Какво е аналогово-цифров преобразувател и неговата работа

Какво е аналогово-цифров преобразувател и неговата работа

Почти всеки измерим параметър на околната среда е в аналогова форма като температура, звук, налягане, светлина и др. Помислете за температура система за мониторинг при което получаването, анализирането и обработката на температурни данни от сензори не е възможно с цифрови компютри и процесори. Следователно тази система се нуждае от междинно устройство, което да преобразува аналоговите температурни данни в цифрови данни, за да комуникира с цифрови процесори като микроконтролери и микропроцесори. Analog to Digital Converter (ADC) е електронна интегрална схема, използвана за преобразуване на аналоговите сигнали като напрежения в цифрова или двоична форма, състояща се от 1s и 0s. Повечето АЦП приемат входно напрежение от 0 до 10V, -5V до + 5V и т.н., и съответно произвеждат цифров изход като някакъв вид двоично число.



Какво е аналогово-цифров конвертор?

Преобразувател, който се използва за промяна на аналоговия сигнал в цифров, е известен като аналогово-цифров преобразувател или преобразувател ADC. Този преобразувател е един вид интегрална схема или IC, която преобразува сигнала директно от непрекъсната форма в дискретна форма. Този преобразувател може да бъде изразен в A / D, ADC, A до D. Обратната функция на DAC не е нищо друго освен ADC. Символът за аналогов към цифров преобразувател е показан по-долу.


Процесът на преобразуване на аналогов сигнал в цифров може да се извърши по няколко начина. На пазара се предлагат различни видове ADC чипове от различни производители като серията ADC08xx. Така че, един прост ADC може да бъде проектиран с помощта на дискретни компоненти.





Основните характеристики на ADC са честотата на дискретизация и битовата разделителна способност.

  • Честотата на дискретизация на ADC не е нищо друго освен колко бързо ADC може да преобразува сигнала от аналогов в цифров.
  • Битовата разделителна способност не е нищо друго, освен колко точност може аналогово-цифровият преобразувател да преобразува сигнала от аналогов в цифров.
Аналогово-цифров конвертор

Аналогово-цифров конвертор



Едно от основните предимства на ADC конвертора е високата скорост на събиране на данни дори при мултиплексирани входове. С изобретяването на голямо разнообразие от ADC интегрални схеми (IC), събирането на данни от различни сензори става по-точно и по-бързо. Динамичните характеристики на високопроизводителните АЦП са подобрена повторяемост на измерванията, ниска консумация на енергия, прецизна пропускателна способност, висока линейност, отлично съотношение сигнал / шум (SNR) и т.н.

Разнообразие от приложения на ADC са измервателните и контролни системи, индустриални прибори, комуникационни системи и всички други сензорни системи. Класификация на ADC въз основа на фактори като производителност, битрейт, мощност, цена и др.


Блок диаграма ADC

По-долу е показана блок-схемата на ADC, която включва извадка, задържане, квантиране и кодер. Процесът на ADC може да се направи по следния начин.

Първо, аналоговият сигнал се прилага към първия блок, а именно проба, където и да може да бъде взета проба с точна честота на вземане на проби. Стойността на амплитудата на пробата като аналогова стойност може да се поддържа, както и да се задържа във втория блок като Hold. Пробата за задържане може да бъде квантована в дискретна стойност чрез третия блок като квантоване. И накрая, последният блок като енкодер променя дискретната амплитуда в двоично число.

В ADC преобразуването на сигнала от аналогов в цифров може да бъде обяснено чрез горната блок-схема.

Проба

В блока за проби аналоговият сигнал може да се вземе за точен интервал от време. Пробите се използват с непрекъсната амплитуда и имат реална стойност, но са дискретни по отношение на времето. Докато преобразува сигнала, честотата на вземане на проби играе съществена роля. Така че може да се поддържа с точна скорост. Въз основа на системното изискване, честотата на вземане на проби може да бъде фиксирана.

Задръжте

В ADC, HOLD е вторият блок и той няма никаква функция, защото просто задържа амплитудата на пробата до вземането на следващата проба. Така стойността на задържането не се променя до следващата извадка.

