Навигационни картиможе да са необходими най-много различни ситуации... Или сте се загубили в гората, или търсите нужната улица в града. Услуга, която може да ви помогне да се справите с това, е Google Maps. Състои се от няколко приложения. А именно: от сайта Google Mapsи Google Transit (програма за планиране на маршрут). Поради факта, че Google предава данни директно от сателита, с помощта на тези карти можете да разберете подробна диаграмамаршрут, номера на къщи, имена на улици и как можете да ходите пеша или да пътувате (с кола, автобус, велосипед) до вашата дестинация.
Тази услуга е чудесна справка, обхващаща много области от живота, от пътуване до планиране на разходка или отиване на почивка.
Външен вид
Картата за потребителите може да се показва по два начина:- традиционно (топографска карта, аналог на Меркатор);
- сателитни снимки (не в онлайн режим, но направено преди време).
Свързан проект с Google Maps - Google Planet (съответства на глобуса) допълва услугата за изображения на полюсите на Земята.
Особености
Не всички държави разкриват местоположението на своите имоти. Следователно места на картата, където има класифицирани зони засенчени... Те включват например Белия дом, Капитолия.Различните парцели имат различни разделителни способности на картата. Колкото по-ниска е гъстотата на населението на дадена територия, толкова по-малко подробности се знаят за нея. Някои места на картата са скрити под облаците. Въпреки че не всички обекти са заснети от сателит. Изображения на някои от тях идват от въздушна фотография от височина от 300 метра или повече. На такива места детайлността на терена достига високи стойности.
Сервизен интерфейс
Google Maps е много лесен за управление. Това приложение е направено за хора и ето как работи. От лявата страна има бутон за превключване на външния вид на картите ( топографски или сателитен изглед). А от дясната страна на екрана потребителят може да намери бутони за мащабиране ( увеличават и намаляват).Системата позволява на своите потребители да въвеждат адреса или името на обекта и да получават информация за неговото местоположение, адрес, координати, външен вид... За някои зони е налична услугата за разпознаване „какво има“, докато Google Maps ще покаже кой обект (бензиностанция, музей, магазин, театър) се намира там.
Google онлайн картимного широко използва javascript услуга. Новите области на картата се показват на страницата, когато потребителят я премести по екрана. Ако е въведен адресът на конкретен обект, страницата се презарежда и местоположението на желаното местоположение се показва на картата с динамичен червен маркер.
За да може картата да бъде хоствана от собствениците на други сайтове, съобщи Google безплатно обслужване: API карти (интерфейс за програмиране на приложения) през 2005 г. Тази карта може да бъде добавена към всяка област на сайта. На тях този моментима повече от 350 хиляди по целия свят.
Относно Google Maps
От 2011 г. Google обяви, че предоставя своя картографска услугаза над 150 милиона клиенти. Това прави услугата една от най-големите и амбициозни интернет навигационни услуги.Интерактивни Google Maps е безплатно обслужване, с любезното съдействие на Google, който не съдържа реклами, а предоставя само висококачествена и проверена информация за местоположението и предназначението на обекти по света.
Нека разгледаме основния кръг от въпроси, които могат да бъдат приписани на принципа на действие различни видове... Последователно броене, побитово балансиране - какво се крие зад тези думи? Какъв е принципът на работа на ADC на микроконтролера? Ще разгледаме тези, както и редица други въпроси, в рамките на статията. Ще посветим първите три части обща теория, а от четвърта подзаглавие ще проучим принципа на тяхната работа. Можете да влезете различна литератураотговарят на термините ADC и DAC. Принципът на работа на тези устройства е малко по-различен, така че не ги бъркайте. Така че статията ще разгледа от аналогова към цифрова форма, докато DAC работи обратното.
Определение
Преди да разгледаме принципа на работа на ADC, нека да разберем какъв вид устройство е. Аналогово-цифровите преобразуватели са устройства, които преобразуват физическа величина в съответно числово представяне. Като начален параметър може да действа почти всичко - ток, напрежение, капацитет, съпротивление, ъгъл на въртене на вала, честота на импулса и т.н. Но за да сме сигурни, ще работим само с една трансформация. Това е код на напрежението. Изборът на този работен формат не е случаен. В крайна сметка ADC (принципът на работа на това устройство) и неговите характеристики до голяма степен зависят от това коя концепция за измерване се използва. Това се разбира като процес на сравняване на определена стойност с предварително установен стандарт.
Характеристики на ADC
Основните са битовата дълбочина и честотата на преобразуване. Първият се изразява в битове, а вторият в бройки в секунда. Съвременните аналогово-цифрови преобразуватели могат да имат битова ширина от 24 бита или скорост на преобразуване, която достига до GSPS единици. Моля, имайте предвид, че ADC може да ви предостави само една от своите характеристики в даден момент. Колкото по-високи са техните показатели, толкова по-трудно е да се работи с устройството, а самото то струва повече. Но за щастие можете да получите необходимите битови индикатори, като пожертвате скоростта на устройството.
Типове ADC
Принципът на работа е различен за различните групи устройства. Ще обхванем следните видове:
- Директно преобразуване.
- С последователно приближаване.
- С паралелно преобразуване.
