المحولات التناظرية إلى الرقمية (ADCs) - هذا جهاز تتم من خلاله عملية تحويل الكمية المادية المدخلة إلى تمثيل رقمي. يمكن أن تكون كمية الإدخال التيار والجهد والمقاومة والسعة.

يرتبط ADC ارتباطًا وثيقًا بمفهوم القياس، والذي يشير إلى عملية المقارنة مع معيار لكمية المدخلات المقاسة. أي أن التحويل من التناظري إلى الرقمي يعتبر بمثابة قياس لقيمة إشارة الدخل، وبالتالي يمكن تطبيق مفاهيم خطأ القياس عليه.

يتمتع ADC بعدد من الخصائص، أهمها عمق البت وتردد التحويل. يتم التعبير عن عمق البت بالبتات، ويتم التعبير عن تردد التحويل بالعينات في الثانية. كلما زادت سعة البت وسرعته، زادت صعوبة الحصول على الخصائص الضرورية وأصبح المحول أكثر تعقيدًا وتكلفة.

يعتمد مبدأ ADC وتكوينه ومخططاته الهيكلية إلى حد كبير على طريقة التحويل.

تصنيف

يوجد حاليًا عدد كبير من طرق تحويل كود الجهد المعروفة. تختلف هذه الطرق بشكل كبير عن بعضها البعض من حيث الدقة المحتملة وسرعة التحويل وتعقيد تنفيذ الأجهزة. في التين. 2 يعرض تصنيف ADCs عن طريق طرق التحويل.

من بين أنواع المحولات التناظرية إلى الرقمية الأكثر شيوعًا هي:

1. التحويل الموازي ADC. لديهم عمق بت منخفض وأداء عالي. مبدأ التشغيل هو أن إشارة الدخل يتم توفيرها للمدخلات "الإيجابية" للمقارنات، ويتم توفير عدد من الفولتية للمدخلات "السلبية". تعمل المقارنات بالتوازي؛ وقت تأخير الدائرة هو مجموع وقت التأخير في مقارنة واحدة ووقت التأخير في المشفر. بناءً على ذلك، يمكن تصنيع المشفر والمقارنة بسرعة وستحقق الدائرة أداءً عاليًا.
2. التقريب المتتابع ADC. يقيس حجم إشارة الدخل عن طريق إجراء سلسلة من "الأوزان" أو مقارنات قيم جهد الدخل وعدد من القيم. تتميز بسرعة تحويل عالية ومحدودة بدقة DAC الداخلية.

3. ADC مع موازنة الشحن. مبدأ التشغيل هو مقارنة جهد الدخل مع قيمة الجهد المتراكمة بواسطة جهاز التكامل. يتم توفير النبضات لمدخل المتكامل ذو القطبية السلبية أو الإيجابية، بناءً على نتيجة المقارنة. ونتيجة لذلك، فإن جهد الخرج "يتتبع" جهد الدخل. تتميز بالدقة العالية ومستويات الضوضاء المنخفضة.

يتم استخدام التحويل من التناظري إلى الرقمي حيثما يلزم استقبال الإشارة التناظرية ومعالجتها في شكل رقمي.

• يعد ADC جزءًا لا يتجزأ من مقياس الفولتميتر الرقمي والمقياس المتعدد.
• يتم استخدام ADCs الخاصة بالفيديو في موالفات تلفزيون الكمبيوتر وبطاقات إدخال الفيديو وكاميرات الفيديو لرقمنة إشارات الفيديو. يتم توصيل مدخلات الميكروفون والخط الصوتي لأجهزة الكمبيوتر بجهاز ADC الصوتي.
• تعد ADC جزءًا لا يتجزأ من أنظمة الحصول على البيانات.
• تم دمج ADCs التقريبية المتعاقبة بسعة 8-12 بت و Sigma-delta ADC بسعة 16-24 بت في وحدات التحكم الدقيقة أحادية الشريحة.
• هناك حاجة إلى أدوات ADC سريعة جدًا في أجهزة قياس الذبذبات الرقمية (يتم استخدام أدوات ADC المتوازية وخط الأنابيب)
• تستخدم المقاييس الحديثة أدوات ADC بدقة تصل إلى 24 بت، والتي تحول الإشارة مباشرة من مستشعر قياس الضغط (Sigma-delta ADC).
• تعد أجهزة ADC جزءًا من أجهزة المودم الراديوية وأجهزة نقل البيانات الراديوية الأخرى، حيث يتم استخدامها مع معالج DSP كمزيل تشكيل.
• يتم استخدام ADCs فائقة السرعة في أنظمة هوائي المحطة الأساسية (في ما يسمى بالهوائيات الذكية) وفي صفائف هوائيات الرادار.

34. المحولات الرقمية إلى التناظرية، الغرض، الهيكل، مبدأ التشغيل.

محول رقمي تناظري (لجنة المساعدة الإنمائية) - جهاز لتحويل الكود الرقمي (الثنائي عادة) إلى إشارة تناظرية (تيار أو جهد أو شحنة). المحولات الرقمية إلى التناظرية هي الواجهة بين العالم الرقمي المنفصل والإشارات التناظرية.

يقوم المحول التناظري إلى الرقمي (ADC) بإجراء العملية العكسية.

عادةً ما يستقبل DAC الصوتي إشارة رقمية معدلة برمز النبض كمدخل لها. يتم تنفيذ مهمة تحويل التنسيقات المضغوطة المختلفة إلى PCM بواسطة برامج الترميز المعنية.

تم تطبيق DAC عندما يكون من الضروري تحويل الإشارة من تمثيل رقمي إلى تمثيلي، على سبيل المثال، في مشغلات الأقراص المضغوطة (الأقراص المضغوطة الصوتية).