Квантиране

В ADC това е третият блок, който се използва главно за квантуване. Основната функция на това е да преобразува амплитудата от непрекъсната (аналогова) в дискретна. Стойността на непрекъснатата амплитуда в рамките на блока за задържане се движи през блока за квантоване, за да се превърне в дискретна по амплитуда. Сега сигналът ще бъде в цифрова форма, защото включва дискретна амплитуда, както и време.

Енкодер

Последният блок в ADC е кодер, който преобразува сигнала от цифрова форма в двоичен. Знаем, че цифровото устройство работи, като използва двоични сигнали. Така че е необходимо да промените сигнала от цифров в двоичен с помощта на енкодер. Това е целият метод за промяна на аналогов сигнал в цифров с помощта на ADC. Времето, необходимо за цялото преобразуване, може да бъде направено в рамките на една микросекунда.

Процес на аналогово-цифрово преобразуване

Има много методи за преобразуване на аналогови сигнали в цифрови. Тези преобразуватели намират повече приложения като междинно устройство за преобразуване на сигналите от аналогова в цифрова форма, извеждане на изход на LCD чрез микроконтролер. Целта на A / D преобразувателя е да определи изходната сигнална дума, съответстваща на аналогов сигнал. Сега ще видим ADC от 0804. Това е 8-битов преобразувател с 5V захранване. Той може да приема само един аналогов сигнал като вход.

Аналогово-цифров преобразувател за сигнал

Аналогово-цифров преобразувател за сигнал

Цифровият изход варира от 0-255. ADC се нуждае от часовник, за да работи. Времето, необходимо за преобразуване на аналоговата в цифрова стойност, зависи от източника на часовника. Външен часовник може да се даде на щифт № 4 на CLK IN. Подходяща RC верига е свързана между часовниците IN и щифтовете R на часовника, за да се използва вътрешният часовник. Pin2 е входният щифт - Високият до ниският импулс пренася данните от вътрешния регистър към изходните щифтове след преобразуване. Pin3 е запис - Нисък до висок импулс се дава на външния часовник. Pin11 до 18 са изводи за данни от MSB до LSB.

Аналогово-цифровият преобразувател анализира аналоговия сигнал на всеки падащ или нарастващ ръб на часовника на пробата. Във всеки цикъл ADC получава аналоговия сигнал, измерва го и го преобразува в цифрова стойност. ADC преобразува изходните данни в поредица от цифрови стойности, като приближава сигнала с фиксирана точност.

В ADC два фактора определят точността на цифровата стойност, която улавя оригиналния аналогов сигнал. Това са ниво на квантуване или битова скорост и честота на дискретизация. Фигурата по-долу изобразява как се извършва аналогово-цифрово преобразуване. Битрейтът определя разделителната способност на цифровизирания изход и можете да наблюдавате на фигурата по-долу, където 3-битовият ADC се използва за преобразуване на аналоговия сигнал.

Процес на аналогово-цифрово преобразуване

Процес на аналогово-цифрово преобразуване

Да приемем, че едноволтовият сигнал трябва да бъде преобразуван от цифров, като се използва 3-битов ADC, както е показано по-долу. Следователно, общо 2 ^ 3 = 8 деления са на разположение за производство на 1V изход. Тези резултати 1/8 = 0,125V се наричат ​​като минимално ниво на промяна или квантуване, представено за всяко разделение като 000 за 0V, 001 за 0,125 и по същия начин до 111 за 1V. Ако увеличим скоростта на предаване като 6, 8, 12, 14, 16 и т.н., ще получим по-добра точност на сигнала. По този начин битрейтът или квантуването дава най-малката промяна в изхода на стойността на аналоговия сигнал, която е резултат от промяна в цифровото представяне.

Да предположим, че ако сигналът е около 0-5V и сме използвали 8-битов ADC, двоичният изход на 5V е 256. А за 3V е 133, както е показано по-долу.

ADC формула

Съществува абсолютен шанс да се представи неправилно входния сигнал от изходната страна, ако той се вземе на проби с честота, различна от желаната. Следователно, друго важно съображение на ADC е честотата на вземане на проби. Теоремата на Найквист гласи, че получената реконструкция на сигнала въвежда изкривяване, освен ако не се взема проба при (минимум) удвоена скорост на най-голямото честотно съдържание на сигнала, както можете да наблюдавате на диаграмата. Но тази скорост е 5-10 пъти максималната честота на сигнала на практика.