- Аналогово-цифров преобразувателс балансиране на заряда (делта-сигма).
- Интегриране на АЦП.
Има много други конвейерни и комбинирани типове, които имат свои специфични характеристики с различни архитектури. Но тези проби, които ще бъдат разгледани в рамките на статията, представляват интерес поради факта, че играят показателна роля в своята ниша от устройства с тази специфичност. Ето защо, нека проучим принципа на работа на ADC, както и неговата зависимост от физическото устройство.
Директни аналогово-цифрови преобразуватели
Те стават много популярни през 60-те и 70-те години на миналия век. Те се произвеждат във формата от 80-те години. Това са много прости, дори примитивни устройства, които не могат да се похвалят със значителна производителност. Тяхната битова дълбочина обикновено е 6-8 бита, а скоростта рядко надвишава 1 GSPS.
Принципът на работа на този тип ADC е следният: входният сигнал едновременно се подава към положителните входове на компараторите. Към отрицателните клеми се прилага напрежение с определена величина. И тогава устройството определя своя режим на работа. Това става благодарение на референтното напрежение. Да кажем, че имаме устройство, в което има 8 компаратора. Когато се приложи ½ от референтното напрежение, само 4 от тях ще бъдат включени. Той ще бъде формиран от приоритетния енкодер и ще бъде фиксиран от изходния регистър. По отношение на предимствата и недостатъците, можем да кажем, че работата ви позволява да създавате високоскоростни устройства. Но за да получите необходимата битова дълбочина, трябва да се потите много.
Общата формула за броя на компараторите изглежда така: 2 ^ N. Под N трябва да поставите броя на цифрите. Примерът, обсъден по-рано, може да се използва отново: 2 ^ 3 = 8. Общо са необходими 8 компаратора, за да се получи третата цифра. Това е принципът на работа на АЦП, които са създадени първи. Не е много удобно, така че по-късно се появиха други архитектури.
Аналогово-цифрови преобразуватели с последователна апроксимация
Тук се използва алгоритъмът за "претегляне". В съкратена форма устройствата, използващи тази техника, се наричат просто последователни ADC. Принципът на работа е следният: устройството измерва стойността на входния сигнал и след това се сравнява с числата, генерирани по определен метод:
- Задава половината от възможното референтно напрежение.
- Ако сигналът е надхвърлил границата на стойността от точка #1, тогава той се сравнява с числото, което се намира в средата между оставащата стойност. Така че в нашия случай това ще бъде ¾ от еталонното напрежение. Ако референтният сигнал не достигне този индикатор, тогава сравнението ще се извърши с другата част от интервала по същия принцип. V този примертова е ¼ от референтното напрежение.
- Стъпка 2 трябва да се повтори N пъти, което ще ни даде N бита от резултата. Това се дължи на H броя на направените сравнения.
Този принцип на действие дава възможност да се получат устройства с относително висока скорост на преобразуване, които са последователни апроксимационни АЦП. Принципът на работа, както можете да видите, е прост и тези устройства са отлични за различни случаи.
Паралелни аналогово-цифрови преобразуватели
Те работят като серийни устройства. Формулата за изчисление е (2 ^ H) -1. За случая, разгледан по-рано, имаме нужда от (2 ^ 3) -1 компаратори. За работа се използва определен масив от тези устройства, всяко от които може да сравнява входното и индивидуалното референтно напрежение. Паралелните A/D преобразуватели са доста бързи устройства. Но принципът на конструкцията на тези устройства е такъв, че е необходима значителна мощност за поддържане на тяхната производителност. Следователно използването им с батерия е непрактично.
Битов балансиран аналогово-цифров преобразувател
Работи по подобен начин като предишно устройство... Следователно, за да се обясни работата на ADC, принципът на работа за начинаещи ще бъде разгледан буквално на пръстите на едната ръка. Тези устройства се основават на явлението дихотомия. С други думи, извършва се последователно сравнение на измерената стойност с определена част. максимална стойност... Могат да се вземат стойности в ½, 1/8, 1/16 и така нататък. Следователно аналогово-цифровият преобразувател може да завърши целия процес в N итерации ( последователни стъпки). Освен това H е равно на битовата дълбочина на ADC (вижте посочените по-рано формули). Така имаме значителна печалба във времето, ако скоростта на технологията е особено важна. Въпреки значителната си скорост, тези устройства имат и ниска статична грешка.
Балансирани A/D преобразуватели (Sigma Delta)
Това е най-интересният тип устройство, не на последно място поради неговия принцип на действие. Състои се в сравняване на входното напрежение с натрупаното от интегратора. На входа се подават импулси с отрицателна или положителна полярност (всичко зависи от резултата от предишната операция). По този начин можем да кажем, че такъв аналогово-цифров преобразувател е проста система за проследяване. Но това е само като пример за сравнение, за да можете да разберете ADC. Принципът на действие е системен, но за ефективното функциониране на този аналогово-цифров преобразувател това не е достатъчно. Крайният резултат е безкраен поток от единици и нули, които преминават през цифровия нискочестотен филтър. От тях се формира определена битова последователност. Има ADC преобразуватели от първи и втори порядък.
