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Wie erfolgt die Umwandlung des analogen in ein digitales Signal?

 

In der Elektronik werden Signale unterteilt in: analog, diskret und digital. Zunächst fühlen, sehen, hören wir zum größten Teil nur ein analoges Signal, und was ein Computerprozessor sieht, ist ein digitales Signal. Es klingt nicht sehr klar, also beschäftigen wir uns mit diesen Definitionen und wie ein Signaltyp in einen anderen umgewandelt wird.

Wie erfolgt die Umwandlung des analogen in ein digitales Signal?

Signaltypen

In der elektrischen Darstellung ist ein analoges Signal, gemessen an seinem Namen, ein Analogon mit einem realen Wert. Zum Beispiel spüren Sie die Temperatur der Umgebung während Ihres gesamten Lebens ständig. Es gibt keine Pausen. Gleichzeitig spüren Sie nicht nur zwei Ebenen von „heiß“ und „kalt“, sondern eine unendliche Anzahl von Empfindungen, die diesen Wert beschreiben.

Für eine Person kann „kalt“ anders sein, dies ist Herbstkühle und Winterfrost und leichter Frost, aber nicht immer ist „kalt“ eine negative Temperatur, genauso wie „warm“ nicht immer eine positive Temperatur ist.

Signaltypen

Daraus folgt, dass das analoge Signal zwei Merkmale aufweist:

1. Kontinuität in der Zeit.

2. Die Anzahl der Signalwerte tendiert gegen unendlich, dh Ein analoges Signal kann nicht präzise in Teile unterteilt oder kalibriert werden, indem die Skala in bestimmte Abschnitte unterteilt wird. Messmethoden - basierend auf der Maßeinheit, und ihre Genauigkeit hängt nur vom Preis der Teilung der Waage ab. Je kleiner sie ist, desto genauer ist die Messung.


Diskrete Signale - Dies sind Signale, die eine Folge von Berichten oder Messungen beliebiger Größe sind. Messungen solcher Signale sind nicht kontinuierlich, sondern periodisch.

Ich werde versuchen zu erklären. Wenn Sie irgendwo ein Thermometer installiert haben, misst es einen Analogwert - dies folgt aus dem Obigen. Aber Sie, die tatsächlich seinen Zeugnissen folgen, erhalten diskrete Informationen. Diskret bedeutet getrennt.

Sie sind zum Beispiel aufgewacht und haben herausgefunden, wie viele Grad das Thermometer hatte, das nächste Mal, wenn Sie es mittags auf ein Thermometer schauten, und das dritte Mal am Abend. Sie wissen nicht, wie schnell sich die Temperatur gleichmäßig oder durch einen scharfen Sprung geändert hat. Sie kennen nur die Daten zu dem Zeitpunkt, den Sie beobachtet haben.


Digitale Signale Ist eine Reihe von Ebenen, Typen 1 und 0, hoch und niedrig, ob oder nicht. Die Reflexionstiefe von Informationen in digitaler Form wird durch die Bittiefe eines digitalen Geräts (einer Reihe von Logik, eines Mikrocontrollers, eines Prozessors usw.) begrenzt. Es stellt sich heraus, dass es ideal zum Speichern von Booleschen Daten ist. Als Beispiel können wir Folgendes anführen: Zum Speichern von Daten wie „Tag“ und „Nacht“ reicht 1 Bit Information aus.


Bit - Dies ist die Mindestmenge an Informationen in digitaler Form. Es können nur zwei Arten von Werten gespeichert werden: 1 (logische Einheit, hohe Ebene) oder 0 (logische Null, niedrige Ebene).

In der Elektronik wird ein Informationsbit in Form eines Niederspannungspegels (nahe 0) und eines Hochspannungspegels dargestellt (dies hängt von einem bestimmten Gerät ab und fällt häufig mit der Versorgungsspannung eines bestimmten digitalen Knotens zusammen, typische Werte sind 1,7, 3,3, 5 V, 15 V).