تُستخدم المحولات الرقمية إلى التناظرية (DACs) والمحولات التناظرية إلى الرقمية (ADCs) بشكل أساسي لربط الأجهزة والأنظمة الرقمية بالإشارات التناظرية الخارجية مع العالم الحقيقي. في هذه الحالة، يقوم ADC بتحويل الإشارات التناظرية إلى إشارات إدخال رقمية يتم تغذيتها إلى الأجهزة الرقمية لمزيد من المعالجة أو التخزين، ويقوم DAC بتحويل إشارات الإخراج الرقمية للأجهزة الرقمية إلى إشارات تناظرية.

عادةً ما يتم استخدام الدوائر الدقيقة المتخصصة التي تنتجها العديد من الشركات المحلية والأجنبية كـ DACs وADCs.

رقاقة DACيمكن تمثيلها ككتلة (الشكل 13) مع عدة مدخلات رقمية ومدخل تناظري واحد، بالإضافة إلى مخرج تناظري.

أرز. 13. رقاقة DAC

يتم توفير رمز n-bit N للمدخلات الرقمية لـ DAC، ويتم توفير الجهد المرجعي U op للمدخل التناظري (التسمية الشائعة الأخرى هي U REF). إشارة الخرج هي الجهد U خارج (تسمية أخرى هي U O) أو التيار I خارج (تعيين آخر هو I O). في هذه الحالة، يتناسب تيار الخرج أو جهد الخرج مع كود الإدخال والجهد المرجعي. بالنسبة لبعض الدوائر الدقيقة، يجب أن يكون للجهد المرجعي مستوى محدد بدقة؛ وبالنسبة للدوائر الأخرى، من الممكن تغيير قيمته ضمن حدود واسعة، بما في ذلك تغيير قطبيته (الإيجابية إلى السلبية والعكس). يُطلق على DAC ذو نطاق الجهد المرجعي الكبير اسم DAC المضاعف لأنه يمكن استخدامه بسهولة لضرب رمز الإدخال بأي جهد مرجعي.

إن جوهر تحويل كود الإدخال الرقمي إلى إشارة تناظرية للإخراج بسيط للغاية. وهو يتألف من جمع عدة تيارات (حسب عدد بتات كود الإدخال)، كل تيار لاحق يكون ضعف حجم التيار السابق. للحصول على هذه التيارات، يتم استخدام إما مصادر تيار الترانزستور أو المصفوفات المقاومة التي يتم تبديلها بواسطة مفاتيح الترانزستور.

على سبيل المثال، يبين الشكل 14 تحويلاً من رقمي إلى تناظري 4 بت (n = 4) يعتمد على مصفوفة ومفاتيح مقاومة R–2R (في الواقع، تُستخدم المحولات القائمة على الترانزستور). يتوافق الموضع الصحيح للمفتاح مع واحد في هذه البتة من رمز الإدخال N (البتات D0...D3). يمكن أن يكون مكبر الصوت التشغيلي إما مدمجًا (في حالة DAC لخرج الجهد) أو خارجيًا (في حالة DAC لخرج التيار).

أرز. 14. تحويل رقمي إلى تناظري 4 بت

المفتاح الأول (يسار في الشكل) يقوم بتبديل تيار بقيمة U REF /2R، المفتاح الثاني - التيار U REF /4R، الثالث - التيار U REF /8R، الرابع - التيار U REF /16R. وهذا يعني أن التيارات التي يتم تبديلها بواسطة المفاتيح المجاورة تختلف بمقدار النصف، وكذلك أوزان بتات الكود الثنائي. يتم تلخيص التيارات التي يتم تبديلها بواسطة جميع المفاتيح وتحويلها إلى جهد خرج باستخدام مضخم تشغيلي ذو مقاومة R OS = R في دائرة التغذية المرتدة السلبية.

عندما يكون كل مفتاح في الموضع الصحيح (واحد في البت المقابل من رمز إدخال DAC)، يتم توفير التيار المحول بواسطة هذا المفتاح للجمع. عندما يكون المفتاح في الموضع الأيسر (صفر في البت المقابل من رمز إدخال DAC)، لا يتم توفير التيار الذي يتم تبديله بواسطة هذا المفتاح للجمع.

إجمالي التيار I O من جميع المفاتيح يخلق جهدًا عند خرج مضخم التشغيل U O = I O R OS = I OR. وهذا يعني أن مساهمة المفتاح الأول (أهم جزء من الكود) في جهد الخرج هي U REF /2، والثاني - U REF /4، والثالث - U REF /8، والرابع - U REF /16 . وبالتالي، مع رمز الإدخال N = 0000، سيكون جهد الخرج للدائرة صفرًا، ومع رمز الإدخال N = 1111 سيكون مساويًا لـ –15U REF /16.

بشكل عام، سيتم ربط جهد الخرج لـ DAC عند R OS = R برمز الإدخال N والجهد المرجعي U REF من خلال صيغة بسيطة

U OUT = –N U REF 2 -n

حيث n هو عدد بتات كود الإدخال. توفر بعض شرائح DAC القدرة على العمل في الوضع ثنائي القطب، حيث يتغير جهد الخرج ليس من صفر إلى U REF، ولكن من –U REF إلى +U REF. في هذه الحالة، يتم ضرب إشارة خرج DAC U OUT بـ 2 وإزاحتها بالقيمة U REF. ستكون العلاقة بين رمز الإدخال N وجهد الخرج U OUT كما يلي:

U OUT = U REF (1–N 2 1–n)

رقائق أدكتؤدي وظيفة معاكسة مباشرة لوظيفة DAC - حيث تقوم بتحويل إشارة الإدخال التناظرية إلى سلسلة من الرموز الرقمية. بشكل عام، يمكن تمثيل شريحة ADC ككتلة تحتوي على مدخل تناظري واحد، ومدخل واحد أو اثنين لتزويد الجهد المرجعي (المرجعي)، بالإضافة إلى مخرجات رقمية لإصدار رمز يتوافق مع القيمة الحالية للإشارة التناظرية ( الشكل 15).

غالبًا ما تحتوي شريحة ADC أيضًا على مدخل لتزويد إشارة الساعة CLK وإشارة تمكين CS وإشارة تشير إلى جاهزية الكود الرقمي الناتج RDY. يتم تزويد الدائرة الدقيقة بجهد إمداد واحد أو اثنين وسلك مشترك.

