Аналогово цифровой преобразователь это

В данной статье рассмотрены основные типы аналого-цифровых преобразователей: прямого преобразования, последовательного приближения, дельта-сигма. Особое внимание уделено основным плюсам и минусам АЦП данных типов, скоростям обработки информации, принципам работы, а также приведены некоторые характеристики современных АЦП.

Аннотация статьи
аналого-цифровой преобразователь
прямое преобразование
последовательное приближение
дельта-сигма АЦП
компаратор
аналоговый сигнал
цифровой сигнал
Ключевые слова
Нелюцков Михаил Александрович
Большакова Виктория Евгеньевна
Гаврина Дарья Федоровна
Радиотехника, электроника
«Актуальные исследования» #4 (83), февраль ’22
Поделиться
Цитировать
Актуальные исследования
# 4 ( 83 ), февраль ‘ 22

Задача АЦП – это преобразование напряжения в последовательность цифровых значений этого напряжения, которое измеряется через равные промежутки времени. Разрядность выходных данных является одним из основных параметров АЦП. Данный параметр обеспечивает отношение сигнал/шум преобразования и в конечном итоге динамический диапазон цифрового сигнала. Данное отношение (сигнал/шум) стараются увеличивать, для этого увеличивают разрядность АЦП. Отношение сигнал/шум аналого-цифрового преобразователя определяется исходя из формулы:

SN = N 6,02 + 1,76 (дБ)

где N – количество двоичных разрядов на выходе АЦП [1].

Еще одним важным параметром АЦП является время получения сигнала на выходе. Одной из сложнейших задач при создании АЦП является возможность получения одновременно большой разрядности и высокой скорости преобразования.

В современном мире существуют различные виды АЦП, некоторые из них:

• прямого преобразования
• последовательного приближения
• дельта-сигма

АЦП прямого преобразования

Аналого-цифровые преобразователи данного типа были разработаны в 1960-1970 годах, а в 1980 стали производиться в виде интегральных микросхем. Зачастую их применяют в АЦП конвейерного типа (рис.1) [2, 3].

Конвейерная работа АЦП, применяется в параллельно-последовательных АЦП прямого преобразования. В них данные передаются по мере готовности, до окончания преобразования в отличие от обычного режима работы, когда данные передаются лишь после полного преобразования. АЦП прямого преобразования обладают разрядностью 6-8 бит и скоростью до 1 GSPS.

Рис. 1. Структурная схема АЦП прямого преобразования

АЦП данного типа работаю по очень простому принципу. Исходный сигнал подается на все положительные входы компараторов одновременно, а к минусовым подтягивается опорное напряжение, пропущенное через делители. Таким образом, напряжение принимает дробные значения от опорного напряжения. Например, это может быть 1/16, 3/16, 5/16, 7/16, 9/16, 11/16, 13/16.

Далее происходит сравнение подаваемого напряжения с напряжением на делителях. В том случае, когда подаваемое напряжение больше, мы получаем на выходе логическую единицу, в противном же случае ноль. Затем приоритетный шифратор формирует двоичный код. Этот код зафиксируется выходным регистром.

Урок №21. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП)

Однако у АЦП данного типа есть недостаток. Для того чтобы получить N разрядов, необходимо 2 N компараторов. Для того, чтобы получить 8 разрядов необходим 256 компараторов, а для 24 – свыше 16 млн. К сожалению, наука и техника не достигла высот, необходимых для создания таких АЦП [4].

АЦП последовательного приближения

В основе АЦП данного типа лежит алгоритм взвешивания, разработанный Фибоначчи.

АЦП последовательного приближения работает по принципу сравнения величины входного сигнала с рядом опорных величин. Данное сравнение проходит по следующему алгоритму:

1. На входе АЦП устанавливается величина равная ½ от опорного напряжения.
2. В том случае, когда входное напряжение оказывается выше установленной величины, происходит его сравнение с величиной равной ¾ от опорного напряжения, в противном случае сравнение происходит с величиной равной ¼ от опорного напряжения.
3. Данная последовательность повторяется n-е количество раз. Данное число порождает n бит результата

АЦП данного типа состоят из ряда узлов (рис.2):

• Компаратора, предназначенного для сравнения входного напряжения с опорным
• Цифро-аналогового преобразователя, который формирует опорное напряжение, основываясь на поступающий, на вход цифровой код (DAC – digital-to-analogconverter)
• Регистра последовательного приближения. Его задачей является последовательное приближение по средствам генерации значения кода, подающегося на вход ЦАП (SAR – Structure activity relationship)
• Схемы выборки-хранения, которая «запоминает» значение аналогового сигнала и сохраняет его таковым на протяжении всего цикла (S/H – sample and hold circuit)

Рис. 2. Структурная схема АЦП последовательного приближения

Основным достоинством АЦП данного типа является высокая скорость работы. Однако точность таких преобразователей ограничена точностью внутреннего ЦАП и составляет 16-18 бит.