Интегриране на аналогово-цифрови преобразуватели
Това е последният специален случай, който ще бъде разгледан в рамките на статията. По-нататък ще опишем принципа на работа на тези устройства, но на общо ниво. Този АЦП е аналогово-цифров преобразувател с push-pull интеграция. Среща подобно устройствоможе да бъде в цифров мултицет. И това не е изненадващо, защото те осигуряват висока точност и в същото време добре потискат смущенията.
Сега нека се съсредоточим върху това как работи. Състои се във факта, че входният сигнал зарежда кондензатора за определено време. Обикновено този период е единицата за честотата на мрежата, която захранва устройството (50 Hz или 60 Hz). Може да бъде и множество. По този начин се потискат високочестотните смущения. В същото време влиянието на нестабилното напрежение се изравнява мрежов източникполучаване на електричество за точността на резултата.
Когато времето за зареждане на A / D преобразувателя приключи, кондензаторът започва да се разрежда с определена фиксирана скорост. Вътрешният брояч на устройството отчита броя на тактовите импулси, генерирани по време на този процес. По този начин, колкото по-дълъг е интервалът от време, толкова по-значими са показателите.
АЦП с push-pull интеграция имат висока точност и поради това, както и относително простата конструкция, те се изпълняват като микросхеми. Основният недостатък на този принцип на работа е зависимостта от индикатора на мрежата. Не забравяйте, че неговите възможности са обвързани с продължителността на честотния период на захранването.
Ето как работи ADC с двойна интеграция. Принцип на действие това устройствомакар и доста сложен, той осигурява качествени показатели... В някои случаи това е просто необходимо.
Избираме AOC с принципа на работа, от който се нуждаем
Да кажем, че ни предстои конкретна задача. Кое устройство да изберем, за да задоволи всичките ни нужди? Първо, нека поговорим за разделителната способност и точността. Много често се бъркат, въпреки че на практика са много слабо зависими от единия от другия. Не забравяйте, че 12-битов A/D преобразувател може да бъде по-малко точен от 8-битов. В този случай разделителната способност е мярка за това колко сегмента могат да бъдат извлечени от входния диапазон на измервания сигнал. И така, 8-битовите АЦП имат 2 8 = 256 такива единици.
Точността е общото отклонение на получения резултат от преобразуването от идеалната стойност, която трябва да бъде при дадено входно напрежение. Тоест първият параметър характеризира потенциалните възможности на ADC, а вторият показва какво имаме на практика. Следователно за нас може да е подходящ по-опростен тип (например директни аналогово-цифрови преобразуватели), който ще отговори на нуждите поради висока точност.
За да имате представа какво е необходимо, първо трябва да изчислите физически параметрии изграждане математическа формулавзаимодействия. Статичните и динамичните грешки са важни в тях, тъй като при използване на различни компоненти и принципи на изграждане на устройство, те ще повлияят на характеристиките му по различен начин. | Повече ▼ подробна информацияможе да се намери в техническа документацияпредлагани от производителя на всяко конкретно устройство.
Пример
Нека да разгледаме SC9711 ADC. Принципът на действие на това устройство е сложен поради неговите размери и възможности. Между другото, говорейки за последното, трябва да се отбележи, че те са наистина разнообразни. Така например честотата на възможната работа варира от 10 Hz до 10 MHz. С други думи, може да направи 10 милиона проби в секунда! А самото устройство не е нещо интегрално, а има модулна конструктивна структура. Но като правило се използва в сложна техника, където е необходимо да се работи голяма сумасигнали.
Заключение
Както можете да видите, ADC са базирани на различни принципиработа. Това ни позволява да избираме устройства, които отговарят на възникващите нужди, и в същото време ни позволява да се разпореждаме разумно с наличните средства.
Тази статия разглежда основните въпроси относно принципа на работа на ADC различни видове... В същото време някои важни теоретични изчисления относно математическото описание на аналогово-цифровото преобразуване останаха извън обхвата на статията, но са предоставени връзки, чрез които заинтересованият читател може да намери по-задълбочено разглеждане теоретични аспекти ADC работа. По този начин статията се занимава повече с разбирането на общите принципи на работа на ADC, отколкото с теоретичен анализ на тяхната работа.
Въведение
Като отправна точка, нека дефинираме аналогово-цифрово преобразуване. Аналогово-цифровото преобразуване е процесът на преобразуване на входна физическа величина в нейното числово представяне. Аналогово-цифров преобразувател е устройство, което извършва това преобразуване. Формално входната стойност на ADC може да бъде всяка физическо количество- напрежение, ток, съпротивление, капацитет, честота на повторение на импулса, ъгъл на въртене на вала и др. Въпреки това, за по-голяма яснота, по-нататък под ADC ще имаме предвид изключително преобразуватели напрежение-код.
Концепцията за аналогово-цифрово преобразуване е тясно свързана с концепцията за измерване. Измерването се отнася до процеса на сравняване на измерената стойност с определен стандарт; по време на аналогово-цифрово преобразуване, входната стойност се сравнява с определена референтна стойност (като правило с еталонно напрежение). По този начин A/D преобразуването може да се разглежда като измерване на стойността на входния сигнал и към него са приложими всички метрологични концепции като грешки при измерване.
