მოდით გადავხედოთ საკითხების ძირითად დიაპაზონს, რომელიც შეიძლება მივაწეროთ სხვადასხვა ტიპის ანალოგურ ციფრულ გადამყვანების (ADC) მუშაობის პრინციპს. თანმიმდევრული დათვლა, ბიტური დაბალანსება - რა იმალება ამ სიტყვების მიღმა? როგორია ADC მიკროკონტროლერის მუშაობის პრინციპი? ამ, ისევე როგორც სხვა რიგ კითხვებს, განვიხილავთ სტატიის ფარგლებში. პირველ სამ ნაწილს ზოგად თეორიას მივუძღვნით, მეოთხე ქვესათაურიდან კი მათი მუშაობის პრინციპს შევისწავლით. თქვენ შეგიძლიათ შეხვდეთ ტერმინებს ADC და DAC სხვადასხვა ლიტერატურაში. ამ მოწყობილობების მუშაობის პრინციპი ოდნავ განსხვავებულია, ასე რომ არ აურიოთ ისინი. ასე რომ, სტატიაში განიხილება სიგნალების გარდაქმნა ანალოგურიდან ციფრულ ფორმაში, ხოლო DAC მუშაობს პირიქით.
განმარტება
სანამ ADC-ის მუშაობის პრინციპს განვიხილავთ, გავარკვიოთ რა სახის მოწყობილობაა იგი. ანალოგური ციფრული გადამყვანები არის მოწყობილობები, რომლებიც გარდაქმნის ფიზიკურ რაოდენობას შესაბამის ციფრულ წარმომადგენლობაში. საწყის პარამეტრად თითქმის ყველაფერს შეუძლია იმოქმედოს - დენი, ძაბვა, ტევადობა,წინააღმდეგობა, ლილვის კუთხე, პულსის სიხშირე და ასე შემდეგ. მაგრამ რა თქმა უნდა, ჩვენ ვიმუშავებთ მხოლოდ ერთ ტრანსფორმაციაზე. ეს არის "ძაბვის კოდი". სამუშაოს ამ ფორმატის არჩევანი შემთხვევითი არ არის. ყოველივე ამის შემდეგ, ADC (ამ მოწყობილობის მუშაობის პრინციპი) და მისი მახასიათებლები დიდწილად დამოკიდებულია იმაზე, თუ რომელი გაზომვის კონცეფცია გამოიყენება. ეს გაგებულია, როგორც გარკვეული მნიშვნელობის შედარების პროცესი ადრე დადგენილ სტანდარტთან.
ADC სპეციფიკაციები
მთავარია ბიტის სიღრმე და კონვერტაციის სიხშირე. პირველი გამოიხატება ბიტებში, მეორე კი წამში დათვლით. თანამედროვე ანალოგური ციფრული გადამყვანები შეიძლება იყოს 24 ბიტიანი ან GSPS ერთეულებამდე. გაითვალისწინეთ, რომ ADC-ს შეუძლია მოგაწოდოთ მხოლოდ მისი ერთ-ერთი მახასიათებელი ერთდროულად. რაც უფრო მაღალია მათი შესრულება, მით უფრო რთულია მოწყობილობასთან მუშაობა და ის თავისთავად უფრო ძვირი ღირს. მაგრამ უპირატესობა ის არის, რომ თქვენ შეგიძლიათ მიიღოთ საჭირო ბიტის სიღრმის ინდიკატორები მოწყობილობის სიჩქარის შეწირვით.
ADC ტიპები
მოქმედების პრინციპი განსხვავდება მოწყობილობების სხვადასხვა ჯგუფისთვის. ჩვენ განვიხილავთ შემდეგ ტიპებს:
- პირდაპირი კონვერტაციით.
- თანმიმდევრული მიახლოებით.
- პარალელური კონვერტაციით.
- A/D კონვერტორი დამუხტვის დაბალანსებით (დელტა-სიგმა).
- ADC-ების ინტეგრირება.
