Vejamos as principais questões que podem ser atribuídas ao princípio de operação dos conversores analógico-digitais (ADCs) de vários tipos. Contagem sequencial, balanceamento bit a bit - o que está escondido por trás dessas palavras? Qual é o princípio de funcionamento do microcontrolador ADC? Estas, bem como uma série de outras questões, consideraremos no âmbito do artigo. Dedicaremos as três primeiras partes à teoria geral e, a partir do quarto subtítulo, estudaremos o princípio de seu trabalho. Você pode conhecer os termos ADC e DAC em diversas literaturas. O princípio de operação desses dispositivos é um pouco diferente, portanto, não os confunda. Assim, o artigo irá considerar a conversão de sinais do formato analógico para o digital, enquanto o DAC funciona ao contrário.
Definição
Antes de considerar o princípio de funcionamento do ADC, vamos descobrir que tipo de dispositivo é. Conversores analógico-digitais são dispositivos que convertem uma quantidade física em uma representação numérica correspondente. Quase tudo pode atuar como parâmetro inicial - corrente, tensão, capacitância,resistência, ângulo do eixo, frequência de pulso e assim por diante. Mas para ter certeza, vamos trabalhar com apenas uma transformação. Este é o "código de tensão". A escolha deste formato de trabalho não é acidental. Afinal, o ADC (princípio de funcionamento deste dispositivo) e suas características dependem em grande parte de qual conceito de medição é usado. Isso é entendido como o processo de comparação de um determinado valor com um padrão previamente estabelecido.
Especificações ADC
Os principais são a profundidade de bits e a frequência de conversão. O primeiro é expresso em bits e o segundo em contagens por segundo. Os conversores analógico-digitais modernos podem ter 24 bits de largura ou até unidades GSPS. Observe que um ADC só pode fornecer uma de suas características por vez. Quanto maior o desempenho, mais difícil é trabalhar com o dispositivo e custa mais. Mas o benefício é que você pode obter os indicadores de profundidade de bits necessários sacrificando a velocidade do dispositivo.
tipos de ADC
O princípio de operação varia para diferentes grupos de dispositivos. Veremos os seguintes tipos:
- Com conversão direta.
- Com aproximação sucessiva.
- Com conversão paralela.
- Conversor A/D com balanceamento de carga (delta-sigma).
- Integrando ADCs.
Existem muitos outros tipos de pipeline e combinação que têm suas próprias características especiais com arquiteturas diferentes. Mas aquelesas amostras que serão consideradas no âmbito do artigo são de interesse pelo fato de desempenharem um papel indicativo em seu nicho de dispositivos dessa especificidade. Portanto, vamos estudar o princípio do ADC, bem como sua dependência do dispositivo físico.
Conversores A/D Diretos
Eles se tornaram muito populares nos anos 60 e 70 do século passado. Na forma de circuitos integrados, são produzidos desde os anos 80. Estes são dispositivos muito simples, até mesmo primitivos, que não podem se orgulhar de um desempenho significativo. Sua profundidade de bits geralmente é de 6 a 8 bits, e a velocidade raramente excede 1 GSPS.
O princípio de funcionamento deste tipo de ADC é o seguinte: as entradas positivas dos comparadores recebem simultaneamente um sinal de entrada. Uma tensão de uma certa magnitude é aplicada aos terminais negativos. E então o dispositivo determina seu modo de operação. Isso é feito com tensão de referência. Digamos que temos um dispositivo com 8 comparadores. Ao aplicar ½ tensão de referência, apenas 4 delas serão ligadas. O codificador de prioridade irá gerar um código binário, que será fixado pelo registrador de saída. Em relação às vantagens e desvantagens, podemos dizer que esse princípio de operação permite criar dispositivos de alta velocidade. Mas para obter a profundidade de bits necessária, você precisa suar muito.
