Input pengontrol analog (ADC). Tidak semua orang langsung mengerti apa itu dan dimakan dengan apa. Oleh karena itu, saya akan mencoba menjelaskannya dengan kata-kata saya sendiri.

Secara umum, apa yang dimaksud dengan masukan “analog”? Pengontrol memiliki dua jenis input: digital dan analog. Digital hanya dapat mengambil dua nilai: nol dan satu. Nol berarti tidak ada tegangan, satu berarti ada tegangan. Informasi ditransmisikan ke input digital dalam bentuk pulsa seiring waktu. Tetapi input analog tidak hanya mampu menerima dua nilai ini, tetapi tegangan apa pun secara umum.

Pengontrol NM8036 memiliki dua input analog (lihat). Masing-masing input ini dapat disuplai dengan tegangan apa pun mulai dari 0 hingga tegangan suplai (5 V). Misalnya 1,8 volt, atau 3,2 volt... Singkatnya, apa saja, tetapi tidak lebih dari 5 volt.

Apa yang dilakukan pengontrol dengan tegangan ini? Sangat sederhana: mengukur dan merepresentasikannya bentuk digital. Selain itu, ia melakukannya dalam rentang 0 hingga 1023. Ini adalah data biner (bin-data), yang batas atasnya (1023) disamakan dengan tegangan 5 volt. Ini adalah Konversi Analog-ke-Digital (ADC).

Namun ketegangan yang sebenarnya hanyalah itu: aktual. 5 volt - itu 5 volt. Nilai ini di sini disebut sebagai "Volt". Dan benar, ada volt.

Namun di sini kita dapat membayangkan tegangan ini dalam besaran fisis lainnya (Fisika). Misalnya kita menghubungkan sensor tekanan atau kelembaban ke input, atau juga sensor suhu, tetapi bukan yang digital, seperti DS1820, melainkan termistor. Sensor termistor ini akan memberi kita tegangan dari 0 hingga 5 volt (insinyur elektronik, jangan terlalu bersemangat! Ini hanya sebuah contoh.), tetapi penting bagi kita untuk mengetahui suhunya, bukan tegangannya!

Jadi kami mengkalibrasi nilai-nilai ini. Kami akan menetapkan batas bawah dalam pengaturan (lihat Kontrol pemanas rumah pribadi. Manajer Tingkat Lanjut.), misalnya, pada 16 derajat, dan batas atas pada 30 derajat. Ini adalah sensor yang kami miliki, Anda lihat, terhubung. Dan kami akan menetapkan jumlah tempat desimal menjadi 2. Dan kami akan menunjukkan awalan: C (yaitu, derajat Celcius).

Dan apa yang kita dapatkan dari ini? Dan kita mendapatkan bahwa ketika sensor mengirimkan tegangan ke input, misalnya 2,5 volt, pengontrol akan dengan cepat menghitung ulang semuanya dan memberi kita tiga varian hasil: 512 (bin-data), 2,5 V (Volt) dan 23,00 C ( derajat Celsius). Ini adalah bagaimana Anda dapat mengonfigurasi pekerjaan dengan hampir semua sensor yang menghasilkan nilai tegangan analog pada outputnya.

Adanya dua input analog pada pengontrol tidak hanya sekedar kemampuan menghubungkan sensor-sensor di atas. Anda bisa menemukan banyak skema yang bisa sangat berguna untuk berbagai keperluan di rumah pribadi. Saya akan membuat daftar kemungkinannya begitu saja.

Sakelar 2 posisi sederhana. Output Data dapat memiliki 0 volt atau 5 volt. Terhubung dengan tiga kabel: Vcc (+5V), Data (data) dan Gnd (kabel umum). Dengan sakelar ini Anda dapat mengatur dua mode beban operasi yang berbeda saat memprogram sistem.

Peralihan untuk lebih banyak posisi dapat memberikan kemampuan untuk memprogram lebih banyak mode. Di sini, katakanlah, 3 posisi. Setiap posisi memiliki tegangan keluarannya sendiri. Posisi terendah adalah keluaran 1,25V, tengah 2,5V, dan atas 3,75V. Dengan menambah jumlah resistor dalam rangkaian, Anda dapat menambah jumlah posisi sakelar.

Ini adalah opsi untuk penyesuaian langkah, namun ada juga opsi untuk penyesuaian halus. Di sini tegangan keluaran tergantung pada posisi penggeser resistor variabel. Dapat digunakan, misalnya, untuk pengatur suhu manual. Buatlah program agar suhu ruangan tetap terjaga sesuai yang diatur oleh regulator. Penyesuaian otomatis- ini adalah satu hal, tetapi sering kali Anda ingin memutar sesuatu ke suatu tempat, mengkliknya agar lebih hangat, atau, sebaliknya, lebih dingin. Manusia adalah makhluk yang cerewet.

Atau gunakan sirkuit seperti itu untuk mengontrol, katakanlah, ketinggian air dalam wadah, di dalam sumur... Ini tidak sulit: pelampung pada seutas benang dililitkan pada pegangan resistor variabel. Tentu saja, pegas dimuat. Namun hal ini terjadi begitu saja, tanpa penjelasan rinci.