Основни характеристики на ADC
ADC има много характеристики, от които основните са честотата на преобразуване и битовата дълбочина. Скоростта на преобразуване обикновено се изразява в проби в секунда (SPS), а битовата дълбочина е в битове. Съвременните ADC могат да бъдат с ширина до 24 бита и да имат скорост на преобразуване до GSPS единици (разбира се, не едновременно). Колкото по-висока е скоростта и битовата дълбочина, толкова по-трудно е да се получат необходимите характеристики, толкова по-скъп и по-сложен е преобразувателят. Скоростта на преобразуване и битовата дълбочина са свързани помежду си по определен начин и можем да увеличим ефективната битова дълбочина на преобразуване, като пожертваме скоростта.
Типове ADC
Има много видове ADC, но за целите на тази статия ще се ограничим до разглеждане само на следните типове:
- ADC паралелно преобразуване (директно преобразуване, флаш ADC)
- ADC с последователно приближение (SAR ADC)
- делта сигма АЦП (АЦП с балансиран заряд)
АЦП за директно (паралелно) преобразуване имат най-висока скорост и най-ниска битова дълбочина. Например, TLC5540 ADC за паралелно преобразуване от Texas Instruments има скорост от 40 MSPS с битова ширина от само 8 бита. ADC от този тип могат да имат скорост на преобразуване до 1 GSPS. Тук може да се отбележи, че конвейерните АЦП имат още по-голяма производителност, но те са комбинация от няколко АЦП с по-ниска производителност и тяхното разглеждане е извън обхвата на тази статия.
Средната ниша в реда за скорост на предаване е заета от последователни апроксимационни ADC. Типичните стойности са 12-18 бита при скорост на преобразуване 100KSPS-1MSPS.
Най-голяма точност се постига от сигма-делта ADC с капацитет до 24 бита включително и скорост от SPS единици до KSPS единици.
Друг тип ADC, който намери приложение в близкото минало, е интегриращият ADC. Интегриращите АЦП вече са до голяма степен изместени от други видове АЦП, но могат да бъдат намерени в по-стари инструменти.
ADC директно преобразуване
АЦП с директно преобразуване станаха широко разпространени през 1960-1970 г. и започнаха да се произвеждат във формата интегрални схемипрез 1980-те години. Те често се използват в "конвейерни" ADC (те не се разглеждат в тази статия) и имат капацитет от 6-8 бита при скорост до 1 GSPS.
Архитектурата на АЦП с директно преобразуване е показана на фиг. 1
Ориз. 1. Структурна схема ADC директно преобразуване
Принципът на работа на ADC е изключително прост: входният сигнал се подава едновременно към всички "плюс" входове на компараторите, а редица напрежения, получени от референтното напрежение чрез разделяне на резистори R, се подават към "минус" входовете За веригата на фиг. 1 този ред ще бъде така: (1/16, 3/16, 5/16, 7/16, 9/16, 11/16, 13/16) Uref, където Uref е референтното напрежение на ADC.
Нека напрежението, равно на 1/2 Uref, бъде приложено към входа на ADC. Тогава първите 4 компаратора ще работят (ако броите отдолу) и на техните изходи ще се появят логически единици. Приоритетният енкодер ще образува "колона" от единици двоичен код, който се улавя от изходния регистър.
Сега стават ясни предимствата и недостатъците на такъв преобразувател. Всички компаратори работят паралелно, времето на закъснение на веригата е равно на времето на закъснение в един компаратор плюс времето на закъснение в енкодера. Компараторът и енкодерът могат да бъдат направени много бързо, в резултат на което цялата верига има много висока скорост.
Но за да получите N бита, са необходими 2 ^ N компаратори (и сложността на кодера също нараства с 2 ^ N). Диаграмата на фиг. 1. съдържа 8 компаратора и има 3 бита, за получаване на 8 бита са ви нужни 256 компаратора, за 10 бита - 1024 компаратора, за 24-битов АЦП ще им трябват над 16 млн. Техниката обаче все още не е достигнала такива висоти.
АЦП за последователно приближение
Аналогово-цифров преобразувател за последователно приближаване (SAR) измерва големината на входния сигнал чрез извършване на серия от последователни "претегляния", тоест сравнява големината на входното напрежение с редица стойности, генерирани, както следва :
1. на първата стъпка се задава стойност равна на 1 / 2Uref на изхода на вградения цифро-аналогов преобразувател (по-нататък приемаме, че сигналът е в диапазона (0 - Uref).
2. ако сигналът е по-голям от тази стойност, той се сравнява с напрежението, лежащо в средата на оставащия интервал, т.е. в такъв случай, 3 / 4Uref. Ако сигналът е по-слаб зададено ниво, то следващото сравнение ще бъде направено с по-малко от половината от оставащия интервал (т.е. с ниво 1 / 4Uref).
3. Стъпка 2 се повтаря N пъти. По този начин, N сравнения („претегляния“) генерират N бита от резултата.
Ориз. 2. Блокова схема на последователния апроксимационен ADC.
По този начин SAR ADC се състои от следните модули:
1. Компаратор. Той сравнява входната стойност и текущата стойност на напрежението "тегло" (на фиг. 2. отбелязано с триъгълник).