არსებობს მრავალი სხვა მილსადენი და კომბინირებული ტიპები, რომლებსაც აქვთ საკუთარი განსაკუთრებული მახასიათებლები განსხვავებული არქიტექტურით. მაგრამ იმათნიმუშები, რომლებიც განხილული იქნება სტატიის ფარგლებში, საინტერესოა იმის გამო, რომ ისინი თამაშობენ ინდიკატორულ როლს ამ სპეციფიკის მოწყობილობების მათ ნიშაში. ამიტომ შევისწავლოთ ADC-ის პრინციპი, ისევე როგორც მისი დამოკიდებულება ფიზიკურ მოწყობილობაზე.
პირდაპირი A/D გადამყვანები
ისინი ძალიან პოპულარული გახდნენ გასული საუკუნის 60-70-იან წლებში. ინტეგრირებული სქემების სახით ისინი 80-იანი წლებიდან იწარმოება. ეს არის ძალიან მარტივი, თუნდაც პრიმიტიული მოწყობილობები, რომლებიც ვერ დაიკვეხნის მნიშვნელოვანი შესრულებით. მათი ბიტის სიღრმე ჩვეულებრივ 6-8 ბიტია და სიჩქარე იშვიათად აღემატება 1 GSPS.
ამ ტიპის ADC-ის მოქმედების პრინციპი ასეთია: კომპარატორების დადებითი შეყვანები ერთდროულად იღებენ შეყვანის სიგნალს. უარყოფითი ტერმინალებზე გამოიყენება გარკვეული სიდიდის ძაბვა. შემდეგ კი მოწყობილობა განსაზღვრავს მისი მუშაობის რეჟიმს. ეს კეთდება საცნობარო ძაბვით. ვთქვათ, გვაქვს მოწყობილობა 8 შედარებით. ½ საორიენტაციო ძაბვის გამოყენებისას მათგან მხოლოდ 4 ჩაირთვება. პრიორიტეტული შიფრატორი გამოიმუშავებს ორობით კოდს, რომელიც ფიქსირდება გამომავალი რეესტრის მიერ. რაც შეეხება უპირატესობებსა და ნაკლოვანებებს, შეგვიძლია ვთქვათ, რომ მუშაობის ეს პრინციპი საშუალებას გაძლევთ შექმნათ მაღალსიჩქარიანი მოწყობილობები. მაგრამ ბიტის საჭირო სიღრმის მისაღებად, ბევრი უნდა იოფლიანოთ.
შედარების რაოდენობის ზოგადი ფორმულა ასე გამოიყურება: 2^N. N ქვეშ თქვენ უნდა დააყენოთ ციფრების რაოდენობა. ადრე განხილული მაგალითი შეიძლება კვლავ გამოვიყენოთ: 2^3=8. საერთო ჯამში, მესამე კატეგორიის მისაღებად აუცილებელია8 შედარება. ეს არის ADC-ების მუშაობის პრინციპი, რომლებიც პირველად შეიქმნა. არც ისე მოსახერხებელია, ამიტომ მოგვიანებით სხვა არქიტექტურები გამოჩნდა.
ანალოგური ციფრული თანმიმდევრული მიახლოების გადამყვანები
აქ გამოიყენება "წონის" ალგორითმი. მოკლედ, მოწყობილობებს, რომლებიც მუშაობენ ამ ტექნიკის მიხედვით, უბრალოდ სერიული დათვლის ADC-ებს უწოდებენ. მოქმედების პრინციპი ასეთია: მოწყობილობა ზომავს შეყვანის სიგნალის მნიშვნელობას და შემდეგ ადარებს ციფრებს, რომლებიც წარმოიქმნება გარკვეული მეთოდის მიხედვით:
- ადგენს სავარაუდო საცნობარო ძაბვის ნახევარს.