Jika Anda terus berfantasi, Anda juga bisa mengukur tingkat pencahayaan di dalamnya waktu yang tepat nyalakan/matikan lampu... Singkatnya, input analog ini memiliki banyak kemungkinan; NM8036 dapat dengan mudah menangani banyak tugas tidak hanya dalam mengontrol pemanasan rumah pribadi, tetapi juga untuk memecahkan banyak masalah lainnya. Kami akan berbicara tentang kemampuan pemrograman di artikel berikut.

Ngomong-ngomong, mengenai pengaturan suhu di dalam ruangan, ada solusi yang sangat bagus yang saya ambil. Menanggapi pertanyaan seseorang, penulis pesan Brokly (juga penulis Advanced Manager) memberikan contoh penggunaan input analog. Saya mengutipnya kata demi kata:
Anda bisa saja menemukan sesuatu yang lebih rumit. Pasang termostat dinding kontak, sambungkan ke input analog, dan biarkan pemabuk memutarnya sendiri. Bebaskan wanita pembersih dan bersenang-senanglah dengan para pemabuk. Dan pengontrol memiliki lebih sedikit pekerjaan yang harus dilakukan, termostat berfungsi - Anda tidak perlu memanaskannya.

Bagaimana Anda menyukai ini, Guru? Dan tahukah Anda, saya menyukainya.

Untuk dilanjutkan...

Kepingan PCF8591 mempunyai kemampuan sebagai berikut:

Satu-satunya sumber tegangan suplai;
- menjaga pengoperasian dalam rentang tegangan suplai dari 2,5 hingga 6 V;
- konsumsi arus rendah;
- tiga output untuk mengatur alamat budak;
- empat input analog dengan peralihan yang dapat diprogram (langsung dan diferensial);
- penggunaan konversi A/D dengan perkiraan berturut-turut dan rentang angka 8-bit;
- Konverter D/A multipleks dengan satu output analog.

Sirkuit mikro ini dibuat menggunakan teknologi CMOS, memiliki 4 input analog dan 1 output analog, dikendalikan dengan mengatur data pada bus I2C. sedikit A2...A0 di alamat budak dari sirkuit mikro ditentukan sinyal eksternal Oleh cara tradisional: dengan menghubungkan terminal yang sesuai ke kabel biasa atau ke tegangan suplai. Ini memungkinkan Anda menggunakan hingga 8 chip dengan jenis yang sama. Termasuk PCF8591 Hanya ada satu konverter A/D, namun penggunaan metode multiplexing memperluas kemampuan input chip. Input ADC dihubungkan secara seri ke 4 input sinyal, dan informasi dibaca darinya. Sayangnya, multiplexing tidak dapat digunakan untuk konversi D/A, sehingga hanya ada satu keluaran analog. Kecepatan maksimum Konversi data dibatasi oleh kecepatan maksimum bus I2C.

Gambar 1. Pinout PCF8591

Gambar 2. Diagram blok ditampilkan struktur internal dan interaksi elemen sirkuit mikro

Tabel 1. Penetapan pin PCF8591

Alamat budak dari sirkuit mikro diatur seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3. Ini berisi bagian tetap (bit 7...4) dan bagian variabel (bit 3...1). Bit 0, seperti biasa, membawa atribut “R/W” (baca/tulis).

Gambar 3. Alamat budak dari chip

Byte kedua setelah alamat slave disebut byte pemantauan dan kontrol. Byte ini mengkonfigurasi chip untuk tugas-tugas pengguna. Pertama, dapat digunakan untuk mengaktifkan atau menonaktifkan output analog. Kedua, dimungkinkan untuk mengkonfigurasi masukan analog baik dalam hubungan langsung maupun diferensial. Ketiga, dimungkinkan untuk mengatur (dalam dua bit) jumlah saluran A/D di mana konversi akan terjadi. Jika tanda kenaikan otomatis disetel, setelah setiap konversi A/D, jumlah saluran input akan bertambah satu. Cara paling rasional adalah menggunakan mode kenaikan otomatis bersama dengan generator internal, karena dalam mode ini akan bekerja terus menerus. Sebagaimana dinyatakan dalam dokumentasi, keterlambatan dalam menghidupkan generator saat berpindah saluran menyebabkan kesalahan konversi data. Disarankan juga untuk mematikan output analog (memasukkannya ke status Z) jika tidak digunakan. Tindakan ini akan mengurangi konsumsi sirkuit mikro saat ini. Pada Gambar. Gambar 4 menunjukkan kemungkinan status byte pemantauan dan kontrol.

Gambar 4. Status byte kontrol dan manajemen

Konversi D/A

Byte ketiga yang harus diterima PCF8591 adalah byte datanya konverter digital-ke-analog. Secara alami, dalam hal ini, output analog harus diaktifkan di byte pemantauan dan kontrol (Gbr. 4).

Secara fisik, konverter D/A terdiri dari matriks resistor, ditunjukkan pada Gambar. 5. Titik sambungan resistor membentuk cabang, yang dihubungkan ke jalur keluaran menggunakan sakelar. Sirkuit dikendalikan oleh dekoder cabang. Tegangan keluaran (L)AC keluar) kemudian diumpankan ke penguat penguatan kesatuan yang di-zero-otomatis. Penguat ini dapat dihidupkan (melalui byte pemantauan dan kontrol) atau dimasukkan ke dalam keadaan keluaran impedansi tinggi (2).

