Jak se převádí analogový signál na digitální

V elektronice se signály dělí na: analogový, diskrétní a digitální. Nejprve to, co cítíme, vidíme, slyšíme z velké části, je analogový signál a to, co počítačový procesor vidí, je digitální signál. Nezní to úplně jasně, pojďme se tedy vypořádat s těmito definicemi a s tím, jak je jeden typ signálu převeden na jiný.

Typy signálů

V elektrické reprezentaci je analogový signál, soudě podle jeho jména, analogem skutečné hodnoty. Například po celý život cítíte teplotu prostředí neustále. Nejsou žádné přestávky. Zároveň cítíte nejen dvě úrovně „horké“ a „studené“, ale nekonečné množství pocitů, které tuto hodnotu popisují.

Pro člověka může být „zima“ odlišná, je to podzimní chlad a zimní mráz a lehké mrazy, ale ne vždy „zima“ je negativní teplota, stejně jako „teplé“ není vždy pozitivní teplota.

Z toho vyplývá, že analogový signál má dvě vlastnosti:

1. Kontinuita v čase.

2. Počet hodnot signálu má sklon k nekonečnu, tzn Analogový signál nelze přesně rozdělit na části ani kalibrovat rozdělením stupnice na konkrétní části. Metody měření - na základě měrné jednotky a jejich přesnost závisí pouze na ceně dělení stupnice, čím menší je, tím přesnější je měření.

Diskrétní signály - jedná se o signály, které jsou posloupností hlášení nebo měření jakékoli velikosti. Měření takových signálů není kontinuální, ale periodické.

Pokusím se to vysvětlit. Pokud jste někde nainstalovali teploměr, měří analogovou hodnotu - to vyplývá z výše uvedeného. Ale vy, vlastně podle jeho svědectví, získáte diskrétní informace. Diskrétní znamená odděleně.

Například jste se probudili a zjistili jste, kolik stupňů měl teploměr, až se příště podíváte na teploměr v poledne a potřetí večer. Nevíte, jak rychle se teplota změnila, rovnoměrně nebo prudkým skokem, znáte pouze data v tom okamžiku, kdy jste pozorovali.

Digitální signály Je sada úrovní, typů 1 a 0, vysoká a nízká, ať již či nikoli. Hloubka odrazu informací v digitální podobě je omezena bitovou hloubkou digitálního zařízení (sada logiky, mikrokontroléru, procesoru atd.) Ukázalo se, že je ideální pro ukládání booleovských dat. Příklad: Pro ukládání dat, jako je „Den“ nebo „Noc“, stačí uvést jen 1 bit informací.

Kousek - jedná se o minimální hodnotu reprezentující informace v digitální podobě, lze uložit pouze dva typy hodnot: 1 (logická jednotka, vysoká úroveň) nebo 0 (logická nula, nízká úroveň).

V elektronice je bit informace reprezentován ve formě nízkého napětí (blízko 0) a vysokého napětí (v závislosti na konkrétním zařízení, často se kryje s napájecím napětím daného digitálního uzlu, typické hodnoty jsou 1,7, 3,3, 5 V, 15 V).

Všechny mezilehlé hodnoty mezi akceptovanou nízkou a vysokou úrovní jsou přechodovou oblastí a nemusí mít konkrétní hodnotu, v závislosti na obvodech, jak zařízení jako celek, tak vnitřní obvod mikrokontroléru (nebo jakékoli jiné digitální zařízení) mohou mít jinou úroveň přechodu, například po dobu 5 - logika napětí, hodnoty napětí od 0 do 0,8 V lze považovat za nulu a od 2 do 5 V jako jednotku, zatímco mezera mezi 0,8 a 2V je nedefinovaná zóna, ve skutečnosti pomáhá oddělit nulu od jednoty.

Přesnější a obsáhlejší hodnoty, které potřebujete uložit, čím více bitů potřebujete, dáváme příkladnou tabulku s digitálním zobrazením čtyř hodnot denní doby:

Noc - ráno - den - večer

K tomu potřebujeme 2 bity:

Převod z analogového na digitální

V obecném případě je převod z analogového na digitální proces přeměny fyzické veličiny na digitální hodnotu. Digitální hodnota je sada jednotek a nul vnímaných zpracovatelským zařízením.

Taková transformace je nezbytná pro interakci digitální technologie s prostředím.

Protože analogový elektrický signál opakuje vstupní signál ve své podobě, nelze jej digitálně zaznamenat „tak, jak je“, protože má nekonečný počet hodnot. Příkladem je proces nahrávání zvuku. Ve své původní podobě vypadá takto:

Je to součet vln s různými frekvencemi. Které, když se rozkládají na frekvencích (více viz viz Fourierovy transformace), mohou být tak či onak přiblíženy k podobnému obrázku:

Nyní to zkuste prezentovat ve formě sady typu „111100101010100“, je to docela obtížné, že?

Dalším příkladem potřeby převést analogovou veličinu na digitální je její měření: elektronické teploměry, voltmetry, ampérmetry a další měřicí zařízení interagují s analogovými veličinami.

Jak probíhá konverze?

Nejprve se podívejme na schéma typické přeměny analogového signálu na digitální a naopak. Později se k ní vrátíme.

Ve skutečnosti se jedná o složitý proces, který sestává ze dvou hlavních fází:

1. Diskretizace signálu.

2. Kvantování podle úrovně.

Diskrétizace signálu je určení časových intervalů, během nichž je signál měřen. Čím jsou tyto mezery kratší, tím přesnější je měření. Vzorkovací perioda (T) je doba od začátku čtení dat do jejího konce. Vzorkovací frekvence (f) je reciproční:

fd = 1 / T

Po přečtení signálu je zpracován a uložen do paměti.

Ukazuje se, že během doby, kdy jsou hodnoty signálu čteny a zpracovávány, se může měnit, takže je naměřená hodnota zkreslená. Existuje taková kotelnikovova věta az toho vyplývá následující pravidlo:

Vzorkovací frekvence by měla být alespoň dvakrát vyšší než frekvence vzorkovaného signálu.

Toto je snímek obrazovky z Wikipedie s výňatkem z věty.

K určení číselné hodnoty je nutná kvantizace podle úrovně. Kvant je určitý rozsah naměřených hodnot, zprůměrovaný na určitý počet.

X1 ... X2 = Xy

I.e. signály z X1 do X2, podmíněně se rovnají specifické hodnotě Xy. To se podobá divizní ceně ukazatele ukazatele. Když odečítáte, často je srovnáváte s nejbližší značkou na stupnici nástroje.

Takže s kvantizací podle úrovně, čím více kvanta, přesnější měření a více desetinná místa (stotiny, tisíciny atd.) Mohou obsahovat.

Přesněji řečeno, počet desetinných míst je pravděpodobnější určeno rozlišením ADC.

Obrázek ukazuje proces kvantování signálu pomocí jednoho kousku informace, jak jsem popsal výše, když je překročena určitá mez, je přijata hodnota vysoké úrovně.

Vpravo je kvantizace signálu a záznam ve formě dvou datových bitů. Jak vidíte, tento fragment signálu je již rozdělen do čtyř hodnot. Ukázalo se, že v důsledku toho se plynulý analogový signál změnil na digitální „krokový“ signál.

Počet kvantizačních úrovní je určen vzorcem:

Kde n je počet bitů, N je kvantizační úroveň.

Zde je příklad signálu rozděleného na větší počet quanta:

Odtud je velmi jasně vidět, že čím častěji jsou odebírány hodnoty signálu (čím vyšší je vzorkovací frekvence), tím přesněji se měří.

Tento obrázek ukazuje převod analogového signálu do digitální podoby a nalevo od osy svislé (svislá osa) je 8bitový digitální záznam.

Analogově digitální převodníky

ADC nebo analogově digitální převodník lze implementovat jako samostatné zařízení nebo do něj integrovat mikrokontrolér.

Dříve mikrokontroléry, například rodina MCS-51, neobsahovaly ADC, pro tento účel byl použit externí mikroobvod a pro zpracování hodnot externího IC bylo nutné napsat podprogram.