Честота на дискретизация на аналогово-цифров преобразувател

Честота на дискретизация на аналогово-цифров преобразувател

Фактори

Изпълнението на ADC може да бъде оценено чрез неговото представяне въз основа на различни фактори. От това, следните два основни фактора са обяснени по-долу.

SNR (съотношение сигнал / шум)

SNR отразява средния брой битове без шум във всяка конкретна проба.

Честотна лента

Широчината на честотната лента на ADC може да се определи чрез изчисляване на честотата на вземане на проби. От аналоговия източник може да се вземат проби за секунда, за да се получат дискретни стойности.

Видове аналогово-цифрови преобразуватели

ADC се предлага в различни видове и някои от видовете аналогови към цифрови преобразуватели включват:

  • A / D конвертор с двоен наклон
  • A / D конвертор на Flash
  • Последователно Приближение A / D конвертор
  • Полупроблемен ADC
  • Sigma-Delta ADC
  • Асептично АЦП

A / D конвертор с двоен наклон

В този тип ADC преобразувател напрежението за сравнение се генерира чрез използване на интеграторна верига, която е оформена от резистор, кондензатор и операционен усилвател комбинация. Чрез зададената стойност на Vref, този интегратор генерира триъгълна форма на вълната на изхода си от нула до стойността Vref. Когато интеграторната форма на вълната се стартира, съответно броячът започва да брои от 0 до 2 ^ n-1, където n е броят на битовете на ADC.

Аналогово-цифров преобразувател с двоен наклон

Аналогово-цифров преобразувател с двоен наклон

Когато входното напрежение Vin е равно на напрежението на формата на вълната, тогава управляващата верига улавя стойността на брояча, която е цифровата стойност на съответната аналогова входна стойност. Това АЦП с двоен наклон е устройство с относително средна цена и бавна скорост.

A / D конвертор на Flash

Този IC преобразувател на ADC се нарича още паралелен ADC, който е най-широко използваният ефективен ADC по отношение на своята скорост. Тази верига за аналогов към цифров преобразувател на светкавица се състои от поредица компаратори, където всеки един сравнява входния сигнал с уникално референтно напрежение. При всеки компаратор изходът ще бъде в високо състояние, когато аналоговото входно напрежение надвиши еталонното напрежение. Този изход се предоставя допълнително на приоритетен кодер за генериране на двоичен код въз основа на активност от по-висок ред чрез игнориране на други активни входове. Този тип светкавица е скъпо и високоскоростно устройство.

A / D конвертор на Flash

A / D конвертор на Flash

Последователно приближаващ A / D преобразувател

SAR ADC е най-модерният ADC IC и много по-бърз от ADC с двоен наклон и светкавица, тъй като използва цифрова логика, която конвертира аналоговото входно напрежение до най-близката стойност. Тази схема се състои от компаратор, изходни ключалки, регистър на последователно приближение (SAR) и D / A преобразувател.

Последователно приближаващ A / D преобразувател

Последователно приближаващ A / D преобразувател

В началото SAR се нулира и с въвеждането на прехода LOW to HIGH се задава MSB на SAR. След това този изход се дава на D / A конвертора, който произвежда аналогов еквивалент на MSB, по-нататък се сравнява с аналоговия вход Vin. Ако изходът за сравнение е LOW, тогава MSB ще бъде изчистен от SAR, в противен случай MSB ще бъде настроен на следващата позиция. Този процес продължава, докато се изпробват всички битове и след Q0, SAR прави паралелните изходни линии да съдържат валидни данни.

Полупроблемен ADC

Тези типове аналогово-цифрови преобразуватели работят предимно приблизително с ограниченията си чрез два отделни преобразувателя на светкавица, където всяка резолюция на преобразувателя е половината от битовете за полуизмиващото устройство. Капацитетът на един преобразувател на флаш е, той обработва MSB (най-значимите битове), докато другият обработва LSB (най-малко значимите битове).