Gambar 5. Konverter D/A

Penting untuk dicatat bahwa konverter D/A juga digunakan dalam prosedur konversi A/D menggunakan metode pendekatan berturut-turut. Metode ini dijelaskan secara rinci dalam literatur, dan tidak ada gunanya kembali ke sana dalam kerangka buku ini.

Gambar 6. Prosedur konversi D/A

Prosedur konversi D/A ditunjukkan pada Gambar. 6. Setiap titik pada grafik yang berada dalam rentang 00h...FFh dapat ditentukan dengan rumus:

Di mana VA0UT - tegangan keluaran Konverter D/A; VREF- tegangan referensi; VAGND- potensi analog tanah; D- bit yang sesuai dari byte data.

Harap perhatikan juga Gambar. 7. Dimungkinkan untuk bekerja dengan sirkuit mikro dengan mentransmisikan rantai byte data, mengikuti satu demi satu. Level tegangan yang sesuai dengan yang ditentukan muncul pada output pada saat sinyal ACK dikeluarkan. Pada saat sinyal ACK dikeluarkan, mengkonfirmasikan penerimaan byte pemantauan dan kontrol (Gbr. 4) pada output dari sirkuit mikro, data yang terdapat dalam register DAC dari akhir siklus operasi sirkuit mikro sebelumnya muncul .

Gambar 7.

Untuk melakukan konversi A/D, pertama-tama Anda perlu mengirimkan byte pemantauan dan kontrol dengan tanda R/W = 0. Kemudian baca data sesuai Gambar. 8.

Gambar 10. Mode pengukuran diferensial

Untuk memastikan stabilitas konversi A/D dan D/A, diperlukan sumber tegangan referensi khusus, yang dihubungkan ke pin Vref dan AGND dari rangkaian mikro. Osilator internal diperlukan untuk menyediakan siklus konversi A/D dan untuk menyesuaikan penguat buffer dengan penyesuaian nol otomatis.

Untuk mengaktifkan osilator internal, pin EXT harus disingkat menjadi Vss. Kemudian akan muncul sinyal konversi frekuensi pada pin OSC yang dapat dimonitor. Jika pin EXT dihubungkan ke VDD, osilator internal akan masuk ke keadaan impedansi tinggi dan pin OSC dapat diumpankan sinyal dari osilator eksternal.

Literatur:
B. Yu.Semenov, “BUS I2C DALAM DESAIN TEKNIK RADIO”

Artikel ini membahas permasalahan utama mengenai prinsip pengoperasian ADC. berbagai jenis. Pada saat yang sama, beberapa perhitungan teoretis penting mengenai deskripsi matematis konversi analog-ke-digital ditinggalkan di luar cakupan artikel, namun tautan disediakan agar pembaca yang tertarik dapat menemukan pertimbangan yang lebih mendalam. aspek teoritis Operasi ADC. Oleh karena itu, artikel ini lebih membahas pemahaman prinsip-prinsip umum pengoperasian ADC dibandingkan analisis teoritis pengoperasiannya.

Perkenalan

Sebagai titik awal Mari kita definisikan konversi analog-ke-digital. Konversi analog-ke-digital adalah proses mengubah besaran fisik masukan menjadi besaran fisiknya representasi numerik. Konverter analog-ke-digital adalah perangkat yang melakukan konversi semacam itu. Secara formal, nilai masukan ADC dapat berupa besaran fisik apa pun - tegangan, arus, hambatan, kapasitansi, laju pengulangan pulsa, sudut putaran poros, dll. Namun, untuk lebih jelasnya, selanjutnya yang dimaksud dengan ADC adalah konverter tegangan-ke-kode.

Konsep konversi analog ke digital erat kaitannya dengan konsep pengukuran. Yang kami maksud dengan pengukuran adalah proses membandingkan nilai terukur dengan beberapa standar; dengan konversi analog-ke-digital, nilai masukan dibandingkan dengan beberapa standar nilai referensi(biasanya dengan tegangan referensi). Dengan demikian, konversi analog-ke-digital dapat dianggap sebagai pengukuran nilai sinyal masukan, dan semua konsep metrologi, seperti kesalahan pengukuran, berlaku untuk itu.

Ciri-ciri utama ADC

ADC memiliki banyak karakteristik, yang utama adalah frekuensi konversi dan kedalaman bit. Frekuensi konversi biasanya dinyatakan dalam sampel per detik (SPS), dan kedalaman bit dalam bit. ADC modern dapat memiliki lebar bit hingga 24 bit dan kecepatan konversi hingga satuan GSPS (tentu saja, tidak sekaligus). Semakin tinggi kecepatan dan kapasitas bit, semakin sulit memperoleh karakteristik yang diperlukan, semakin mahal dan kompleks konverternya. Kecepatan konversi dan kedalaman bit saling berhubungan dengan cara tertentu, dan kita dapat meningkatkan kedalaman bit konversi yang efektif dengan mengorbankan kecepatan.

