Chúng ta hãy xem xét phạm vi chính của các vấn đề có thể do nguyên tắc hoạt động của bộ chuyển đổi tương tự-kỹ thuật số (ADC) của nhiều loại khác nhau. Đếm tuần tự, cân bằng bit - điều gì ẩn sau những từ này? Nguyên lý hoạt động của vi điều khiển ADC là gì? Những câu hỏi này cũng như một số câu hỏi khác, chúng tôi sẽ xem xét trong khuôn khổ bài viết. Chúng tôi sẽ dành ba phần đầu cho lý thuyết chung, và từ tiêu đề phụ thứ tư, chúng tôi sẽ nghiên cứu nguyên lý hoạt động của chúng. Bạn có thể gặp các thuật ngữ ADC và DAC trong nhiều tài liệu khác nhau. Nguyên lý hoạt động của các thiết bị này hơi khác nhau, vì vậy đừng nhầm lẫn giữa chúng. Vì vậy, bài viết sẽ xem xét việc chuyển đổi tín hiệu từ dạng analog sang dạng kỹ thuật số, trong khi DAC hoạt động ngược lại.
Định nghĩa
Trước khi xem xét nguyên lý hoạt động của ADC, chúng ta hãy tìm hiểu xem nó là loại thiết bị nào. Bộ chuyển đổi tương tự sang số là thiết bị chuyển đổi một đại lượng vật lý thành một biểu diễn số tương ứng. Hầu hết mọi thứ đều có thể hoạt động như một thông số ban đầu - dòng điện, điện áp, điện dung,điện trở, góc trục, tần số xung, v.v. Nhưng chắc chắn rằng, chúng tôi sẽ làm việc với chỉ một phép biến đổi. Đây là "mã điện áp". Việc lựa chọn hình thức làm việc này không phải là ngẫu nhiên. Rốt cuộc, ADC (nguyên lý hoạt động của thiết bị này) và các tính năng của nó phần lớn phụ thuộc vào khái niệm đo lường nào được sử dụng. Đây được hiểu là quá trình so sánh một giá trị nhất định với một tiêu chuẩn đã được thiết lập trước đó.
Thông số kỹ thuật ADC
Những cái chính là độ sâu bit và tần số chuyển đổi. Cái trước được biểu thị bằng bit và cái sau là số đếm trên giây. Bộ chuyển đổi tương tự-kỹ thuật số hiện đại có thể rộng 24 bit hoặc lên đến đơn vị GSPS. Lưu ý rằng mỗi lần ADC chỉ có thể cung cấp cho bạn một trong các đặc điểm của nó. Hiệu suất của chúng càng cao thì thiết bị càng khó làm việc và bản thân nó cũng tốn nhiều tiền hơn. Nhưng lợi ích là bạn có thể nhận được các chỉ báo độ sâu bit cần thiết bằng cách hy sinh tốc độ của thiết bị.
ADC các loại
Nguyên tắc hoạt động khác nhau đối với các nhóm thiết bị khác nhau. Chúng ta sẽ xem xét các loại sau:
- Với chuyển đổi trực tiếp.
- Với ước lượng gần đúng liên tiếp.
- Với chuyển đổi song song.
- Bộ chuyển đổiA / D với cân bằng điện tích (delta-sigma).
- Tích hợp ADC.
Có nhiều loại đường ống và tổ hợp khác có những đặc điểm riêng biệt với kiến trúc khác nhau. Nhưng nhữngcác mẫu sẽ được xem xét trong khuôn khổ của bài báo được quan tâm do thực tế là chúng đóng một vai trò chỉ dẫn trong phân khúc thiết bị đặc biệt này. Do đó, chúng ta hãy nghiên cứu nguyên lý của ADC, cũng như sự phụ thuộc của nó vào thiết bị vật lý.
