Kā notiek analogā signāla pārvēršana ciparu formātā

Elektronikā signālus iedala: analogos, diskrētos un digitālos. Sākumā viss, ko mēs lielākoties jūtam, redzam, dzirdam, ir analogs signāls, un tas, ko datora procesors redz, ir digitālais signāls. Tas neizklausās diezgan skaidri, tāpēc apskatīsim šīs definīcijas un to, kā viena veida signāls tiek pārveidots par citu.

Signālu veidi

Elektriskajā attēlojumā analogs signāls, spriežot pēc tā nosaukuma, ir reālās vērtības analogs. Piemēram, visu mūžu jūs pastāvīgi jūtat vides temperatūru. Nav pārtraukumu. Tajā pašā laikā jūs jūtat ne tikai divu līmeņu “karstu” un “aukstu”, bet arī bezgalīgu sajūtu daudzumu, kas raksturo šo vērtību.

Personai “aukstums” var būt atšķirīgs, tas ir rudens vēsums un ziemas sals, un vieglas salnas, taču ne vienmēr “auksts” ir negatīvs temperatūras līmenis, tāpat kā “silts” ne vienmēr ir pozitīvs.

No tā izriet, ka analogajam signālam ir divas iespējas:

1. Laika nepārtrauktība.

2. Signāla vērtību skaitam ir tendence uz bezgalību, t Analogu signālu nevar precīzi sadalīt daļās vai kalibrēt, sadalot skalu konkrētās sekcijās. Mērīšanas metodes - balstītas uz mērvienību, un to precizitāte ir atkarīga tikai no skalas dalīšanas cenas, jo mazāka tā ir, jo precīzāka ir mērīšana.

Diskrēti signāli - tie ir signāli, kas ir jebkura secīga ziņojumu vai mērījumu secība. Šādu signālu mērījumi nav nepārtraukti, bet periodiski.

Es centīšos izskaidrot. Ja kaut kur esat uzstādījis termometru, tas mēra analogo vērtību - tas izriet no iepriekšminētā. Bet jūs, faktiski sekojot viņa liecībām, iegūstat diskrētu informāciju. Diskrēts nozīmē atsevišķu.

Piemēram, jūs pamodāties un uzzinājāt, cik grādus bija termometrs, nākamreiz, kad to paskatījāties uz termometru pusdienlaikā, un trešo reizi vakarā. Jūs nezināt, cik ātri, vienmērīgi vai strauji lecot, mainījās temperatūra, jūs zināt tikai tos datus, kurus novērojāt.

Digitālie signāli Ir līmeņu kopums, 1. un 0. tips, augsts un zems, neatkarīgi no tā, vai tas ir vai nav. Informācijas digitālā formā atspoguļojuma dziļumu ierobežo digitālās ierīces (loģikas, mikrokontrollera, procesora utt.) Bitu dziļums. Izrādās, ka tas ir ideāli piemērots Būla datu glabāšanai. Piemēram, lai sniegtu šādus datus, piemēram, “Diena” un “Nakts”, var sniegt šādus datus: pietiek ar tikai 1 bitu informācijas.

Mazliet - šī ir minimālā vērtība informācijas attēlošanai digitālā formā, tajā var saglabāt tikai divu veidu vērtības: 1 (loģiska vienība, augsts līmenis) vai 0 (loģiska nulle, zems līmenis).

Elektronikā mazliet informācijas tiek attēlots kā zemsprieguma līmenis (tuvu 0) un augstsprieguma līmenis (atkarībā no konkrētās ierīces bieži sakrīt ar dotā digitālā mezgla barošanas spriegumu, tipiskās vērtības ir 1,7, 3,3. 5 V, 15 V).

Visas starpposma vērtības starp pieņemto zemo un augsto līmeni ir pārejas reģions, un tam var nebūt specifiskas vērtības, atkarībā no shēmas, gan ierīcei kopumā, gan mikrokontrollera (vai jebkuras citas digitālās ierīces) iekšējai ķēdei var būt atšķirīgs pārejas līmenis, piemēram, 5 -voltu loģika, sprieguma vērtības no 0 līdz 0,8 V var uztvert kā nulli un no 2 V līdz 5 V kā vienību, savukārt atstarpe starp 0,8 un 2 V ir nenoteikta zona, patiesībā tas palīdz atdalīt nulli no vienotības.

Jo precīzākas un ietilpīgākas vērtības ir jāuzglabā, jo vairāk bitu jums ir nepieciešams, mēs sniedzam tabulas paraugu ar digitālo displeju ar četrām dienas laika vērtībām:

Nakts - Rīts - Diena - Vakars

Šim nolūkam mums nepieciešami 2 biti:

Analogā pārveidošana ciparu formātā

Parasti analogā-digitālā konvertēšana ir process, kurā fizisko daudzumu pārvērš digitālā vērtībā. Digitālā vērtība ir vienību un nulles kopa, ko uztver apstrādes ierīce.