Jenis ADC

Ada banyak jenis ADC, namun untuk keperluan artikel ini kami akan membatasi diri hanya pada jenis berikut ini:

• Konversi paralel ADC ( konversi langsung, flash ADC)
• Perkiraan berturut-turut ADC (SAR ADC)
• delta-sigma ADC (ADC dengan muatan seimbang)

ADC konversi langsung (paralel) memiliki kecepatan tertinggi dan kedalaman bit terendah. Misalnya konversi paralel ADC TLC5540 dari Texas Instruments memiliki kecepatan 40MSPS dengan hanya 8 bit. ADC jenis ini dapat memiliki kecepatan konversi hingga 1 GSPS. Dapat dicatat di sini bahwa ADC yang disalurkan melalui pipa memiliki kecepatan yang lebih tinggi, namun merupakan kombinasi dari beberapa ADC dengan kecepatan yang lebih rendah dan pertimbangannya berada di luar cakupan artikel ini.

Ceruk tengah dalam seri kecepatan bit-rate ditempati oleh ADC pendekatan yang berurutan. Nilai-nilai yang khas adalah 12-18 bit dengan frekuensi konversi 100KSPS-1MSPS.

Akurasi tertinggi dicapai oleh ADC sigma-delta dengan lebar bit hingga 24 bit inklusif dan kecepatan dari unit SPS ke unit KSPS.

Jenis lain dari ADC yang telah ditemukan penggunaannya di masa lalu adalah ADC pengintegrasian. ADC yang terintegrasi sekarang hampir seluruhnya digantikan oleh jenis ADC lainnya, tetapi dapat ditemukan pada jenis ADC yang lebih lama alat ukur.

ADC konversi langsung

ADC konversi langsung tersebar luas pada tahun 1960-an dan 1970-an, dan mulai diproduksi dalam bentuk sirkuit terpadu pada tahun 1980an. Mereka sering digunakan sebagai bagian dari ADC “pipeline” (tidak dibahas dalam artikel ini), dan memiliki kapasitas 6-8 bit dengan kecepatan hingga 1 GSPS.

Arsitektur ADC konversi langsung ditunjukkan pada Gambar. 1

Beras. 1. Diagram blok ADC konversi langsung

Prinsip pengoperasian ADC sangat sederhana: sinyal input disuplai secara bersamaan ke semua input "positif" dari komparator, dan serangkaian tegangan disuplai ke input "negatif", diperoleh dari tegangan referensi dengan membaginya dengan resistor. R. Untuk rangkaian pada Gambar. 1 baris ini akan seperti ini: (16/1, 16/3, 16/5, 16/7, 16/9, 16/11, 13/16) Uref, dimana Uref adalah tegangan referensi ADC.

Biarkan tegangan sebesar 1/2 Uref diterapkan ke input ADC. Kemudian 4 pembanding pertama akan berfungsi (jika Anda menghitung dari bawah), dan yang logis akan muncul pada keluarannya. Encoder prioritas akan membentuk kode biner dari “kolom” yang ditangkap dalam register keluaran.

Sekarang kelebihan dan kekurangan konverter tersebut menjadi jelas. Semua komparator beroperasi secara paralel, waktu tunda rangkaian sama dengan waktu tunda pada satu komparator ditambah waktu tunda pada encoder. Komparator dan encoder dapat dibuat dengan sangat cepat, sehingga keseluruhan rangkaian memiliki kinerja yang sangat tinggi.

Tetapi untuk mendapatkan N bit, diperlukan 2^N pembanding (dan kompleksitas encoder juga bertambah 2^N). Skema pada Gambar. 1. berisi 8 pembanding dan memiliki 3 bit, untuk mendapatkan 8 bit diperlukan 256 pembanding, untuk 10 bit - 1024 pembanding, untuk ADC 24-bit diperlukan lebih dari 16 juta.

pendekatan berturut-turut ADC

Konverter analog-ke-digital register perkiraan berturut-turut (SAR) mengukur besarnya sinyal input dengan melakukan serangkaian “pembobotan” berurutan, yaitu perbandingan nilai tegangan input dengan serangkaian nilai yang dihasilkan sebagai berikut:

1. pada langkah pertama, output dari konverter digital-ke-analog bawaan diatur ke nilai yang sama dengan 1/2Uref (selanjutnya kita asumsikan bahwa sinyal berada pada interval (0 – Uref).

2. jika sinyal lebih besar dari nilai ini, maka dibandingkan dengan tegangan yang terletak di tengah interval yang tersisa, yaitu dalam hal ini, 3/4Uref. Jika sinyalnya kurang tingkat yang ditetapkan, maka perbandingan selanjutnya akan dilakukan dengan kurang dari setengah interval yang tersisa (yaitu dengan level 1/4Uref).

3. Langkah 2 diulang sebanyak N kali. Jadi, N perbandingan (“bobot”) menghasilkan N bit hasil.

Beras. 2. Diagram blok ADC aproksimasi berturut-turut.

Jadi, ADC pendekatan berturut-turut terdiri dari node-node berikut:

1. Pembanding. Ini membandingkan nilai input dan nilai arus dari tegangan “bobot” (pada Gambar 2, ditandai dengan segitiga).

2. Konverter digital-ke-analog(Konverter Digital ke Analog, DAC). Ini menghasilkan “bobot” tegangan berdasarkan kode digital yang diterima pada input.

