Dag iedereen. Vandaag zullen we het hebben over een serieus onderwerp genaamd ADC. Zoals altijd, ik zal beginnen met ADC-kenmerken:, bijvoorbeeld ATMega8. En dus aan boord is er een 6-kanaals analoog-naar-digitaal converter (ADC) die 4 kanalen heeft met 10-bits precisie en 2 kanalen met 8-bits precisie.
En wat betekent "10-bits precisie" dan? Dit betekent dat de meting in 2 10 delen wordt verdeeld en om de meetstap te bepalen, moet u de ADC-spanning delen door 2 10 = 1023 (omdat vanaf 0 wordt geteld), bijvoorbeeld als de gemeten spanning 2,56 is. V, dan is onze stap 2,56 / 1023 = 0,0025V. Vervolgens hoeft u alleen de stap te vermenigvuldigen met de waarde van het ADCH-register (meest significante bit) en ADCL (minst significante bit), waar het conversieresultaat wordt opgeslagen.
Nu in meer detail:
Om de ADC te besturen, moeten we schrijven: de nummers die je wilt naar de ADC-controleregisters onder de namen ADMUX en ADCSRA (ADCSR)
ADMUX - ADC-multiplexerregister.
Bits 7: 6 (REFS1: REFS0) - Selectiebits voor referentiespanning. Als we deze bits tijdens de conversie wijzigen, worden de wijzigingen pas van kracht na de huidige conversie. De spanningsreferentie kan AVcc (voedingsspanning), AREF of een interne 2,56V-referentie zijn.
Bit 7: 6
REFS1: REFS0
00 AREF
01 AVcc, met externe condensator bij AREF
10 Reserveren
11 Interne 2,56V voeding, met externe condensator op AREF
Bit 5 - ADLAR. Bepaalt hoe het resultaat naar registers wordt geschreven
Bits 3: 0 - MUX3: MUX0 - Kanaalselectiebits.
MUX3: 0
0000 ADC0
0001 ADC1
0010 ADC2
0011 ADC3
0100 ADC4
0101 ADC5
0110 ADC6
0111 ADC7
Het volgende register is ADCSRA waar de belangrijkste ADC-instellingen worden opgeslagen.
Bit 7 - ADEN. ADC-resolutie.
0 - ADC is uitgeschakeld
1 - ADC is ingeschakeld
Bit 6 - ADSC. Conversie starten (in enkele conversiemodus)
0 - conversie voltooid
1 - start conversie
Bit 5 - ADFR. Mode selectie ADC-bewerking
0 - enkele conversiemodus
1 - continue conversiemodus
Bit 4 - ADIF. ADC-onderbrekingsvlag. De bit wordt ingesteld wanneer de conversie is voltooid.
Bit 3 - ADIE. ADC-interrupt inschakelen
0 - onderbreking uitgeschakeld
1 - onderbreking ingeschakeld
Na voltooiing van de conversie wordt een ADC-interrupt gegenereerd (indien ingeschakeld).
Bits 2: 1 - ADPS2: ADPS0. ADC-klokfrequentie, of beter gezegd deler klok frequentie IPU
ADPS2: 0
000 2
001 2
010 4
011 8
100 16
101 32
110 64
111 128
Hoe hoger de frequentie, hoe sneller de conversie, maar hoe groter de fout.
Dit is hoe de transformatie gebeurt
Laten we als voorbeeld een 10V voltmeter maken.
Het berekende deel ziet er als volgt uit:
We zullen de hoge byte van ADCH gebruiken, dus het aantal metingen zal 2 8 = 255 zijn. De referentiespanning is een interne 2,56V voeding. Vervolgens berekenen we de stap 2,56/255 = 1mV. Om onze 10V te meten, moeten we een spanningsdeler plaatsen, met eenvoudige berekeningen selecteren we de meest plausibele 56K- en 15K-weerstanden, dan is onze coëfficiënt 4,73. De uiteindelijke formule ziet er als volgt uit:
Waarde in Volt = ADCH * 0,01 * 4,73;
Er is een fout van een tiende omdat: de verdeler is niet perfect op elkaar afgestemd (als iemand het circuit wil monteren, kun je een trimmer plaatsen). Vergeet niet om een capacitief-inductief filter te installeren.
Nu het softwaregedeelte:
Zoals altijd maken we een project in CodeVision, verwijderen alles en schrijven:
// alles is duidelijk met bibliotheken #include
Ga ervoor!
Als je meer details wilt, lees dan de datasheet, of ga naar het forum.
Dit artikel bespreekt de basisvragen met betrekking tot het werkingsprincipe van de ADC verschillende soorten... Tegelijkertijd bleven enkele belangrijke theoretische berekeningen met betrekking tot de wiskundige beschrijving van analoog-naar-digitaal-conversie buiten het bestek van het artikel, maar er worden links gegeven waarmee de geïnteresseerde lezer een diepere overweging kan vinden theoretische aspecten ADC-operatie. Het artikel houdt zich dus meer bezig met het begrijpen van de algemene principes van ADC-werking dan met een theoretische analyse van hun werk.
Invoering
Laten we als uitgangspunt de conversie van analoog naar digitaal definiëren. Analoog-naar-digitaal-conversie is het proces waarbij een fysieke invoergrootheid wordt omgezet in zijn numerieke weergave. Een analoog-naar-digitaal-omzetter is een apparaat dat deze conversie uitvoert. Formeel kan de invoerwaarde van de ADC elke fysieke hoeveelheid zijn - spanning, stroom, weerstand, capaciteit, pulsherhalingssnelheid, asrotatiehoek, enz. Voor de zekerheid bedoelen we in wat volgt onder de ADC echter uitsluitend spanning-naar-code-omzetters.
Het concept van analoog-naar-digitaal conversie hangt nauw samen met het concept van meten. Meting verwijst naar het proces van het vergelijken van de gemeten waarde met een bepaalde norm; bij analoog-naar-digitaal conversie wordt de ingangswaarde vergeleken met een bepaalde referentiewaarde (in de regel met een referentiespanning). Zo kan A/D-conversie worden gezien als een meting van de waarde van een ingangssignaal en zijn alle metrologische concepten zoals meetfouten daarop van toepassing.