A fórmula geral para o número de comparadores é assim: 2^N. Em N você precisa colocar o número de dígitos. O exemplo considerado anteriormente pode ser usado novamente: 2^3=8. No total, para obter a terceira categoria, é necessário8 comparadores. Este é o princípio de funcionamento dos ADCs, que foram criados primeiro. Não é muito conveniente, então outras arquiteturas apareceram mais tarde.
Conversores de aproximação sucessiva analógico-digital
Aqui o algoritmo de "ponderação" é usado. Em suma, os dispositivos que funcionam de acordo com essa técnica são simplesmente chamados de ADCs de contagem serial. O princípio de operação é o seguinte: o dispositivo mede o valor do sinal de entrada e, em seguida, é comparado com os números gerados de acordo com um determinado método:
- Define metade da tensão de referência possível.
- Se o sinal ultrapassou o valor limite do ponto 1, então ele é comparado com o número que fica no meio entre o valor restante. Então, no nosso caso será ¾ da tensão de referência. Se o sinal de referência não atingir este indicador, a comparação será realizada com a outra parte do intervalo de acordo com o mesmo princípio. Neste exemplo, isso é ¼ da tensão de referência.
- O passo 2 precisa ser repetido N vezes, o que nos dará N bits do resultado. Isso se deve ao número H de comparações.
Este princípio de funcionamento permite obter dispositivos com uma taxa de conversão relativamente alta, que são ADCs de aproximação sucessiva. O princípio de funcionamento, como você pode ver, é simples, e esses aparelhos são ótimos para diversas ocasiões.
Conversores analógico-digitais paralelos
Funcionam como dispositivos seriais. A fórmula de cálculo é (2 ^ H) -1. PorNo caso anterior, precisamos de comparadores (2^3)-1. Para operação, é usado um determinado conjunto desses dispositivos, cada um dos quais pode comparar a tensão de entrada e de referência individual. Os conversores analógico-digitais paralelos são dispositivos bastante rápidos. Mas o princípio de construção desses dispositivos é tal que é necessária uma potência significativa para suportar seu desempenho. Portanto, não é prático usá-los com bateria.
Conversor A/D balanceado bit a bit
Funciona de forma semelhante ao dispositivo anterior. Portanto, para explicar o funcionamento de um ADC de balanceamento bit a bit, o princípio de operação para iniciantes será considerado literalmente nos dedos. No coração desses dispositivos está o fenômeno da dicotomia. Em outras palavras, é realizada uma comparação consistente do valor medido com uma certa parte do valor máximo. Valores em ½, 1/8, 1/16 e assim por diante podem ser tomados. Portanto, o conversor analógico-digital pode concluir todo o processo em N iterações (etapas consecutivas). Além disso, H é igual à profundidade de bits do ADC (veja as fórmulas fornecidas anteriormente). Assim, temos um ganho significativo de tempo, se a velocidade da técnica for especialmente importante. Apesar de sua velocidade considerável, esses dispositivos também têm baixa precisão estática.
Conversores A/D com balanceamento de carga (delta-sigma)
Este é o tipo de dispositivo mais interessante, não menos importantegraças ao seu princípio de funcionamento. Está no fato de que a tensão de entrada é comparada com o que foi acumulado pelo integrador. Pulsos com polaridade negativa ou positiva são alimentados na entrada (tudo depende do resultado da operação anterior). Assim, podemos dizer que tal conversor analógico-digital é um sistema servo simples. Mas este é apenas um exemplo para comparação, para que você possa entender o que é um ADC delta-sigma. O princípio de funcionamento é sistêmico, mas para o funcionamento efetivo deste conversor analógico-digital não é suficiente. O resultado final é um fluxo interminável de 1s e 0s através do filtro passa-baixa digital. Uma certa sequência de bits é formada a partir deles. É feita uma distinção entre conversores ADC de primeira e segunda ordem.