Принцип действия дельта-сигма АЦП немного сложнее и отличается от типов АЦП, рассмотренных выше. Он заключается в сравнении напряжения, полученного с входа со значением, которое накопил интегратор (рис.3).

Рис. 3. Сигма-дельта АЦП как следящая система

Интегратор получает сигналы положительной или отрицательной полярности, которая зависит от результата сравнения. Простыми словами данный тип АЦП представляет собой систему слежения напряжение на выходе интегратора «отслеживает» входное напряжение (рис.4).

Рис. 4. Структурная схема сигма-дельта АЦП

По окончанию работы мы получаем на выходе компаратора ряд нулей и единиц. Затем данный ряд проходит через цифровой ФНЧ, в результате получается N-битный результат.

На рис. 5 мы можем видеть сигналы в АЦП при нулевом уровне на выходе (сверху) и при уровне равном половине опорного напряжения (снизу).

Рис. 5. Сигналы в АЦП при разных уровнях сигнала на входе

Главной особенностью сигма-дельта АЦП является высокая точность, причиной тому является крайне низкий уровень собственного шума.

Сравнительная таблица для различных АЦП

Наименование

Разрядность, бит

Частота преобразования, Выб/с

Аналого-цифровое преобразование для начинающих

В этой статье рассмотрены основные вопросы, касающиеся принципа действия АЦП различных типов. При этом некоторые важные теоретические выкладки, касающиеся математического описания аналого-цифрового преобразования остались за рамками статьи, но приведены ссылки, по которым заинтересованный читатель сможет найти более глубокое рассмотрение теоретических аспектов работы АЦП. Таким образом, статья касается в большей степени понимания общих принципов функционирования АЦП, чем теоретического анализа их работы.

«

В качестве отправной точки дадим определение аналого-цифровому преобразованию. Аналого-цифровое преобразование – это процесс преобразования входной физической величины в ее числовое представление. Аналого-цифровой преобразователь – устройство, выполняющее такое преобразование. Формально, входной величиной АЦП может быть любая физическая величина – напряжение, ток, сопротивление, емкость, частота следования импульсов, угол поворота вала и т.п. Однако, для определенности, в дальнейшем под АЦП мы будем понимать исключительно преобразователи напряжение-код.

Понятие аналого-цифрового преобразования тесно связано с понятием измерения. Под измерением понимается процесс сравнения измеряемой величины с некоторым эталоном, при аналого-цифровом преобразовании происходит сравнение входной величины с некоторой опорной величиной (как правило, с опорным напряжением). Таким образом, аналого-цифровое преобразование может рассматриваться как измерение значения входного сигнала, и к нему применимы все понятия метрологии, такие, как погрешности измерения.

Основные характеристики АЦП

АЦП имеет множество характеристик, из которых основными можно назвать частоту преобразования и разрядность. Частота преобразования обычно выражается в отсчетах в секунду (samples per second, SPS), разрядность – в битах. Современные АЦП могут иметь разрядность до 24 бит и скорость преобразования до единиц GSPS (конечно, не одновременно). Чем выше скорость и разрядность, тем труднее получить требуемые характеристики, тем дороже и сложнее преобразователь. Скорость преобразования и разрядность связаны друг с другом определенным образом, и мы можем повысить эффективную разрядность преобразования, пожертвовав скоростью.

Существует множество типов АЦП, однако в рамках данной статьи мы ограничимся рассмотрением только следующих типов:

• АЦП параллельного преобразования (прямого преобразования, flash ADC)
• АЦП последовательного приближения (SAR ADC)
• дельта-сигма АЦП (АЦП с балансировкой заряда)

Наибольшим быстродействием и самой низкой разрядностью обладают АЦП прямого (параллельного) преобразования. Например, АЦП параллельного преобразования TLC5540 фирмы Texas Instruments обладает быстродействием 40MSPS при разрядности всего 8 бит. АЦП данного типа могут иметь скорость преобразования до 1 GSPS. Здесь можно отметить, что еще большим быстродействием обладают конвейерные АЦП (pipelined ADC), однако они являются комбинацией нескольких АЦП с меньшим быстродействием и их рассмотрение выходит за рамки данной статьи.