Hoofdkenmerken van ADC
De ADC heeft veel kenmerken, waarvan de belangrijkste de conversiefrequentie en bitdiepte zijn. De conversieratio wordt meestal uitgedrukt in samples per seconde (SPS) en de bitdiepte in bits. Moderne ADC's kunnen maximaal 24 bits breed zijn en hebben een conversieratio tot GSPS-eenheden (uiteraard niet tegelijkertijd). Hoe hoger de snelheid en bitdiepte, hoe moeilijker het is om de vereiste eigenschappen te verkrijgen, hoe duurder en complexer de converter. Conversiesnelheid en bitdiepte zijn op een bepaalde manier aan elkaar gerelateerd, en we kunnen de effectieve conversiebitdiepte vergroten door snelheid op te offeren.
ADC-typen
Er zijn veel soorten ADC's, maar voor de doeleinden van dit artikel zullen we ons beperken tot alleen de volgende typen:
- ADC parallelle conversie (directe conversie, flash ADC)
- ADC opeenvolgende benadering(SAR-ADC)
- delta sigma ADC (lading gebalanceerde ADC)
De ADC's van directe (parallelle) conversie hebben de hoogste snelheid en de laagste bitdiepte. De parallelle conversie-ADC TLC5540 van Texas Instruments heeft bijvoorbeeld een snelheid van 40 MSPS met een bitbreedte van slechts 8 bits. ADC van dit type kan conversiepercentages hebben tot 1 GSPS. Hier kan worden opgemerkt dat ADC's met pijplijn nog betere prestaties leveren, maar ze zijn een combinatie van verschillende ADC's met lagere prestaties en hun overweging valt buiten het bestek van dit artikel.
De middelste nis in de rij met bitsnelheden wordt ingenomen door opeenvolgende benaderings-ADC's. Typische waarden zijn 12-18 bits bij een conversieratio van 100KSPS-1MSPS.
De grootste nauwkeurigheid wordt bereikt door sigma-delta ADC's met een capaciteit tot 24 bits inclusief en een snelheid van SPS-eenheden tot KSPS-eenheden.
Een ander type ADC dat in het recente verleden is gebruikt, is de integrerende ADC. Integrerende ADC's worden nu grotendeels vervangen door andere soorten ADC's, maar kunnen worden aangetroffen in oudere instrumenten.
ADC directe conversie
ADC directe conversie ontvangen breed gebruik in 1960-1970, en begon in de jaren tachtig te worden geproduceerd in de vorm van geïntegreerde schakelingen. Ze worden vaak gebruikt in "pipelined" ADC's (ze worden in dit artikel niet besproken) en hebben een capaciteit van 6-8 bits met een snelheid tot 1 GSPS.
De architectuur van de directe conversie-ADC wordt getoond in Fig. 1
Rijst. 1. structureel schema ADC directe conversie
Het werkingsprincipe van de ADC is uiterst eenvoudig: het ingangssignaal wordt gelijktijdig naar alle "plus"-ingangen van de comparatoren gevoerd en een aantal spanningen verkregen uit de referentiespanning door te delen door weerstanden R worden toegevoerd aan de "min"-ingangen Voor het circuit in Fig. 1 ziet deze rij er als volgt uit: (1/16, 3/16, 5/16, 7/16, 9/16, 11/16, 13/16) Uref, waarbij Uref de ADC-referentiespanning is.
Laat de spanning gelijk aan 1/2 Uref worden toegepast op de ADC-ingang. Dan zullen de eerste 4 comparatoren werken (als je vanaf de onderkant telt), en logische eenheden verschijnen aan hun uitgangen. De prioriteits-encoder vormt een "kolom" van eenheden binaire code, die wordt vastgelegd door het uitvoerregister.
Nu worden de voor- en nadelen van zo'n converter duidelijk. Alle comparators werken parallel, de vertragingstijd van het circuit is gelijk aan de vertragingstijd in één comparator plus de vertragingstijd in de encoder. De comparator en encoder kunnen zeer snel worden gemaakt, waardoor de hele schakeling een zeer hoge snelheid heeft.
Maar om N bits te krijgen, zijn 2 ^ N comparatoren nodig (en de complexiteit van de encoder groeit ook als 2 ^ N). Het schema in afb. 1. bevat 8 comparators en heeft 3 bits, om 8 bits te verkrijgen heb je 256 comparatoren nodig, voor 10 bits - 1.024 comparatoren, voor een 24-bit ADC zouden ze meer dan 16 miljoen nodig hebben. De techniek heeft echter nog niet zulke hoogten bereikt.
Opeenvolgende benadering ADC
Een SAR-analoog-naar-digitaal-omzetter (Succesive Approximation Register) meet de grootte van een ingangssignaal door een reeks opeenvolgende "wegingen" uit te voeren, dat wil zeggen vergelijkingen van de ingangsspanningswaarde met een aantal waarden die als volgt worden gegenereerd:
1. bij de eerste stap wordt aan de uitgang van de ingebouwde digitaal-naar-analoogomzetter een waarde gelijk aan 1/2Uref ingesteld (hierna gaan we ervan uit dat het signaal in het bereik (0 - Uref) ligt.
2. als het signaal groter is dan deze waarde, wordt het vergeleken met de spanning die in het midden van het resterende interval ligt, d.w.z. in in dit geval, 3 / 4Uref. Als het signaal minder is niveau instellen, dan wordt de volgende vergelijking gemaakt met minder dan de helft van het resterende interval (d.w.z. met het 1/4Uref-niveau).
3. Stap 2 wordt N keer herhaald. Dus N vergelijkingen ("wegingen") genereren N bits van het resultaat.
Rijst. 2. Blokschema van de opeenvolgende benadering ADC.
De SAR ADC bestaat dus uit de volgende eenheden:
1. Vergelijker. Het vergelijkt de ingangswaarde en de huidige waarde van de "gewichts" -spanning (in Fig. 2. gemarkeerd met een driehoek).
2. Digitaal-analoogomzetter(Digitaal naar analoog converter, DAC). Het genereert een "gewicht" spanningswaarde op basis van de ingevoerde digitale code.
3. Register van opeenvolgende benaderingen (Successive Approximation Register, SAR). Het implementeert het opeenvolgende benaderingsalgoritme en genereert de huidige waarde van de code die aan de DAC-ingang wordt geleverd. Op zijn naam, allemaal gegeven architectuur ADC.