Šāda transformācija ir nepieciešama digitālo tehnoloģiju mijiedarbībai ar vidi.

Tā kā analogs elektriskais signāls atkārto ieejas signālu tā formā, to nevar digitāli ierakstīt “kā tas ir”, jo tam ir bezgalīgs skaits vērtību. Piemērs ir skaņas ierakstīšanas process. Sākotnējā formā tas izskatās šādi:

Tā ir dažādu frekvenču viļņu summa. Ko, sadaloties frekvencēs (sīkāku informāciju skatīt Furjē transformācijās), vienā vai otrā veidā, var tuvināt līdzīgam attēlam:

Tagad mēģiniet to uzrādīt tipa “111100101010100” komplektā, tas ir diezgan grūti, vai ne

Vēl viens piemērs tam, ka ir nepieciešams pārveidot analogo daudzumu uz ciparu, ir tā mērīšana: elektroniskie termometri, voltmetri, ampērmetri un citas mērierīces mijiedarbojas ar analogiem lielumiem.

Kā notiek pārvēršana?

Vispirms apskatiet analogā signāla tipiskas pārveidošanas uz ciparu diagrammu un otrādi. Vēlāk mēs atgriezīsimies pie viņas.

Faktiski tas ir sarežģīts process, kas sastāv no diviem galvenajiem posmiem:

1. Signāla diskretizācija.

2. Kvantizācija pēc līmeņa.

Signāla diskretizācija ir laika intervālu noteikšana, kuru laikā signāls tiek mērīts. Jo īsāks ir šīs spraugas, jo precīzāks ir mērījums. Izlases periods (T) ir laika posms no datu nolasīšanas sākuma līdz tā beigām. Paraugu ņemšanas biežums (f) ir abpusējs:

fd = 1 / T

Pēc signāla nolasīšanas tas tiek apstrādāts un saglabāts atmiņā.

Izrādās, ka signāla nolasījumu un apstrādes laikā tas var mainīties, tādējādi izmērītā vērtība tiek sagrozīta. Pastāv šāda Kotelņikova teorēma, un no tās izriet šāds noteikums:

Paraugu ņemšanas frekvencei jābūt vismaz 2 reizes lielākai par atlasītā signāla frekvenci.

Šis ir ekrānuzņēmums no Wikipedia ar fragmentu no teorēmas.

Lai noteiktu skaitlisko vērtību, nepieciešama kvantēšana pēc līmeņa. Kvants ir noteikts izmērīto vērtību diapazons, vidējais samazināts līdz noteiktam skaitlim.

X1 ... X2 = Xy

T. i. signālus no X1 līdz X2, nosacīti pielīdzinot noteiktai Xy vērtībai. Tas atgādina rādītāja skaitītāja dalīšanas cenu. Veicot rādījumus, tos bieži pielīdzina tuvākajai atzīmei instrumenta skalā.

Tātad, kvantējot pēc līmeņa, jo vairāk kvantu, precīzāki mērījumi un vairāk decimāldaļu (simtdaļas, tūkstošdaļas un tā tālāk) tie var saturēt.

Precīzāk, komatu skaitu drīzāk nosaka ADC izšķirtspēja.

Attēlā parādīts signāla kvantēšanas process, izmantojot vienu informācijas bitu, kā es aprakstīju iepriekš, kad, pārsniedzot noteiktu robežu, tiek pieņemta augsta līmeņa vērtība.

Labajā pusē ir signāla kvantizācija un ieraksts divu datu bitu formā. Kā redzat, šis signāla fragments jau ir sadalīts četrās vērtībās. Izrādās, ka rezultātā gluds analogs signāls pārvērtās par ciparu “soli” signālu.

Kvantizācijas līmeņu skaitu nosaka pēc formulas:

Kur n ir bitu skaits, N ir kvantēšanas līmenis.

Šeit ir signāla piemērs, kas sadalīts lielākā skaitā kvantu:

Tas ļoti skaidri parāda, ka, jo biežāk tiek ņemtas signāla vērtības (jo augstāka ir izlases frekvence), jo precīzāk tas tiek mērīts.

Šis attēls parāda analogā signāla pārvēršanu digitālā formā, un pa kreisi no ordinātu ass (vertikālā ass) ir 8 bitu digitālais ieraksts.

Analogs digitālajiem pārveidotājiem

ADC vai analogā-digitālā pārveidotāju var ieviest kā atsevišķu ierīci vai integrēt tajā mikrokontrolieris.

Iepriekš mikrokontrolleri, piemēram, MCS-51 saime, nesaturēja ADC, tam tika izmantota ārēja mikroshēma, un ārējās IC vērtību apstrādei kļuva nepieciešams uzrakstīt apakšprogrammu.