Среднюю нишу в ряду разрядность-скорость занимают АЦП последовательного приближения. Типичными значениями является разрядность 12-18 бит при частоте преобразования 100KSPS-1MSPS.

Наибольшей точности достигают сигма-дельта АЦП, имеющие разрядность до 24 бит включительно и скорость от единиц SPS до единиц KSPS.

Еще одним типом АЦП, который находил применение в недавнем прошлом, является интегрирующий АЦП. Интегрирующие АЦП в настоящее время практически полностью вытеснены другими типами АЦП, но могут встретиться в старых измерительных приборах.

АЦП прямого преобразования

АЦП прямого преобразования получили широкое распространение в 1960-1970 годах, и стали производиться в виде интегральных схем в 1980-х. Они часто используются в составе «конвейерных» АЦП (в данной статье не рассматриваются), и имеют разрядность 6-8 бит при скорости до 1 GSPS.

Архитектура АЦП прямого преобразования изображена на рис. 1

Рис. 1. Структурная схема АЦП прямого преобразования

Принцип действия АЦП предельно прост: входной сигнал поступает одновременно на все «плюсовые» входы компараторов, а на «минусовые» подается ряд напряжений, получаемых из опорного путем деления резисторами R. Для схемы на рис. 1 этот ряд будет таким: (1/16, 3/16, 5/16, 7/16, 9/16, 11/16, 13/16) Uref, где Uref – опорное напряжение АЦП.

Пусть на вход АЦП подается напряжение, равное 1/2 Uref. Тогда сработают первые 4 компаратора (если считать снизу), и на их выходах появятся логические единицы. Приоритетный шифратор (priority encoder) сформирует из «столбца» единиц двоичный код, который фиксируется выходным регистром.

Теперь становятся понятны достоинства и недостатки такого преобразователя. Все компараторы работают параллельно, время задержки схемы равно времени задержки в одном компараторе плюс время задержки в шифраторе. Компаратор и шифратор можно сделать очень быстрыми, в итоге вся схема имеет очень высокое быстродействие.

Но для получения N разрядов нужно 2^N компараторов (и сложность шифратора тоже растет как 2^N). Схема на рис. 1. содержит 8 компараторов и имеет 3 разряда, для получения 8 разрядов нужно уже 256 компараторов, для 10 разрядов – 1024 компаратора, для 24-битного АЦП их понадобилось бы свыше 16 млн. Однако таких высот техника еще не достигла.

АЦП последовательного приближения

АЦП последовательного приближения реализует алгоритм «взвешивания», восходящий еще к Фибоначчи. В своей книге «Liber Abaci» (1202 г.) Фибоначчи рассмотрел «задачу о выборе наилучшей системы гирь», то есть о нахождении такого ряда весов гирь, который бы требовал для нахождения веса предмета минимального количества взвешиваний на рычажных весах. Решением этой задачи является «двоичный» набор гирь. Подробнее о задаче Фибоначчи можно прочитать, например, здесь: http://www.goldenmuseum.com/2015AMT_rus.html.

Аналого-цифровой преобразователь последовательного приближения (SAR, Successive Approximation Register) измеряет величину входного сигнала, осуществляя ряд последовательных «взвешиваний», то есть сравнений величины входного напряжения с рядом величин, генерируемых следующим образом:

1. на первом шаге на выходе встроенного цифро-аналогового преобразователя устанавливается величина, равная 1/2Uref (здесь и далее мы предполагаем, что сигнал находится в интервале (0 – Uref).

2. если сигнал больше этой величины, то он сравнивается с напряжением, лежащим посередине оставшегося интервала, т.е., в данном случае, 3/4Uref. Если сигнал меньше установленного уровня, то следующее сравнение будет производиться с меньшей половиной оставшегося интервала (т.е. с уровнем 1/4Uref).

3. Шаг 2 повторяется N раз. Таким образом, N сравнений («взвешиваний») порождает N бит результата.

Рис. 2. Структурная схема АЦП последовательного приближения.

Таким образом, АЦП последовательного приближения состоит из следующих узлов:

1. Компаратор. Он сравнивает входную величину и текущее значение «весового» напряжения (на рис. 2. обозначен треугольником).

2. Цифро-аналоговый преобразователь (Digital to Analog Converter, DAC). Он генерирует «весовое» значение напряжения на основе поступающего на вход цифрового кода.

3. Регистр последовательного приближения (Successive Approximation Register, SAR). Он осуществляет алгоритм последовательного приближения, генерируя текущее значение кода, подающегося на вход ЦАП. По его названию названа вся данная архитектура АЦП.

4. Схема выборки-хранения (Sample/Hold, S/H). Для работы данного АЦП принципиально важно, чтобы входное напряжение сохраняло неизменную величину в течение всего цикла преобразования. Однако «реальные» сигналы имеют свойство изменяться во времени. Схема выборки-хранения «запоминает» текущее значение аналогового сигнала, и сохраняет его неизменным на протяжении всего цикла работы устройства.

Достоинством устройства является относительно высокая скорость преобразования: время преобразования N-битного АЦП составляет N тактов. Точность преобразования ограничена точностью внутреннего ЦАП и может составлять 16-18 бит (сейчас стали появляться и 24-битные SAR ADC, например, AD7766 и AD7767).

Дельта-сигма АЦП

И, наконец, самый интересный тип АЦП – сигма-дельта АЦП, иногда называемый в литературе АЦП с балансировкой заряда. Структурная схема сигма-дельта АЦП приведена на рис. 3.

Рис.3. Структурная схема сигма-дельта АЦП.

Принцип действия данного АЦП несколько более сложен, чем у других типов АЦП. Его суть в том, что входное напряжение сравнивается со значением напряжения, накопленным интегратором. На вход интегратора подаются импульсы положительной или отрицательной полярности, в зависимости от результата сравнения. Таким образом, данный АЦП представляет собой простую следящую систему: напряжение на выходе интегратора «отслеживает» входное напряжение (рис. 4). Результатом работы данной схемы является поток нулей и единиц на выходе компаратора, который затем пропускается через цифровой ФНЧ, в результате получается N-битный результат. ФНЧ на рис. 3. Объединен с «дециматором», устройством, снижающим частоту следования отсчетов путем их «прореживания».

Рис. 4. Сигма-дельта АЦП как следящая система

Ради строгости изложения, нужно сказать, что на рис. 3 изображена структурная схема сигма-дельта АЦП первого порядка. Сигма-дельта АЦП второго порядка имеет два интегратора и две петли обратной связи, но здесь рассматриваться не будет. Интересующиеся данной темой могут обратиться к [3].

На рис. 5 показаны сигналы в АЦП при нулевом уровне на входе (сверху) и при уровне Vref/2 (снизу).

Рис. 5. Сигналы в АЦП при разных уровнях сигнала на входе.

Более наглядно работу сигма-дельта АЦП демонстрирует небольшая программа, находящаяся тут: http://designtools.analog.com/dt/sdtutorial/sdtutorial.html.

Теперь, не углубляясь в сложный математический анализ, попробуем понять, почему сигма-дельта АЦП обладают очень низким уровнем собственных шумов.

Рассмотрим структурную схему сигма-дельта модулятора, изображенную на рис. 3, и представим ее в таком виде (рис. 6):

Рис. 6. Структурная схема сигма-дельта модулятора

Здесь компаратор представлен как сумматор, который суммирует непрерывный полезный сигнал и шум квантования.

Пусть интегратор имеет передаточную функцию 1/s. Тогда, представив полезный сигнал как X(s), выход сигма-дельта модулятора как Y(s), а шум квантования как E(s), получаем передаточную функцию АЦП:

То есть, фактически сигма-дельта модулятор является фильтром низких частот (1/(s+1)) для полезного сигнала, и фильтром высоких частот (s/(s+1)) для шума, причем оба фильтра имеют одинаковую частоту среза. Шум, сосредоточенный в высокочастотной области спектра, легко удаляется цифровым ФНЧ, который стоит после модулятора.

Рис. 7. Явление «вытеснения» шума в высокочастотную часть спектра

Однако следует понимать, что это чрезвычайно упрощенное объяснение явления вытеснения шума (noise shaping) в сигма-дельта АЦП.

Итак, основным достоинством сигма-дельта АЦП является высокая точность, обусловленная крайне низким уровнем собственного шума. Однако для достижения высокой точности нужно, чтобы частота среза цифрового фильтра была как можно ниже, во много раз меньше частоты работы сигма-дельта модулятора. Поэтому сигма-дельта АЦП имеют низкую скорость преобразования.

Они могут использоваться в аудиотехнике, однако основное применение находят в промышленной автоматике для преобразования сигналов датчиков, в измерительных приборах, и в других приложениях, где требуется высокая точность. но не требуется высокой скорости.

Немного истории

Самым старым упоминанием АЦП в истории является, вероятно, патент Paul M. Rainey, «Facsimile Telegraph System,» U.S. Patent 1,608,527, Filed July 20, 1921, Issued November 30, 1926. Изображенное в патенте устройство фактически является 5-битным АЦП прямого преобразования.

Рис. 8. Первый патент на АЦП

Рис. 9. АЦП прямого преобразования (1975 г.)

Устройство, изображенное на рисунке, представляет собой АЦП прямого преобразования MOD-4100 производства Computer Labs, 1975 года выпуска, собранный на основе дискретных компараторов. Компараторов 16 штук (они расположены полукругом, для того, чтобы уравнять задержку распространения сигнала до каждого компаратора), следовательно, АЦП имеет разрядность всего 4 бита. Скорость преобразования 100 MSPS, потребляемая мощность 14 ватт.

На следующем рисунке изображена продвинутая версия АЦП прямого преобразования.

Рис. 10. АЦП прямого преобразования (1970 г.)

Устройство VHS-630 1970 года выпуска, произведенное фирмой Computer Labs, содержало 64 компаратора, имело разрядность 6 бит, скорость 30MSPS и потребляло 100 ватт (версия 1975 года VHS-675 имела скорость 75 MSPS и потребление 130 ватт).

Аналогово цифровой преобразователь это

Аналого-цифровое преобразование – это процесс преобразования входной физической величины в ее числовое представление. Аналого-цифровой преобразователь – устройство, выполняющее такое преобразование. Формально, входной величиной АЦП может быть любая физическая величина – напряжение, ток, сопротивление, емкость, частота следования импульсов, угол поворота вала и т.п. Однако, для определенности, в дальнейшем под АЦП мы будем понимать исключительно преобразователи напряжение-код. Понятие аналого-цифрового преобразования тесно связано с понятием измерения. Под измерением понимается процесс сравнения измеряемой величины с некоторым эталоном, при аналого-цифровом преобразовании происходит сравнение входной величины с некоторой опорной величиной (как правило, с опорным напряжением). Таким образом, аналого-цифровое преобразование может рассматриваться как измерение значения входного сигнала, и к нему применимы все понятия метрологии, такие, как погрешности измерения. Аналого-цифровой преобразователь преобразует аналоговые сигналы в соответствующие им цифровые сигналы. Аналоговый сигнал может представляться определенным количеством амплитудных значений. Амплитуда измеряется через определенный промежуток времени. Соответствующие цифровые значения по очереди сохраняются и все вместе образуют цифровой сигнал. Иными словами, цифровой сигнал изменяющейся во времени величины представляет собой последовательность чисел. Эти числа могут быть представлены в любой системе счисления или коде. Чаще всего АЦП выдает результат в двоичной системе счисления или в двоично-десятичном коде. В данной работе рассматриваются принципы работы АЦП и его структурная схема.

аналого-цифровой преобразователь
цифровой сигнал
двоичный код
измерение сигнала

1. Умняшкин С. В. — Теоретические основы цифровой обработки и представления сигналов, ТЕХНОСФЕРА, Москва 2012 (дата обращения: 26.10.2022)

2. Миндеева А. А. — Элементная база аналоговых схем, учебное пособие, 2012 (дата обращения: 26.10.2022)

3. Магеррамов, Р. В. Аналого-цифровое преобразование / Р. В. Магеррамов. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2017. — № 2 (136). — С. 152-155. — URL: https://moluch.ru/archive/136/38098/ (дата обращения: 26.10.2022).

4. Алексеенко А. Г. — Основы микросхемотехники. 3-е издание, Лаборатория Базовых знаний: Физматлит Юнимедиастал, 2002 (дата обращения: 26.10.2022)

5. Опадчий Ю. Ф., Гуров А. И. — Аналоговая и цифровая электроника, 2005 (дата обращения: 26.10.2022)

Аналого-цифровое преобразование – это процесс преобразования входной физической величины в ее числовое представление. [1]

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) – устройство, преобразующее значение непрерывной аналоговой величины в эквивалентный ей цифровой код.

Формально, входной величиной АЦП может быть любая физическая величина – напряжение, ток, сопротивление, емкость, частота следования импульсов, угол поворота вала и т.п. [1]

Измерение — процесс сравнения измеряемой величины с некоторым эталоном, при аналого-цифровом преобразовании происходит сравнение входной величины с некоторой опорной величиной.

Аналого-цифровое преобразование играет важную роль в современной электронной индустрии. АЦП позволяет получить цифровой код из непрерывного входного аналогового сигнала. [1]

Область применения аналого-цифрового преобразования:

1) Цифровые измерительные приборы

2) Системы радиосвязи

3) Автоматизированные системы контроля и управления

4) Системы преобразования и отображения данных

5) Программируемые источники сигналов

6) Звукозаписывающая аппаратура

7) Аудио и видео аппаратура

8) Антенные системы базовых станций

Потребность в аналого-цифровых преобразователях стимулирует их разработку и изготовление с новыми, более совершенными характеристиками, что в свою очередь приводит к возникновению новых областей применения. [1]

АЦП, как правило, устанавливаются в цепях обратных связей цифровых систем управления для преобразования аналоговых сигналов обратных связей в коды, воспринимаемые цифровой частью системы. Т.е. АЦП выполняют несколько функций, таких как: временная дискретизация, квантование по уровню, кодирование.

Обобщенная структурная схема АЦП представлена См. Рисунок 1. [1]

Рисунок 1 — Обобщенная структурная схема АЦП

Аналого-цифровое преобразование включает в себя:

1. Дискретизацию исходных аналоговых данных по времени, то есть происходит выборка значений входного аналогового сигнала в определенные дискретные моменты времени.

2. Квантование полученных значений по уровню (амплитуде), то есть округление значений непрерывной функции до известных величин.

3. Оцифровка квантованных данных, то есть замена полученных данных цифровым кодом. [2]

Основным и наиболее важным электронным компонентом измерительных и тестовых систем являются аналого-цифровые преобразователи, их точность определяет прецизионность тестового оборудования.

Функция АЦП заключается в преобразование входного аналогового сигнала в цифровой (дискретный) код, который в последствие поступает на различные цифровые блоки схемы, выполняющие необходимые операции с полученными данными.

Из этого следует, что преобразование есть не что иное, как изменение значения входной величины.

Разрешающая способность и скорость преобразования являются определяющими параметры АЦП. В зависимости от данных параметров определяется тип архитектуры АЦП, который будет в последствие изготовлен для той или иной системе.

Для того, что бы получить наиболее точное преобразования входного сигнала, на практике обычно использует максимально возможную частоту преобразования АЦП. Во время преобразования спектр входного сигнала состоит не только из «полезных» данных, но в сигнале возможно наличие различных искажений, которые могут быть вызваны высокочастотными шумами.

Для того что бы исключить помехи из «полезного» сигнала используют различные фильтры. [2]

Основные параметры АЦП представлены См. Таблицу 1.

Таблица 1 — Основные параметры АЦП

Максимальная частота дискретизации

Что такое АЦП и как его использовать?

Как было сказано ранее, АЦП (в англ. — ADC, Analog to Digital Converter) означает аналого-цифровое преобразование и используется для преобразования аналоговых значений из реального мира в цифровые значения, такие как 1 и 0. Так что же это за аналоговые значения? Это те, которые мы видим в повседневной жизни, такие как температура, скорость, яркость и т. д. Но подождите! Может ли АЦП преобразовывать температуру и скорость непосредственно в цифровые значения, такие как 0 и 1?

Нет, решительно нет. АЦП может преобразовывать только аналоговые значения напряжения в цифровые значения . Поэтому какой бы параметр мы ни хотели измерить, его следует сначала преобразовать в напряжение, это преобразование можно выполнить с помощью датчиков . Например, для преобразования значений температуры в напряжение мы можем использовать термистор, аналогично для преобразования яркости в напряжение мы можем использовать фоторезистор (LDR). Как только оно преобразуется в напряжение, мы можем прочитать его с помощью АЦП.

Чтобы знать, как использовать АЦП, мы должны сначала ознакомиться с некоторыми основными терминами, такими как разрешение каналов, диапазон, опорное напряжение и т. д.

Разрешение (биты) и каналы в АЦП

Когда вы читаете спецификацию любого микроконтроллера или микросхемы АЦП, подробные сведения об АЦП будут даны с использованием терминов «каналы» (channels) и «разрешение» (Resolution) (биты). Например, ATmega328 Arduino UNO имеет 8-канальный 10-битный АЦП . Не каждый вывод микроконтроллера может считывать аналоговое напряжение. Термин «8-канальный» означает, что в этом микроконтроллере ATmega328 имеется 8 контактов, которые могут считывать аналоговое напряжение, и каждый вывод может считывать напряжение с разрешением 10 бит. Это будет варьироваться для разных типов микроконтроллеров.

Предположим, что диапазон нашего АЦП составляет от 0 В до 5 В, и у нас есть 10-битный АЦП. Это означает, что наше входное напряжение 0–5 В будет разделено на 1024 уровня дискретных аналоговых значений (2 10 = 1024). Это означает, что 1024 — это разрешение для 10-битного АЦП, аналогично для 8-битного АЦП разрешение будет 512 (2 8 ), а для 16-битного АЦП разрешение будет 65 536 (2 16 ).

При этом, если фактическое входное напряжение равно 0 В, то АЦП микроконтроллера будет считывать его как 0, а если оно равно 5 В, то микроконтроллер будет считывать 1024, а если оно находится где-то около 2,5 В, то микроконтроллер будет считывать 512. Мы можем использовать приведенные ниже формулы. для расчета цифрового значения, которое будет считываться микроконтроллером на основе разрешения АЦП и рабочего напряжения.

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Основные типы и их параметры.

В полупроводниковых АЦП наибольшее распространение получили три известных принципа преобразования:
· последовательного счета;
· поразрядного кодирования (последовательного приближения);
· параллельного преобразования.

АЦП последовательного счета

Простейший АЦП данного типа и его временная диаграмма (для случая Uвх = Α = const) представлены на рисунке.

АЦП состоит из компаратора, ЦАП, двоичного счетчика, выходного буферного регистра. После команд СБРОС и ПУСК, подаваемых на АЦП, импульсы тактового генератора начинают увеличивать показания счетчика, а, следовательно, и выходной сигнал ЦАП Χ(t) ступеньками по Δx. Компаратор определяет разницу между Χ и Α. Если окажется, что Χ – Α > 0, компаратор вырабатывает сигнал СТОП, счетчик останавливается и индицирует двоичный код, эквивалентный входному сигналу Uвх = Α. Общее время преобразования сигнала зависит от его величины.
Недостатком такой схемы АЦП является ее низкое быстродействие.

АЦП последовательного приближения

Упрощенная схема АЦП последовательного приближения приведена на рисунке

После пуска схемы первым тактовым импульсом регистр памяти (РП) устанавливает старший разряд ЦАП в единицу. При этом, если Uвх > UЦАП, то компаратор подтверждает состояние РП и ЦАП. Следующим тактовым импульсом единица устанавливается в следующем за старшим разряде. Если окажется, что Uвх < UЦАП, последняя установленная в ЦАП единица заменяется компаратором на ноль. Описанные выше действия повторяются до N-го младшего разряда. Таким образом, после N тактов сравнения Uвх и UЦАП, в регистре памяти сформируется N-разрядный двоичный код, который является цифровым эквивалентом входного аналогового сигнала.
В такой структуре АЦП полное время преобразования составит N · ΔT, где ΔT длительность одного такта.

АЦП параллельного преобразования

Повысить скорость преобразования в АЦП можно используя параллельный набор возможных значений эталонного напряжения вместо их последовательного чередования, характерного для обоих рассмотренных выше принципов преобразования.

Упрощенная структура АЦП параллельного преобразования приведена на рисунке

Основным элементом N-разрядного АЦП являются 2^N – 1 компараторов напряжения. На один из двух входов каждого компаратора подается свое опорное напряжение, формируемое резистивной матрицей. Разность между опорными напряжениями двух соседних компараторов равна Um / (2^N–1). Другие входы объединены, и на них подается входной сигнал. На выходах компараторов устанавливаются напряжения нуля или единицы, соответствующие сигналам на входах компараторов в момент прихода фронта тактового импульса.
После окончания импульса опроса в компараторах хранится информация о мгновенном значении входного сигнала, представленная в виде (2^N – 1) -разрядного слова. Дешифратор представляет это слово в виде N-разрядного кода, который хранится в буферном регистре.
Поскольку каждая из 2^N – 1 градаций входного сигнала оцифровывается отдельным компаратором, то время преобразования в таком АЦП определяется временем переключения компаратора и является минимально возможным.

Параметры АЦП

Статические параметры АЦП во многом по смыслу аналогичны статическим параметрам ЦАП и рассмотрены тут — www.drive2.ru/b/2558751/

Среди динамических параметров АЦП основными являются:
максимальная частота преобразования – частота дискретизации входного сигнала;
апертурное время – время, в течение которого сохраняется неопределенность между значением выборки и временем, к которому оно относится;
апертурная неопределенность – случайное изменение апертурного времени в конкретной точке характеристики преобразования;
время кодирования – время, в течение которого осуществляется непосредственное преобразование установившегося значения входного сигнала (время от начала импульса запуска до появления выходного кода).

Что такое АЦП? Основные типы и область применения.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) — устройство, преобразующее аналоговый сигнал в цифровой. АЦП нашел свое место в тестовом и измерительном оборудовании, где он преобразовывает входное напряжение в двоичный код, который обрабатывается на микропроцессоре. В основном АЦП характеризуется: числом разрядов, временем преобразования, частотой дискретизации и тд.

По характеристикам АЦП делят на 5 основных типов: конвейерный, параллельный, сдвоенный, дельта-сигма( ΔΣ), последовательного приближения. Дельта-сигма АЦП обладает высокой динамической производительностью и защитой от искажений, нашел применение в системах сбора информации, точном измерительном оборудовании и аудио-приборах.

АЦП последовательного приближения обладает хорошим соотношение скорости и разрешения, но в отличие от предыдущего, не имеет никакой внутренней защиты от искажений, применяется в основном в системах измерения и сбора информации. Сдвоенный тип имеет низкую скорость, что сказывается на его цене, поэтому основная область его применения — тестовое и измерительное оборудование.

Конвейерный тип хоть и очень быстрый, но имеет низкое битовое разрешение, используется в измерительном оборудовании, радиолокации, системах воспроизведения изображений, сетевом оборудовании.

Параллельный тип имеет очень высокую скорость, за счет чего нашел применение в сверхвысокочастотных измерениях, оптоволоконных устройствах, радиолокации.

Все вышеуказанные типы аналого-цифровых преобразователей от ведущих производителей в данном сегменте электронных компонентов — Texas Instruments и Analog Devices , входят в программу поставок RU Electronics.

Аналого-цифровой преобразователь — назначение, классификация и принцип работы

Для преобразования аналогового сигнала в сигнал цифровой (в последовательность типа читаемого двоичного кода), служит электронное устройство, называемое аналого-цифровым преобразователем — сокращенно АЦП. В процессе преобразования аналогового сигнала в цифровой, реализуются: дискретизация, квантование и кодирование.

Под дискретизацией понимается выборка из непрерывного во времени аналогового сигнала отдельных (дискретных) значений, приходящихся на моменты времени, связанные с определенными интервалами и длительностью тактовых сигналов, следующими один за другим.

Квантование подразумевает округление значения аналогового сигнала, выбранного в ходе дискретизации, до ближайшего уровня квантования, причем уровни квантования имеют каждый собственный порядковый номер, и различаются эти уровни друг от друга на фиксированную величину дельта, которая есть ни что иное, как шаг квантования.

Строго говоря, дискретизация — это процесс представления непрерывной функции в виде ряда дискретных значений, а квантование — это разбиение сигнала (значений) на уровни. Что касается кодирования, то под кодированием здесь понимается сопоставление элементов, полученных в результате квантования, с предопределенной кодовой комбинацией.

Методов преобразования напряжения в код разработчикам известно очень много. При этом каждый из методов отличается индивидуальными особенностями: точностью, скоростью, сложностью. По типу способа преобразования, АЦП подразделяются на три

• параллельные,
• последовательные,
• последовательно-параллельные.

У каждого способа процесс преобразования сигнала во времени протекает по-своему, от того и названия. Отличия лежат в том, как осуществляются квантование и кодирование: последовательной, параллельной или последовательно-параллельной процедурой приближения цифрового результата к преобразуемому сигналу.

Схема параллельного аналого-цифрового преобразователя изображена на рисунке. Параллельные АЦП — наиболее быстродействующие из всех типов аналого-цифровых преобразователей.

Количество электронных устройств сравнения (общее число компараторов DA) соответствует разрядности АЦП: для двух разрядов достаточно трех компараторов, для трех — семь, для четырех — 15 и т. д. Делитель напряжения на резисторах предназначен для задания ряда неизменных опорных напряжений.

Входное напряжение (здесь измеряется значение этого входного напряжения) подается одновременно на входы всех компараторов, и сравнивается со всеми опорными напряжениями из тех, что позволяет получить данный резистивный делитель.

Те компараторы, на неинвертирующие входы которых подается напряжение больше опорного (подаваемого с делителя на инвертирующий вход) — дадут на выходе логическую единицу, остальные (где входное напряжение окажется меньше опорного или равно нулю) — выдадут ноль.

Далее подключен шифратор, его задача — преобразовать комбинацию единиц и нулей в стандартный, адекватно понимаемый бинарный код.

Схемы АЦП последовательного преобразования менее быстродейственны, чем схемы параллельного преобразования, однако имеют более простое элементное исполнение. Здесь используется компаратор, логическая схема «И», генератор тактовых импульсов, счетчик и цифро-аналоговый преобразователь.

На рисунке приведена схема такого АЦП. Например, пока измеряемое напряжение, подаваемое на вход схемы сравнения, выше линейно нарастающего сигнала на втором входе (опорном), счетчик отсчитывает импульсы тактового генератора. Получается, что измеряемое напряжение пропорционально числу отсчитанных импульсов.

Есть еще последовательно-параллельные АЦП, у которых процесс преобразования аналогового сигнала в цифровой разделен в пространстве так, что получается достичь максимального компромиссного быстродействия при минимальной сложности.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети: