Hogyan történik az analóg jel digitális konvertálása?

Az elektronikában a jeleket fel kell osztani: analóg, diszkrét és digitális. Először is: mindazt, amit nagyrészt analóg jelnek érzünk, látunk, hallunk, és amit a számítógépes processzor lát, az egy digitális jel. Nem hangzik egyértelműen, ezért foglalkozzunk ezekkel a meghatározásokkal és azzal, hogy az egyik típusú jelt hogyan alakítják át egy másikmá.

Jel típusok

Elektromos ábrázolásnál egy analóg jel, a neve alapján ítélve, egy valós érték analógja. Például egész életed alatt folyamatosan érezte a környezeti hőmérsékletet. Nincsenek szünetek. Ugyanakkor nemcsak a „forró” és a „hideg” két szintjét érzi, hanem végtelen számú érzést is, amely ezt az értéket írja le.

Egy ember számára a „hideg” eltérő lehet, ez őszi hideg és téli fagy, valamint enyhe fagy, de a „hideg” nem mindig negatív hőmérsékletet jelent, ugyanúgy, mint a „meleg” nem mindig pozitív hőmérséklet.

Ebből következik, hogy az analóg jelnek két jellemzője van:

1. Időbeli folytonosság.

2. A jelértékek száma végtelenné válik, azaz Az analóg jel nem osztható pontosan részekre és nem kalibrálható a skála meghatározott szakaszokra tört felbontásával. Mérési módszerek - a mértékegységen alapulnak, és pontosságuk csak a skála megosztásának árától függ, minél kisebb, annál pontosabb a mérés.

Diszkrét jelek - ezek olyan jelek, amelyek bármilyen nagyságrendű jelentések vagy mérések sorozatát képezik. Az ilyen jelek mérése nem folyamatos, hanem periodikus.

Megpróbálom magyarázni. Ha valahol hőmérőt telepített, akkor az analóg értéket mér - ez a fentiekből következik. De valójában az ő bizonyságait követve, diszkrét információkat kap. A diszkrét külön jelent.

Például felébredt, és rájött, hogy hány fok van a hőmérőben, amikor legközelebb délre egy hőmérőre nézett, és este harmadik alkalommal. Nem tudja, hogy a hőmérséklet milyen gyorsan, egyenletesen vagy egy ugrásszerűen megváltozott, csak azon a pillanatban ismeri az adatokat, amelyet megfigyelt.

Digitális jelek Szintkészlet, 1. és 0. típusú, magas és alacsony, függetlenül attól, hogy van-e. Az információk digitális formában történő tükröződésének mélységét korlátozza a digitális eszköz (logika, mikrovezérlő, processzor stb.) Bitmélysége. Kiderült, hogy ideális a logikai adatok tárolására. Példaként megemlíthetjük az alábbiakat, például „Nap” és „Éjszaka” adatok tárolására 1 bit információ elegendő.

bit - ez a minimális információmennyiség digitális formában, csak kétféle értéket képes tárolni: 1 (logikai egység, magas szint) vagy 0 (logikai nulla, alacsony szint).

Az elektronikában egy kicsit az információ alacsony feszültségszint (0-hoz közeli) és magasfeszültségszint (ez egy adott készüléktől függ, gyakran egybeesik egy adott digitális csomópont tápfeszültségével, tipikus értékek 1,7, 3,3. 5 V, 15 V).

Az elfogadott alacsony és magas szintek közötti összes közbenső érték átmeneti régió, és az áramkörtől függően lehet, hogy nincs meghatározott értéke, mind az eszköz egészének, mind a mikrovezérlő (vagy bármely más digitális eszköz) belső áramkörének eltérő átmeneti szintje lehet, például 5 -volta logika, a 0 és 0,8 V közötti feszültség értéke nullának és 2 V és 5 V közötti egységnek tekinthető, míg a 0,8 és 2 V közötti távolság egy meghatározatlan zóna, sőt, ez segíti a nulla elválasztását az egységtől.

Minél pontosabb és teljesebb értékeket kell tárolnia, annál több bitre van szüksége, példa táblázatot adunk digitális kijelzővel, amely a napszak négy értékét tartalmazza:

Éjszaka - Reggel - Nap - este

Ehhez 2 bitre van szükség:

Analóg és digitális átalakítás

Általános esetben az analóg-digitális átalakítás a fizikai mennyiség digitális értékké konvertálásának folyamata. A digitális érték a feldolgozó eszköz által érzékelt egységek és nullák halmaza.

Egy ilyen átalakulás szükséges a digitális technológia és a környezet közötti kölcsönhatáshoz.

Mivel az analóg elektromos jel formájában megismétli a bemeneti jelet, digitálisan nem rögzíthető úgy, ahogy van, mert végtelen számú értékkel rendelkezik. Példa erre a hangfelvétel folyamata. Eredeti formájában így néz ki:

Ez a különböző frekvenciájú hullámok összege. Melyeket a frekvenciák lebontásakor (részletesebben lásd a Fourier-transzformációkat), úgy vagy úgy, közelebb hozhatjuk a hasonló képhez:

Most próbáld meg bemutatni egy „111100101010100” típusú készlet formájában, ez meglehetősen nehéz, nemde?

Egy másik példa arra, hogy az analóg mennyiséget digitálissá kell konvertálni, a mérése: az elektronikus hőmérők, voltmérők, ampermérők és más mérőműszerek kölcsönhatásba lépnek az analóg mennyiségekkel.

Hogyan megy az átalakulás?

Először nézze meg az analóg jel digitális átalakításának diagramját és fordítva. Később visszatérünk hozzá.

Valójában ez egy összetett folyamat, amely két fő szakaszból áll:

1. A jel diszkretizálása.

2. Szintekenkénti mennyiségi meghatározás.

A jel diszkretizálása a jel mérésének időintervallumainak meghatározása. Minél rövidebbek ezek a rések, annál pontosabb a mérés. A mintavételi időszak (T) az az idő, amely az adatok leolvasásának kezdetétől a végéig tart. Az f) mintavételi arány a következők viszonya:

fd = 1 / T

A jel elolvasása után feldolgozza és tárolja a memóriában.

Kiderült, hogy a jel leolvasása és feldolgozása alatt ez változhat, tehát a mért érték torzul. Létezik egy ilyen Kotelnikov tétel, és ebből következik a következő szabály:

A mintavételi frekvenciának legalább kétszer nagyobbnak kell lennie, mint a mintavételi jel frekvenciájának.

Ez egy képernyőkép a Wikipedia-ból, egy részlet a tételből.

A numerikus érték meghatározásához szükséges a szint szerinti kvantálás. A kvantum a mért értékek egy bizonyos tartománya, átlagolva egy bizonyos számra.

X1 ... X2 = Xy

Ie jelek X1-től X2-ig, feltételesen megegyezve az Xy specifikus értékével. Ez hasonlít a mutató megosztási árára. A leolvasások elvégzésekor azokat gyakran a műszer skálájának legközelebbi pontjához hasonlítja.

Tehát szintű kvantálással tehát minél több kvantát, pontosabb mérést és több tizedesjegyet (századok, ezrek és így tovább) tartalmazhatnak.

Pontosabban, a tizedesjegyek számát inkább az ADC felbontása határozza meg.

A kép a jel kvantálásának folyamatát mutatja egy bit információ felhasználásával, amint azt fentebb leírtam, amikor egy bizonyos határ túllépésekor egy magas szintű értéket fogadnak el.

Jobb oldalon a jel kvantálása és egy adat két bit formájában. Mint láthatja, ez a jelfragmens már négy értékre oszlik. Kiderült, hogy ennek eredményeként a sima analóg jel digitális "lépés" jellé alakult.

A kvantálási szintek számát a következő képlet határozza meg:

Ahol n a bitszám, N a kvantálási szint.

Íme egy példa egy jelre, amely nagyobb számú kvantumra oszlik meg:

Ez egyértelműen azt mutatja, hogy minél gyakrabban veszik a jelértékeket (minél nagyobb a mintavételi frekvencia), annál pontosabban mérik.

Ez a kép egy analóg jel digitális formává történő átalakítását mutatja, és az ordinát tengelytől balra (függőleges tengely) egy 8 bites digitális felvétel.

Analóg digitális konverterekhez

Az ADC vagy az analóg-digitális átalakító külön eszközként valósítható meg, vagy integrálható mikrokontroller.

Korábban a mikrokontrollerek, például az MCS-51 család nem tartalmaztak ADC-t, ehhez külső mikroáramkört használtunk, és szükségessé vált egy alprogram kidolgozása a külső IC értékeinek feldolgozására.

Most a legmodernebb mikrokontrollerekben vannak, például az AVR AtMEGA328, amely a legnépszerűbb alapja Arduino áramköri lap, magába az MK-ba épül be. Arduinóban az analóg adatok olvasása egyszerű az AnalogRead () paranccsal. Ugyanebben a nem kevésbé népszerű Raspberry PI-be telepített mikroprocesszornak még nincs, így nem minden olyan egyszerű.

Valójában számos lehetőség van az analóg-digitális konverterekhez, amelyek mindegyikének megvannak a saját hátrányai és előnyei. Annak leírása, melynek a cikkben nincs értelme, mivel ez nagy mennyiségű anyag. Csak néhányuk általános szerkezetét vegye figyelembe.

A legrégebben szabadalmaztatott ADC opció Paul M. Rainey szabadalma, az Egyesült Államok „Facsimile Telegraph System”. Az 1 608 527 számú szabadalom, benyújtva 1921. július 20-án, kiadva 1926. november 30-án. Ez egy 5 bites közvetlen átalakítási ADC. A szabadalom nevéből az a gondolat származik, hogy ennek az eszköznek a használata távírással történő adatátvitelhez kapcsolódott.

Ha a közvetlen átalakítás modern ADC-jeiről beszélünk, akkor a következő sémával rendelkeznek:

Ez azt mutatja, hogy a bemenet egy lánc összehasonlítóktólamelyek kimenetet adnak, amikor átlépnek valamilyen küszöbjelet. Ez a bitmélység és a kvantálás. Bárki, még egy kicsit erős áramkörben is, látta ezt a nyilvánvaló tényt.

Aki nem erős, akkor a bemeneti áramkör így működik:

Analóg jel kerül bevitelre a „+” bemenetre, egyszerre. A „-” jelöléssel ellátott kimenetek megkapják a referenciafeszültséget, amelyet ellenállások lánca (ellenállásos osztó) segítségével felosztanak számos referenciafeszültségre. Például a lánc sorozata úgy néz ki, mint ez az arány:

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

A zárójelben vessző jelzi az Uref teljes referenciafeszültségének mekkora részét az egyes bemeneti feszültségek bemenetére.

Ie mindegyik elemnek két bemenete van, amikor a bemeneti feszültség alá van írva «+» meghaladja a bemeneti feszültséget egy "-" jellel, egy kimeneten logikai egység jelenik meg. Ha a pozitív (nem invertáló) bemenet feszültsége alacsonyabb, mint a negatív (invertáló) bemenetnél, akkor a kimenet nulla.

A feszültséget úgy osztjuk meg, hogy a bemeneti feszültség a kívánt számjegyre oszlik. Amikor a bemeneti feszültség eléri a megfelelő elem kimenetet, egy jel jelenik meg, a feldolgozó áramkör digitális formában adja ki a „helyes” jelet.

Egy ilyen komparátor jó az adatfeldolgozási sebességnél, a bemeneti áramkör összes elemét párhuzamosan indítják el, az ilyen típusú ADC fő késleltetését 1 komparátor késleltetéséből adják (ezek egyszerre indulnak el egyidejűleg) és a késleltetés kódoló.

A párhuzamos áramköröknek azonban óriási hátránya van - ehhez nagyszámú összehasonlító szükséges nagy felbontású ADC-k előállításához. Ahhoz, hogy például 8 számjegyet kapjon, 2 ^ 8 összehasonlítóra van szüksége, ez 256 darab. Egy tíz bites (az Arduino 10 bites ADC-jében egyébként, de más típusú) 1024 összehasonlítóra van szüksége. Döntse el magadnak egy ilyen kezelési lehetőség megfelelőségét, és ahol ez szüksége lehet.

Vannak más típusú ADC-k is:

• egymást követő közelítés;

• delta szigma ADC.

következtetés

Az analóg jel digitális konvertálásához elengedhetetlen a paraméterek analóg érzékelőkből történő leolvasása. Van egy különféle típusú digitális érzékelő, vagy integrált áramkörök, például DS18b20 - a kimenetén már van digitális jel, és bármilyen mikrokontroller vagy mikroprocesszor feldolgozható anélkül, hogy szükség lenne ADC-re, vagy egy analóg érzékelő lenne a táblán, amely már rendelkezik saját konverterrel. Minden típusú érzékelőnek megvannak az előnyei és hátrányai, mint például a zajmentesség és a mérési hiba.

Az átalakítás alapelveinek ismerete mindenki számára kötelező, aki mikrovezérlőkkel dolgozik, mivel még minden modern rendszerben sem vannak ilyen beépített átalakítók, akkor külső mikroáramkört kell használni. Például hivatkozhatunk egy olyan táblára, amelyet kifejezetten a Raspberry PI GPIO csatlakozóhoz terveztek, az ADS1256 pontosságú ADC-vel.