2. Цифрово-аналогов преобразувател(Цифров към аналогов преобразувател, DAC). Той генерира стойност на напрежението "тегло", базирана на входния цифров код.
3. Регистър на последователната апроксимация (Successive Approximation Register, SAR). Той реализира алгоритъма за последователна апроксимация, генерирайки текущата стойност на кода, подаден на входа на DAC. С името си, всички дадена архитектура ADC.
4. Схема за задържане на проба (Sample / Hold, S / H). За работата на този ADC е от основно значение входното напрежение да остане постоянно през целия цикъл на преобразуване. Въпреки това, "истинските" сигнали са склонни да се променят с течение на времето. Схемата за вземане и задържане "запомня" текущата стойност на аналоговия сигнал и я запазва непроменена през целия цикъл на работа на устройството.
Предимството на устройството е относително висока скоростпреобразуване: времето за преобразуване на N-битов ADC е N тактови цикъла. Точността на преобразуването е ограничена от точността на вътрешния DAC и може да бъде 16-18 бита (сега започнаха да се появяват 24-битови SAR ADC, например AD7766 и AD7767).
Delta Sigma ADC
И накрая, най-интересният тип ADC е сигма-делта ADC, понякога наричан в литературата като ADC с балансиран заряд. Блоковата схема на сигма-делта ADC е показана на фиг. 3.
Фиг. 3. Блокова схема на сигма-делта АЦП.
Принципът на работа на този ADC е малко по-сложен от този на другите видове ADC. Същността му е, че входното напрежение се сравнява със стойността на напрежението, натрупана от интегратора. На входа на интегратора се подават импулси с положителна или отрицателна полярност, в зависимост от резултата от сравнението. По този начин този ADC е проста система за проследяване: напрежението на изхода на интегратора "проследява" входното напрежение (фиг. 4). Резултатът от тази схема е поток от нули и единици на изхода на компаратора, който след това преминава през цифров нискочестотен филтър, което води до N-битов резултат. LPF на фиг. 3. В комбинация с "дециматор", устройство, което намалява честотата на повторение на пробите, като ги "децимира".
Ориз. 4. Сигма-делта АЦП като система за проследяване
В името на сериозността на представянето трябва да се каже, че на фиг. 3 е блокова схема на сигма-делта ADC от първи ред. Сигма-делта АЦП от втори ред има два интегратора и два контура обратна връзка, но няма да се разглежда тук. Тези, които се интересуват от тази тема, могат да се обърнат към.
На фиг. 5 показва сигналите в ADC при нулево ниво на входа (отгоре) и на ниво Vref / 2 (отдолу).
Ориз. 5. Сигнали в АЦП на различни нива на сигнала на входа.
Сега, без да навлизам в комплекса математически анализНека се опитаме да разберем защо сигма-делта АЦП имат много ниско ниво на шум.
Помислете за блоковата схема на сигма-делта модулатора, показана на фиг. 3, и го представят в този вид (фиг. 6):
Ориз. 6. Блокова схема на сигма-делта модулатора
Тук компараторът е представен като суматор, който добавя непрекъснатия желан сигнал и шума от квантуване.
Нека интеграторът има трансферна функция 1/с. След това, представяйки полезния сигнал като X (s), изхода на сигма-делта модулатора като Y (s) и шума от квантуване като E (s), получаваме ADC трансферна функция:
Y (s) = X (s) / (s + 1) + E (s) s / (s + 1)
Това означава, че всъщност сигма-делта модулаторът е филтър ниски честоти(1 / (s + 1)) за полезния сигнал и филтъра високи честоти(s / (s + 1)) за шум, като двата филтъра имат една и съща гранична честота. Шумът, концентриран във високочестотната област на спектъра, лесно се отстранява от цифровия нискочестотен филтър, който се намира след модулатора.
Ориз. 7. Феноменът "изместване" на шума във високочестотната част на спектъра
Трябва обаче да се разбере, че това е изключително опростено обяснение на феномена на оформяне на шума в сигма-делта АЦП.
И така, основното предимство на сигма-делта ADC е висока точностпоради изключително ниското ниво на собствения си шум. Въпреки това, за да се постигне висока точност, е необходимо граничната честота на цифровия филтър да бъде възможно най-ниска, много пъти по-малка от работната честота на сигма-делта модулатора. Следователно сигма-делта АЦП имат ниска скоросттрансформация.
Те могат да се използват в аудиотехниката, но се използват главно в индустриалната автоматизация за преобразуване на сензорни сигнали, в измервателни уреди и в други приложения, където се изисква висока точност. но не се изисква висока скорост.
Малко история
Най-старата препратка към ADC в историята вероятно е патентът на Пол М. Рейни, "Факсимилна телеграфна система", U.S. Патент 1 608 527, подаден на 20 юли 1921 г., издаден на 30 ноември 1926 г. Устройството, изобразено в патента, всъщност е 5-битов АЦП с директно преобразуване.
