¿Cómo se realiza la conversión de la señal analógica a digital?

En electrónica, las señales se dividen en: analógicas, discretas y digitales. Para empezar, todo lo que sentimos, vemos, oímos, en su mayor parte, es una señal analógica, y lo que ve un procesador de computadora es una señal digital. No parece muy claro, así que tratemos con estas definiciones y cómo un tipo de señal se convierte en otro.

Tipos de señal

En la representación eléctrica, una señal analógica, a juzgar por su nombre, es un análogo de un valor real. Por ejemplo, siente la temperatura del ambiente constantemente, a lo largo de su vida. No hay descansos Al mismo tiempo, siente no solo dos niveles de "calor" y "frío", sino un número infinito de sensaciones que describen este valor.

Para una persona, el "frío" puede ser diferente, es el frío del otoño y las heladas del invierno, y las heladas ligeras, pero no siempre el "frío" es una temperatura negativa, al igual que el "cálido" no siempre es una temperatura positiva.

Se deduce que la señal analógica tiene dos características:

1. Continuidad en el tiempo.

2. El número de valores de señal tiende a infinito, es decir Una señal analógica no puede dividirse con precisión en partes o calibrarse dividiendo la escala en secciones específicas. Métodos de medición: basados ​​en la unidad de medida, y su precisión depende solo del precio de la división de la escala, cuanto más pequeña sea, más precisa será la medición.

Señales discretas - estas son señales que son una secuencia de informes o mediciones de cualquier magnitud. Las mediciones de tales señales no son continuas, sino periódicas.

Trataré de explicarlo. Si instaló un termómetro en alguna parte, mide un valor analógico; esto se deduce de lo anterior. Pero usted, en realidad siguiendo sus testimonios, obtiene información discreta. Discreto significa separado.

Por ejemplo, te despertaste y descubriste cuántos grados tenía el termómetro, la próxima vez que lo miraste en un termómetro al mediodía y la tercera vez en la noche. No sabe qué tan rápido cambió la temperatura, de manera uniforme o por un salto brusco, solo conoce los datos en ese momento que observó.

Señales digitales - Este es un conjunto de niveles, tipos 1 y 0, alto y bajo, estén o no. La profundidad de reflexión de la información en forma digital está limitada por la profundidad de bits de un dispositivo digital (un conjunto de lógica, un microcontrolador, procesador, etc.) Resulta que es ideal para almacenar datos booleanos. Un ejemplo, puede dar lo siguiente, para almacenar datos como "Día" y "Noche", solo 1 bit de información es suficiente.

Poco - este es el valor mínimo para representar información en forma digital, solo puede almacenar dos tipos de valores: 1 (unidad lógica, nivel alto) o 0 (cero lógico, nivel bajo).

En electrónica, un poco de información se representa en forma de un nivel de bajo voltaje (cercano a 0) y un alto nivel de voltaje (dependiendo de un dispositivo en particular, a menudo coincide con el voltaje de suministro de un nodo digital dado, los valores típicos son 1.7, 3.3. 5V, 15V).

Todos los valores intermedios entre los niveles bajos y altos aceptados son una región de transición y pueden no tener un valor específico, dependiendo del circuito, tanto el dispositivo como un todo y el circuito interno del microcontrolador (o cualquier otro dispositivo digital) pueden tener un nivel de transición diferente, por ejemplo, para 5 -lógica de voltios, los valores de voltaje de 0 a 0.8V pueden tomarse como cero, y de 2V a 5V como una unidad, mientras que la brecha entre 0.8 y 2V es una zona indefinida, de hecho, ayuda a separar el cero de la unidad.

Cuantos más valores precisos y de gran capacidad necesite almacenar, más bits necesitará, le daremos una tabla de ejemplo con una pantalla digital de cuatro valores de la hora del día:

Noche - Mañana - Día - Noche

Para esto, necesitamos 2 bits:

Conversión analógica a digital

En el caso general, la conversión de analógico a digital es el proceso de convertir una cantidad física en un valor digital. El valor digital es un conjunto de unidades y ceros percibidos por el dispositivo de procesamiento.