Digitale Signale

Alle Zwischenwerte zwischen den akzeptierten niedrigen und hohen Pegeln sind ein Übergangsbereich und haben möglicherweise keinen bestimmten Wert. Abhängig von der Schaltung können sowohl das Gerät als Ganzes als auch die interne Schaltung des Mikrocontrollers (oder eines anderen digitalen Geräts) beispielsweise für 5 einen anderen Übergangspegel haben -Volt-Logik, die Spannungswerte von 0 bis 0,8 V können als Null und von 2 V bis 5 V als Einheit genommen werden, während der Spalt zwischen 0,8 und 2 V eine undefinierte Zone ist, in der Tat hilft es, Null von Einheit zu trennen.

Je genauer und umfangreicher die Werte sind, die Sie speichern müssen, desto mehr Bits benötigen Sie. Wir geben eine Beispieltabelle mit einer digitalen Anzeige von vier Werten der Tageszeit:

Nacht - Morgen - Tag - Abend

Dafür benötigen wir 2 Bits:

Beispiel mit digitaler Anzeige von vier Tageszeitwerten

Analog-Digital-Wandlung

Im allgemeinen Fall ist die Analog-Digital-Wandlung der Prozess der Umwandlung einer physikalischen Größe in einen digitalen Wert. Der digitale Wert ist ein Satz von Einheiten und Nullen, die von der Verarbeitungsvorrichtung wahrgenommen werden.

Eine solche Transformation ist für die Interaktion der digitalen Technologie mit der Umwelt notwendig.

Da das analoge elektrische Signal das Eingangssignal in seiner Form wiederholt, kann es nicht "wie es ist" digital aufgezeichnet werden, da es eine unendliche Anzahl von Werten hat. Ein Beispiel ist der Tonaufnahmevorgang. Es sieht in seiner ursprünglichen Form so aus:

Primärton

Es ist die Summe von Wellen mit unterschiedlichen Frequenzen. Was bei der Zerlegung in Frequenzen (für weitere Einzelheiten siehe Fourier-Transformationen) auf die eine oder andere Weise einem ähnlichen Bild näher gebracht werden kann:

Schallwelle

Versuchen Sie nun, es in Form eines Satzes vom Typ "111100101010100" zu präsentieren. Es ist ziemlich schwierig, nicht wahr?

Ein weiteres Beispiel für die Notwendigkeit, eine analoge Größe in eine digitale umzuwandeln, ist ihre Messung: Elektronische Thermometer, Voltmeter, Amperemeter und andere Messgeräte interagieren mit analogen Größen.



Wie läuft die Umstellung?

Schauen Sie sich zunächst das Diagramm einer typischen Umwandlung eines analogen Signals in ein digitales und umgekehrt an. Später werden wir zu ihr zurückkehren.

Analog-Digital-Wandlung

Tatsächlich ist dies ein komplexer Prozess, der aus zwei Hauptstufen besteht:

1. Diskretisierung des Signals.

2. Quantisierung nach Level.

Die Diskretisierung eines Signals ist die Bestimmung der Zeitintervalle, über die das Signal gemessen wird. Je kürzer diese Lücken sind, desto genauer ist die Messung. Die Abtastperiode (T) ist die Zeitspanne vom Beginn des Lesens der Daten bis zu ihrem Ende. Die Abtastrate (f) ist der Kehrwert von:

fd = 1 / T.

Nach dem Lesen des Signals wird es verarbeitet und gespeichert.

Es stellt sich heraus, dass sich während der Zeit, in der die Messwerte des Signals gelesen und verarbeitet werden, dieser ändern kann, wodurch der gemessene Wert verzerrt wird. Es gibt einen solchen Kotelnikov-Satz und daraus folgt die folgende Regel:

Die Abtastfrequenz sollte mindestens zweimal größer sein als die Frequenz des abgetasteten Signals.

Dies ist ein Screenshot aus Wikipedia mit einem Auszug aus dem Satz.

Kotelnikov-Theorem

Zur Bestimmung des numerischen Wertes ist eine Quantisierung nach Ebene erforderlich. Quantum ist ein bestimmter Bereich von Messwerten, gemittelt auf eine bestimmte Zahl reduziert.