Ориз. 8. Първи патент за ADC
Ориз. 9. ADC директно преобразуване (1975)
Устройството, показано на фигурата, е АЦП с директно преобразуване MOD-4100 от Computer Labs, 1975 г., сглобен на базата на дискретни компаратори. Има 16 компаратора (те са разположени в полукръг, за да се изравни забавянето на разпространението на сигнала към всеки компаратор), следователно ADC има капацитет от само 4 бита. Скорост на преобразуване 100 MSPS, консумация на енергия 14 вата.
Следващата фигура показва усъвършенствана версия на АЦП с директно преобразуване.
Ориз. 10. ADC директно преобразуване (1970)
VHS-630 от 1970 г., произведен от Computer Labs, имаше 64 компаратора, имаше 6 бита, 30 MSPS и консумира 100 вата (версията на VHS-675 от 1975 г. имаше 75 MSPS и 130 вата).
литература
В. Кестър. ADC Architectures I: Flash Converter. Аналогови устройства, MT-020 Урок.
Понастоящем аналогово-цифровите преобразуватели (ADC) се използват все по-често в дизайните на радиолюбителството. Това се дължи на появата на достъпни ADC чипове и предимствата на цифрова обработкааналогови сигнали. Използвайки ADC, можете лесно да конвертирате Персонален компютър(PC) към всеки виртуален измервателен уред. И електронна часттакова устройство може да бъде много просто и цялата обработка на сигнала ще се извършва в софтуер.
Устройството, описано в статията, е предназначено да преобразува аналогов сигнал в цифров шестцифрен код и може да служи като префикс към компютър. Сферите му на приложение са много разнообразни – от виртуални измервателни уредикъм различни системи за звукозапис.
На страниците на списание "Радио" многократно са публикувани дизайни, базирани на ADC. Те обаче са използвали предимно микросхеми с двоично-десетичен изходен код или код за индикатори от седем елемента. Този подход не е удобен за въвеждане на информация в компютър.
В устройството, предлагано на вниманието на читателите, е използвана микросхемата KR1107PV1, която представлява високоскоростен паралелен шестбитов АЦП. Той е предназначен да преобразува напрежението в диапазона -2 ... 0 V в един от потенциалните паралелни кодове за четене: двоичен код (напред и назад) и двоен код за допълване (напред и назад). Тази микросхема е избрана, защото, първо, тя е достъпна за широк кръг от радиолюбители и е сравнително евтина, и второ, има висока скорост (максималната честота на преобразуване е 20 MHz, времето на едно преобразуване е не повече от 100 ns).
Схематичната диаграма на устройството е показана на фиг. 1.
Препоръчителната схема за включване на KR1107PV1A беше взета за основа, която беше значително опростена без забележимо влошаване на точността на преобразуване. Кабриолет аналогов сигналпрез гнездото 1 на гнездото XS1 и резисторът R4 се подава към инвертиращия вход на операционния усилвател DA1. Такова включване се използва, тъй като по-често е необходимо да се цифровизира напрежението с положителна полярност, а микросхемата ADC преобразува напрежението в диапазона от 0 до -2 V. Напрежението на нулево отклонение се отстранява от плъзгача на тримера R1. Резисторите R5 и R4 определят необходимото усилване на операционния усилвател. Усиленият аналогов сигнал се подава през резистори R7-R9 към изводи 10, 13, 15 на ADC.
DA2 ADC се управлява от тактовите импулси, идващи от компютъра (чрез пин 8 на гнездото XS2) към пин 4. Кодирането се извършва след преминаване на прекъсване на тактовия импулс и резултатът, получен по време на преобразуването, се прехвърля в изходния регистър едновременно със следващия фронт на тактовия импулс. Това позволява на ръбовете на тактовия импулс да направят следващата проба, т.е. в момента, когато резултатът от n-тата проба присъства на изхода на DA2, на входа се прави (n + 2)-тата проба. Цифровият код се взема от изходите D1 - D6 и се извежда към гнездото XS2.
Трябва да се отбележи, че обозначението на изходите на микросхемата е противоположно на тяхното тегло: изходът D1 съответства на най-значимия бит, а D6 - на най-малко значимия. Видът на кода (директен, обратен, допълнителен) на изходите на микросхемата се определя от нивата на сигнала на входовете C1 и C2 на микросхемата. Връзката им към шината +5 V съответства на захранване на високо ниво, а към общия проводник - на ниско ниво. Необходимият тип код на изхода на микросхемата се задава чрез комбинация от нива на сигнала на входовете C1 и C2 в съответствие с таблицата. 1.
ADC KR1107PV1A изисква биполярно захранване с напрежение +5 и -6 V. Освен това са необходими две еталонни напрежения. Те определят диапазона на напреженията, които трябва да бъдат цифровизирани. В този случай едно от тези напрежения (Uobp1) се приема за нула (щифт 16 на микросхемата е свързан към общ проводник), а второто (Uobp2) е равно на -2 V, което, в съответствие с, определя обхвата входни напрежения ADC 0 ...- 2 V. Примерно напрежение от -2 V се отстранява от плъзгача на тримерния резистор R6, който е свързан към веригата на захранващото напрежение с отрицателна полярност. За премахване на смущенията се използват кондензатори C1 - C5.