أرز. 15. شريحة ADC

حاليًا، تم تطوير العديد من الطرق المختلفة للتحويل من التناظري إلى الرقمي، على سبيل المثال، طرق العد المتسلسل، وموازنة البت، والتكامل المزدوج؛ مع تحويل الجهد إلى التردد، والتحويل الموازي. قد تحتوي أو لا تحتوي دوائر المحولات المبنية على أساس الطرق المذكورة على DAC.

مخطط العد التسلسلي ADCيظهر في الشكل 16، أ، كما يتبين من الرسم البياني، فإن وقت التحويل من هذا النوع متغير ويعتمد على الإشارة التناظرية المدخلة، ومع ذلك، فإن دورة تشغيل الجهاز بأكمله ثابتة وتساوي،، حيث T0- فترة مولد النبض المرجعي، ن-سعة بت للعداد و ADC نفسه. لا يتطلب تشغيل مثل هذا ADC المزامنة، مما يبسط إلى حد كبير بناء دائرة التحكم. من لحظة وصول إشارة "البدء" إلى مخرج ADC بتردد 1/ TPالأكواد الرقمية لتغير نتيجة التحويل (التردد 1/ TP- المعلمة التي تحدد الحد الأقصى المسموح به لتردد التتبع لإشارة الدخل).

أهم خصائص ADCs هي دقتها وسرعتها وتكلفتها. ترتبط الدقة بعمق بت ADC. والحقيقة هي أن الإشارة التناظرية عند مدخل ADC تتحول إلى رمز رقمي ثنائي عند الإخراج، أي. ADC هو مقياس حجم الإشارة التناظرية بدقة تصل إلى نصف الرقم الأقل أهمية. لذلك، على سبيل المثال، يوفر ADC ذو 8 بتات دقة تحويل لا تزيد عن الحد الأقصى للقيمة الممكنة. يوفر ADC 10 بت دقة تحويل لا تزيد عن ، ويوفر ADC 14 بت دقة لا تزيد عن 16 بت، ولا يوفر ADC دقة أعلى من أقصى قيمة ممكنة.

يتميز أداء ADC بالفترة الزمنية اللازمة لإجراء تحويل واحد، أو عدد التحويلات المحتملة لكل وحدة زمنية (تكرار التحويل).

عادةً، كلما زادت دقة (سعة البت) لـ ADC، انخفض أدائها، وكلما زادت الدقة والأداء، زادت تكلفة ADC. لذلك، عند تصميم جهاز استشعار ذكي، من الضروري تحديد معلماته بشكل صحيح.

يتم الآن إنشاء ADCs وفقًا لمبادئ الدوائر المختلفة ويتم إنتاجها في شكل دوائر متكاملة فردية وكوحدات لدوائر أكثر تعقيدًا (على سبيل المثال، ميكروكنترولر).

محول رقمي تناظري. .

هذه الأجهزة هي "الموصلات" بين التناظريةو رقميعوالم الكهرباء.

خلاصة القول هي أن أجهزة الاستشعار والمحركات والأضواء والعديد من الأجهزة الأخرى تستخدم الإشارات التناظرية, وهذا هو، على سبيل المثال، الجهد مع مستوى من 0V إلى 12V، بينما تتطلب FPGAs الرقمية ووحدات التحكم الدقيقة والرقائق مستويات جهد ثابتة، على سبيل المثال 0V و5V، يمثلان منطقي 0 و 1على التوالى.

مثال 1. لجنة المساعدة الإنمائية

لنتخيل أنه تم تكليفنا بمهمة التحكم في سطوع مصباح LED:

• 10 مستويات (تدرجات)سطوع الصمام
• أقصى جهد عبر LED 9V
• يتم التحكم بها باستخدام متحكم دقيق وزرين "مستوى السطوع +1"، "مستوى السطوع -1"

لذلك، يعمل LED بجهد من 0 إلى 9 فولت. ليس من الصعب تخمين أن 10 تدرجات من السطوع هي 10 مستويات جهد نطبقها على LED - 0V، 1V، ...، 9V

يقوم المتحكم الدقيق بإخراج الجهد إما 0V أو 5V. ولكن ليس 1B أو 3B أو 4B أو 9B. لكن المتحكم الدقيق لديه الكثير منطقيالدبابيس التي يمكننا الاتصال بها لجنة المساعدة الإنمائيةذ و يتحولالمنطق في الإشارات التناظرية.

ش محول رقمي تناظريهناك، على سبيل المثال، 4 أطراف إدخال لتوصيل الإشارات المنطقية و2 أطراف للإخراج التناظريةالجهد من 0 إلى 15 فولت - المحطات "+" و "-".

ها هي وظيفتك لجنة المساعدة الإنمائيةج: عندما نتغذى على الأرجل الأربعة منطقي 1، ثم مستوى الجهد التناظريةإشارة الإخراج القصوى ( 15V في حالتنا)، عندما نورد 0 - الحد الأدنى، هذا هو 0V

الآن يأتي الجزء الممتع. في كل دبوس الإدخال لجنة المساعدة الإنمائيةولكن هناك "وزن" لإشارة الخرج. على سبيل المثال، "يزن" الدبوس العلوي 8 فولت (أي أننا إذا طبقنا المنطقي 1 فقط على الطرف الأول، فسنحصل على 8 فولت عند الخرج)، التالي أدناه هو 4B، التالي هو 2B، والأخير أدناه هو 1B. أضف الآن هذه الأرقام وستحصل على 15 فولت.

نحتاج إلى الحصول على المستويات 0B و1B و2B و3B و4B و5B و6B و7B و8B و9B.