4. Sample-hold-schema (Sample / Hold, S / H). Voor de werking van deze ADC is het van fundamenteel belang dat de ingangsspanning constant blijft gedurende de conversiecyclus. "echte" signalen hebben echter de neiging om in de loop van de tijd te veranderen. Het fetch-store-schema "onthoudt" de huidige waarde analoog signaal, en houdt het ongewijzigd gedurende de hele cyclus van het apparaat.
Het voordeel van het apparaat is de relatief hoge conversiesnelheid: de conversietijd van een N-bit ADC is N klokcycli. De nauwkeurigheid van de conversie wordt beperkt door de nauwkeurigheid van de interne DAC en kan 16-18 bits zijn (nu verschijnen 24-bit SAR ADC's, bijvoorbeeld de AD7766 en AD7767).
Delta Sigma ADC
Ten slotte is het meest interessante type ADC de sigma-delta ADC, in de literatuur soms aangeduid als een lading-gebalanceerde ADC. Het blokschema van een sigma-delta ADC wordt getoond in Fig. 3.
Afb. 3. Blokschema van een sigma-delta ADC.
Het werkingsprincipe van deze ADC is iets complexer dan dat van andere typen ADC. De essentie is dat de ingangsspanning wordt vergeleken met de spanningswaarde die door de integrator is verzameld. Afhankelijk van het vergelijkingsresultaat worden pulsen met positieve of negatieve polariteit aan de ingang van de integrator toegevoerd. Deze ADC is dus een eenvoudig volgsysteem: de spanning aan de uitgang van de integrator "volgt" de ingangsspanning (Fig. 4). Het resultaat van deze schakeling is een stroom van nullen en enen aan de uitgang van de comparator, die vervolgens door een digitaal laagdoorlaatfilter wordt gevoerd, wat resulteert in een N-bits resultaat. LPF in afb. 3. Gecombineerd met een "decimator", een apparaat dat de herhalingssnelheid van samples vermindert door ze te "decimeren".
Rijst. 4. Sigma-delta ADC als volgsysteem
Omwille van de ernst van de presentatie moet worden gezegd dat in Fig. 3 is een blokschema van een eerste orde sigma-delta ADC. Een tweede-orde sigma-delta ADC heeft twee integrators en twee lussen feedback, maar wordt hier niet behandeld. Geïnteresseerden in dit onderwerp kunnen verwijzen naar.
In afb. 5 toont de signalen in de ADC op een nulniveau aan de ingang (boven) en op het niveau Vref/2 (onder).
Rijst. 5. Signalen in de ADC bij verschillende niveaus ingangssignaal.
Nu, zonder in complex te duiken wiskundige analyse, laten we proberen te begrijpen waarom sigma-delta ADC's zeer laag niveau eigen geluid.
Beschouw het blokschema van de sigma-deltamodulator getoond in Fig. 3, en geef het in deze vorm weer (Fig. 6):
Rijst. 6. Blokschema van de sigma-delta modulator
Hier wordt de comparator weergegeven als een opteller die het continue gewenste signaal en de kwantiseringsruis optelt.
Laat de integrator hebben overdrachtsfunctie 1 / s. Vervolgens, door het bruikbare signaal weer te geven als X (s), de uitvoer van de sigma-deltamodulator als Y (s), en de kwantiseringsruis als E (s), verkrijgen we de ADC-overdrachtsfunctie:
Y (s) = X (s) / (s + 1) + E (s) s / (s + 1)
Dat wil zeggen, in feite is de sigma-deltamodulator een filter lage frequenties(1 / (s + 1)) voor het bruikbare signaal en het filter hoge frequenties(s / (s + 1)) voor ruis, waarbij beide filters dezelfde afsnijfrequentie hebben. De ruis geconcentreerd in het hoogfrequente gebied van het spectrum wordt gemakkelijk verwijderd door het digitale laagdoorlaatfilter, dat zich achter de modulator bevindt.
Rijst. 7. Het fenomeen "verplaatsing" van ruis in het hoogfrequente deel van het spectrum
Het moet echter duidelijk zijn dat dit een extreem vereenvoudigde uitleg is van het ruisvormingsfenomeen in een sigma-delta ADC.
Het belangrijkste voordeel van een sigma-delta ADC is dus de hoge nauwkeurigheid vanwege de extreem lage intrinsieke ruis. Om een hoge nauwkeurigheid te bereiken, is het echter noodzakelijk dat de afsnijfrequentie digitale filter was zo laag mogelijk, vele malen lager dan de werkfrequentie van de sigma-delta modulator. Daarom hebben sigma-delta ADC's een lage conversiesnelheid.
Ze kunnen worden gebruikt in de audiotechniek, maar worden vooral gebruikt in de industriële automatisering voor het converteren van sensorsignalen, in meetinstrumenten en in andere toepassingen waar een hoge nauwkeurigheid vereist is. maar geen hoge snelheid vereist.
Een beetje geschiedenis
De oudste ADC-referentie in de geschiedenis is waarschijnlijk het Paul M. Rainey-patent, "Facsimile Telegraph System", U.S. Patent 1.608.527, ingediend op 20 juli 1921, uitgegeven op 30 november 1926. Het apparaat dat in het patent wordt afgebeeld, is eigenlijk een 5-bit ADC met directe conversie.
Rijst. 8. Eerste patent voor ADC
Rijst. 9. ADC directe conversie (1975)
Het apparaat dat in de afbeelding wordt getoond, is een MOD-4100 ADC met directe conversie van Computer Labs, 1975, geassembleerd op basis van discrete comparatoren. Er zijn 16 comparators (ze bevinden zich in een halve cirkel, om de signaalvoortplantingsvertraging voor elke comparator gelijk te maken), daarom heeft de ADC een capaciteit van slechts 4 bits. Conversiesnelheid 100 MSPS, stroomverbruik 14 watt.
De volgende afbeelding toont een geavanceerde versie van de ADC voor directe conversie.
Rijst. 10. ADC directe conversie (1970)
Een VHS-630 uit 1970, vervaardigd door Computer Labs, had 64 comparators, had 6 bits, 30 MSPS en verbruikte 100 watt (de versie van de VHS-675 uit 1975 had 75 MSPS en 130 watt).