При сглобяването на устройството се използват резистори MLT, OMLT, оксидни и керамични кондензатори от всякакъв тип. Резистор за подстригване R1 - също от всякакъв тип, R6 - за предпочитане многовитови навивки, например SP5-1V, SP5-14, SP5-15, SP5-2 и др. OU DA1 - почти всеки, способен да работи при намалени захранващи напрежения, например KR140UD7. Да разшири честотен диапазонможете да използвате операционния усилвател K574UDZ, в който единичната честота на усилване е 10 MHz.
Устройството се захранва от биполярен стабилизиран източник, осигуряващ изходно напрежение от +5 V при ток от 35 ... 40 mA и -6 V при ток от 200 mA
Преди да включите ADC за първи път, двигателят на резистора R6 се настройва в средно положение. Включете захранването, измерете примерното напрежение на пин 9 на микросхемата DA2 и възможно най-точно го задайте на -2 V. Постига се необходимото нулево отместване подстригващ резистор R1. Можете да контролирате нулевата позиция през уикенда цифров кодили постоянно напрежениена аналоговите входове на ADC (пинове 10, 13, 15 DA2). На този етап настройката може да се счита за завършена.
ADC се свързва към компютъра през интерфейса (фиг. 2), инсталиран в свободен ISA конектор на дънната платка.
Интерфейсната платка съдържа четири I/O порта с адреси ZE0N-ZEZN. Елементите DD1.1-DD1.3 и DD2 образуват адресен декодер. Сигналите от адресната шина на компютъра се получават на техните входове и ако на нея се появи комбинация ZE0H-ZEZN, на изхода DD2 се образува разрешително напрежение на ниско ниво. Сигналите, които определят номера на порта в адресното пространство на портовете, съответстват на двата най-малки бита на адресната шина и се подават към DD4 декодера. Той също така получава сигнали за разрешаване чрез шината AEN (това означава, че няма директен достъп до паметта в този цикъл) и сигнали IOW, IOR, което съответства на запис и четене от външно устройство. Сигналът от пин 15 на декодера се подава към входа E на драйвера на шината DD7 и позволява трансфер на данни от ADC към шината за данни.
Сигналът, който се появява на щифт 14 на декодера DD4, служи за тактиране на DA2 ADC, на пин 13 за нулиране на тригера DD6.1 и на пин 12 за разрешаване на подаването на информация от него към шината за данни. Тригерът е предназначен да синхронизира ADC с външно устройство, което може да генерира синхронизиращи импулси или сигнал за готовност. Тактов сигнал от външно устройство се подава през щифт 1 на гнездото XS2 към тактовия вход на тригера. Състоянието на последното се чете от програмата. Ако се намери високо нивона пин 5 на DD6.1, това означава, че е получен импулс за синхронизация от външно устройство. След като състоянието на тригера е прочетено, то трябва да бъде нулирано, за да се подготви за следващия тактов импулс.
Няколко думи за предназначението на портовете. Портът с адрес ЗЕ0Н е предназначен за четене на данни от АЦП (битовете D0-D5 съдържат стойността на дигитализирания сигнал), с адрес ЗЕ1Н - за подаване на тактов импулс към АЦП (когато на този порт се записва всеки байт , започва преобразуването на аналоговия сигнал в цифров). Портът ZE2H се използва за нулиране на тригера за синхронизация DD6.1 след прочитане на състоянието му. Нулиране се получава, когато някой байт се запише на този порт. И накрая, портът ZESN е за четене на състоянието на тригера, което се отразява от бит 5 на байта, прочетен от този порт. Тригерът е необходим за улавяне на краткотрайни синхронизиращи импулси. Ако при четене от порта ZEZN се открие високо логическо ниво на директния изход на тригера (бит D5 = 1), тогава програмата го връща към първоначалното състояниечрез записване на произволен байт в порта ZE2H.
Програма за четене на данни от ADC, написана на Pascal, е показана в табл. 2.
Удобно е да се използва като основа на дизайна дефектна дъскаразширения за ISA слота. От него се отстраняват всички "високи" елементи (кондензатори, конектори) и се изрязват печатните проводници, които отиват към контактните подложки на вкараната в слота част (XP1 щепсел на фиг. 2). Частите са монтирани на малка печатна платка, която е закрепена със стойки към разширителната платка. Клемите на устройството са свързани към контактите на щепсела XP1 с къси участъци от монтажния проводник. Присвояването на щифтове на ISA слота може да се намери в.
В заключение отбелязваме, че в повечето случаи шест бита са достатъчни за представяне на аналогов сигнал. Ако за измерване на напрежение от 2 V се използва ADC с интервал на входно напрежение 0 ... 2 V, грешката няма да надвишава 0,03 V (или 1,5%). При измерване на напрежение от 0,2 V грешката ще се увеличи до 15%. За да подобрите точността на измерване, можете да използвате ADC с по-голям капацитет или да усилите измереното напрежение до стойност, близка до горната граница на интервала (например, промените съотношението на съпротивленията на резисторите R5 и R4). С номиналните стойности, посочени на диаграмата (виж фиг. 1), устройството дигитализира входните напрежения в диапазона от 0 ... 0,5 V и е в състояние да работи с потребителски микрофон.