Integrando conversores analógico-digitais
Este é o último caso especial que será considerado no artigo. A seguir, descreveremos o princípio de funcionamento desses dispositivos, mas em um nível geral. Este ADC é um conversor analógico-digital push-pull. Você pode encontrar um dispositivo semelhante em um multímetro digital. E isso não é surpreendente, porque eles fornecem alta precisão e, ao mesmo tempo, suprimem bem as interferências.
Agora vamos nos concentrar em como funciona. Está no fato de que o sinal de entrada carrega o capacitor por um tempo fixo. Via de regra, esse período é uma unidade da frequência da rede que alimenta o dispositivo (50 Hz ou 60 Hz). Também pode ser múltiplo. Assim, as altas frequências são suprimidas.interferência. Ao mesmo tempo, é nivelada a influência da tensão instável da fonte da rede elétrica de geração de eletricidade na precisão do resultado.
Quando o tempo de carga do conversor analógico-digital termina, o capacitor começa a descarregar a uma determinada taxa fixa. O contador interno do dispositivo conta o número de pulsos de clock que são gerados durante este processo. Assim, quanto maior o período de tempo, mais significativos são os indicadores.
ADC push-pull integração tem alta precisão e resolução. Devido a isso, além de uma estrutura de construção relativamente simples, eles são implementados como microcircuitos. A principal desvantagem deste princípio de operação é a dependência do indicador de rede. Lembre-se de que suas capacidades estão vinculadas ao período de frequência da fonte de alimentação.
É assim que funciona um ADC de dupla integração. O princípio de funcionamento deste dispositivo, embora seja bastante complicado, mas fornece indicadores de qualidade. Em alguns casos, isso é simplesmente necessário.
Escolha o APC com o princípio de funcionamento que precisamos
Digamos que temos uma certa tarefa pela frente. Que dispositivo escolher para que possa satisfazer todos os nossos pedidos? Primeiro, vamos falar sobre resolução e precisão. Muitas vezes eles estão confusos, embora na prática eles dependam muito pouco um do outro. Esteja ciente de que um conversor A/D de 12 bits pode ser menos preciso do que um conversor A/D de 8 bits. NaquiloNeste caso, a resolução é uma medida de quantos segmentos podem ser extraídos da faixa de entrada do sinal medido. Portanto, os ADCs de 8 bits têm 28=256 dessas unidades.
Precisão é o desvio total do resultado de conversão obtido em relação ao valor ideal, que deve estar em uma determinada tensão de entrada. Ou seja, o primeiro parâmetro caracteriza as potencialidades que o ADC possui, e o segundo mostra o que temos na prática. Portanto, um tipo mais simples (como conversores analógico-digitais diretos) pode ser adequado para nós, o que satisfará as necessidades devido à alta precisão.
Para ter uma ideia do que é necessário, primeiro você precisa calcular os parâmetros físicos e construir uma fórmula matemática para interação. Importantes neles são os erros estáticos e dinâmicos, pois ao usar vários componentes e princípios da construção de um dispositivo, eles afetarão suas características de diferentes maneiras. Informações mais detalhadas podem ser encontradas na documentação técnica oferecida pelo fabricante de cada dispositivo específico.
Exemplo
Vamos dar uma olhada no SC9711 ADC. O princípio de funcionamento deste dispositivo é complicado devido ao seu tamanho e capacidades. A propósito, falando deste último, deve-se notar que eles são verdadeiramente diversos. Assim, por exemplo, a frequência de operação possível varia de 10 Hz a 10 MHz. Em outras palavras, pode levar 10 milhões de amostras por segundo! E o dispositivo em si não é algo sólido, mastem uma estrutura de construção modular. Mas é usado, via de regra, em tecnologia complexa, onde é necessário trabalhar com um grande número de sinais.
Conclusão
Como você pode ver, os ADCs basicamente têm diferentes princípios de operação. Isso nos permite selecionar dispositivos que satisfaçam as necessidades que surgirem, além de nos permitir gerenciar nossos fundos disponíveis com sabedoria.