Literatuur
W. Kester. ADC-architecturen I: de Flash-converter. Analoge apparaten, MT-020 Zelfstudie.
Analoge (ADC) controller-ingangen. Niet iedereen begrijpt en begrijpt niet meteen wat het is en waarmee het wordt gegeten. Daarom zal ik proberen het in mijn eigen woorden uit te leggen.
Wat is in het algemeen een "analoge" ingang? De controller heeft twee soorten ingangen: digitaal en analoog. Digitaal kan maar twee waarden aannemen: nul en één. Nul - geen spanning, één - er is spanning. Informatie wordt in de tijd in pulsen naar de digitale ingang verzonden. Maar de analoge ingang kan niet alleen deze twee waarden accepteren, maar in het algemeen elke spanning.
De NM8036 controller heeft twee analoge ingangen (zie). Elk van deze ingangen kan worden gevoed met elke spanning in het bereik van 0 tot voedingsspanning (5 V). Bijvoorbeeld 1,8 volt, of 3,2 volt ... Kortom, elke, maar niet meer dan 5 volt.
Wat doet de controller met deze spanning? Heel eenvoudig: het meet en vertegenwoordigt het in digitaal formulier... Bovendien doet hij het in het bereik van 0 tot 1023. Dit zijn binaire data (bin-data), waarbij de bovengrens (1023) gelijk is aan een spanning van 5 volt. Dit is de analoog naar digitaal conversie (ADC).
Maar de werkelijke spanning is de werkelijke. 5 volt - ze zijn 5 volt. Deze waarde wordt hier "Volt" genoemd. En terecht, volt is dat ook.
Maar hier is het mogelijk om deze spanning weer te geven in andere fysieke grootheden (fysica). We hebben bijvoorbeeld een druk- of vochtigheidssensor op de ingang aangesloten, of ook een temperatuursensor, maar geen digitale, zoals de DS1820, maar een thermistor. Deze thermistorsensor geeft ons een spanning van 0 tot 5 volt (elektronica-ingenieurs, raak niet opgewonden! Dit is slechts een voorbeeld.), Maar het is tenslotte belangrijk voor ons om de temperatuur te kennen, niet de spanning!
Dus we kalibreren deze waarden. De ondergrens in de instellingen (zie Verwarmingsregeling in een woonhuis. Advanced Manager.) Wordt bijvoorbeeld ingesteld op 16 graden en de bovengrens op 30 graden. Hier is onze sensor, zie je, verbonden. En we zullen het aantal decimalen op 2 zetten. En we zullen het voorvoegsel aangeven: C (dat wil zeggen, graden Celsius).
En wat krijgen we hiermee? En we krijgen dat wanneer de sensor een spanning naar de ingang stuurt, bijvoorbeeld 2,5 volt, de controller alles snel opnieuw zal berekenen en ons drie opties voor de resultaten geeft: 512 (bin-data), 2,5 volt (volt) en 23.00 C (graden Celsius). Op deze manier kunt u werken met bijna elke sensor die een analoge spanningswaarde aan zijn uitgang afgeeft.
Het bestaan van twee analoge ingangen op de controller is niet alleen de mogelijkheid om bovenstaande sensoren aan te sluiten. Je kunt veel schema's bedenken die erg handig kunnen zijn voor verschillende doeleinden in een privéwoning. Ik zal de mogelijke op een rijtje zetten.
Eenvoudige schakelaar voor 2 standen. Het kan 0 volt of 5 volt hebben aan de data-uitgang. Het is verbonden met drie draden: Vcc (+ 5v), Data (data) en Gnd (gemeenschappelijke draad). Deze schakelaar kan worden gebruikt om twee verschillende regimes werklast bij het programmeren van het systeem.
Een schakelaar voor meer standen kan de mogelijkheid bieden om te programmeren en meer modi. Hier, laten we zeggen, voor 3 posities. Elke positie heeft zijn eigen uitgangsspanning. De laagste positie is bij de uitgang van 1,25V, de middelste is 2,5V en de bovenkant is 3,75V. Door het aantal weerstanden in de keten te vergroten, kun je ook het aantal schakelstanden vergroten.
Dit waren opties voor trapregeling, maar er is ook een variant voor soepele regeling. Hier hangt de waarde van de uitgangsspanning af van de positie van de schuifregelaar variabele weerstand... Kan bijvoorbeeld worden gebruikt voor: handmatige aanpassing temperatuur. Stel het programma zo in dat het de door de regelaar ingestelde kamertemperatuur behoudt. Automatische aanpassing- dit is één ding, maar vaak wil je iets ergens omkeren, klikken om het warmer of juist koeler te maken. De mens is tenslotte een kieskeurig wezen.
Of pas een dergelijk schema toe om bijvoorbeeld het waterniveau in een container, in een put te regelen ... Het is niet moeilijk: een vlotter op een draad die om het handvat van een variabele weerstand is gewikkeld. Uiteraard met veerwerking. Maar dit is zo, terloops, zonder gedetailleerde studie.
Als je blijft fantaseren, dan kun je nog steeds het verlichtingsniveau meten en op het juiste moment de lamp aan / uit zetten ... Kortom, deze analoge ingangen hebben veel mogelijkheden, de NM8036 kan veel taken gemakkelijk onder de knie krijgen, niet alleen in het regelen van de verwarming van een woonhuis, maar ook voor het oplossen van vele andere taken. In de volgende artikelen zullen we het hebben over programmeermogelijkheden.
Er komt trouwens heel veel bij kijken om de temperatuur in de kamer aan te passen. geen slechte oplossing door mij genomen van. In antwoord op iemands vraag gaf de auteur van de post Brokly (ook bekend als de auteur van Advanced Manager) een voorbeeld van het gebruik van een analoge ingang. Ik citeer letterlijk:
Je had een nog moeilijker draad kunnen bedenken. Voedingscontact wandthermostaat, aansluiten op analoge invoer, en laat de dronkaards het zelf verdraaien. En bevrijd de schoonmaakster, en dronken plezier. En de controleur minder werk, de thermostaat is geactiveerd - je hoeft hem niet op te warmen.
Hoe vind je dat, meester? En weet je, ik vond het leuk.
Wordt vervolgd...