Ако от съображения за точност на "дигитализация" слаби сигналиизисква се по-висока дълбочина на битовете, микросхемата KR1107PV1A може да бъде заменена с осембитов преобразувател K1107PV2 (разбира се, като се вземат предвид разликите в "изводите" и консумацията на енергия).
литература
- Бирюков С. Термометър "Къща - улица". - Радио, 2000, бр.3, с. 32, 33.
- Новаченко И. В., Петухов В. М., Блудов И. П., Юровски А. В. Микросхеми за домакинско радио оборудване. Указател. - М .: КУБК, 1995.
- Данилин Н. С., Улитенко В. П., Крипак А. А. Указания за отстраняване на неизправности и ремонт на компютри IBM PC. - М .: Издателство на стандартите, 1992.
Вижте други статиираздел.
Така се случи, че основният MC, с който работя постоянно и на който върша по-голямата част от задачите, е ATtiny2313- популярен е и най-важното е най-евтиният контролерот цялата линия AVRс броя на краката повече от 8. Взех ги на брой около триста за 18, chtol, рубли нещо. Но ето го - няма ADC... Въобще не. И тук той беше необходим - трябва да измерите сигнала от сензора. Засада. Не минавайте на по-пълнено заради такъв боклук. ATTiny26- струва повече и смокини от къде можеш да си купиш от нас и после какво да правиш с този пробив ATtiny2313какво вече е закупено? Използвах мозъците си...
Защо не бъркам ADCсерийно сравнение? Разбира се, скоростта и точността няма да са фонтан, но без да променям типа на MK и само с две стотинки детайли от допълнителния комплект за тяло, ще получа пълноценен, макар и спирачен, 8-битов ADC, който напълно удовлетворява моите скромни молби!
Как работи ADC за серийно сравнение.
Какво имаме в ATtiny2313аналогов? Вдясно - . Сега е достатъчно да приложите измервания сигнал към неговия вход и методично да го сравните с еталонното напрежение, като линейно променяте стойността на еталонното напрежение. При кое от еталонните напрежения се задейства компараторът, измереният сигнал + / _ е приблизително равен на стъпката на промяна на еталонното.
Остава да получите променливо референтно напрежение и какво, от чисто цифров изход на контролера, можете да извадите аналогов сигнал? PWM! След като го интегрира преди това. За интеграция използваме най-простия RC филтър. Нашият кондензатор ще интегрира заряда и резисторът няма да позволи на порта да умре, когато кондендерът е зареден. Резултатът от преминаването на ШИМ през такъв филтър ще бъде доста стабилно постоянно напрежение.
Остава само да оценим оценките на филтъра. Честота на прекъсване - честотата, от която филтърът започва да амортизира променливия компонент, в L-образния RC филтър е равна на реципрочната стойност на неговата времева константа w = 1 / RC... Залепих кондендъра 0,33E-6 F и включен резистор 470 Ом, така се оказа w = 6447 rad/s... Дотолкова доколкото ъглова честотане сме почивали никъде, тогава го разделяме на 2pi = 6.28 получаваме около килохерц, 1026.6 Hz, за да бъдем точни. Честота на пъти PWMи лесно можем да имаме около десетки килохерци, тогава изходът ще бъде толкова гладка константа, с незначителни пулсации.
Сега увиваме тези върхове на входа на компаратора, на втория стартираме нашия измерен сигнал и започваме да се забавляваме с кода. Тук се оказа такава схема, сглобена, като. Тук обаче не ATTiny2313, а Mega8, който има ADC, но засега ще забравим за неговото съществуване. Нашият филтър е нарисуван с червени линии.
Кодът ще бъде прост, за да не се притеснявам, ще изложа отделни източници под формата на файлове:
- - Главен файл
- - Таблица с векторни прекъсвания
- - Инициализация на периферията
- и - Макроси и макроси
ще коментирам само Главна функция Calc.
При извикване на процедура Calcнашето първо нещо:
- Аналоговият компаратор е конфигуриран и най-важното е, че неговите прекъсвания са активирани.
- След това първоначалната стойност на сканиране 255 се зарежда в регистъра за сканиране (R21).
- След това тази стойност се хвърля в регистъра за сравнение на PWM OCR1AL... PWM беше предварително, в секцията init.asmконфигуриран и стартиран, така че веднага на изхода му се появява сигнал с работен цикъл (работният цикъл е съотношението на продължителността на сигнала към периода на този сигнал) 1, тоест всъщност докато е само един.
- Изчакваме във функцията Delay известно време, докато преходният процес приключи (кондензаторът не може моментално да промени напрежението си)
- Намалете стойността на регистъра за сканиране (който, когато се зареди в OCR1ALще намали работния цикъл с 1/255), проверете дали е станал нула. Ако не, преминете към стъпка 3.
Както виждате, в горната част има разрез. Това се дължи на факта, че максималното напрежение, което кракът на MK може да издаде, като се вземат предвид капките на всички резистори, е от порядъка на 4,7 волта и мога да развия всичките 5 от главния потенциометър. Е, също така върховете са малко претоварени. Ако намалите честотата, обхватът ще се разшири леко.
Така, с малко изобретателност, плюс две допълнителни подробности. обща сумав една рубла и десетина реда код, спестих куп тесто =)