X1 ... X2 = Xy

Das heißt, Signale von X1 bis X2, bedingt gleich einem bestimmten Wert von Xy. Dies ähnelt dem Teilungspreis eines Zeigermessers. Wenn Sie Messungen vornehmen, setzen Sie diese häufig mit der nächsten Markierung auf der Skala des Instruments gleich.

Je mehr Quanten, desto genauer die Messungen und desto mehr Dezimalstellen (Hundertstel, Tausendstel usw.) können sie bei der Quantisierung nach Ebene enthalten.

Genauer gesagt wird die Anzahl der Dezimalstellen eher durch die Auflösung des ADC bestimmt.

Pegelquantisierung

Das Bild zeigt den Prozess der Quantisierung eines Signals mit Hilfe eines Informationsbits, wie ich oben beschrieben habe, wenn ein bestimmter Grenzwert überschritten wird, wird ein hoher Pegelwert akzeptiert.

Rechts ist die Quantisierung des Signals und eine Aufzeichnung in Form von zwei Datenbits. Wie Sie sehen können, ist dieses Signalfragment bereits in vier Werte unterteilt. Es stellt sich heraus, dass ein glattes analoges Signal in ein digitales "Schrittsignal" umgewandelt wird.

Die Anzahl der Quantisierungsstufen wird durch die Formel bestimmt:

Anzahl der Quantisierungsstufen

Wobei n die Anzahl der Bits ist, ist N der Quantisierungspegel.

Hier ist ein Beispiel für ein Signal, das in eine größere Anzahl von Quanten unterteilt ist:

ADC-Quantisierung

Dies zeigt sehr deutlich, dass je öfter die Signalwerte genommen werden (je höher die Abtastfrequenz), desto genauer wird sie gemessen.

Umwandlung eines analogen Signals in ein digitales

Dieses Bild zeigt die Umwandlung eines analogen Signals in eine digitale Form. Links von der Ordinatenachse (vertikale Achse) befindet sich eine digitale 8-Bit-Aufzeichnung.


Analog-Digital-Wandler

Ein ADC oder ein Analog-Digital-Wandler kann als separates Gerät implementiert oder integriert werden Mikrocontroller.

Bisher enthielten Mikrocontroller, beispielsweise die MCS-51-Familie, keinen ADC, dafür wurde eine externe Mikroschaltung verwendet, und es wurde erforderlich, eine Unterroutine zum Verarbeiten der Werte eines externen IC zu schreiben.

Analoge Eingänge auf der Arduino-Karte

Jetzt sind sie in den meisten modernen Mikrocontrollern enthalten, zum Beispiel in AVR AtMEGA328, der Basis der beliebtesten Leiterplatte Arduinoist es in MK selbst eingebaut. In Arduino ist das Lesen analoger Daten mit dem Befehl AnalogRead () einfach. Obwohl der Mikroprozessor, der in demselben nicht weniger beliebten Raspberry PI installiert ist, ihn nicht hat, ist nicht alles so einfach.

Tatsächlich gibt es eine Vielzahl von Optionen für Analog-Digital-Wandler, von denen jeder seine eigenen Nachteile und Vorteile hat. Zu beschreiben, was in diesem Artikel nicht viel Sinn macht, da dies eine große Menge an Material ist. Betrachten Sie nur die allgemeine Struktur einiger von ihnen.

Die älteste patentierte ADC-Option ist Paul M. Raineys Patent "Facsimile Telegraph System", USA. Patent 1,608,527, eingereicht am 20. Juli 1921, erteilt am 30. November 1926. Dies ist ein 5-Bit-ADC mit direkter Konvertierung. Aus dem Namen des Patents geht hervor, dass die Verwendung dieses Geräts mit der Übertragung von Daten per Telegraph verbunden war.