Laten we eens kijken naar de belangrijkste problemen die kunnen worden toegeschreven aan het principe van actie verschillende soorten... Sequentieel tellen, bitsgewijze balanceren - wat gaat er schuil achter deze woorden? Wat is het werkingsprincipe van de ADC van een microcontroller? We zullen deze, evenals een aantal andere kwesties, in het kader van het artikel bespreken. We zullen de eerste drie delen wijden algemene theorie, en vanaf de vierde onderkop zullen we het principe van hun werk bestuderen. Je kunt binnen verschillende literatuur voldoen aan de voorwaarden ADC en DAC. Het werkingsprincipe van deze apparaten is iets anders, dus verwar ze niet. Het artikel zal dus van analoge naar digitale vorm overwegen, terwijl de DAC andersom werkt.
Definitie
Laten we, voordat we het werkingsprincipe van de ADC overwegen, eens kijken wat voor soort apparaat het is. Analoog naar digitaal converters zijn apparaten die: fysieke hoeveelheid omgezet naar de overeenkomstige numerieke weergave. Bijna alles kan fungeren als een initiële parameter - stroom, spanning, capaciteit, weerstand, asrotatiehoek, pulsfrequentie, enzovoort. Maar voor de zekerheid gaan we maar met één transformatie werken. Dit is spanningscode. De keuze voor deze werkvorm is niet toevallig. De ADC (het werkingsprincipe van dit apparaat) en zijn kenmerken hangen immers grotendeels af van welk meetconcept wordt gebruikt. Dit wordt opgevat als het proces van het vergelijken van een bepaalde waarde met een eerder vastgestelde norm.
ADC-kenmerken:
De belangrijkste zijn bitdiepte en conversiefrequentie. De eerste wordt uitgedrukt in bits en de tweede in counts per seconde. Moderne analoog-naar-digitaal-omzetters kunnen een bitbreedte van 24 bits hebben of een conversieratio die oploopt tot GSPS-eenheden. Houd er rekening mee dat de ADC u slechts één van zijn kenmerken tegelijk kan bieden. Hoe hoger hun indicatoren, hoe moeilijker het is om met het apparaat te werken, en het kost zelf meer. Maar gelukkig kun je de nodige bit-indicatoren krijgen door de snelheid van het apparaat op te offeren.
ADC-typen
Het werkingsprincipe verschilt voor verschillende groepen apparaten. We behandelen de volgende soorten:
- Directe conversie.
- Met consequent inzoomen.
- Met parallelle conversie.
- A/D-converter met ladingsbalancering (delta-sigma).
- ADC's integreren.
Er zijn veel andere pijplijn- en gecombineerde typen die hun eigen specifieke kenmerken hebben met verschillende architecturen. Maar die voorbeelden die in het kader van het artikel zullen worden overwogen, zijn interessant vanwege het feit dat ze een indicatieve rol spelen in hun niche van apparaten met deze specificiteit. Laten we daarom het werkingsprincipe van de ADC bestuderen, evenals de afhankelijkheid van het fysieke apparaat.
Directe analoog naar digitaal converters
Ze werden erg populair in de jaren 60 en 70 van de vorige eeuw. Ze worden sinds de jaren 80 in de vorm geproduceerd. Dit zijn zeer eenvoudige, zelfs primitieve apparaten die niet kunnen bogen op significante prestaties. Hun bitdiepte is gewoonlijk 6-8 bits, en de snelheid overschrijdt zelden 1 GSPS.
Het werkingsprincipe van dit type ADC is als volgt: het ingangssignaal wordt gelijktijdig toegevoerd aan de positieve ingangen van de comparatoren. Op de negatieve klemmen wordt een spanning van een bepaalde grootte aangelegd. En dan bepaalt het apparaat zijn werkingsmodus. Dit gebeurt dankzij de referentiespanning. Laten we zeggen dat we een apparaat hebben met 8 vergelijkers. Wanneer ½ van de referentiespanning wordt toegepast, zullen er slechts 4 worden ingeschakeld. Het wordt gevormd door de prioriteits-encoder en vastgesteld door het uitvoerregister. Wat betreft de voor- en nadelen, kunnen we zeggen dat je met het werk snelle apparaten kunt maken. Maar om de benodigde bitdiepte te krijgen moet je flink zweten.
De algemene formule voor het aantal vergelijkers ziet er als volgt uit: 2 ^ N. Onder N moet u het aantal cijfers invullen. Het eerder besproken voorbeeld kan opnieuw worden gebruikt: 2 ^ 3 = 8. In totaal zijn 8 comparatoren nodig om het derde cijfer te verkrijgen. Zo werkten de ADC's als eersten. Niet erg handig, dus kwamen er later andere architecturen bij.
Opeenvolgende benadering analoog naar digitaal converters
Hier wordt het "weeg"-algoritme gebruikt. In verkorte vorm worden apparaten die deze techniek gebruiken eenvoudigweg sequentiële ADC's genoemd. Het werkingsprincipe is als volgt: het apparaat meet de waarde van het ingangssignaal en vergelijkt het met de getallen die volgens een bepaalde methode worden gegenereerd:
- Stelt de helft van de mogelijke referentiespanning in.
- Als het signaal de waardelimiet van punt # 1 heeft overschreden, wordt het vergeleken met het getal dat in het midden tussen de resterende waarde ligt. Dus in ons geval zal het ¾ van de referentiespanning zijn. Als het referentiesignaal deze indicator niet haalt, wordt de vergelijking met het andere deel van het interval volgens hetzelfde principe uitgevoerd. V dit voorbeeld dit is ¼ van de spanningsreferentie.
- Stap 2 moet N keer worden herhaald, wat ons N bits van het resultaat oplevert. Dit komt door het H-aantal vergelijkingen dat wordt gemaakt.
Dit werkingsprincipe maakt het mogelijk om apparaten met een relatief hoge snelheid conversies, die opeenvolgende benadering ADC's zijn. Het werkingsprincipe is, zoals u kunt zien, eenvoudig en deze apparaten zijn uitstekend geschikt voor verschillende gevallen.
Parallel analoog naar digitaal converters
Ze werken als seriële apparaten. De berekeningsformule is (2 ^ H) -1. Voor het eerder besproken geval hebben we (2 ^ 3) -1 comparatoren nodig. Voor werk wordt een bepaalde reeks van deze apparaten gebruikt, die elk de ingangs- en individuele referentiespanning kunnen vergelijken. Parallelle A/D-converters zijn redelijk snelle apparaten. Maar het constructieprincipe van deze apparaten is zodanig dat er aanzienlijk vermogen nodig is om hun prestaties te behouden. Daarom is het onpraktisch om ze met batterijvoeding te gebruiken.
Bit-gebalanceerde analoog-naar-digitaal-omzetter
Het werkt op dezelfde manier als: vorig apparaat... Daarom, om de werking van de ADC uit te leggen, zal het werkingsprincipe voor beginners letterlijk op de vingers van één hand worden beschouwd. Deze apparaten zijn gebaseerd op het fenomeen dichotomie. Met andere woorden, er wordt een sequentiële vergelijking van de gemeten waarde met een bepaald onderdeel uitgevoerd. maximale waarde... Waarden in ½, 1/8, 1/16 enzovoort kunnen worden genomen. Daarom kan de analoog-naar-digitaal omzetter het hele proces in N iteraties voltooien ( opeenvolgende stappen). Bovendien is H gelijk aan de bitdiepte van de ADC (kijk naar de eerder gegeven formules). We hebben dus een aanzienlijke tijdwinst, als de snelheid van de technologie vooral belangrijk is. Ondanks hun aanzienlijke snelheid hebben deze apparaten ook een lage statische fout.
Laad gebalanceerde A/D-converters (Sigma Delta)
Dit is het meest interessante type apparaat, niet in de laatste plaats vanwege het werkingsprincipe. Het bestaat uit het vergelijken van de ingangsspanning met die van de integrator. Pulsen met negatieve of positieve polariteit worden naar de ingang gevoerd (het hangt allemaal af van het resultaat van de vorige bewerking). We kunnen dus zeggen dat zo'n analoog-naar-digitaal-omzetter een eenvoudig volgsysteem is. Maar dit is slechts ter vergelijking, zodat u de ADC kunt begrijpen. Het werkingsprincipe is systemisch, maar voor de effectieve werking van deze analoog-naar-digitaal-omzetter is het niet voldoende. Het eindresultaat is een eindeloze stroom van enen en nullen die door het digitale laagdoorlaatfilter gaan. Hieruit wordt een bepaalde bitreeks gevormd. Er zijn ADC-converters van de eerste en tweede orde.
Analoog-naar-digitaal converters integreren
Dit is het laatste speciale geval dat in het kader van het artikel wordt behandeld. Verder zullen we het werkingsprincipe van deze apparaten beschrijven, maar op een algemeen niveau. Deze ADC is een push-pull integratie analoog-naar-digitaal converter. Voldoen aan vergelijkbaar apparaat kan in een digitale multimeter. En dit is niet verwonderlijk, omdat ze een hoge nauwkeurigheid bieden en tegelijkertijd interferentie goed onderdrukken.
Laten we ons nu concentreren op hoe het werkt. Het bestaat uit het feit dat het ingangssignaal de condensator voor een vaste tijd oplaadt. Meestal is deze periode de eenheid van de netfrequentie die het apparaat van stroom voorziet (50 Hz of 60 Hz). Het kan ook meerdere zijn. Zo wordt hoogfrequente interferentie onderdrukt. Tegelijkertijd wordt de invloed van onstabiele spanning genivelleerd netwerkbron het verkrijgen van elektriciteit voor de nauwkeurigheid van het resultaat.
Wanneer de oplaadtijd van de A / D-omzetter eindigt, begint de condensator met een bepaalde vaste snelheid te ontladen. De interne teller van het apparaat telt het aantal klokpulsen dat tijdens dit proces wordt gegenereerd. Dus hoe langer het tijdsinterval, hoe belangrijker de indicatoren.
ADC's van push-pull-integratie hebben een hoge nauwkeurigheid en hierdoor, naast een relatief eenvoudige constructiestructuur, worden ze uitgevoerd als microschakelingen. Het grootste nadeel van dit werkingsprincipe is de afhankelijkheid van de netwerkindicator. Onthoud dat de mogelijkheden ervan zijn gekoppeld aan de lengte van de frequentieperiode van de voeding.
Dit is hoe een dual-integratie ADC werkt. Werkingsprincipe dit apparaat hoewel vrij complex, biedt het: kwalitatieve indicatoren... In sommige gevallen is dit gewoon nodig.
We kiezen de AOC met het principe van werk dat we nodig hebben
Laten we zeggen dat we een specifieke taak voor de boeg hebben. Welk apparaat kiezen om aan al onze behoeften te voldoen? Laten we het eerst hebben over resolutie en nauwkeurigheid. Ze zijn heel vaak verward, hoewel ze in de praktijk zeer zwak afhankelijk zijn van een van de andere. Houd er rekening mee dat een 12-bits A/D-converter minder nauwkeurig kan zijn dan een 8-bits. In dit geval is de resolutie een maat voor hoeveel segmenten kunnen worden geëxtraheerd uit het ingangsbereik van het gemeten signaal. Dus 8-bit ADC's hebben 2 8 = 256 van dergelijke eenheden.
Nauwkeurigheid is de totale afwijking van het verkregen conversieresultaat van de ideale waarde, die bij een gegeven ingangsspanning zou moeten zijn. Dat wil zeggen, de eerste parameter kenmerkt de potentiële mogelijkheden van de ADC, en de tweede laat zien wat we in de praktijk hebben. Daarom kan een eenvoudiger type voor ons geschikt zijn (bijvoorbeeld directe analoog-naar-digitaal-omzetters), die vanwege de hoge nauwkeurigheid aan de behoeften zullen voldoen.
Om een idee te hebben van wat er nodig is, moet je eerst de fysieke parameters berekenen en bouwen wiskundige formule interacties. Statische en dynamische fouten zijn daarin belangrijk, omdat ze bij het gebruik van verschillende componenten en principes voor het bouwen van een apparaat de kenmerken ervan op verschillende manieren zullen beïnvloeden. Meer gedetailleerde informatie kan worden gevonden in de technische documentatie aangeboden door de fabrikant van elk specifiek apparaat.