3. Daftar Perkiraan Berturutan (SAR). Ini mengimplementasikan algoritma pendekatan yang berurutan, menghasilkan nilai saat ini dari kode yang diumpankan ke input DAC. Seluruh arsitektur ADC dinamai menurut namanya.

4. Skema Sampel/Tahan (Sample/Tahan, S/H). Untuk pengoperasian ADC ini, pada dasarnya penting bahwa tegangan input tetap konstan sepanjang siklus konversi. Namun, sinyal “nyata” cenderung berubah seiring waktu. Sirkuit sampel-dan-tahan “mengingat” nilai sinyal analog saat ini dan menjaganya tidak berubah sepanjang siklus pengoperasian perangkat.

Keuntungan perangkat ini adalah kecepatan konversi yang relatif tinggi: waktu konversi ADC N-bit adalah N siklus jam. Akurasi konversi dibatasi oleh keakuratan DAC internal dan bisa 16-18 bit (ADC SAR 24-bit kini sudah mulai bermunculan, misalnya AD7766 dan AD7767).

Delta-Sigma ADC

Terakhir, jenis ADC yang paling menarik adalah ADC sigma-delta, kadang-kadang disebut ADC berimbang muatan dalam literatur. Diagram blok ADC sigma-delta ditunjukkan pada Gambar. 3.

Gambar.3. Diagram blok ADC sigma-delta.

Prinsip pengoperasian ADC ini terbilang lebih kompleks dibandingkan ADC jenis lainnya. Esensinya adalah tegangan masukan dibandingkan dengan nilai tegangan yang dikumpulkan oleh integrator. Pulsa dengan polaritas positif atau negatif disuplai ke input integrator, tergantung pada hasil perbandingan. Jadi, ADC ini adalah sistem pelacakan sederhana: tegangan pada keluaran integrator “melacak” tegangan masukan (Gbr. 4). Hasil dari rangkaian ini adalah aliran nol dan satu pada keluaran komparator, yang kemudian dilewatkan melalui filter low-pass digital, sehingga menghasilkan hasil N-bit. LPF pada Gambar. 3. Dikombinasikan dengan “decimator”, perangkat yang mengurangi frekuensi pembacaan dengan “menghancurkannya”.

Beras. 4. Sigma-delta ADC sebagai sistem pelacakan

Demi ketelitian presentasi, harus dikatakan bahwa pada Gambar. Gambar 3 menunjukkan diagram blok ADC sigma-delta orde pertama. ADC sigma-delta orde kedua memiliki dua integrator dan dua loop masukan, tetapi tidak akan dipertimbangkan di sini. Mereka yang tertarik dengan topik ini dapat merujuk ke.

Pada Gambar. Gambar 5 menunjukkan sinyal di ADC pada level input nol (atas) dan pada level Vref/2 (bawah).

Beras. 5. Sinyal di ADC pada level sinyal input yang berbeda.

Sekarang, tanpa menjadi terlalu rumit analisis matematis, mari kita coba memahami mengapa ADC sigma-delta memiliki sifat yang sangat buruk tingkat rendah kebisingan sendiri.

Mari kita perhatikan diagram blok modulator sigma-delta yang ditunjukkan pada Gambar. 3, dan sajikan dalam bentuk ini (Gbr. 6):

Beras. 6. Diagram blok modulator sigma-delta

Di sini komparator direpresentasikan sebagai penambah yang menambahkan sinyal yang diinginkan secara kontinu dan noise kuantisasi.

Misalkan integrator mempunyai fungsi transfer 1/s. Kemudian, merepresentasikan sinyal yang berguna sebagai X(s), output dari modulator sigma-delta sebagai Y(s), dan noise kuantisasi sebagai E(s), kita memperoleh fungsi transfer ADC:

Y(s) = X(s)/(s+1) + E(s)s/(s+1)

Faktanya, modulator sigma-delta adalah filter frekuensi rendah(1/(s+1)) untuk sinyal yang berguna, dan filter frekuensi tinggi(s/(s+1)) untuk noise, dengan kedua filter memiliki frekuensi cutoff yang sama. Kebisingan yang terkonsentrasi di wilayah spektrum frekuensi tinggi mudah dihilangkan dengan filter low-pass digital, yang terletak setelah modulator.

Beras. 7. Fenomena “perpindahan” kebisingan ke bagian spektrum frekuensi tinggi

Namun, harus dipahami bahwa ini adalah penjelasan yang sangat sederhana tentang fenomena pembentukan kebisingan di ADC sigma-delta.

Jadi, keuntungan utama dari ADC sigma-delta adalah akurasinya yang tinggi, karena tingkat kebisingannya yang sangat rendah. Namun, untuk mencapai akurasi yang tinggi, frekuensi cutoff filter digital harus serendah mungkin, berkali-kali lebih kecil dari frekuensi operasi modulator sigma-delta. Oleh karena itu, ADC sigma-delta memiliki kecepatan rendah transformasi.

Mereka dapat digunakan dalam teknik audio, tetapi penggunaan utamanya adalah dalam otomasi industri untuk mengubah sinyal sensor, dalam instrumen pengukuran, dan dalam aplikasi lain yang memerlukan akurasi tinggi. tetapi kecepatan tinggi tidak diperlukan.