Tagad tie atrodas modernākajos mikrokontrolleros, piemēram, AVR AtMEGA328, kas ir vispopulārāko pamats. shēmas plate Arduino, tas ir iebūvēts pašā MK. Arduino analogo datu lasīšana ir vienkārša, izmantojot komandu AnalogRead (). Kaut arī mikroprocesoram, kas ir uzstādīts tajā pašā ne mazāk populārajā Raspberry PI, tā nav, tāpēc ne viss ir tik vienkārši.

Faktiski analogo-digitālo pārveidotāju variantu ir ļoti daudz, katram no tiem ir savi trūkumi un priekšrocības. Aprakstīt, kam šajā rakstā nav lielas jēgas, jo tas ir liels materiāla daudzums. Apsveriet tikai dažu no tām vispārējo struktūru.

Vecākais patentētais ADC variants ir Pola M. Raineja patents ASV, “Faksimils Telegrāfa sistēma”. Patents 1 608 527, iesniegts 1921. gada 20. jūlijā, izdots 1926. gada 30. novembrī. Šis ir 5 bitu tiešas pārveidošanas ADC. No patenta nosaukuma rodas domas, ka šīs ierīces lietošana bija saistīta ar datu pārraidi, izmantojot telegrāfu.

Ja mēs runājam par mūsdienu tiešās pārveidošanas ADC, viņiem ir šāda shēma:

Tas parāda, ka ievads ir ķēde no salīdzinātājiemkas izvada savu signālu, šķērsojot kādu sliekšņa signālu. Tas ir mazliet dziļums un kvantēšana. Ikviens, pat nedaudz spēcīgs shēmās, redzēja šo acīmredzamo faktu.

Kas nav spēcīgs, tad ievades ķēde darbojas šādi:

Analogs signāls tiek ievadīts “+” ieejā vienlaikus. Izejas ar apzīmējumu “-” saņem atsauces spriegumu, kas tiek sadalīts, izmantojot rezistoru virkni (pretestības dalītāju) vairākos atsauces spriegumos. Piemēram, šīs ķēdes sērija izskatās šādi:

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

Iekavās komats norāda, kāda daļa no kopējā atsauces sprieguma Uref tiek piegādāta katra ieejas sprieguma ieejai.

T. i. katram elementam ir divas ieejas, kad ievada spriegumu «+» pārsniedz ieejas spriegumu ar “-” zīmi, tā izejā parādās loģiska vienība. Ja spriegums pie pozitīvās (neinvertējošās) ieejas ir mazāks nekā pie negatīvās (apgrieztā) ieejas, tad izeja ir nulle.

Spriegumu sadala tā, lai ieejas spriegums tiktu sadalīts vajadzīgajā ciparu skaitā. Kad spriegums pie ieejas sasniedz attiecīgā elementa izeju, parādās signāls, apstrādes ķēde digitālā formā izvada “pareizo” signālu.

Šāds salīdzinātājs ir labs ar datu apstrādes ātrumu, visi ievades ķēdes elementi tiek iedarbināti paralēli, šāda veida ADC galvenā kavēšanās tiek veidota no salīdzinātāja 1. kavējuma (tie vienlaikus tiek iedarbināti vienlaikus), un kavēšanās ir kodētāja.

Tomēr paralēlām shēmām ir milzīgs trūkums - tas prasa lielu skaitu salīdzināšanas ierīču, lai iegūtu augstas izšķirtspējas ADC. Lai iegūtu, piemēram, 8 ciparus, nepieciešami 2 ^ 8 salīdzinātāji, un tas ir pat 256 gab. Desmit bitu (Arduino 10 bitu ADC, starp citu, bet cita veida) gadījumā jums ir nepieciešami 1024 salīdzinātāji. Pats izlemiet par šādas ārstēšanas iespējas piemērotību un to, kur tā varētu būt nepieciešama.

Ir arī citi ADC veidi:

• secīga tuvināšana;

• delta sigma ADC.

Secinājums

Analogā signāla konvertēšana uz digitālo ir nepieciešama parametru nolasīšanai no analogiem sensoriem. Ir atsevišķs digitālo sensoru tips, tie ir vai nu integrētas shēmas, piemēram, DS18b20 - pie tā izejas jau ir digitālais signāls, un to var apstrādāt jebkurš mikrokontrollers vai mikroprocesors bez nepieciešamības pēc ADC, vai arī analogo sensoru uz tāfeles, kurai jau ir savs pārveidotājs. Katram sensora tipam ir savi plusi un mīnusi, piemēram, izturība pret troksni un mērījumu kļūda.

Zināšanas par pārveidošanas principiem ir nepieciešamas ikvienam, kurš strādā ar mikrokontrolleriem, jo ​​pat ne visās mūsdienu sistēmās ir šādi iebūvēti pārveidotāji, jums ir jāizmanto ārējās mikroshēmas. Piemēram, mēs varam citēt šādu dēli, kas īpaši izstrādāts Raspberry PI GPIO savienotājam ar precīzu ADC ADS1256.