Voorbeeld
Laten we eens kijken naar de SC9711 ADC. Het werkingsprincipe van dit apparaat is complex vanwege de grootte en mogelijkheden. Trouwens, over de laatste gesproken, moet worden opgemerkt dat ze echt divers zijn. Dus bijvoorbeeld de frequentie mogelijk werk varieert van 10 Hz tot 10 MHz. Met andere woorden, het kan 10 miljoen samples per seconde doen! En het apparaat zelf is niet iets integraal, maar heeft een modulaire bouwstructuur. Maar het wordt in de regel gebruikt in een complexe techniek, waar het nodig is om mee te werken grote hoeveelheid signalen.
Conclusie
Zoals u kunt zien, zijn ADC's gebaseerd op: verschillende principes werk. Dit stelt ons in staat om apparaten te selecteren die voldoen aan de opkomende behoeften en stelt ons tegelijkertijd in staat om verstandig over de beschikbare fondsen te beschikken.
Momenteel worden analoog-naar-digitaalomzetters (ADC's) steeds vaker gebruikt in het ontwerpen van amateurradio's. Dit komt door de komst van betaalbare ADC-chips en de voordelen van digitale verwerking van analoge signalen. Met behulp van de ADC kunt u eenvoudig converteren Persoonlijke computer(PC) naar elke virtuele meter. En elektronisch onderdeel zo'n apparaat kan heel eenvoudig zijn en alle signaalverwerking zal in software worden gedaan.
Het in het artikel beschreven apparaat is ontworpen om een analoog signaal om te zetten in een digitale zescijferige code en kan dienen als prefix voor een pc. De toepassingsgebieden zijn zeer divers - van virtueel meetinstrumenten naar verschillende geluidsopnamesystemen.
Op de pagina's van het tijdschrift "Radio" zijn herhaaldelijk ontwerpen gepubliceerd op basis van het ADC. Ze gebruikten echter vooral microschakelingen met een binair-decimale outputcode of een code voor indicatoren met zeven elementen. Deze benadering is niet handig voor het invoeren van informatie op een pc.
In het apparaat dat onder de aandacht van de lezers wordt aangeboden, wordt de KR1107PV1-microschakeling gebruikt, een snelle parallelle zes-bit ADC. Het is ontworpen om spanning in het bereik van -2 ... 0 V om te zetten in een van de mogelijke codes voor parallelle lezing: binaire code (vooruit en achteruit) en twee-complementcode (vooruit en achteruit). Deze microschakeling is gekozen omdat deze enerzijds beschikbaar is voor een breed scala aan radioamateurs en relatief goedkoop is en anderzijds een hoge snelheid heeft (de maximale conversiefrequentie is 20 MHz, de tijd van één conversie is niet meer dan 100 NS).
Het schematische diagram van het apparaat wordt getoond in Fig. 1.
Als basis werd de aanbevolen schakeling voor het inschakelen van de KR1107PV1A genomen, die aanzienlijk werd vereenvoudigd zonder een merkbare verslechtering van de conversienauwkeurigheid. Het geconverteerde analoge signaal via socket 1 van de XS1-aansluiting en weerstand R4 wordt naar de inverterende ingang van de op-amp DA1 gevoerd. Een dergelijke opname wordt gebruikt omdat het vaker nodig is om de spanning met positieve polariteit te digitaliseren, en de ADC-microschakeling converteert de spanning in het bereik van 0 tot -2 V. De nulspanning wordt verwijderd uit de trimmer R1-schuifregelaar. Weerstanden R5 en R4 bepalen de vereiste op-amp gain. Het versterkte analoge signaal wordt via weerstanden R7-R9 naar pinnen 10, 13, 15 van de ADC geleid.
De DA2 ADC wordt bestuurd door de klokpulsen die van de pc komen (via pin 8 van de XS2-aansluiting) naar pin 4. De codering wordt uitgevoerd na het passeren van de klokpulsuitschakeling en het resultaat dat tijdens de conversie wordt verkregen, wordt overgebracht naar het uitgangsregister gelijktijdig met het volgende klokpulsfront. Hierdoor kunnen de flanken van de klokpuls het volgende monster maken, d.w.z. op het moment dat het resultaat van het n-de monster aan de uitgang van DA2 staat, wordt het (n + 2)-de monster aan de ingang gemaakt. De digitale code wordt genomen van de uitgangen D1 - D6 en uitgevoerd naar de XS2-bus.
Opgemerkt moet worden dat de aanduiding van de uitgangen van de microschakeling tegengesteld is aan hun gewicht: de D1-uitgang komt overeen met de meest significante bit en D6 - de minst significante. Het type code (direct, invers, additioneel) aan de uitgangen van de microschakeling wordt bepaald door de signaalniveaus aan de ingangen C1 en C2 van de microschakeling. Hun verbinding met de +5 V-bus komt overeen met de voeding van een hoog niveau en met de gemeenschappelijke draad - een laag niveau. Het vereiste type code aan de uitgang van de microschakeling wordt ingesteld door een combinatie van signaalniveaus op de ingangen C1 en C2 in overeenstemming met de tabel. 1.
ADC KR1107PV1A vereist een bipolaire voeding met spanningen van +5 en -6 V. Daarnaast zijn twee referentiespanningen vereist. Ze definiëren het bereik van de te digitaliseren spanningen. In dit geval wordt een van deze spanningen (Uobp1) als nul beschouwd (pin 16 van de microschakeling is verbonden met de gemeenschappelijke draad), en de tweede (Uobp2) is gelijk aan -2 V, wat, in overeenstemming met, bepaalt het bereik ingangsspanningen ADC 0 ... - 2 V. Een voorbeeldspanning van -2 V wordt verwijderd van de schuifregelaar van de trimmerweerstand R6, die is aangesloten op het voedingsspanningscircuit met negatieve polariteit. Condensatoren C1 - C5 worden gebruikt om interferentie te elimineren.
Bij het monteren van het apparaat worden MLT-, OMLT-weerstanden, oxide- en keramische condensatoren van elk type gebruikt. Trimmerweerstand R1 - ook van elk type, R6 - bij voorkeur draadgewonden multi-turn, bijvoorbeeld SP5-1V, SP5-14, SP5-15, SP5-2, enz. OU DA1 - bijna elke, in staat om te werken op verlaagde voedingsspanningen, bijvoorbeeld KR140UD7. Om het frequentiebereik uit te breiden, kunt u de operationele versterker K574UDZ gebruiken, die een eenheidsversterkingsfrequentie van 10 MHz heeft.
Het apparaat wordt gevoed door een bipolaire gestabiliseerde bron die uitgangsspanningen levert van +5 V bij een stroomsterkte van 35 ... 40 mA en -6 V bij een stroomsterkte van 200 mA
Voordat de ADC voor de eerste keer wordt ingeschakeld, wordt de motor van de weerstand R6 in de middelste stand gezet. Zet de stroom aan, meet de voorbeeldspanning op pin 9 van de DA2-microschakeling en stel deze zo nauwkeurig mogelijk in op -2 V. De vereiste nulpuntverschuiving wordt bereikt trimweerstand R1. U kunt de nulpositie in het weekend regelen digitale code of constante spanning op de analoge ingangen van de ADC (pinnen 10, 13, 15 DA2). Op dit punt kan de instelling als voltooid worden beschouwd.
De ADC is verbonden met de pc via de interface (Fig. 2) die is geïnstalleerd in een vrije ISA-connector op het moederbord.
De interfacekaart bevat vier I/O-poorten met ZE0N-ZEZN-adressen. Elementen DD1.1-DD1.3 en DD2 vormen een adresdecoder. Signalen van de pc-adresbus worden ontvangen op hun ingangen en als er een ZE0H-ZEZN-combinatie op verschijnt, wordt er een lage toelaatbare spanning gevormd op de DD2-uitgang. De signalen die het poortnummer bepalen in de adresruimte van poorten komen overeen met de twee minst significante bits van de adresbus en worden toegevoerd aan de DD4-decoder. Het ontvangt ook activeringssignalen via de AEN-bus (dit betekent dat er in deze cyclus geen directe toegang tot het geheugen is) en signalen IOW, IOR, wat overeenkomt met schrijven naar en lezen van een extern apparaat. Het signaal van pin 15 van de decoder wordt naar ingang E van de DD7-busdriver gevoerd en maakt gegevensoverdracht van de ADC naar de databus mogelijk.
Het signaal dat verschijnt op pin 14 van de DD4-decoder dient om de DA2 ADC te klokken, op pin 13 om de DD6.1-trigger te resetten en op pin 12 om de toevoer van informatie naar de databus mogelijk te maken. De trigger is ontworpen om de ADC te synchroniseren met een extern apparaat dat synchronisatiepulsen of een gereed-signaal kan genereren. Synchroniseer signaal van extern apparaat gaat via pin 1 van de XS2-aansluiting naar de klokingang van de trigger. De toestand van de laatste wordt door het programma gelezen. Indien gevonden hoog niveau op pin 5 van DD6.1 betekent dit dat er een synchronisatiepuls is ontvangen van een extern apparaat. Nadat de flip-flop-toestand is gelezen, moet deze worden gereset om zich voor te bereiden op de volgende klokpuls.
Een paar woorden over het doel van poorten. De poort met het adres ЗЕ0Н is bedoeld voor het lezen van gegevens van de ADC (bits D0-D5 bevatten de waarde van het gedigitaliseerde signaal), met het adres ЗЕ1Н - voor het leveren van een klokpuls aan de ADC (wanneer een byte naar deze poort wordt geschreven , de conversie van het analoge signaal naar digitaal begint). De ZE2H-poort wordt gebruikt om de DD6.1-synchronisatietrigger te resetten na het lezen van de status. Een reset vindt plaats wanneer een byte naar deze poort wordt geschreven. Ten slotte is de ZESN-poort voor het lezen van de flip-flop-status, die wordt weergegeven door bit 5 van de byte die van deze poort wordt gelezen. De trigger is nodig om korte synchronisatiepulsen op te vangen. Als bij het lezen van de ZEZN-poort een hoog logisch niveau wordt gedetecteerd aan de directe uitgang van de flip-flop (bit D5 = 1), dan stuurt het programma dit terug naar de begintoestand door een byte naar de ZE2H-poort te schrijven.
Een programma voor het lezen van gegevens van een ADC, geschreven in Pascal, wordt weergegeven in de tabel. 2.
Het is handig om als basis van het ontwerp te gebruiken defect bord extensies voor het ISA-slot. Alle "hoge" elementen (condensatoren, connectoren) worden eruit verwijderd en de gedrukte geleiders die naar de contactvlakken gaan van het onderdeel dat in de sleuf is gestoken, worden afgesneden (XP1-stekker in Fig. 2). De onderdelen zijn gemonteerd op een kleine printplaat, die met standaards aan de uitbreidingskaart is bevestigd. De klemmen van het apparaat worden met korte delen van de montagedraad verbonden met de contacten van de XP1-stekker. De pintoewijzingen van het ISA-slot zijn te vinden in.
Concluderend merken we op dat in de meeste gevallen zes bits voldoende zijn om een analoog signaal weer te geven. Als een ADC met een ingangsspanningsinterval van 0 ... 2 V wordt gebruikt om een spanning van 2 V te meten, zal de fout niet groter zijn dan 0,03 V (of 1,5%). Bij het meten van een spanning van 0,2 V neemt de fout toe tot 15%. Om de meetnauwkeurigheid te verbeteren, kunt u een ADC met een grotere capaciteit gebruiken of de gemeten spanning versterken tot een waarde die dicht bij de bovengrens van het interval ligt (wijzig bijvoorbeeld de verhouding van de weerstanden van weerstanden R5 en R4). Met de waarden aangegeven in het diagram (zie Fig. 1), digitaliseert het apparaat ingangsspanningen in het bereik van 0 ... 0,5 V en kan het werken met een consumentenmicrofoon.
Indien om redenen van nauwkeurigheid van "digitalisering" zwakke signalen een hogere bitdiepte vereist is, kan de KR1107PV1A-microschakeling worden vervangen door een 8-bit K1107PV2-converter (uiteraard rekening houdend met de verschillen in "pinout" en stroomverbruik).
Literatuur
- Biryukov S. Thermometer "Huis - Straat". - Radio, 2000, nr. 3, p. 32, 33.
- Novachenko I.V., Petukhov V.M., Bludov I.P., Yurovsky A.V. Microschakelingen voor huishoudelijke radioapparatuur. Directory. - M.: KUBK, 1995.
- Danilin N. S, Ulitenko V. P., Kripak A. A. Richtlijnen voor probleemoplossing en reparatie IBM-computers pc. - M.: Uitgeverij van normen, 1992.
Zie andere artikelen sectie.