- თუ სიგნალმა გადალახა მნიშვნელობის ლიმიტი 1 წერტილიდან, მაშინ ის შედარებულია რიცხვთან, რომელიც შუაშია დარჩენილ მნიშვნელობას შორის. ასე რომ, ჩვენს შემთხვევაში ეს იქნება საცნობარო ძაბვის ¾. თუ საცნობარო სიგნალი არ მიაღწევს ამ მაჩვენებელს, მაშინ შედარება განხორციელდება ინტერვალის მეორე ნაწილთან იმავე პრინციპით. ამ მაგალითში ეს არის საცნობარო ძაბვის ¼.
- ნაბიჯი 2 უნდა განმეორდეს N-ჯერ, რაც მოგვცემს შედეგის N ბიტს. ეს გამოწვეულია H რაოდენობის შედარებების გაკეთებით.
მოქმედების ეს პრინციპი შესაძლებელს ხდის მოწყობილობების მიღებას შედარებით მაღალი კონვერტაციის კოეფიციენტით, რომლებიც თანმიმდევრული დაახლოების ADC-ებია. მუშაობის პრინციპი, როგორც ხედავთ, მარტივია და ეს მოწყობილობები შესანიშნავია სხვადასხვა შემთხვევებისთვის.
პარალელური ანალოგური ციფრული გადამყვანები
ისინი მუშაობენ როგორც სერიული მოწყობილობები. გაანგარიშების ფორმულა არის (2 ^ H) -1. ამისთვისწინა შემთხვევაში ჩვენ გვჭირდება (2^3)-1 შედარებითები. ექსპლუატაციისთვის გამოიყენება ამ მოწყობილობების გარკვეული მასივი, რომელთაგან თითოეულს შეუძლია შეადაროს შემავალი და ინდივიდუალური საცნობარო ძაბვა. პარალელური ანალოგური ციფრული გადამყვანები საკმაოდ სწრაფი მოწყობილობებია. მაგრამ ამ მოწყობილობების აგების პრინციპი ისეთია, რომ მნიშვნელოვანი სიმძლავრეა საჭირო მათი მუშაობის მხარდასაჭერად. აქედან გამომდინარე, არ არის პრაქტიკული მათი ბატარეაზე გამოყენება.
ბიტი დაბალანსებული A/D კონვერტორი
იგი მუშაობს ისევე, როგორც წინა მოწყობილობა. ამიტომ, ბიტ-ბიტი დამაბალანსებელი ADC-ის ფუნქციონირების ასახსნელად, დამწყებთათვის მუშაობის პრინციპი განიხილება სიტყვასიტყვით თითებზე. ამ მოწყობილობების გულში არის დიქოტომიის ფენომენი. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ხორციელდება გაზომილი მნიშვნელობის თანმიმდევრული შედარება მაქსიმალური მნიშვნელობის გარკვეულ ნაწილთან. მნიშვნელობები შეიძლება იქნას მიღებული ½, 1/8, 1/16 და ასე შემდეგ. ამრიგად, ანალოგური ციფრულ გადამყვანს შეუძლია დაასრულოს მთელი პროცესი N გამეორებებში (თანმიმდევრული ნაბიჯები). უფრო მეტიც, H უდრის ADC-ის ბიტის სიღრმეს (შეხედეთ ადრე მოცემულ ფორმულებს). ამრიგად, ჩვენ გვაქვს დროში მნიშვნელოვანი მოგება, თუ ტექნიკის სიჩქარე განსაკუთრებით მნიშვნელოვანია. მიუხედავად მათი მნიშვნელოვანი სიჩქარისა, ამ მოწყობილობებს ასევე აქვთ დაბალი სტატიკური სიზუსტე.