Sigma-Delta ADC

Sigma Delta ADC (ΣΔ) е доста скорошен дизайн. Те са изключително бавни в сравнение с други видове проекти, но предлагат максимална разделителна способност за всички видове ADC. По този начин те са изключително съвместими с аудио приложения, базирани на висока точност, но обикновено не се използват навсякъде, където се изисква висока BW (честотна лента).

Асептично АЦП

Конвейерните ADC са известни също като квантователи с подреден обхват, които са свързани по концепция с последователни приближения, макар и по-сложни. Докато последователните приближения нарастват през всяка стъпка, като преминават към следващия MSB, този ADC използва следния процес.

  • Използва се за грубо преобразуване. След това оценява тази промяна към входния сигнал.
  • Този преобразувател действа като по-добро преобразуване, като позволява временно преобразуване с набор от битове.
  • Обикновено тръбопроводните конструкции предлагат централно място сред SARs, както и флаш аналогово-цифрови преобразуватели, като балансират неговия размер, скорост и висока разделителна способност.

Примери за аналогов към цифров преобразувател

Примерите за аналогово-цифров преобразувател са разгледани по-долу.

ADC0808

ADC0808 е преобразувател, който има 8 аналогови входа и 8 цифрови изхода. ADC0808 ни позволява да наблюдаваме до 8 различни преобразуватели, използвайки само един чип. Това елиминира необходимостта от външни нулеви и пълномащабни корекции.

ADC0808 IC

ADC0808 IC

ADC0808 е монолитно CMOS устройство, предлага висока скорост, висока точност, минимална температурна зависимост, отлична дългосрочна точност и повторяемост и консумира минимална мощност. Тези функции правят това устройство идеално подходящо за приложения от управление на процеси и машини до потребителски и автомобилни приложения. Схемата на щифтовете на ADC0808 е показана на фигурата по-долу:

Характеристика

Основните характеристики на ADC0808 включват следното.

  • Лесен интерфейс за всички микропроцесори
  • Не се изисква нулева или пълномащабна настройка
  • 8-канален мултиплексор с логика на адреса
  • 0V до 5V входен обхват с единично 5V захранване
  • Изходите отговарят на спецификациите за ниво на напрежение TTL
  • Пакет чип с 28 пина

Спецификации

Спецификациите на ADC0808 включват следното.

  • Резолюция: 8 бита
  • Обща неприспособена грешка: ± ½ LSB и ± 1 LSB
  • Единично захранване: 5 VDC
  • Ниска мощност: 15 mW
  • Време на преобразуване: 100 μs

Обикновено входът ADC0808, който трябва да бъде променен на цифров, може да бъде избран чрез използване на три адресни реда A, B, C, които са щифтове 23, 24 и 25. Размерът на стъпката се избира в зависимост от зададената референтна стойност. Размерът на стъпката е промяната в аналоговия вход, за да предизвика единична промяна в изхода на ADC. ADC0808 се нуждае от външен часовник, за да работи, за разлика от ADC0804, който има вътрешен часовник.

Непрекъснатият 8-битов цифров изход, съответстващ на моментната стойност на аналоговия вход. Най-екстремното ниво на входното напрежение трябва да бъде намалено пропорционално на + 5V.

IC ADC 0808 изисква тактов сигнал от обикновено 550 kHz, ADC0808 се използва за преобразуване на данните в цифрова форма, необходима за микроконтролера.

Приложение на ADC0808

ADC0808 има много приложения тук, ние сме дали някои приложения за ADC:

От веригата по-долу часовникът, стартът и EOC щифтовете са свързани към микроконтролер. Като цяло тук имаме 8 входа, за операцията използваме само 4 входа.

ADC0808 Верига

ADC0808 Верига

  • Използва се температурният сензор LM35, който е свързан към първите 4 входа на аналогово-цифров преобразувател IC. Сензорът има 3 щифта, т.е. VCC, GND и изходни щифтове, когато сензорът нагрява напрежението на изхода се увеличава.
  • Адресните редове A, B, C са свързани към микроконтролера за командите. При това прекъсването следва ниска към висока работа.
  • Когато стартовият щифт се държи високо, преобразуването не започва, но когато стартовият щифт е нисък, преобразуването ще започне в рамките на 8 тактови периода.
  • В момента, когато преобразуването е завършено, EOC щифтът отива ниско, за да покаже финала на преобразуването и данните, готови да бъдат взети.
  • След това изходът позволява (OE) се повдига високо. Това позволява TRI-STATE изходи, позволявайки четене на данните.

