Како се претвара аналогни сигнал у дигитални

У електроници се сигнали дијеле на: аналогне, дискретне и дигиталне. За почетак, све што осећамо, видимо, чујемо, углавном, је аналогни сигнал, а оно што рачунарски процесор види је дигитални сигнал. Не звучи баш јасно, па ћемо се позабавити овим дефиницијама и како се једна врста сигнала претвара у другу.

Типови сигнала

У електричном представљању, аналогни сигнал, судећи по његовом имену, аналог је стварне вредности. На пример, осећате температуру околине стално, током целог живота. Нема паузе. У исто време, осећате не само два нивоа „врућег“ и „хладног“, већ бесконачан број осећаја који описују ову вредност.

За особу, „хладно“ може бити различито, јесења хладноћа и зимски мраз, и лагани мрази, али није увек „хладно“ је негативна температура, баш као што „топло“ није увек позитивна температура.

Из тога слиједи да аналогни сигнал има двије карактеристике:

1. Континуитет у времену.

2. Број вредности сигнала тежи ка бесконачности, тј Аналогни сигнал се не може прецизно поделити на делове или калибрисати разбијањем скале на посебне секције. Методе мерења - темеље се на мерној јединици, а њихова тачност зависи само од цене поделе скале, што је мања, то је тачније мерење.

Дискретни сигнали - ово су сигнали који су низ извештаја или мерења било које величине. Мерења таквих сигнала нису континуирана, већ периодична.

Покушаћу да објасним. Ако сте негде уградили термометар, он мери аналогну вредност - ово следи из горе наведеног. Али ви, заправо пратећи његова сведочења, добијате дискретне информације. Дискретан значи одвојено.

На пример, пробудили сте се и сазнали степен степеног термометра, следећи пут кад сте га погледали на термометар, а трећи пут увече. Не знате колико се брзо равномерно мењала температура или оштрим скоком, податке знате у том тренутку које сте приметили.

Дигитални сигнали Да ли је скуп нивоа, типова 1 и 0, високих и ниских, без обзира да ли су или не. Дубина рефлексије информација у дигиталном облику ограничена је дубином бита дигиталног уређаја (скуп логике, микроконтролер, процесор итд.) Испада да је идеалан за чување логичких података. Пример, можемо навести следеће: за чување података као што су „Дан“ и „Ноћ“, довољан је 1 бит информација.

Бит - ово је минимална вредност представљања информација у дигиталном облику, она може сместити само две врсте вредности: 1 (логичка јединица, висок ниво) или 0 (логичка нула, низак ниво).

У електроници је мало информација представљено у облику ниског напонског нивоа (близу 0) и високог напона (зависно од одређеног уређаја, често се поклапа са напајањем одређеног дигиталног чвора, типичне вредности су 1,7, 3,3, 5В, 15В).

Све интермедијарне вредности између прихваћених ниских и високих нивоа су прелазна регија и можда немају одређену вредност, зависно од кола, и уређај у целини и унутрашњи круг микроконтролера (или било који други дигитални уређај) могу имати различит прелазни ниво, на пример, за 5 - логика напона, вредности напона од 0 до 0,8 В могу се узети као нула, а од 2 В до 5 В као јединица, док је јаз између 0,8 и 2 В неодређена зона, у ствари помаже у одвајању нуле од јединства.

Тачније и спремније вредности које требате да похраните, што више бита вам треба, дајемо пример табеле са дигиталним приказом четири вредности доба дана:

Ноћ - Јутро - Дан - Вече

За то су нам потребна 2 бита:

Аналогно дигиталној претворби

У општем случају, аналогно-дигитална конверзија је процес претварања физичке величине у дигиталну вредност. Дигитална вредност је скуп јединица и нула које перципира уређај за обраду.

Таква трансформација је неопходна за интеракцију дигиталне технологије са околином.

Пошто аналогни електрични сигнал понавља улазни сигнал у свом облику, он се не може дигитално снимити „какав јесте“, јер има бесконачан број вредности. Пример је поступак снимања звука. У свом изворном облику изгледа овако:

То је збир таласа са различитим фреквенцијама. Који се, разлагањем у фреквенцијама (за више детаља, погледајте Фоуриерове трансформације), на овај или онај начин, могу приближити сличној слици:

Сада покушајте да га представите у облику скупа типа "111100101010100", прилично је тешко, зар не

Други пример потребе да се аналогна количина претвара у дигиталну је њено мерење: електронски термометри, волтметри, амперметри и други мерни инструменти делују у интеракцији са аналогним количинама.

Како иде конверзија?

Прво погледајте дијаграм типичног претварања аналогног сигнала у дигитални и обрнуто. Касније ћемо се вратити њој.

У ствари, ово је сложен процес који се састоји од две главне фазе:

1. Дискретизација сигнала.

2. Квантизација по нивоима.

Дискретизација сигнала је одређивање временских интервала преко којих се сигнал мери. Што су ове празнине краће, то је мерење тачније. Период узорковања (Т) је дужина времена од почетка читања података до његовог краја. Брзина узорковања (ф) узајамна је за:

фд = 1 / Т

Након читања сигнала, он се обрађује и чува у меморији.

Испоставило се да се током времена очитавања и обраде очитања сигнала може мењати, тако да се измерена вредност изобличава. Постоји таква Котелниковова теорема и из ње следи следеће правило:

Учесталост узорковања треба да буде најмање 2 пута већа од фреквенције узоркованог сигнала.

Ово је снимак слике са Википедије, са одломком из теореме.

Да би се утврдила бројчана вредност, потребна је квантизација према нивоима. Квант је одређени распон измерених вредности, у просеку сведен на одређени број.

Кс1 ... Кс2 = Кси

И.е. сигнали од Кс1 до Кс2, условно једнаки специфичној вредности Кси. Ово подсећа на цене поделе показивача. Када узимате очитања, често их изједначавате са најближом оценом на скали инструмента.

Дакле, са квантизацијом према нивоу, што више кванта, тачније мерења и више децималних места (стотинке, хиљаде итд.) Могу да садрже.

Тачније, број децималних места прецизно је одређен резолуцијом АДЦ-а.

На слици је приказан процес квантизације сигнала коришћењем једног бита информација, као што сам горе описао, када се, када се прекорачи одређена граница, прихвати вредност високог нивоа.

Са десне стране је квантизација сигнала и запис у облику два бита података. Као што видите, овај фрагмент сигнала је већ подељен у четири вредности. Испоставило се да се као резултат, глатки аналогни сигнал претворио у дигитални "корак" сигнал.

Број нивоа квантизације одређује се формулом:

Где је н број битова, Н је ниво квантизације.

Ево примера сигнала разбијеног на већи број кванта:

То врло јасно показује да што се чешће узимају вредности сигнала (што је већа фреквенција узорковања), то се тачније мери.

Ова слика приказује претварање аналогног сигнала у дигитални облик, а лево од ординатне оси (вертикална ос) је 8-битни дигитални снимак.

Аналогни дигиталним претварачима

АДЦ или аналогно-дигитални претварач може се имплементирати као посебан уређај или бити интегрисан у њега микроконтролер.

Раније, микроконтролери, на пример, МЦС-51 породица, нису садржавали АДЦ, за то је коришћен спољни микро круг, и постало је неопходно да се напише подпрограм за обраду вредности спољног ИЦ-а.

Сада су у најсавременијим микроконтролерима, на пример АВР АтМЕГА328, што је основа најпопуларнијег плоча Ардуино, уграђена је у МК. У Ардуину је читање аналогних података једноставно помоћу команде АналогРеад (). Иако микропроцесор, који је инсталиран у исти не мање популарни Распберри ПИ, нема га, па није све тако једноставно.

У ствари, постоји велики број опција аналогно-дигиталних претварача, од којих свака има своје недостатке и предности. Описати што у овом чланку нема много смисла, јер је ово велика количина материјала. Размотрите само општу структуру неких од њих.

Најстарија патентирана опција АДЦ-а је Паул М. Раинеи-ов патент, „Фацсимиле Телеграпх Систем“, У.С. Патент 1,608,527, поднесен 20. јула 1921., издат 30. новембра 1926. Ово је 5-битни АДЦ директне конверзије. Из назива патента потичу мисли да је употреба овог уређаја била повезана са преносом података телеграфом.

Ако говоримо о савременој директној конверзији АДЦ-ови имају следећу шему:

То показује да је улаз ланац из компараторакоји емитују свој сигнал када пређу неки праг сигнала. Ово је битна дубина и квантизација. Свако, чак и мало јак у кругу, видео је ову очигледну чињеницу.

Ко није јак, тада улазни круг функционише на овај начин:

Аналогни сигнал улази у улаз „+“, и то све одједном. Излази с ознаком "-" примају референтни напон који се разлаже помоћу ланца отпорника (отпорнички раздјелник) у више референтних напона. На пример, серија за овај ланац изгледа овако:

Урефи = (1/16, 3/16, 5/16, 7/16, 9/16, 11/16, 13/16) * Уреф

У заградама зарез означава који део укупног референтног напона Уреф се даје на улаз сваког улазног напона.

И.е. сваки од елемената има два улаза када је улазни напон потписан «+» премашује улазни напон са знаком "-", на његовом се излазу појављује логичка јединица. Када је напон на позитивном (не инвертирајућем) улазу мањи него на негативном (инвертирајућем) улазу, тада је излаз нула.

Напон се дели тако да се улазни напон подели на жељени број цифара. Када напон на улазу достигне излаз одговарајућег елемента, појави се сигнал, процесни круг емитује "исправан" сигнал у дигиталном облику.

Такав компаратор је добар у брзини обраде података, сви елементи улазног круга се покрећу паралелно, главно кашњење ове врсте АДЦ настаје из кашњења 1 компаратора (они се истовремено активирају истовремено), а кашњење је кодер.

Међутим, постоји велики недостатак паралелних кола - то је потреба за великим бројем компаратора за добијање АДЦ-ова високе резолуције. Да бисте добили, на пример, 8 цифара, требате 2 ^ 8 компаратора, а то је чак 256 комада. За десет-битни (у Ардуину, 10-битни АДЦ, узгред, али другачијег типа), требате 1024 компаратора. Процијените прикладност такве могућности лијечења и тамо гдје је то можда потребно.

Постоје и друге врсте АДЦ-а:

• узастопна апроксимација;

• делта сигма АДЦ.

Закључак

Претварање аналогног сигнала у дигитални потребно је за читање параметара са аналогних сензора. Постоји засебна врста дигиталних сензора или су интегрисани склопови, на примјер ДС18б20 - на његовом излазу већ постоји дигитални сигнал и може га обрадити било који микроконтролер или микропроцесор без потребе за АДЦ-ом или аналогни сензор на плочи који већ има свој претварач. Свака врста сензора има своје предности и недостатке, попут отпорности на буку и грешке у мерењу.

Познавање принципа конверзије је обавезно за све који раде са микроконтролерима, јер ни у сваком модерном систему нису уграђени такви претварачи, морате користити спољне микро-склопове. На пример, можемо навести такву плочу дизајнирану специјално за Распберри ПИ ГПИО конектор са прецизношћу АДЦ на АДС1256.