Sedikit sejarah

Penyebutan ADC tertua dalam sejarah mungkin adalah paten Paul M. Rainey, "Sistem Telegraf Faksimili," A.S. Paten 1.608.527, Diarsipkan 20 Juli 1921, Dikeluarkan 30 November 1926. Perangkat yang digambarkan dalam paten sebenarnya adalah ADC konversi langsung 5-bit.

Beras. 8. Paten pertama untuk ADC

Beras. 9. Konversi langsung ADC (1975)

Perangkat yang ditunjukkan pada gambar adalah ADC MOD-4100 konversi langsung yang diproduksi oleh Computer Labs, diproduksi pada tahun 1975, dirakit menggunakan pembanding diskrit. Komparatornya ada 16 buah (diletakkan berbentuk setengah lingkaran untuk menyamakan delay propagasi sinyal ke masing-masing komparator), oleh karena itu ADC hanya memiliki lebar 4 bit. Kecepatan konversi 100 MSPS, konsumsi daya 14 watt.

Gambar berikut menunjukkan versi lanjutan dari ADC konversi langsung.

Beras. 10. Konversi langsung ADC (1970)

VHS-630 tahun 1970, diproduksi oleh Computer Labs, berisi 64 pembanding, 6-bit, 30MSPS, dan mengonsumsi 100 watt (VHS-675 versi 1975 memiliki 75 MSPS dan mengonsumsi 130 watt).

Literatur

W.Kester. Arsitektur ADC I: Konverter Flash. Perangkat Analog,Tutorial MT-020.

Mari kita lihat berbagai masalah utama yang dapat dikaitkan dengan prinsip operasi jenis yang berbeda. Penghitungan berurutan, penyeimbangan bitwise - apa yang tersembunyi di balik kata-kata ini? Apa prinsip pengoperasian mikrokontroler ADC? Kami akan mempertimbangkan ini, serta sejumlah pertanyaan lainnya, dalam kerangka artikel. Kami akan mencurahkan tiga bagian pertama teori umum, dan dari subjudul keempat kita akan mempelajari prinsip pengoperasiannya. Anda mungkin menemukan istilah ADC dan DAC di berbagai literatur. Cara kerja perangkat ini sedikit berbeda, jadi jangan bingung. Jadi, artikel ini akan membahas dari bentuk analog ke digital, sedangkan DAC bekerja sebaliknya.

Definisi

Sebelum mempertimbangkan prinsip pengoperasian ADC, mari kita cari tahu jenis perangkatnya. Konverter analog-ke-digital adalah perangkat yang mengubah kuantitas fisik menjadi representasi numerik yang sesuai. Parameter awal bisa berupa apa saja - arus, tegangan, kapasitansi, resistansi, sudut putaran poros, frekuensi pulsa, dan sebagainya. Namun yang pasti, kami hanya akan bekerja dengan satu transformasi. Ini adalah "kode tegangan". Pemilihan format kerja ini bukanlah suatu kebetulan. Bagaimanapun, ADC (prinsip pengoperasian perangkat ini) dan fitur-fiturnya sangat bergantung pada konsep pengukuran yang digunakan. Hal ini dipahami sebagai proses membandingkan nilai tertentu dengan standar yang telah ditetapkan sebelumnya.

Karakteristik ADC

Yang utama adalah kedalaman bit dan frekuensi konversi. Yang pertama dinyatakan dalam bit, dan yang kedua dalam hitungan per detik. Konverter analog-ke-digital modern dapat memiliki resolusi 24-bit atau kecepatan konversi yang mencapai satuan GSPS. Harap dicatat bahwa ADC hanya dapat memberi Anda satu karakteristik dalam satu waktu. Semakin tinggi indikatornya, semakin sulit bekerja dengan perangkat tersebut, dan perangkat itu sendiri semakin mahal. Namun untungnya, Anda bisa mendapatkan indikator kedalaman bit yang diperlukan dengan mengorbankan kecepatan perangkat.

Jenis ADC

Prinsip pengoperasiannya bervariasi tergantung pada berbagai kelompok perangkat. Kami akan melihat jenis-jenis berikut:

1. Dengan konversi langsung.
2. Dengan perkiraan berturut-turut.
3. Dengan konversi paralel.
4. Konverter analog-ke-digital dengan penyeimbang muatan (delta-sigma).
5. Mengintegrasikan ADC.

Masih banyak jenis konveyor dan kombinasi lainnya yang mempunyai tipenya sendiri karakteristik khusus dengan arsitektur yang berbeda. Tetapi sampel-sampel yang akan dipertimbangkan dalam kerangka artikel ini menarik karena fakta bahwa sampel-sampel tersebut memainkan peran indikatif dalam ceruk perangkat dengan kekhususan ini. Oleh karena itu, mari kita pelajari prinsip pengoperasian ADC, serta ketergantungannya pada perangkat fisik.

Konverter analog-ke-digital langsung

Mereka menjadi sangat populer di tahun 60an dan 70an abad terakhir. Mereka telah diproduksi dalam bentuk ini sejak tahun 80an. Ini adalah perangkat yang sangat sederhana, bahkan primitif yang tidak dapat membanggakan kinerja yang signifikan. Lebar bitnya biasanya 6-8 bit, dan kecepatannya jarang melebihi 1 GSPS.

Prinsip pengoperasian ADC jenis ini adalah sebagai berikut: masukan positif dari komparator secara bersamaan menerima sinyal masukan. Tegangan dengan besaran tertentu diterapkan pada terminal negatif. Dan kemudian perangkat menentukan mode operasinya. Hal ini dilakukan berkat tegangan referensi. Katakanlah kita memiliki perangkat dengan 8 pembanding. Ketika ½ tegangan referensi diterapkan, hanya 4 tegangan referensi yang akan menyala. Encoder prioritas akan dihasilkan dan dicatat dalam register keluaran. Mengenai kelebihan dan kekurangannya, kita dapat mengatakan bahwa pekerjaan memungkinkan Anda untuk berkreasi perangkat berkecepatan tinggi. Tetapi untuk mendapatkan kedalaman bit yang dibutuhkan Anda harus bekerja keras.

Rumus umum jumlah pembanding terlihat seperti ini: 2^N. Di bawah N Anda harus memasukkan jumlah digit. Contoh yang telah dibahas sebelumnya dapat digunakan kembali: 2^3=8. Totalnya, untuk mendapatkan digit ketiga dibutuhkan 8 pembanding. Ini adalah prinsip pengoperasian ADC yang pertama kali dibuat. Ini sangat tidak nyaman, sehingga arsitektur lain kemudian muncul.

Konverter analog-ke-digital pendekatan berturut-turut

Ini menggunakan algoritma "pembobotan". Singkatnya, perangkat yang beroperasi menggunakan teknik ini disebut ADC. penghitungan berurutan. Prinsip pengoperasiannya adalah sebagai berikut: perangkat mengukur nilai sinyal input, kemudian dibandingkan dengan angka yang dihasilkan menggunakan metode tertentu:

1. Setengah dari kemungkinan tegangan referensi telah diatur.
2. Jika sinyal sudah melampaui batas nilai dari titik no. 1, maka dibandingkan dengan angka yang terletak di tengah-tengah antara nilai yang tersisa. Jadi, dalam kasus kita ini akan menjadi ¾ dari tegangan referensi. Jika sinyal referensi tidak mencapai indikator ini, maka perbandingan akan dilakukan dengan bagian lain dari interval sesuai dengan prinsip yang sama. DI DALAM dalam contoh ini ini adalah ¼ tegangan referensi.
3. Langkah 2 harus diulang N kali, yang akan memberi kita N bit hasilnya. Hal ini disebabkan dilakukannya sejumlah N perbandingan.

Prinsip operasi ini memungkinkan untuk memperoleh perangkat dengan relatif kecepatan tinggi transformasi, yang merupakan ADC pendekatan berturut-turut. Prinsip pengoperasiannya, seperti yang Anda lihat, sederhana, dan perangkat ini sempurna untuk berbagai kasus.

Konverter A/D Paralel

Mereka beroperasi mirip dengan perangkat serial. Rumus perhitungannya adalah (2^H)-1. Untuk kasus yang dibahas sebelumnya, kita memerlukan (2^3)-1 pembanding. Untuk mengoperasikannya, rangkaian tertentu dari perangkat ini digunakan, yang masing-masing dapat membandingkan tegangan input dan referensi individual. Konverter analog-ke-digital paralel adalah perangkat yang cukup cepat. Namun prinsip desain perangkat ini sedemikian rupa sehingga diperlukan daya yang signifikan untuk mempertahankan fungsinya. Oleh karena itu, tidak disarankan menggunakannya dengan daya baterai.

Konverter analog-ke-digital dengan penyeimbangan bit

Ini beroperasi sesuai dengan skema yang mirip dengan perangkat sebelumnya. Oleh karena itu, untuk menjelaskan fungsi ADC penyeimbang bitwise, prinsip pengoperasian untuk pemula akan dibahas secara sekilas. Perangkat ini didasarkan pada fenomena dikotomi. Dengan kata lain, perbandingan berurutan antara nilai terukur dilakukan dengan bagian tertentu dari nilai maksimum. Dapat diambil nilai ½, 1/8, 1/16 dan seterusnya. Oleh karena itu, konverter analog-ke-digital dapat menyelesaikan seluruh proses dalam N iterasi (langkah berturut-turut). Selain itu, H sama dengan kapasitas bit ADC (lihat rumus yang diberikan sebelumnya). Oleh karena itu, kami memperoleh keuntungan waktu yang signifikan, terutama jika kecepatan peralatan sangat penting. Meskipun kecepatannya tinggi, perangkat ini juga memiliki ciri kesalahan statis yang rendah.

Konverter analog-ke-digital dengan penyeimbang muatan (delta-sigma)

Ini adalah jenis perangkat yang paling menarik, terutama karena prinsip pengoperasiannya. Ini terdiri dari membandingkan tegangan input dengan tegangan yang diakumulasikan oleh integrator. Pulsa dengan polaritas negatif atau positif disuplai ke input (semuanya tergantung pada hasil operasi sebelumnya). Dengan demikian, kita dapat mengatakan bahwa konverter analog-ke-digital adalah sistem pelacakan sederhana. Namun ini hanyalah contoh perbandingan agar kalian dapat memahami ADC. Prinsip operasinya bersifat sistemik, tetapi agar konverter analog-ke-digital berfungsi secara efektif, ini tidak cukup. Hasil akhirnya adalah aliran satu dan nol tanpa akhir yang mengalir melalui filter low-pass digital. Urutan bit tertentu terbentuk darinya. Perbedaan dibuat antara konverter ADC orde pertama dan kedua.