ADC0804

Вече знаем, че преобразувателите аналогово-цифрови (АЦП) са най-широко използваните устройства за осигуряване на информация за преобразуване на аналоговите сигнали в цифрови номера, така че микроконтролерът да ги чете лесно. Има много ADC преобразуватели като ADC0801, ADC0802, ADC0803, ADC0804 и ADC080. В тази статия ще обсъдим конвертора ADC0804.

ADC0804

ADC0804

ADC0804 е много често използван 8-битов аналогово-цифров преобразувател. Работи с 0V до 5V аналогово входно напрежение. Той има единичен аналогов вход и 8 цифрови изхода. Времето на преобразуване е друг основен фактор при преценката на ADC, в ADC0804 времето на преобразуване варира в зависимост от синхронизиращите сигнали, приложени към щифтове CLK R и CLK IN, но не може да бъде по-бързо от 110 μs.

ПИН Описание на ADC804

ПИН 1 : Това е щифт за избор на чип и активира ADC, активен нисък

ПИН 2: Това е входен щифт с висок до нисък импулс, който пренася данните от вътрешните регистри към изходните щифтове след преобразуване

ПИН 3: Това е входен щифт с нисък до висок импулс, за да започне преобразуването

ПИН 4: Това е входящ щифт за часовник, за да даде външния часовник

ПИН 5: Това е изходен щифт, отива ниско, когато преобразуването завърши

ПИН 6: Аналогов неинвертиращ вход

ПИН 7: Аналогов инвертиращ вход, обикновено е заземен

ПИН 8: Земя (0V)

ПИН 9: Това е входен щифт, задава еталонното напрежение за аналогов вход

ПИН 10: Земя (0V)

ПИН 11 - ПИН 18: Това е 8-битов цифров изходен щифт

ПИН 19: Използва се с щифт Clock IN, когато се използва вътрешен източник на часовник

ПИН 20: Захранващо напрежение 5V

Характеристики на ADC0804

Основните характеристики на ADC0804 включват следното.

  • 0V до 5V обхват на аналоговото входно напрежение с единично захранване от 5V
  • Съвместим с микроконтролери, времето за достъп е 135 ns
  • Лесен интерфейс за всички микропроцесори
  • Логическите входове и изходи отговарят както на MOS, така и на TTL нива на напрежение
  • Работи с 2.5V (LM336) еталонно напрежение
  • Вграден генератор на часовник
  • Не се изисква настройка на нулата
  • 0.3 [Prime] стандартна ширина 20-пинов DIP пакет
  • Работи съотношение метрично или с 5 VDC, 2,5 VDC или аналогово зададено напрежение
  • Диференциални аналогови входове за напрежение

Това е 8-битов преобразувател с 5V захранване. Той може да приема само един аналогов сигнал като вход. Цифровият изход варира от 0-255. ADC се нуждае от часовник, за да работи. Времето, необходимо за преобразуване на аналоговата в цифрова стойност, зависи от източника на часовника. Външен часовник може да бъде даден на CLK IN. Pin2 е входният щифт - Високият до ниският импулс пренася данните от вътрешния регистър към изходните щифтове след преобразуване. Pin3 е запис - Нисък до висок импулс се дава на външния часовник.

Приложение

От простата верига щифт 1 на ADC е свързан към GND, където pin4 е свързан към GND чрез кондензаторни щифтове 2, 3 и 5 на ADC са свързани към 13, 14 и 15 щифта на микроконтролера. Пиновете 8 и 10 са късо съединени и са свързани към GND, 19 пина на ADC е към 4-ти пин през резистор 10k. Пин 11 до 18 на ADC са свързани към 1 до 8 извода на микроконтролера, който принадлежи към port1.