Erster ADC

Wenn wir über moderne ADCs mit direkter Konvertierung sprechen, haben sie das folgende Schema:

ADC-Schaltung

Dies zeigt, dass die Eingabe eine Kette ist von Komparatorendie ihr Signal ausgeben, wenn sie ein Schwellensignal überschreiten. Dies ist Bittiefe und Quantisierung. Jeder, der auch nur ein wenig stark in Schaltkreisen war, sah diese offensichtliche Tatsache.

Wer nicht stark ist, dann funktioniert die Eingangsschaltung folgendermaßen:

Ein analoges Signal wird gleichzeitig in den Eingang „+“ eingegeben. Die Ausgänge mit der Bezeichnung „-“ erhalten die Referenzspannung, die mit einer Reihe von Widerständen (Widerstandsteiler) in mehrere Referenzspannungen zerlegt wird. Eine Serie für diese Kette sieht beispielsweise wie folgt aus:

Urefi = (1/16, 3/16, 5/16, 7/16, 9/16, 11/16, 13/16) * Uref

In Klammern gibt ein Komma an, welcher Teil der gesamten Referenzspannung Uref dem Eingang jeder Eingangsspannung zugeführt wird.

Das heißt, Jedes der Elemente hat zwei Eingänge, wenn die Eingangsspannung vorzeichenbehaftet ist «+» Überschreitet die Eingangsspannung mit einem "-" - Zeichen, erscheint am Ausgang eine logische Einheit. Wenn die Spannung am positiven (nicht invertierenden) Eingang geringer ist als am negativen (invertierenden) Eingang, ist der Ausgang Null.

Komparator

Die Spannung wird so geteilt, dass die Eingangsspannung in die gewünschte Anzahl von Stellen aufgeteilt wird. Wenn die Spannung am Eingang den Ausgang des entsprechenden Elements erreicht, erscheint ein Signal, die Verarbeitungsschaltung gibt das „richtige“ Signal in digitaler Form aus.

Ein solcher Komparator hat eine gute Datenverarbeitungsgeschwindigkeit, alle Elemente der Eingangsschaltung werden parallel ausgelöst, die Hauptverzögerung dieses ADC-Typs wird aus der Verzögerung 1 des Komparators gebildet (sie werden gleichzeitig gleichzeitig ausgelöst) und die Verzögerung ist ein Codierer.

Parallelschaltungen weisen jedoch einen großen Nachteil auf - dies erfordert eine große Anzahl von Komparatoren, um hochauflösende ADCs zu erhalten. Um beispielsweise 8 Ziffern zu erhalten, benötigen Sie 2 ^ 8 Komparatoren, und das sind bis zu 256 Teile. Für einen Zehn-Bit-Modus (übrigens in Arduino 10-Bit-ADC, jedoch von einem anderen Typ) benötigen Sie 1024 Komparatoren. Überzeugen Sie sich selbst, ob eine solche Behandlungsoption angemessen ist und wo sie erforderlich sein kann.

Es gibt andere Arten von ADCs:

  • aufeinanderfolgende Annäherung;

  • Delta Sigma ADC.

Fazit

Die Umwandlung eines analogen Signals in ein digitales Signal ist erforderlich, um Parameter von analogen Sensoren zu lesen. Es gibt einen separaten Typ von digitalen Sensoren, es handelt sich entweder um integrierte Schaltkreise, zum Beispiel DS18b20 - an seinem Ausgang befindet sich bereits ein digitales Signal und es kann von beliebigen Mikrocontrollern oder Mikroprozessoren ohne ADC oder einem analogen Sensor auf einer Karte verarbeitet werden, die bereits über einen eigenen Konverter verfügt. Jeder Sensortyp hat seine Vor- und Nachteile, wie z. B. Störfestigkeit und Messfehler.

Die Kenntnis der Konvertierungsprinzipien ist für jeden erforderlich, der mit Mikrocontrollern arbeitet, da nicht einmal in jedem modernen System solche Konverter eingebaut sind. Sie müssen externe Mikroschaltungen verwenden. Zum Beispiel können wir eine solche Karte zitieren, die speziell für den Raspberry PI GPIO-Anschluss mit Präzisions-ADC auf ADS1256 entwickelt wurde.

Siehe auch auf i.electricianexp.com:

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