Bộ chuyển đổi A / D Trực tiếp
Chúng trở nên rất phổ biến vào những năm 60 - 70 của thế kỷ trước. Ở dạng mạch tích hợp, chúng đã được sản xuất từ những năm 80. Đây là những thiết bị rất đơn giản, thậm chí thô sơ không thể tự hào về hiệu suất đáng kể. Độ sâu bit của chúng thường là 6-8 bit và tốc độ hiếm khi vượt quá 1 GSPS.
Nguyên lý hoạt động của loại ADC này như sau: các đầu vào tích cực của các bộ so sánh đồng thời nhận một tín hiệu đầu vào. Một điện áp có độ lớn nhất định được đặt vào các cực âm. Và sau đó thiết bị xác định phương thức hoạt động của nó. Điều này được thực hiện với điện áp tham chiếu. Giả sử chúng ta có một thiết bị có 8 bộ so sánh. Khi áp dụng ½ điện áp tham chiếu, chỉ 4 trong số chúng sẽ được bật. Bộ mã hóa ưu tiên sẽ tạo ra một mã nhị phân, mã này sẽ được cố định bởi thanh ghi đầu ra. Về ưu và nhược điểm, có thể nói nguyên lý hoạt động này cho phép bạn tạo ra các thiết bị tốc độ cao. Nhưng để có được độ sâu bit cần thiết, bạn phải đổ rất nhiều mồ hôi.
Công thức chung cho số lượng bộ so sánh có dạng như sau: 2 ^ N. Dưới N bạn cần đặt số chữ số. Ví dụ được xem xét trước đó có thể được sử dụng lại: 2 ^ 3=8. Tổng cộng, để có được loại thứ ba, cần8 bộ so sánh. Đây là nguyên tắc hoạt động của ADC, được tạo ra đầu tiên. Không thuận tiện lắm, nên các kiến trúc khác sau này đã xuất hiện.
Bộ chuyển đổi xấp xỉ liên tiếp từ tương tự sang kỹ thuật số
Ở đây sử dụng thuật toán "trọng số". Tóm lại, các thiết bị hoạt động theo kỹ thuật này được gọi đơn giản là ADC đếm nối tiếp. Nguyên lý hoạt động như sau: thiết bị đo giá trị của tín hiệu đầu vào, sau đó nó được so sánh với các con số được tạo ra theo một phương pháp nhất định:
- Đặt một nửa điện áp tham chiếu có thể có.
- Nếu tín hiệu đã vượt qua giới hạn giá trị từ điểm1, thì nó được so sánh với số nằm ở giữa giữa giá trị còn lại. Vì vậy, trong trường hợp của chúng tôi, nó sẽ là ¾ điện áp tham chiếu. Nếu tín hiệu tham chiếu không đạt đến chỉ số này, thì việc so sánh sẽ được thực hiện với phần khác của khoảng thời gian theo nguyên tắc tương tự. Trong ví dụ này, đây là ¼ của điện áp tham chiếu.
- Bước 2 cần được lặp lại N lần, điều này sẽ cho chúng ta N bit kết quả. Điều này là do thực hiện so sánh số H.
Nguyên tắc hoạt động này giúp bạn có thể thu được các thiết bị có tỷ lệ chuyển đổi tương đối cao, đó là các ADC xấp xỉ liên tiếp. Nguyên tắc hoạt động, như bạn thấy, rất đơn giản và những thiết bị này rất phù hợp cho nhiều dịp khác nhau.
Bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số song song
Chúng hoạt động giống như các thiết bị nối tiếp. Công thức tính là (2 ^ H) -1. VìTrong trường hợp trước, chúng ta cần (2 ^ 3) -1 bộ so sánh. Để hoạt động, một loạt các thiết bị này được sử dụng, mỗi thiết bị có thể so sánh điện áp đầu vào và điện áp tham chiếu riêng lẻ. Bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số song song là thiết bị khá nhanh. Nhưng nguyên tắc cấu tạo của các thiết bị này là cần phải có nguồn điện đáng kể để hỗ trợ hiệu suất của chúng. Do đó, việc sử dụng chúng bằng nguồn pin là không thực tế.
Bộ chuyển đổi A / D cân bằng Bitwise
Nó hoạt động theo cách tương tự như thiết bị trước đó. Vì vậy, để giải thích hoạt động của ADC cân bằng từng bit, nguyên tắc hoạt động cho người mới bắt đầu sẽ được coi là trên đầu ngón tay theo đúng nghĩa đen. Trung tâm của các thiết bị này là hiện tượng phân đôi. Nói cách khác, việc so sánh nhất quán giữa giá trị đo được với một phần nhất định của giá trị lớn nhất được thực hiện. Có thể lấy các giá trị ½, 1/8, 1/16, v.v. Do đó, bộ chuyển đổi tương tự-kỹ thuật số có thể hoàn thành toàn bộ quy trình trong N lần lặp (các bước liên tiếp). Hơn nữa, H bằng độ sâu bit của ADC (nhìn vào các công thức đã cho trước đó). Vì vậy, chúng ta có một lợi ích đáng kể về thời gian, nếu tốc độ của kỹ thuật là đặc biệt quan trọng. Mặc dù có tốc độ đáng kể nhưng các thiết bị này cũng có độ chính xác tĩnh thấp.
Bộ chuyển đổi A / D có cân bằng điện tích (delta-sigma)
Đây là loại thiết bị thú vị nhất, không kém phầnnhờ vào nguyên lý hoạt động của nó. Nó nằm trong thực tế là điện áp đầu vào được so sánh với những gì đã được tích lũy bởi bộ tích hợp. Các xung có cực tính âm hoặc dương được đưa vào đầu vào (tất cả phụ thuộc vào kết quả của hoạt động trước đó). Vì vậy, chúng ta có thể nói rằng một bộ chuyển đổi tương tự-kỹ thuật số như vậy là một hệ thống servo đơn giản. Nhưng đây chỉ là một ví dụ để so sánh, vì vậy bạn có thể hiểu ADC delta-sigma là gì. Nguyên tắc hoạt động là hệ thống, nhưng để hoạt động hiệu quả của bộ chuyển đổi tương tự-kỹ thuật số này là chưa đủ. Kết quả cuối cùng là một luồng không bao giờ kết thúc của 1 và 0 thông qua bộ lọc thông thấp kỹ thuật số. Một chuỗi bit nhất định được hình thành từ chúng. Có sự phân biệt giữa bộ chuyển đổi ADC bậc một và bậc hai.
Tích hợp bộ chuyển đổi từ tương tự sang kỹ thuật số
Đây là trường hợp đặc biệt cuối cùng sẽ được xem xét trong bài viết. Tiếp theo, chúng tôi sẽ mô tả nguyên lý hoạt động của các thiết bị này, nhưng ở mức độ chung chung. ADC này là một bộ chuyển đổi analog sang kỹ thuật số dạng push-pull. Bạn có thể gặp một thiết bị tương tự trong đồng hồ vạn năng kỹ thuật số. Và điều này không có gì đáng ngạc nhiên, vì chúng mang lại độ chính xác cao, đồng thời triệt nhiễu tốt.
Bây giờ chúng ta hãy tập trung vào cách nó hoạt động. Nó nằm trong thực tế là tín hiệu đầu vào sạc tụ điện trong một thời gian cố định. Theo quy định, khoảng thời gian này là đơn vị tần số của mạng cung cấp năng lượng cho thiết bị (50 Hz hoặc 60 Hz). Nó cũng có thể là nhiều. Do đó, các tần số cao bị triệt tiêu.sự can thiệp. Đồng thời, ảnh hưởng của điện áp không ổn định của nguồn điện lưới đến độ chính xác của kết quả cũng được san bằng.
Khi thời gian sạc bộ chuyển đổi tương tự-kỹ thuật số kết thúc, tụ điện bắt đầu phóng điện ở một tốc độ cố định nhất định. Bộ đếm bên trong của thiết bị đếm số lượng xung đồng hồ được tạo ra trong quá trình này. Do đó, khoảng thời gian càng dài, các chỉ số càng có ý nghĩa.