Tal transformación es necesaria para la interacción de la tecnología digital con el medio ambiente.

Dado que la señal eléctrica analógica repite la señal de entrada en su forma, no se puede grabar digitalmente "como está" porque tiene un número infinito de valores. Un ejemplo es el proceso de grabación de sonido. Se ve así en su forma original:

Es la suma de ondas con diferentes frecuencias. Que, al descomponerse en frecuencias (para más detalles, ver transformadas de Fourier), de una forma u otra, puede acercarse a una imagen similar:

Ahora intenta presentar esto en forma de un conjunto del tipo "111100101010100", es bastante difícil, ¿no?

Otro ejemplo de la necesidad de convertir una cantidad analógica en una digital es su medición: los termómetros electrónicos, voltímetros, amperímetros y otros dispositivos de medición interactúan con cantidades analógicas.

¿Cómo va la conversión?

Primero, mire el diagrama de una conversión típica de una señal analógica a digital y viceversa. Más tarde volveremos a ella.

De hecho, este es un proceso complejo, que consta de dos etapas principales:

1. Discretización de la señal.

2. Cuantización por nivel.

La discreción de una señal es la determinación de los intervalos de tiempo durante los cuales se mide la señal. Cuanto más cortas sean estas brechas, más precisa será la medición. El período de muestreo (T) es el período de tiempo desde el comienzo de la lectura de datos hasta su final. La tasa de muestreo (f) es el recíproco de:

fd = 1 / T

Después de leer la señal, se procesa y se almacena en la memoria.

Resulta que durante el tiempo que las lecturas de la señal se leen y procesan, puede cambiar, por lo tanto, el valor medido se distorsiona. Existe un teorema de Kotelnikov y la siguiente regla se deduce de él:

La frecuencia de muestreo debe ser al menos 2 veces mayor que la frecuencia de la señal muestreada.

Esta es una captura de pantalla de Wikipedia, con un extracto del teorema.

Para determinar el valor numérico, es necesaria la cuantización por nivel. Quantum es un cierto rango de valores medidos, promediado reducido a un cierto número.

X1 ... X2 = Xy

Es decir señales de X1 a X2, condicionalmente equiparadas a un valor específico de Xy. Esto se asemeja al precio de división de un medidor de puntero. Cuando toma lecturas, a menudo las compara con la marca más cercana en la escala del instrumento.

Entonces, con la cuantización por nivel, cuantos más cuantos, más medidas precisas y más decimales (centésimas, milésimas, etc.) pueden contener.

Más precisamente, el número de lugares decimales está más probablemente determinado por la resolución del ADC.

La imagen muestra el proceso de cuantización de una señal con la ayuda de un bit de información, como describí anteriormente, cuando cuando se excede un cierto límite, se acepta un valor de alto nivel.

A la derecha está la cuantización de la señal y un registro en forma de dos bits de datos. Como puede ver, este fragmento de señal ya está dividido en cuatro valores. Resulta que como resultado, una señal analógica suave se convirtió en una señal digital de "paso".

El número de niveles de cuantificación está determinado por la fórmula:

Donde n es el número de bits, N es el nivel de cuantificación.

Aquí hay un ejemplo de una señal dividida en un mayor número de cuantos:

Esto muestra claramente que cuanto más a menudo se toman los valores de la señal (cuanto mayor es la frecuencia de muestreo), más exactamente se mide.

Esta imagen muestra la conversión de una señal analógica en una forma digital, y a la izquierda del eje de ordenadas (eje vertical) hay una grabación digital de 8 bits.

Convertidores analógicos a digitales

Un ADC o un convertidor analógico a digital puede implementarse como un dispositivo separado o integrarse en microcontrolador.

Anteriormente, los microcontroladores, por ejemplo, la familia MCS-51, no contenían un ADC, se utilizó un microcircuito externo para esto, y se hizo necesario escribir una subrutina para procesar los valores de un IC externo.