Nyní jsou ve většině moderních mikrokontrolérů, například AVR AtMEGA328, což je základ nejoblíbenějších Plošný spoj Arduino, je zabudován do samotného MK. V Arduinu je čtení analogových dat pomocí příkazu AnalogRead () jednoduché. Přestože mikroprocesor, který je nainstalován ve stejném neméně populárním Raspberry PI, jej nemá, takže ne všechno je tak jednoduché.

Ve skutečnosti existuje velké množství možností pro analogově-digitální převodníky, z nichž každý má své vlastní nevýhody a výhody. Popis, který v tomto článku nedává velký smysl, protože se jedná o velké množství materiálu. Zvažte pouze obecnou strukturu některých z nich.

Nejstarší patentovanou možností ADC je patent Paula M. Raineyho, „Facsimile Telegraph System“, USA Patent 1 608 527, podaný 20. července 1921, vydaný 30. listopadu 1926. Toto je 5bitová přímá konverze ADC. Z názvu patentu vycházejí myšlenky, že použití tohoto zařízení bylo spojeno s přenosem dat prostřednictvím telegrafu.

Pokud mluvíme o moderních ADCs přímé konverze, mají následující schéma:

To ukazuje, že vstup je řetěz od komparátorůkteré vydávají svůj signál, když překročí nějaký prahový signál. Toto je bitová hloubka a kvantizace. Tuto zjevnou skutečnost viděl kdokoli, i když jen trochu silný v obvodech.

Kdo není silný, pak vstupní obvod funguje takto:

Analogový signál vstupuje na vstup „+“ najednou. Výstupy s označením „-“ přijímají referenční napětí, které je rozloženo pomocí řady odporů (odporový dělič) na určitý počet referenčních napětí. Například řada pro tento řetězec vypadá jako tento poměr:

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

V závorkách čárka označuje, která část celkového referenčního napětí Uref je přiváděna na vstup každého vstupního napětí.

I.e. každý z prvků má při podpisu vstupního napětí dva vstupy «+» překročí vstupní napětí znakem „-“, na jeho výstupu se objeví logická jednotka. Pokud je napětí na kladném (neinvertujícím) vstupu menší než na záporném (invertujícím) vstupu, je výstup nulový.

Napětí je rozděleno tak, aby vstupní napětí bylo rozděleno na požadovaný počet číslic. Když napětí na vstupu dosáhne výstupu odpovídajícího prvku, objeví se signál, zpracovatelský obvod vyšle „správný“ signál v digitální podobě.

Takový komparátor je dobrý při rychlosti zpracování dat, všechny prvky vstupního obvodu jsou spouštěny paralelně, hlavní zpoždění tohoto typu ADC je tvořeno zpožděním 1 komparátoru (současně se spouští současně) a zpoždění je kodér.

Existuje však obrovská nevýhoda paralelních obvodů - to je potřeba velkého počtu komparátorů pro získání ADC s vysokým rozlišením. Chcete-li získat například 8 číslic, potřebujete 2 ^ 8 komparátorů, a to je až 256 kusů. Pro deset bitů (mimochodem v Arduino 10bitovém ADC, ale jiného typu) potřebujete 1024 komparátorů. Posuďte sami za vhodnost takové možnosti léčby a tam, kde to bude potřeba.

Existují další typy ADC:

• po sobě jdoucí aproximace;

• delta sigma ADC.

Závěr

Převod analogového signálu na digitální je nezbytný pro čtení parametrů z analogových senzorů. Existuje samostatný typ digitálních senzorů, jedná se buď o integrované obvody, například DS18b20 - na jeho výstupu je již digitální signál a lze jej zpracovat jakýmikoli mikrokontroléry nebo mikroprocesory bez potřeby ADC, nebo analogovým senzorem na desce, která již má svůj vlastní převodník. Každý typ senzoru má své klady a zápory, jako je odolnost proti šumu a chyba měření.

Znalost principů převodu je nutná pro každého, kdo pracuje s mikrokontroléry, protože ani každý moderní systém nemá vestavěný takový převodník, musíte použít externí mikroobvody. Můžeme například uvést takovou desku navrženou speciálně pro konektor Raspberry PI GPIO s přesným ADC na ADS1256.