A/D კონვერტორები დამუხტვის დაბალანსებით (დელტა-სიგმა)
ეს არის ყველაზე საინტერესო ტიპის მოწყობილობამისი მუშაობის პრინციპის წყალობით. ის მდგომარეობს იმაში, რომ შეყვანის ძაბვა შედარებულია ინტეგრატორის მიერ დაგროვილთან. უარყოფითი ან დადებითი პოლარობის მქონე პულსები მიეწოდება შესასვლელს (ეს ყველაფერი დამოკიდებულია წინა ოპერაციის შედეგზე). ამრიგად, შეგვიძლია ვთქვათ, რომ ასეთი ანალოგური ციფრული გადამყვანი არის მარტივი სერვო სისტემა. მაგრამ ეს მხოლოდ მაგალითია შედარებისთვის, ასე რომ თქვენ შეგიძლიათ გაიგოთ რა არის დელტა-სიგმა ADC. მუშაობის პრინციპი სისტემურია, მაგრამ ამ ანალოგური ციფრული გადამყვანის ეფექტური ფუნქციონირებისთვის საკმარისი არ არის. საბოლოო შედეგი არის 1-ებისა და 0-ების დაუსრულებელი ნაკადი ციფრული დაბალი გამტარი ფილტრის მეშვეობით. მათგან ყალიბდება ბიტის გარკვეული თანმიმდევრობა. განასხვავებენ პირველი და მეორე რიგის ADC კონვერტორებს.
ანალოგური ციფრული გადამყვანების ინტეგრირება
ეს არის ბოლო განსაკუთრებული შემთხვევა, რომელიც განხილული იქნება სტატიაში. შემდეგი, ჩვენ აღვწერთ ამ მოწყობილობების მუშაობის პრინციპს, მაგრამ ზოგად დონეზე. ეს ADC არის ანალოგური ციფრული გადამყვანი. მსგავს მოწყობილობას შეგიძლიათ შეხვდეთ ციფრულ მულტიმეტრში. და ეს გასაკვირი არ არის, რადგან ისინი უზრუნველყოფენ მაღალ სიზუსტეს და ამავდროულად კარგად თრგუნავენ ჩარევას.
ახლა მოდით ყურადღება გავამახვილოთ იმაზე, თუ როგორ მუშაობს იგი. ეს მდგომარეობს იმაში, რომ შეყვანის სიგნალი ატენებს კონდენსატორს ფიქსირებული დროით. როგორც წესი, ეს პერიოდი არის ქსელის სიხშირის ერთეული, რომელიც კვებავს მოწყობილობას (50 ჰც ან 60 ჰც). ის ასევე შეიძლება იყოს მრავალჯერადი. ამრიგად, მაღალი სიხშირეები ჩახშობილია.ჩარევა. ამავდროულად, თანაბარდება ელექტროენერგიის გამომუშავების მაგისტრალური წყაროს არასტაბილური ძაბვის გავლენა შედეგის სიზუსტეზე.
როდესაც ანალოგური ციფრული გადამყვანის დატენვის დრო მთავრდება, კონდენსატორი იწყებს გამონადენს გარკვეული ფიქსირებული სიჩქარით. მოწყობილობის შიდა მრიცხველი ითვლის საათის იმპულსების რაოდენობას, რომლებიც წარმოიქმნება ამ პროცესის დროს. ამრიგად, რაც უფრო გრძელია პერიოდი, მით უფრო მნიშვნელოვანია ინდიკატორები.
ADC push-pull ინტეგრაციას აქვს მაღალი სიზუსტე და გარჩევადობა. ამის გამო, ისევე როგორც შედარებით მარტივი კონსტრუქციული სტრუქტურა, ისინი დანერგილია მიკროსქემების სახით. მოქმედების ამ პრინციპის მთავარი მინუსი არის ქსელის ინდიკატორზე დამოკიდებულება. გახსოვდეთ, რომ მისი შესაძლებლობები დაკავშირებულია ელექტრომომარაგების სიხშირის პერიოდთან.
ასე მუშაობს ორმაგი ინტეგრაციის ADC. ამ მოწყობილობის მუშაობის პრინციპი, მართალია, საკმაოდ რთულია, მაგრამ ის უზრუნველყოფს ხარისხის მაჩვენებლებს. ზოგიერთ შემთხვევაში, ეს უბრალოდ აუცილებელია.