ADC0804 Верига

ADC0804 Верига

Когато логическата височина е приложена към CS и RD, входът е тактиран през 8-битовия регистър на смяна, завършвайки търсенето на специфичната скорост на поглъщане (SAR), при следващия импулс на часовника цифровата дума се прехвърля към изхода на три състояния. Изходът на прекъсването е обърнат, за да осигури изход INTR, който е висок по време на преобразуване и нисък, когато преобразуването е завършено. Когато нивото е както на CS, така и на RD, изходът се прилага към DB0 през DB7 изходите и прекъсването се нулира. Когато входовете CS или RD се върнат в високо състояние, изходите DB0 до DB7 се деактивират (връщат се в състояние с висок импеданс). По този начин в зависимост от логиката напрежението, различно от 0 до 5V, което се трансформира в цифрова стойност от 8-битова резолюция, се подава като вход към порта 1 на микроконтролера.

ADC0804 Проекти, използвани за компоненти
ADC0808 Проекти, използвани за компоненти

ADC тестване

Тестването на аналогово-цифров преобразувател се нуждае главно от аналогов входен източник, както и от хардуер за предаване на управляващите сигнали, както и за улавяне на цифрови данни o / p. Някои видове ADC се нуждаят от точен източник на референтен сигнал. ADC може да бъде тестван, като се използват следните ключови параметри

  • Грешка при изместване на DC
  • Разсейване на мощността
  • Грешка в усилването на DC
  • Фалшив безплатен динамичен обхват
  • SNR (съотношение сигнал / шум)
  • INL или интегрална нелинейност
  • DNL или диференциална нелинейност
  • THD или общо хармонично изкривяване

Тестването на ADC или аналогово-цифрови преобразуватели се извършва основно по няколко причини. Освен причината, обществото на IEEE Instrumentation & Measurement, комитетът за генериране и анализ на вълновите форми е разработен IEEE стандарт за ADC за терминология, както и методи за изпитване. Има различни общи тестови настройки, които включват синусоида, произволна форма на вълната, форма на стъпка и обратна връзка. За да се определи стабилната производителност на аналоговите към цифровите преобразуватели, тогава се използват различни методи като серво базирани, базирани на рампа, техника на хистограма на променлив ток, техника на триъгълник на хистограма и физическа техника. Единствената техника, която се използва за динамично тестване, е тестът за синусоида.

Приложения на Analog to Digital Converter

Приложенията на ADC включват следното.

  • В момента използването на цифрови устройства се увеличава. Тези устройства работят въз основа на цифровия сигнал. Аналогово-цифровият преобразувател играе ключова роля в такива устройства, за да преобразува сигнала от аналогов в цифров. Приложенията на аналогови към цифрови преобразуватели са неограничени, които са разгледани по-долу.
  • AC (климатик) включва температурни сензори за поддържане на температурата в помещението. Така че това преобразуване на температурата може да се извърши от аналогова в цифрова с помощта на ADC.
  • Той се използва и в цифров осцилоскоп за преобразуване на сигнала от аналогов в цифров за показване.
  • ADC се използва за преобразуване на аналоговия гласов сигнал в цифров в мобилните телефони, тъй като мобилните телефони използват цифрови гласови сигнали, но всъщност гласовият сигнал е под формата на аналогов. Така че ADC се използва за преобразуване на сигнала преди изпращане на сигнала към предавателя на мобилния телефон.
  • ADC се използва в медицински устройства като MRI и X-Ray за преобразуване на изображенията от аналогови в цифрови преди промяна.
  • Камерата в мобилния телефон се използва главно за заснемане на изображения, както и на видеоклипове. Те се съхраняват в цифровото устройство, така че се преобразуват в цифрова форма с помощта на ADC.
  • Музиката на касетата също може да бъде превърната в цифрова като CDS и палеца използва ADC.
  • Понастоящем ADC се използва във всяко устройство, тъй като почти всички устройства, предлагани на пазара, са в цифрова версия. Така че тези устройства използват ADC.

По този начин става въпрос за преглед на аналогово-цифров преобразувател или ADC конвертор и неговите видове. За по-лесно разбиране в тази статия са обсъдени само няколко ADC преобразуватели. Надяваме се, че това обзаведено съдържание е по-информативно за читателите. Всички допълнителни въпроси, съмнения и техническа помощ по тази тема можете да коментирате по-долу.

Кредити за снимки: