Comment la conversion du signal analogique en numérique

En électronique, les signaux sont divisés en: analogique, discret et numérique. Pour commencer, tout ce que nous ressentons, voyons, entendons, pour la plupart, est un signal analogique, et ce qu'un processeur informatique voit est un signal numérique. Cela ne semble pas très clair, alors examinons ces définitions et la façon dont un type de signal est converti en un autre.

Types de signaux

En représentation électrique, un signal analogique, à en juger par son nom, est un analogue d'une valeur réelle. Par exemple, vous ressentez la température de l'environnement en permanence, tout au long de votre vie. Il n'y a pas de pause. En même temps, vous ressentez non seulement deux niveaux de «chaud» et de «froid», mais un nombre infini de sensations qui décrivent cette valeur.

Pour une personne, le «froid» peut être différent, c'est la fraîcheur d'automne et le gel d'hiver, et les gelées légères, mais pas toujours le «froid» est une température négative, tout comme le «chaud» n'est pas toujours une température positive.

Il s'ensuit que le signal analogique présente deux caractéristiques:

1. Continuité dans le temps.

2. Le nombre de valeurs de signal tend vers l'infini, c'est-à-dire Un signal analogique ne peut pas être précisément divisé en parties ou étalonné en divisant l'échelle en sections spécifiques. Méthodes de mesure - basées sur l'unité de mesure, et leur précision ne dépend que du prix de division de l'échelle, plus elle est petite, plus la mesure est précise.

Signaux discrets - ce sont des signaux qui sont une séquence de rapports ou de mesures de toute ampleur. Les mesures de ces signaux ne sont pas continues, mais périodiques.

Je vais essayer d'expliquer. Si vous avez installé un thermomètre quelque part, il mesure une valeur analogique - cela découle de ce qui précède. Mais vous, à la suite de ses témoignages, obtenez des informations discrètes. Discret signifie séparé.

Par exemple, vous vous êtes réveillé et avez découvert combien de degrés le thermomètre avait, la prochaine fois que vous l'avez regardé à midi à un thermomètre et la troisième fois le soir. Vous ne savez pas à quelle vitesse la température a changé, uniformément, ou par un saut brusque, vous ne connaissez que les données à ce moment-là que vous avez observé.

Signaux numériques Est un ensemble de niveaux, types 1 et 0, haut et bas, qu'ils soient ou non. La profondeur de réflexion des informations sous forme numérique est limitée par la profondeur de bits d'un appareil numérique (un ensemble de logique, un microcontrôleur, un processeur, etc.). Il s'avère qu'il est idéal pour stocker des données booléennes. Un exemple, nous pouvons citer ce qui suit, pour stocker des données telles que «Jour» et «Nuit», 1 bit d'information est suffisant.

Bit - c'est le minimum d'informations sous forme numérique, il ne peut stocker que deux types de valeurs: 1 (unité logique, niveau haut), ou 0 (zéro logique, niveau bas).

En électronique, un peu d'informations est représenté sous la forme d'un niveau de basse tension (proche de 0) et d'un niveau de haute tension (cela dépend d'un appareil particulier, coïncide souvent avec la tension d'alimentation d'un nœud numérique donné, les valeurs typiques sont 1,7, 3,3, 5V, 15V).

Toutes les valeurs intermédiaires entre les niveaux bas et haut acceptés sont une région de transition et peuvent ne pas avoir de valeur spécifique, selon le circuit, à la fois l'appareil dans son ensemble et le circuit interne du microcontrôleur (ou tout autre appareil numérique) peuvent avoir un niveau de transition différent, par exemple, pour 5 -volt logique, les valeurs de tension de 0 à 0,8V peuvent être prises comme nulles, et de 2V à 5V comme une unité, tandis que l'écart entre 0,8 et 2V est une zone indéfinie, en fait, cela aide à séparer le zéro de l'unité.

Plus vous devez stocker de valeurs précises et volumineuses, plus vous avez besoin de bits, nous donnons un exemple de tableau avec un affichage numérique de quatre valeurs de l'heure:

Nuit - Matin - Jour - Soir

Pour cela, nous avons besoin de 2 bits:

Conversion analogique-numérique

Dans le cas général, la conversion analogique-numérique est le processus de conversion d'une grandeur physique en une valeur numérique. La valeur numérique est un ensemble d'unités et de zéros perçus par le dispositif de traitement.