وهذا يعني أن المدخلات لجنة المساعدة الإنمائيةتحتاج إلى إرسال الرموز وفقًا للجدول التالي

الجهد عند التناظريةمخرج	0 فولت	1 ب	2 ب	3 ب	4 ب	5 فولت	6 فولت	7 فولت	8 فولت	9 فولت
الإدخال 1، الوزن 8 فولت	0	0	0	0	0	0	0	0	1	1
الإدخال 1، الوزن 4 فولت	0	0	0	0	1	1	1	1	0	0
الإدخال 1، الوزن 2 فولت	0	0	1	1	0	0	1	1	0	0
الإدخال 1، الوزن 1 فولت	0	1	0	1	0	1	0	1	0	1

الأزرار "+1 مستوى السطوع"، "-1 مستوى السطوع" ستضيف أو تطرح وحدة واحدة من الإخراج رقميإشارة متحكم. سيتم إرسال هذه الإشارة إلى المدخلات لجنة المساعدة الإنمائية. مخرج لجنة المساعدة الإنمائيةسيتم توصيله إلى LED. تمت المهمة!

مثال 2. شركة تطوير العقبة

محول تناظري رقمييعمل على المبدأ العكسي. نطبق مستوى الجهد المتغير على المدخلات، وعند الإخراج نحصل على المنطق (أجزاء) +5V و0V، أو منطقي 1 و0

لنقم بتعيين مهمة أخذ القراءات من مستشعر درجة الحرارة:

• يظهر المستشعر درجة الحرارة من 0 درجة مئوية إلى 30 درجة مئوية
• عند 0C يخرج المستشعر 0V، عند 30C يخرج 15V
• يجب أن يتم استقبال الإشارة بواسطة المتحكم الدقيق في شكل رقمي (منطقي 1 و0، الجهد +5V و0V)

أدكيحتوي على طرفي إدخال لاستقبال إشارة الجهد التناظري، على سبيل المثال، من 0 إلى 15 فولت، وفي حالتنا، 4 دبابيس للإخراج إشارة المنطق الرقمي. وهذا يعني إشارة رمز متوازية بأربعة بتات.

نقوم بتوصيل الإخراج من المستشعر الخاص بنا بالمدخل التناظري أدك، والإخراج الرقمي بأربعة بتات من أدكالاتصال بوحدة التحكم الدقيقة. ونحن نتلقى بالفعل قراءات من المستشعر بشكل رقمي على الميكروفون. البيانات في العملية سوف تتوافق مع الجدول أدناه.

ناقلة جنود مدرعة- هذا أضريبة جرقمي صمحول باللغة الإنجليزية أدك (أمن الضريبة إلى- درقمي جالعاكس). أي جهاز خاص يحوله إلى رقمي.

يستخدم ADC في التكنولوجيا الرقمية. على وجه الخصوص، تحتوي جميع الأجهزة الحديثة تقريبًا على ADC مدمج.

كما تعلم، فإن المعالجات الدقيقة (مثل معالجات الكمبيوتر) لا تفهم شيئًا أكثر من الأرقام الثنائية. ويترتب على ذلك أن المعالج الدقيق (الذي هو أساس أي متحكم دقيق) لا يمكنه معالجة الإشارة التناظرية مباشرة.

عادةً ما يقوم ADC الخاص بوحدة التحكم الدقيقة بقياس الجهد في النطاق من 0 إلى جهد إمداد وحدة التحكم الدقيقة.

خصائص أدك

هناك ADCs مختلفة ذات خصائص مختلفة. السمة الرئيسية هي عمق الشيء. ومع ذلك، هناك آخرون. على سبيل المثال، نوع الإشارة التناظرية التي يمكن توصيلها بمدخل ADC.

تم وصف كل هذه الخصائص في وثائق ADC (إذا تم تصميمها كشريحة منفصلة) أو في وثائق وحدة التحكم الدقيقة (إذا كان ADC مدمجًا في وحدة التحكم الدقيقة).

بالإضافة إلى سعة البت، التي ناقشناها بالفعل، يمكننا تسمية العديد من الخصائص الأساسية الأخرى.

البتة الأقل أهمية (LSB). هذا هو أصغر جهد دخل يمكن قياسه بواسطة ADC. يتم تحديده بواسطة الصيغة:

1 LSB = Uop / 2 ر

حيث Uop هو الجهد المرجعي (المشار إليه في مواصفات ADC). على سبيل المثال، بجهد مرجعي قدره 1 فولت وعرض بت قدره 8 بتات، نحصل على:

1 LSB = 1 / 2 8 = 1 / 256 = 0.004 فولت

اللاخطية المتكاملة - اللاخطية المتكاملة لرمز إخراج ADC. ومن الواضح أن أي تحول يؤدي إلى تشوهات. وتحدد هذه الخاصية عدم خطية قيمة الإخراج، أي انحراف قيمة إخراج ADC عن القيمة الخطية المثالية. يتم قياس هذه الخاصية بـ LSB.

بمعنى آخر، تحدد هذه الخاصية كيف يمكن أن يكون الخط "منحنيًا" على الرسم البياني لإشارة الخرج، والذي يجب أن يكون مستقيمًا بشكل مثالي (انظر الشكل).

الدقة المطلقة. تقاس أيضًا بـ LSB. وبعبارة أخرى، هذا هو خطأ القياس. على سبيل المثال، إذا كانت هذه الخاصية هي +/- 2 LSB، و LSB = 0.05 فولت، فهذا يعني أن خطأ القياس يمكن أن يصل إلى +/- 2 * 0.05 = +/- 0.1 فولت.

لدى ADC أيضًا خصائص أخرى. ولكن بالنسبة للمبتدئين، وهذا أكثر من كاف.

اتصال أدك

اسمحوا لي أن أذكرك أن هناك نوعين أساسيين: التيار والجهد. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تحتوي الإشارات على نطاق قياسي من القيم، ونطاق غير قياسي. يتم وصف النطاقات القياسية لقيم الإشارة التناظرية في GOSTs (على سبيل المثال، GOST 26.011-80 وGOST R 51841-2001). ولكن، إذا كان جهازك يستخدم نوعا من أجهزة الاستشعار محلية الصنع، فقد تختلف الإشارة عن المعيار (على الرغم من أنني أنصحك باختيار بعض الإشارة القياسية في أي حال - للتوافق مع أجهزة الاستشعار القياسية والأجهزة الأخرى).