აირჩიეთ APC მუშაობის პრინციპით, რომელიც გვჭირდება
ვთქვათ, რომ წინ გვაქვს გარკვეული დავალება. რომელი მოწყობილობა აირჩიოს ისე, რომ მან დააკმაყოფილოს ჩვენი ყველა მოთხოვნა? პირველ რიგში, მოდით ვისაუბროთ გარჩევადობაზე და სიზუსტეზე. ძალიან ხშირად ისინი დაბნეულები არიან, თუმცა პრაქტიკაში ისინი ძალიან ცოტაა ერთმანეთზე დამოკიდებული. გაითვალისწინეთ, რომ 12-ბიტიანი A/D კონვერტორი შეიძლება იყოს ნაკლებად ზუსტი ვიდრე 8-ბიტიანი A/D გადამყვანი. Იმაშიამ შემთხვევაში, გარჩევადობა არის საზომი, თუ რამდენი სეგმენტი შეიძლება ამოღებული იყოს გაზომილი სიგნალის შეყვანის დიაპაზონიდან. ასე რომ, 8-ბიტიან ADC-ებს აქვთ 28=256 ასეთი ერთეული.
სიზუსტე არის მიღებული კონვერტაციის შედეგის მთლიანი გადახრა იდეალური მნიშვნელობიდან, რომელიც უნდა იყოს მოცემულ შეყვანის ძაბვაზე. ანუ პირველი პარამეტრი ახასიათებს იმ პოტენციურ შესაძლებლობებს, რაც აქვს ADC-ს და მეორე გვიჩვენებს რა გვაქვს პრაქტიკაში. აქედან გამომდინარე, ჩვენთვის შეიძლება იყოს უფრო მარტივი ტიპი (როგორიცაა პირდაპირი ანალოგური ციფრულ გადამყვანები), რომელიც დააკმაყოფილებს საჭიროებებს მაღალი სიზუსტის გამო.
იმისათვის, რომ გქონდეთ წარმოდგენა იმაზე, თუ რა არის საჭირო, ჯერ უნდა გამოთვალოთ ფიზიკური პარამეტრები და შეადგინოთ ურთიერთქმედების მათემატიკური ფორმულა. მათში მნიშვნელოვანია სტატიკური და დინამიური შეცდომები, რადგან მოწყობილობის აგების სხვადასხვა კომპონენტისა და პრინციპის გამოყენებისას ისინი სხვადასხვანაირად იმოქმედებენ მის მახასიათებლებზე. უფრო დეტალური ინფორმაცია შეგიძლიათ იხილოთ ტექნიკურ დოკუმენტაციაში, რომელსაც გთავაზობთ თითოეული კონკრეტული მოწყობილობის მწარმოებელი.
მაგალითი
მოდით, გადავხედოთ SC9711 ADC-ს. ამ მოწყობილობის მუშაობის პრინციპი გართულებულია მისი ზომისა და შესაძლებლობების გამო. სხვათა შორის, ამ უკანასკნელზე საუბრისას, უნდა აღინიშნოს, რომ ისინი მართლაც მრავალფეროვანია. ასე, მაგალითად, შესაძლო ოპერაციის სიხშირე 10 ჰც-დან 10 მჰც-მდე მერყეობს. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, მას შეუძლია წამში 10 მილიონი ნიმუშის აღება! და თავად მოწყობილობა არ არის რაღაც მყარი, მაგრამაქვს მოდულარული კონსტრუქციის სტრუქტურა. მაგრამ იგი გამოიყენება, როგორც წესი, კომპლექსურ ტექნოლოგიაში, სადაც საჭიროა სიგნალების დიდი რაოდენობით მუშაობა.
დასკვნა
როგორც ხედავთ, ADC-ებს ძირითადად მოქმედების განსხვავებული პრინციპები აქვთ. ეს საშუალებას გვაძლევს ავირჩიოთ მოწყობილობები, რომლებიც დააკმაყოფილებს წარმოშობილ მოთხოვნილებებს და ასევე საშუალებას გვაძლევს გონივრულად ვმართოთ ხელმისაწვდომი სახსრები.