Une telle transformation est nécessaire pour l'interaction de la technologie numérique avec l'environnement.

Comme le signal électrique analogique répète le signal d'entrée sous sa forme, il ne peut pas être enregistré numériquement «tel quel» car il a un nombre infini de valeurs. Un exemple est le processus d'enregistrement sonore. Il dans sa forme originale ressemble à ceci:

C'est la somme des ondes de fréquences différentes. Ce qui, lors de la décomposition en fréquences (pour plus de détails, voir transformées de Fourier), d'une manière ou d'une autre, peut être rapproché d'une image similaire:

Essayez maintenant de le présenter sous la forme d'un ensemble de type "111100101010100", c'est assez difficile, non?

Un autre exemple de la nécessité de convertir une grandeur analogique en une grandeur numérique est sa mesure: les thermomètres électroniques, les voltmètres, les ampèremètres et autres appareils de mesure interagissent avec les grandeurs analogiques.

Comment se passe la conversion?

Tout d'abord, regardez le diagramme d'une conversion typique d'un signal analogique en numérique et vice versa. Plus tard, nous reviendrons vers elle.

En fait, il s'agit d'un processus complexe, qui comprend deux étapes principales:

1. Discrétisation du signal.

2. Quantification par niveau.

La discrétisation d'un signal est la détermination des intervalles de temps sur lesquels le signal est mesuré. Plus ces écarts sont courts, plus la mesure est précise. La période d'échantillonnage (T) est la durée entre le début de la lecture des données et sa fin. Le taux d'échantillonnage (f) est l'inverse de:

fd = 1 / T

Après lecture du signal, il est traité et stocké en mémoire.

Il s'avère que pendant le temps que les lectures du signal sont lues et traitées, il peut changer, ainsi, la valeur mesurée est déformée. Il existe un tel théorème de Kotelnikov et la règle suivante en découle:

La fréquence d'échantillonnage doit être au moins 2 fois supérieure à la fréquence du signal échantillonné.

Ceci est une capture d'écran de Wikipedia, avec un extrait du théorème.

Pour déterminer la valeur numérique, une quantification par niveau est nécessaire. Quantum est une certaine plage de valeurs mesurées, en moyenne réduite à un certain nombre.

X1 ... X2 = Xy

C'est-à-dire des signaux de X1 à X2, assimilés conditionnellement à une valeur spécifique de Xy. Cela ressemble au prix de division d'un compteur à aiguille. Lorsque vous prenez des lectures, vous les assimilez souvent à la marque la plus proche sur l'échelle de l'instrument.

Ainsi, avec une quantification par niveau, plus il y a de quanta, plus les mesures sont précises et le nombre de décimales (centièmes, millièmes, etc.) qu'elles peuvent contenir.

Plus précisément, le nombre de décimales est plutôt déterminé par la résolution de l'ADC.

L'image montre le processus de quantification d'un signal à l'aide d'un bit d'information, comme je l'ai décrit ci-dessus, quand lorsqu'une certaine limite est dépassée, une valeur de haut niveau est acceptée.

A droite, la quantification du signal et un enregistrement sous forme de deux bits de données. Comme vous pouvez le voir, ce fragment de signal est déjà divisé en quatre valeurs. Il s'avère qu'en conséquence, un signal analogique lisse s'est transformé en un signal numérique "pas à pas".

Le nombre de niveaux de quantification est déterminé par la formule:

Où n est le nombre de bits, N est le niveau de quantification.

Voici un exemple d'un signal divisé en un plus grand nombre de quanta:

Cela montre très clairement que plus les valeurs du signal sont prises (plus la fréquence d'échantillonnage est élevée), plus elle est mesurée avec précision.

Cette image montre la conversion d'un signal analogique sous forme numérique, et à gauche de l'axe des ordonnées (axe vertical) se trouve un enregistrement numérique 8 bits.

Convertisseurs analogiques-numériques

Un convertisseur analogique-numérique ou un convertisseur analogique-numérique peut être implémenté en tant qu'appareil séparé ou être intégré dans microcontrôleur.

Auparavant, les microcontrôleurs, par exemple, la famille MCS-51, ne contenaient pas d'ADC, un microcircuit externe était utilisé pour cela, et il devenait nécessaire d'écrire un sous-programme pour traiter les valeurs d'un CI externe.