تقوم ADCs في المقام الأول بقياس الجهد.

سأحاول التحدث (بشكل عام) عن كيفية توصيل المستشعر التناظري بـ ADC ومن ثم كيفية التعامل مع القيم التي سينتجها ADC.

لذا، لنفترض أننا نريد قياس درجة الحرارة في نطاق -40...+50 درجة باستخدام مستشعر خاص بخرج قياسي يبلغ 0...1 فولت. لنفترض أن لدينا جهاز استشعار يمكنه قياس درجة الحرارة في النطاق -50...+150 درجة.

إذا كان لمستشعر درجة الحرارة خرج قياسي، فعادةً ما يختلف الجهد (أو التيار) عند خرج المستشعر خطيًا. وهذا يعني أنه يمكننا بسهولة تحديد الجهد الذي سيكون عند خرج المستشعر عند درجة حرارة معينة.

ما هو القانون الخطي؟ يحدث هذا عندما يبدو نطاق القيم على الرسم البياني كخط مستقيم (انظر الشكل). مع العلم أن درجة الحرارة من -50 إلى +150 تعطي جهدًا عند خرج المستشعر يختلف وفقًا لقانون خطي، كما قلت سابقًا، يمكننا حساب هذا الجهد لأي قيمة لدرجة الحرارة في نطاق معين.

بشكل عام، من أجل تحويل نطاق درجة الحرارة إلى نطاق الجهد في حالتنا، نحتاج إلى مقارنة مقياسين بطريقة ما، أحدهما نطاق درجة الحرارة والآخر نطاق الجهد.

يمكنك تحديد الجهد بصريًا حسب درجة الحرارة باستخدام الرسم البياني (انظر الشكل أعلاه). لكن وحدة التحكم الدقيقة ليس لها عيون (على الرغم من أنه يمكنك بالطبع الاستمتاع وإنشاء جهاز على وحدة تحكم دقيقة يمكنه التعرف على الصور وتحديد قيمة درجة الحرارة من الجهد الكهربي على الرسم البياني، ولكن دعنا نترك هذا الترفيه لمحبي الروبوتات )))

أولا وقبل كل شيء، نحدد نطاق درجة الحرارة. لدينا من -50 إلى 150، أي 201 درجة (لا تنس الصفر).

ويتراوح نطاق الفولتية المقاسة من 0 إلى 1 فولت.

أي أننا بحاجة إلى ضغط النطاق من 0 إلى 200 (إجمالي 201) في المقياس من 0 إلى 1.

إيجاد عامل التحويل:

ك = يو / تد = 1 / 200 = 0.005 (1)

أي أنه عندما تتغير درجة الحرارة بمقدار درجة واحدة، فإن الجهد عند خرج المستشعر سيتغير بمقدار 0.005 فولت. هنا Td هو نطاق درجة الحرارة. ليست قيم درجة الحرارة، ولكن عدد وحدات القياس (في حالتنا، الدرجات) على مقياس درجة الحرارة، مقارنة بمقياس الجهد (نحن لا نأخذ الصفر في الاعتبار من أجل البساطة، حيث يوجد أيضًا صفر في نطاق الجهد ).

نتحقق من خصائص ADC للمتحكم الدقيق الذي نخطط لاستخدامه. يجب ألا تزيد قيمة LSB عن K (أكثر من 0.005 في حالتنا، وبشكل أكثر دقة، هذا مقبول إذا كنت راضيًا عن خطأ يزيد عن وحدة قياس واحدة - أكثر من درجة واحدة في حالتنا).

في الأساس، K هي فولت لكل درجة، أي هذه هي الطريقة التي اكتشفنا بها القيمة التي يتغير بها الجهد عندما تتغير درجة الحرارة بمقدار درجة واحدة.

الآن لدينا جميع البيانات اللازمة لتحويل قيمة إخراج ADC إلى قيمة درجة الحرارة في برنامج المتحكم الدقيق.

نتذكر أننا قمنا بتغيير نطاق درجة الحرارة بمقدار 50 درجة. يجب أن يؤخذ ذلك في الاعتبار عند تحويل قيمة إخراج ADC إلى درجة حرارة.

وستكون الصيغة هكذا:

تي = (ش / ك) - 50 (2)

على سبيل المثال، إذا كان خرج ADC هو 0.5 فولت، إذن

T = (U / K) - 50 = (0.5 / 0.005) - 50 = 100 - 50 = 50 درجة

الآن نحن بحاجة إلى تحديد التفرد، أي دقة القياس المطلوبة.

كما تتذكر، يمكن أن يكون الخطأ المطلق عدة LSB. وبالإضافة إلى ذلك، هناك أيضًا تشويه غير خطي، والذي يساوي عادةً 0.5 LSB. أي أن الخطأ الإجمالي لـ ADC يمكن أن يصل إلى 2-3 LSB.

وفي حالتنا هو:

أعلى = 3 LSB * 0.005 = 0.015 فولت

أو 3 درجات.

إذا لم يكن كل شيء في حالتك سلسًا جدًا، فسنستخدم مرة أخرى الصيغة المشتقة من (1):

Td = أعلى / K = 0.015 / 0.005 = 3

إذا كان الخطأ 3 درجات يناسبك، فلا داعي لتغيير أي شيء. حسنًا، إذا لم يكن الأمر كذلك، فسيتعين عليك اختيار ADC بسعة بت أعلى أو العثور على مستشعر آخر (بنطاق درجة حرارة مختلف أو بجهد خرج مختلف).

على سبيل المثال، إذا تمكنت من العثور على حساس بمدى -40...+50، كما أردنا، وبنفس الخرج 0...1V، إذن

ك = 1/90 = 0.01

فيكون الخطأ المطلق:

Td = أعلى / K = 0.015 / 0.01 = 1.5 درجة.

وهذا بالفعل مقبول إلى حد ما. حسنًا، إذا كان لديك مستشعر بخرج 0...5 فولت (هذه أيضًا إشارة قياسية)، إذن

ك = 5/90 = 0.05

وسيكون الخطأ المطلق:

Td = أعلى / K = 0.015 / 0.05 = 0.3 درجة.

هذا لا شيء على الإطلاق.

لكن! تذكر أننا ننظر فقط إلى خطأ ADC هنا. لكن المستشعر نفسه به أيضًا خطأ يجب أخذه بعين الاعتبار أيضًا.

لكن كل هذا من مجال الإلكترونيات والمقاييس، لذا سأنهي هذا المقال هنا.

وفي النهاية، تحسبًا لذلك، سأقدم الصيغة لتحويل درجة الحرارة مرة أخرى إلى جهد:

U = K * (Tv + 50) = 0.005 * (150 + 50) = 1

ملاحظة.كتبت هذا المقال بعد يوم شاق في العمل، فإذا أخطأت في مكان ما، فأنا أعتذر)))

تتناول هذه المقالة القضايا الرئيسية المتعلقة بمبدأ التشغيل لأنواع مختلفة من ADC. وفي الوقت نفسه، تم ترك بعض الحسابات النظرية المهمة المتعلقة بالوصف الرياضي للتحويل من التناظري إلى الرقمي خارج نطاق المقالة، ولكن يتم توفير الروابط حيث يمكن للقارئ المهتم أن يجد دراسة أكثر تعمقًا للجوانب النظرية للتحويل من التناظري إلى الرقمي. تشغيل ADC. وبالتالي، فإن المقالة تهتم بفهم المبادئ العامة لتشغيل ADC أكثر من التحليل النظري لعملها.

مقدمة

كنقطة بداية، دعونا نحدد التحويل من التناظري إلى الرقمي. التحويل التناظري إلى الرقمي هو عملية تحويل الكمية المادية المدخلة إلى تمثيلها العددي. المحول التناظري إلى الرقمي هو جهاز يقوم بإجراء مثل هذا التحويل. رسميًا، يمكن أن تكون قيمة إدخال ADC أي كمية فيزيائية - الجهد، والتيار، والمقاومة، والسعة، ومعدل تكرار النبض، وزاوية دوران العمود، وما إلى ذلك. ومع ذلك، من أجل التحديد، فيما يلي، سنعني بـ ADC حصريًا محولات الجهد إلى الكود.

يرتبط مفهوم التحويل من التناظري إلى الرقمي ارتباطًا وثيقًا بمفهوم القياس. ونعني بالقياس عملية مقارنة القيمة المقاسة ببعض المعايير مع التحويل التناظري إلى الرقمي، حيث تتم مقارنة قيمة الإدخال مع بعض القيمة المرجعية (عادةً جهد مرجعي). وبالتالي، يمكن اعتبار التحويل من التناظري إلى الرقمي بمثابة قياس لقيمة إشارة الدخل، وتنطبق عليه جميع مفاهيم المترولوجيا، مثل أخطاء القياس.

الخصائص الرئيسية لل ADC

يتمتع ADC بالعديد من الخصائص، أهمها تردد التحويل وعمق البت. يتم التعبير عن تردد التحويل عادةً بعينات في الثانية (SPS)، ويكون عمق البت بالبتات. يمكن أن يكون لدى ADCs الحديثة عرض بت يصل إلى 24 بت وسرعة تحويل تصل إلى وحدات GSPS (بالطبع، ليس في نفس الوقت). كلما زادت السرعة وسعة البت، زادت صعوبة الحصول على الخصائص المطلوبة، وأصبح المحول أكثر تكلفة وتعقيدًا. ترتبط سرعة التحويل وعمق البت ببعضهما البعض بطريقة معينة، ويمكننا زيادة عمق بت التحويل الفعال عن طريق التضحية بالسرعة.

أنواع أدكس

هناك العديد من أنواع ADC، ولكن لأغراض هذه المقالة سنقتصر على النظر في الأنواع التالية فقط:

• التحويل الموازي ADC (التحويل المباشر، فلاش ADC)
• التقريب المتتابع ADC (SAR ADC)
• دلتا سيجما ADC (ADC متوازن الشحن)

هناك أيضًا أنواع أخرى من ADCs، بما في ذلك الأنواع المتصلة والمدمجة، والتي تتكون من عدة ADCs ذات بنيات مختلفة (بشكل عام). ومع ذلك، فإن معماريات ADC المذكورة أعلاه هي الأكثر تمثيلاً نظرًا لحقيقة أن كل معمارية تشغل مكانًا محددًا في نطاق بتات السرعة الإجمالي.

تتمتع ADCs للتحويل المباشر (الموازي) بأعلى سرعة وأدنى عمق للبت. على سبيل المثال، تبلغ سرعة ADC الموازية TLC5540 من شركة Texas Instruments 40MSPS مع 8 بتات فقط. يمكن أن تتمتع ADCs من هذا النوع بسرعة تحويل تصل إلى 1 GSPS. يمكن الإشارة هنا إلى أن ADCs المتدفقة تتمتع بسرعة أكبر، ولكنها عبارة عن مزيج من عدة ADCs ذات سرعة أقل، ويعتبرها خارج نطاق هذه المقالة.

يتم احتلال المكانة الوسطى في سلسلة سرعة معدل البت بواسطة ADCs التقريبية المتعاقبة. القيم النموذجية هي 12-18 بت مع تردد تحويل 100KSPS-1MSPS.

يتم تحقيق أعلى دقة من خلال sigma-delta ADCs بعرض بت يصل إلى 24 بت شاملاً وسرعة من وحدات SPS إلى وحدات KSPS.

هناك نوع آخر من ADC تم استخدامه في الماضي القريب وهو ADC المدمج. لقد تم الآن استبدال ADCs المتكاملة بالكامل تقريبًا بأنواع أخرى من ADCs، ولكن يمكن العثور عليها في أدوات القياس القديمة.

