคุณภาพ ในบางกรณีนี้เป็นสิ่งที่จำเป็นเพียงอย่างเดียว

เลือก AIC ด้วยหลักการทำงานที่เราต้องการ

สมมติว่าเราเผชิญกับงานบางอย่าง วิธีเลือกอุปกรณ์เพื่อให้สามารถตอบสนองความต้องการของเราได้ทั้งหมด? ขั้นแรกให้พูดถึงความละเอียดและความถูกต้อง มากมักจะสับสนแม้ว่าในทางปฏิบัติพวกเขาจะอ่อนแอมากขึ้นอยู่กับหนึ่งจากที่สอง โปรดจำไว้ว่าตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอล 12 บิตสามารถมีความแม่นยำน้อยกว่า 8 บิตได้ ในกรณีนี้ความละเอียดคือการวัดจำนวนส่วนที่สามารถสกัดได้จากช่วงอินพุทของสัญญาณที่วัดได้ ดังนั้น 8 บิต ADCs มี 2⁸= 256 หน่วยดังกล่าว

ความถูกต้องคือส่วนเบี่ยงเบนทั้งหมดของที่ได้รับผลของการแปลงจากค่าสัมบูรณ์ซึ่งควรเป็นแรงดันไฟฟ้าเข้าที่กำหนด นั่นคือพารามิเตอร์แรกอธิบายความสามารถที่เป็นไปได้ของ ADC และข้อที่สองแสดงให้เห็นถึงสิ่งที่เรามีในทางปฏิบัติ ดังนั้นเราจึงสามารถใช้งานประเภทที่เรียบง่าย (ตัวอย่างเช่นตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอลโดยตรง) ซึ่งจะตอบสนองความต้องการได้เนื่องจากมีความแม่นยำสูง

มีความคิดว่าจำเป็นต้องใช้อะไรบ้างครั้งแรกที่เราต้องคำนวณพารามิเตอร์ทางกายภาพและสร้างสูตรทางคณิตศาสตร์ของการปฏิสัมพันธ์ ที่สำคัญพวกเขามีข้อผิดพลาดแบบคงที่และแบบไดนามิกเพราะเมื่อใช้ส่วนประกอบต่างๆและหลักการของการก่อสร้างของอุปกรณ์ที่พวกเขาจะมีผลกระทบที่แตกต่างกันเกี่ยวกับผลการปฏิบัติงาน ข้อมูลรายละเอียดเพิ่มเติมสามารถพบได้ในเอกสารทางเทคนิคที่นำเสนอโดยผู้ผลิตอุปกรณ์ที่เฉพาะเจาะจงแต่ละ

ตัวอย่าง

ลองดูที่ ADC SC9711 หลักการของการทำงานของอุปกรณ์นี้มีความซับซ้อนเนื่องจากขนาดและความสามารถของมัน โดยวิธีการพูดเกี่ยวกับหลังมันต้องสังเกตว่าพวกเขามีความหลากหลายจริงๆ ตัวอย่างเช่นความถี่ของการทำงานที่เป็นไปได้มีตั้งแต่ 10 Hz ถึง 10 MHz กล่าวอีกนัยหนึ่งก็สามารถทำ 10 ล้านนับต่อวินาที! และอุปกรณ์ตัวเองไม่ได้เป็นสิ่งที่สำคัญ แต่มีโครงสร้างแบบแยกส่วนของการก่อสร้าง แต่มันถูกใช้เป็นกฎในเทคนิคที่ซับซ้อนซึ่งมีความจำเป็นต้องทำงานร่วมกับสัญญาณจำนวนมาก

ข้อสรุป

ที่คุณเห็น ADCs มีความแตกต่างกันหลักการทำงาน ซึ่งช่วยให้เราสามารถเลือกอุปกรณ์ที่ตอบสนองการร้องขอที่เกิดขึ้นและในเวลาเดียวกันให้เราใช้วิธีใช้ได้อย่างชาญฉลาด