Ahora están en la mayoría de los microcontroladores modernos, por ejemplo AVR AtMEGA328, que es la base de los más populares. placa de circuito Arduino, está integrado en el propio MK. En Arduino, leer datos analógicos es simple con el comando AnalogRead (). Aunque el microprocesador, que está instalado en el mismo Raspberry PI no menos popular, no lo tiene, no todo es tan simple.

De hecho, hay una gran cantidad de opciones para los convertidores analógico a digital, cada uno de los cuales tiene sus propias desventajas y ventajas. Describir qué dentro de este artículo no tiene mucho sentido, ya que se trata de una gran cantidad de material. Considere solo la estructura general de algunos de ellos.

La opción ADC patentada más antigua es la patente de Paul M. Rainey, "Facsimile Telegraph System", Estados Unidos. Patente 1.608.527, presentada el 20 de julio de 1921, emitida el 30 de noviembre de 1926. Este es un ADC de conversión directa de 5 bits. Del nombre de la patente, se piensa que el uso de este dispositivo estaba relacionado con la transmisión de datos por telégrafo.

Si hablamos de ADC modernos de conversión directa, tienen el siguiente esquema:

Esto muestra que la entrada es una cadena de comparadoresque emiten su señal cuando cruzan alguna señal de umbral. Esto es profundidad de bits y cuantización. Cualquiera, incluso un poco fuerte en circuitos, vio este hecho obvio.

Quien no es fuerte, entonces el circuito de entrada funciona de esta manera:

Se ingresa una señal analógica a la entrada "+", todo a la vez. Las salidas con la designación "-" reciben el voltaje de referencia, que se descompone usando una serie de resistencias (divisor resistivo) en varios voltajes de referencia. Por ejemplo, una serie para esta cadena se ve así:

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

Entre paréntesis, una coma indica qué parte del voltaje de referencia total Uref se suministra a la entrada de cada voltaje de entrada.

Es decir cada uno de los elementos tiene dos entradas cuando el voltaje de entrada está firmado «+» excede el voltaje de entrada con un signo "-", una unidad lógica aparece en su salida. Cuando el voltaje en la entrada positiva (no inversora) es menor que en la entrada negativa (inversora), la salida es cero.

El voltaje se divide de modo que el voltaje de entrada se divide en el número deseado de dígitos. Cuando el voltaje en la entrada alcanza la salida del elemento correspondiente, aparece una señal, el circuito de procesamiento emite la señal "correcta" en forma digital.

Tal comparador es bueno a la velocidad de procesamiento de datos, todos los elementos del circuito de entrada se disparan en paralelo, el retraso principal de este tipo de ADC se forma a partir del retraso de 1 comparador (se disparan simultáneamente simultáneamente) y el retraso es codificador.

Sin embargo, existe un gran inconveniente en los circuitos paralelos: esta es la necesidad de una gran cantidad de comparadores para obtener ADC de alta resolución. Para obtener, por ejemplo, 8 dígitos, necesita 2 ^ 8 comparadores, y esto es hasta 256 piezas. Para un ADC de diez bits (en el ADC de 10 bits de Arduino, por cierto, pero de un tipo diferente), necesita 1024 comparadores. Juzgue usted mismo la idoneidad de tal opción de tratamiento y dónde puede ser necesaria.

Existen otros tipos de ADC:

• aproximación consecutiva;

• Delta sigma ADC.

Conclusión

La conversión de una señal analógica a digital es necesaria para leer los parámetros de los sensores analógicos. Hay un tipo separado de sensores digitales, ya sean circuitos integrados, por ejemplo DS18b20: en su salida ya hay una señal digital y puede ser procesada por cualquier microcontrolador o microprocesador sin la necesidad de un ADC o un sensor analógico en una placa que ya tiene su propio convertidor. Cada tipo de sensor tiene sus propios pros y contras, como la inmunidad al ruido y el error de medición.

El conocimiento de los principios de conversión es necesario para todos los que trabajan con microcontroladores, ya que ni siquiera todos los sistemas modernos tienen convertidores integrados, debe utilizar microcircuitos externos. Por ejemplo, podemos citar una placa diseñada específicamente para el conector Raspberry PI GPIO, con un ADC de precisión en el ADS1256.