التحويل المباشر ADC

أصبحت دوائر ADC ذات التحويل المباشر منتشرة على نطاق واسع في ستينيات وسبعينيات القرن العشرين، وبدأ إنتاجها كدوائر متكاملة في الثمانينيات. يتم استخدامها غالبًا كجزء من ADCs "خط الأنابيب" (لم يتم مناقشتها في هذه المقالة)، ولها سعة 6-8 بت بسرعة تصل إلى 1 GSPS.

تظهر بنية ADC للتحويل المباشر في الشكل. 1

أرز. 1. رسم تخطيطي للتحويل المباشر ADC

مبدأ تشغيل ADC بسيط للغاية: يتم توفير إشارة الدخل في وقت واحد لجميع المدخلات "الإيجابية" للمقارنات، ويتم توفير سلسلة من الفولتية إلى الفولتية "السلبية"، التي يتم الحصول عليها من الجهد المرجعي عن طريق تقسيمها المقاومات R. للدائرة في الشكل. 1 سيكون هذا الصف هكذا: (1/16، 3/16، 5/16، 7/16، 9/16، 11/16، 13/16) Uref، حيث Uref هو الجهد المرجعي ADC.

دع جهدًا يساوي 1/2 Uref يتم تطبيقه على دخل ADC. ثم ستعمل المقارنات الأربعة الأولى (إذا عدت من الأسفل)، وستظهر المقارنات المنطقية عند مخرجاتها. سيشكل برنامج التشفير ذو الأولوية رمزًا ثنائيًا من "عمود" من الرموز، والذي يتم التقاطه في سجل الإخراج.

الآن أصبحت مزايا وعيوب هذا المحول واضحة. تعمل جميع المقارنات بالتوازي، ووقت تأخير الدائرة يساوي وقت التأخير في مقارنة واحدة بالإضافة إلى وقت التأخير في التشفير. يمكن إجراء المقارنة والمشفر بسرعة كبيرة، ونتيجة لذلك تتمتع الدائرة بأكملها بأداء عالٍ جدًا.

ولكن للحصول على N بتات، هناك حاجة إلى مقارنات 2^N (ويزداد تعقيد المشفر أيضًا إلى 2^N). المخطط في الشكل. 1. يحتوي على 8 مقارنات ويحتوي على 3 بتات، للحصول على 8 بتات، تحتاج إلى 256 مقارنات، مقابل 10 بتات - 1024 مقارنات، بالنسبة لـ ADC 24 بت، سيحتاجون إلى أكثر من 16 مليونًا، ومع ذلك، لم تصل التكنولوجيا بعد إلى هذه المرتفعات.

تقريب متتالية ADC

يقوم المحول التناظري إلى الرقمي بسجل تقريب متتابع (SAR) بقياس حجم إشارة الدخل عن طريق إجراء سلسلة من "الأوزان" المتسلسلة، أي مقارنات قيمة جهد الإدخال مع سلسلة من القيم المتولدة على النحو التالي:

1. في الخطوة الأولى، يتم ضبط إخراج المحول الرقمي إلى التناظري المدمج على قيمة تساوي 1/2Uref (نفترض فيما يلي أن الإشارة موجودة في الفاصل الزمني (0 – Uref).

2. إذا كانت الإشارة أكبر من هذه القيمة، يتم مقارنتها بالجهد الموجود في منتصف الفاصل الزمني المتبقي، أي في هذه الحالة 3/4Uref. إذا كانت الإشارة أقل من المستوى المحدد، فسيتم إجراء المقارنة التالية بأقل من نصف الفاصل الزمني المتبقي (أي بمستوى 1/4Uref).

3. يتم تكرار الخطوة 2 مرات N. وبالتالي، فإن مقارنات N ("الترجيحات") تنتج N بتات من النتيجة.

أرز. 2. مخطط كتلة لتقريب ADC المتتالي.

وبالتالي، فإن التقريب المتتابع ADC يتكون من العقد التالية:

1. المقارنة. فهو يقارن قيمة الإدخال والقيمة الحالية لجهد "الترجيح" (في الشكل 2، المشار إليه بمثلث).

2. محول رقمي إلى تناظري (DAC). فهو يولد "وزن" الجهد بناءً على الكود الرقمي الذي يتم استلامه عند الإدخال.

3. سجل التقريب المتتابع (SAR). فهو ينفذ خوارزمية تقريبية متتالية، مما يولد القيمة الحالية للكود الذي يتم تغذيته إلى مدخلات DAC. تم تسمية بنية ADC بأكملها باسمها.

4. نظام العينة/الحجز (العينة/الحجز، S/H). لتشغيل ADC، من المهم بشكل أساسي أن يظل جهد الدخل ثابتًا طوال دورة التحويل. ومع ذلك، تميل الإشارات "الحقيقية" إلى التغيير بمرور الوقت. "تتذكر" دائرة أخذ العينات والاحتفاظ القيمة الحالية للإشارة التناظرية وتبقيها دون تغيير طوال دورة تشغيل الجهاز بأكملها.

تتمثل ميزة الجهاز في سرعة التحويل العالية نسبيًا: وقت التحويل لـ N-bit ADC هو N من دورات الساعة. دقة التحويل محدودة بدقة DAC الداخلية ويمكن أن تكون 16-18 بت (بدأت الآن ظهور SAR ADCs 24 بت، على سبيل المثال، AD7766 وAD7767).

دلتا سيجما ADC

أخيرًا، النوع الأكثر إثارة للاهتمام من ADC هو Sigma-delta ADC، والذي يُطلق عليه أحيانًا ADC متوازن الشحن في الأدبيات. يظهر الشكل التخطيطي للكتلة الخاصة بـ Sigma-delta ADC في الشكل. 3.

تين. 3. رسم تخطيطي لـ Sigma-delta ADC.