Maintenant, ils sont dans la plupart des microcontrôleurs modernes, par exemple AVR AtMEGA328, qui est la base des plus populaires carte de circuit Arduino, il est intégré à MK lui-même. Dans Arduino, la lecture des données analogiques est simple avec la commande AnalogRead (). Bien que le microprocesseur, qui est installé dans le même Raspberry PI non moins populaire, ne l'ait pas, tout n'est pas si simple.

En fait, il existe un grand nombre d'options pour les convertisseurs analogique-numérique, chacune ayant ses propres inconvénients et avantages. Décrire lequel dans cet article n'a pas beaucoup de sens, car il s'agit d'une grande quantité de matériel. Ne considérez que la structure générale de certains d'entre eux.

L'option ADC brevetée la plus ancienne est le brevet de Paul M. Rainey, «Facsimile Telegraph System», États-Unis. Brevet 1 608 527, déposé le 20 juillet 1921, délivré le 30 novembre 1926. Il s'agit d'un convertisseur analogique-numérique à 5 bits. Du nom du brevet, on pense que l'utilisation de cet appareil était liée à la transmission de données par télégraphe.

Si nous parlons d'ADC modernes de conversion directe, ils ont le schéma suivant:

Cela montre que l'entrée est une chaîne des comparateursqui émettent leur signal lorsqu'ils franchissent un certain seuil. Il s'agit de la profondeur de bits et de la quantification. N'importe qui, même un peu fort en circuits, a vu ce fait évident.

Qui n'est pas fort, alors le circuit d'entrée fonctionne de cette façon:

Un signal analogique est entré sur l'entrée «+», tout à la fois. Les sorties avec la désignation «-» reçoivent la tension de référence, qui est décomposée à l'aide d'une série de résistances (diviseur résistif) en un certain nombre de tensions de référence. Par exemple, une série pour cette chaîne ressemble à ce rapport:

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

Entre parenthèses, une virgule indique quelle partie de la tension de référence totale Uref est fournie à l'entrée de chaque tension d'entrée.

C'est-à-dire chacun des éléments a deux entrées lorsque la tension d'entrée est signée «+» dépasse la tension d'entrée avec un signe «-», une unité logique apparaît à sa sortie. Lorsque la tension à l'entrée positive (non inverseuse) est inférieure à celle à l'entrée négative (inverseuse), la sortie est nulle.

La tension est divisée de sorte que la tension d'entrée est divisée en le nombre de chiffres souhaité. Lorsque la tension à l'entrée atteint la sortie de l'élément correspondant, un signal apparaît, le circuit de traitement délivre le signal «correct» sous forme numérique.

Un tel comparateur est bon à la vitesse de traitement des données, tous les éléments du circuit d'entrée sont déclenchés en parallèle, le retard principal de ce type de CAN est formé du retard de 1 comparateur (ils sont déclenchés simultanément simultanément) et le retard est codeur.

Cependant, il y a un énorme inconvénient des circuits parallèles - c'est la nécessité pour un grand nombre de comparateurs d'obtenir des CAN à haute résolution. Pour obtenir, par exemple, 8 chiffres, vous avez besoin de 2 ^ 8 comparateurs, ce qui représente jusqu'à 256 pièces. Pour un dix bits (en Arduino ADC 10 bits, en passant, mais d'un type différent), vous avez besoin de 1024 comparateurs. Jugez par vous-même de la pertinence d'une telle option de traitement et de l'endroit où elle peut être nécessaire.

Il existe d'autres types de CAN:

• approximation consécutive;

• delta sigma ADC.

Conclusion

La conversion d'un signal analogique en numérique est nécessaire pour lire les paramètres des capteurs analogiques. Il existe un type distinct de capteurs numériques, ce sont soit des circuits intégrés, par exemple DS18b20 - à sa sortie, il y a déjà un signal numérique et il peut être traité par n'importe quel microcontrôleur ou microprocesseur sans avoir besoin d'un ADC, ou un capteur analogique sur une carte qui a déjà son propre convertisseur. Chaque type de capteur a ses avantages et ses inconvénients, comme l'immunité au bruit et les erreurs de mesure.

La connaissance des principes de conversion est nécessaire pour tous ceux qui travaillent avec des microcontrôleurs, car même tous les systèmes modernes n'ont pas de tels convertisseurs intégrés, vous devez utiliser des microcircuits externes. Par exemple, nous pouvons citer une telle carte conçue spécifiquement pour le connecteur Raspberry PI GPIO avec un ADC de précision sur l'ADS1256.