Mengintegrasikan konverter analog-ke-digital

Ini adalah kasus khusus terakhir yang akan dibahas dalam artikel ini. Selanjutnya, kami akan menjelaskan prinsip pengoperasian perangkat ini, tetapi sudah aktif tingkat umum. ADC ini merupakan konverter analog-ke-digital dengan integrasi push-pull. Bertemu perangkat serupa mungkin di multimeter digital. Dan ini tidak mengherankan, karena mereka memberikan akurasi yang tinggi dan sekaligus menekan interferensi dengan baik.

Sekarang mari kita fokus pada prinsip kerjanya. Itu terletak pada kenyataan bahwa sinyal masukan Kapasitor diisi untuk waktu yang tetap. Biasanya, periode ini adalah satuan frekuensi jaringan yang memberi daya pada perangkat (50 Hz atau 60 Hz). Bisa juga banyak. Dengan demikian, interferensi frekuensi tinggi dapat ditekan. Pada saat yang sama, pengaruh tegangan tidak stabil diratakan sumber jaringan menerima listrik pada keakuratan hasil yang diperoleh.

Ketika waktu pengisian konverter analog-ke-digital berakhir, kapasitor mulai mengeluarkan daya pada laju tetap tertentu. Penghitung internal perangkat menghitung jumlah pulsa jam yang dihasilkan selama proses ini. Jadi, semakin lama jangka waktunya, semakin signifikan pula indikatornya.

ADC integrasi dorong-tarik sangat akurat dan oleh karena itu, serta struktur konstruksi yang relatif sederhana, ADC dirancang seperti sirkuit mikro. Kerugian utama dari prinsip operasi ini adalah ketergantungannya pada indikator jaringan. Ingatlah bahwa kemampuannya terikat pada durasi periode frekuensi sumber listrik.

Beginilah cara kerja ADC integrasi ganda. Prinsip operasi perangkat ini meskipun cukup rumit, ia menyediakan indikator kualitas. Dalam beberapa kasus, hal ini hanya diperlukan.

Kami memilih APC dengan prinsip pengoperasian yang kami butuhkan

Katakanlah kita dihadapkan pada suatu tugas tertentu. Perangkat mana yang harus kita pilih agar dapat memenuhi semua kebutuhan kita? Pertama, mari kita bicara tentang resolusi dan akurasi. Sangat sering mereka bingung, walaupun dalam prakteknya mereka sangat lemah bergantung satu sama lain. Ingatlah bahwa konverter A/D 12-bit mungkin memiliki akurasi yang lebih rendah dibandingkan konverter A/D 8-bit. Dalam hal ini, resolusi adalah ukuran berapa banyak segmen yang dapat dialokasikan rentang masukan sinyal terukur. Jadi, ADC 8-bit memiliki 2 8 =256 unit tersebut.

Akurasi merupakan simpangan total hasil konversi yang dihasilkan dari nilai ideal yang seharusnya pada tegangan masukan tertentu. Artinya, parameter pertama mencirikan potensi kemampuan yang dimiliki ADC, dan parameter kedua menunjukkan apa yang kita miliki dalam praktiknya. Oleh karena itu, jenis yang lebih sederhana (misalnya, konverter analog-ke-digital langsung) mungkin cocok untuk kita, yang akan memenuhi kebutuhan karena akurasinya yang tinggi.

Untuk mengetahui apa yang dibutuhkan, Anda harus terlebih dahulu menghitung parameter fisik dan membangunnya rumus matematika interaksi. Kesalahan statis dan dinamis penting di dalamnya, karena ketika menggunakan komponen dan prinsip yang berbeda untuk membangun suatu perangkat, mereka akan memiliki efek berbeda pada karakteristiknya. Lagi informasi rinci dapat ditemukan di dokumentasi teknis, yang ditawarkan oleh produsen setiap perangkat tertentu.

Contoh

Mari kita lihat ADC SC9711. Prinsip pengoperasian perangkat ini rumit karena ukuran dan kemampuannya. Ngomong-ngomong, berbicara tentang yang terakhir, perlu dicatat bahwa mereka sangat beragam. Jadi, misalnya frekuensinya pekerjaan yang mungkin berkisar antara 10 Hz hingga 10 MHz. Dengan kata lain, diperlukan 10 juta sampel per detik! Dan perangkat itu sendiri bukanlah sesuatu yang kokoh, tetapi memiliki struktur modular. Tapi ini digunakan, sebagai suatu peraturan, dalam teknologi yang kompleks, di mana perlu untuk bekerja dengannya sejumlah besar sinyal.

Kesimpulan

Seperti yang Anda lihat, ADC didasarkan pada berbagai prinsip bekerja. Hal ini memungkinkan kami memilih perangkat yang akan memenuhi kebutuhan Anda, dan pada saat yang sama memungkinkan Anda mengelola dana yang tersedia dengan bijak.