يعد مبدأ تشغيل ADC أكثر تعقيدًا إلى حد ما من الأنواع الأخرى من ADC. جوهرها هو أن جهد الدخل يتم مقارنته بقيمة الجهد المتراكمة بواسطة جهاز التكامل. يتم توفير نبضات ذات قطبية إيجابية أو سلبية لمدخل التكامل، اعتمادًا على نتيجة المقارنة. وبالتالي، فإن ADC هذا هو نظام تتبع بسيط: الجهد عند مخرج التكامل "يتتبع" جهد الدخل (الشكل 4). نتيجة هذه الدائرة هي تيار من الأصفار والواحدات عند مخرج المقارنة، والذي يتم بعد ذلك تمريره عبر مرشح رقمي للتمرير المنخفض، مما يؤدي إلى نتيجة N-bit. LPF في الشكل. 3. بالاشتراك مع "الجهاز العشري"، وهو جهاز يقلل من تكرار القراءات عن طريق "القضاء عليها".

أرز. 4. سيجما دلتا ADC كنظام تتبع

من أجل دقة العرض، يجب أن يقال أنه في الشكل. يوضح الشكل 3 رسمًا تخطيطيًا لـ ADC من الدرجة الأولى لـ Sigma-delta. يحتوي الترتيب الثاني لـ sigma-delta ADC على تكاملين وحلقتين للتغذية الراجعة، ولكن لن يتم مناقشتها هنا. ويمكن للمهتمين بهذا الموضوع الرجوع إليه.

في التين. ويبين الشكل 5 الإشارات في ADC عند مستوى الإدخال صفر (أعلى) وعند مستوى Vref/2 (أسفل).

أرز. 5. الإشارات في ADC عند مستويات إشارة الإدخال المختلفة.

الآن، دون الخوض في التحليل الرياضي المعقد، دعونا نحاول أن نفهم لماذا تمتلك Sigma-delta ADCs أرضية ضوضاء منخفضة جدًا.

دعونا نفكر في الرسم التخطيطي لمُعدِّل سيجما دلتا الموضح في الشكل. 3، وتقديمه في هذا النموذج (الشكل 6):

أرز. 6. مخطط كتلة لمغير سيجما دلتا

هنا يتم تمثيل المقارنة كأداة تضيف الإشارة المطلوبة المستمرة وضوضاء التكميم.

اسمح للمتكامل أن يكون له وظيفة نقل 1/s. بعد ذلك، بتمثيل الإشارة المفيدة كـ X(s)، وإخراج مُشكِّل سيجما-دلتا كـ Y(s)، وضوضاء التكميم كـ E(s)، نحصل على وظيفة نقل ADC:

Y(s) = X(s)/(s+1) + E(s)s/(s+1)

وهذا يعني، في الواقع، أن مُعدِّل سيجما-دلتا هو مرشح للتمرير المنخفض (1/(s+1)) للإشارة المفيدة، ومرشح للتمرير العالي (s/(s+1)) للضوضاء، وكلاهما مرشحات لها نفس تردد القطع. تتم إزالة الضوضاء المركزة في منطقة التردد العالي من الطيف بسهولة بواسطة مرشح الترددات المنخفضة الرقمي، والذي يقع بعد المغير.

أرز. 7. ظاهرة "إزاحة" الضوضاء إلى الجزء عالي التردد من الطيف

ومع ذلك، ينبغي أن يكون مفهوما أن هذا تفسير مبسط للغاية لظاهرة تشكيل الضوضاء في ADC سيجما دلتا.

لذلك، فإن الميزة الرئيسية لـ Sigma-delta ADC هي دقتها العالية، وذلك بسبب المستوى المنخفض للغاية من الضوضاء الخاصة بها. ومع ذلك، لتحقيق دقة عالية، من الضروري أن يكون تردد القطع للمرشح الرقمي منخفضًا قدر الإمكان، أي أقل بعدة مرات من تردد التشغيل لمغير سيجما-دلتا. ولذلك، فإن ADCs سيجما دلتا لديها سرعة تحويل منخفضة.

يمكن استخدامها في الهندسة الصوتية، ولكن استخدامها الرئيسي هو في الأتمتة الصناعية لتحويل إشارات الاستشعار، وفي أدوات القياس، وفي التطبيقات الأخرى التي تتطلب دقة عالية. ولكن السرعة العالية ليست مطلوبة.

قليلا من التاريخ

من المحتمل أن أقدم ذكر لـ ADC في التاريخ هو براءة اختراع Paul M. Rainey، "نظام تلغراف الفاكس"، الولايات المتحدة. براءة الاختراع رقم 1,608,527، تم تقديمها في 20 يوليو 1921، وتم إصدارها في 30 نوفمبر 1926. الجهاز الموضح في براءة الاختراع هو في الواقع جهاز ADC للتحويل المباشر بطول 5 بت.

أرز. 8. أول براءة اختراع لشركة ADC

أرز. 9. التحويل المباشر ADC (1975)

الجهاز الموضح في الشكل هو عبارة عن تحويل مباشر من ADC MOD-4100 تم تصنيعه بواسطة Computer Labs، وتم تصنيعه في عام 1975، وتم تجميعه باستخدام مقارنات منفصلة. هناك 16 مقارنة (تقع في نصف دائرة من أجل معادلة تأخير انتشار الإشارة لكل مقارنة)، لذلك يبلغ عرض ADC 4 بتات فقط. سرعة التحويل 100 مللي ثانية، استهلاك الطاقة 14 واط.

ويبين الشكل التالي نسخة متقدمة من التحويل المباشر ADC.

أرز. 10. التحويل المباشر ADC (1970)

يحتوي جهاز VHS-630 لعام 1970، الذي تم تصنيعه بواسطة Computer Labs، على 64 مقارنًا، وكان 6 بت، و30 مللي ثانية في الثانية، ويستهلك 100 واط (إصدار 1975 VHS-675 يحتوي على 75 مللي ثانية في الثانية ويستهلك 130 واط).

الأدب

دبليو كيستر. معماريات ADC I: محول الفلاش. الأجهزة التناظرية، البرنامج التعليمي MT-020.