ADC tích hợp push-pull có độ chính xác và độ phân giải cao. Do đó, cũng như cấu trúc xây dựng tương đối đơn giản, chúng được thực hiện dưới dạng vi mạch. Nhược điểm chính của nguyên tắc hoạt động này là sự phụ thuộc vào chỉ số mạng. Hãy nhớ rằng khả năng của nó gắn liền với chu kỳ tần số của nguồn điện.
Đây là cách hoạt động của ADC tích hợp kép. Nguyên lý hoạt động của thiết bị này tuy khá phức tạp nhưng lại cho ra những chỉ số chất lượng. Trong một số trường hợp, điều này đơn giản là cần thiết.
Chọn APC với nguyên lý hoạt động mà chúng ta cần
Hãy nói rằng chúng ta có một nhiệm vụ nhất định trước mắt. Chọn thiết bị nào để nó có thể đáp ứng tất cả các yêu cầu của chúng tôi? Đầu tiên, hãy nói về độ phân giải và độ chính xác. Họ rất thường bị nhầm lẫn, mặc dù trong thực tế, họ phụ thuộc rất ít vào nhau. Lưu ý rằng bộ chuyển đổi A / D 12 bit có thể kém chính xác hơn bộ chuyển đổi A / D 8 bit. Trong đóTrong trường hợp này, độ phân giải là thước đo có bao nhiêu phân đoạn có thể được trích xuất từ phạm vi đầu vào của tín hiệu được đo. Vì vậy, ADC 8 bit có 28=256 đơn vị như vậy.
Độ chính xác là tổng độ lệch của kết quả chuyển đổi thu được so với giá trị lý tưởng, phải ở điện áp đầu vào nhất định. Đó là, tham số đầu tiên đặc trưng cho các khả năng tiềm ẩn mà ADC có, và tham số thứ hai cho thấy những gì chúng ta có trong thực tế. Do đó, một loại đơn giản hơn (chẳng hạn như bộ chuyển đổi tương tự-kỹ thuật số trực tiếp) có thể phù hợp với chúng tôi, sẽ đáp ứng nhu cầu do độ chính xác cao.
Để có ý tưởng về những gì cần thiết, trước tiên bạn cần tính toán các thông số vật lý và xây dựng công thức toán học cho sự tương tác. Quan trọng trong đó là các lỗi tĩnh và động, bởi vì khi sử dụng các thành phần và nguyên tắc xây dựng thiết bị khác nhau, chúng sẽ ảnh hưởng đến các đặc tính của nó theo những cách khác nhau. Thông tin chi tiết hơn có thể được tìm thấy trong tài liệu kỹ thuật được cung cấp bởi nhà sản xuất của từng thiết bị cụ thể.
Ví dụ
Hãy cùng xem qua SC9711 ADC. Nguyên lý hoạt động của thiết bị này phức tạp do kích thước và khả năng của nó. Nhân tiện, nói về thứ hai, cần lưu ý rằng chúng thực sự đa dạng. Vì vậy, ví dụ, tần số hoạt động có thể nằm trong khoảng từ 10 Hz đến 10 MHz. Nói cách khác, nó có thể mất 10 triệu mẫu mỗi giây! Và bản thân thiết bị không phải là một thứ gì đó chắc chắn, nhưngcó cấu trúc xây dựng mô-đun. Nhưng theo quy luật, nó được sử dụng trong công nghệ phức tạp, nơi cần phải làm việc với một số lượng lớn các tín hiệu.
Kết
Như bạn thấy, về cơ bản ADC có các nguyên tắc hoạt động khác nhau. Điều này cho phép chúng tôi chọn các thiết bị đáp ứng các nhu cầu phát sinh, đồng thời cho phép chúng tôi quản lý các khoản tiền hiện có của mình một cách khôn ngoan.
