ตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิทัล (ADC) – นี่คืออุปกรณ์ที่ช่วยให้เกิดกระบวนการแปลงปริมาณทางกายภาพที่ป้อนเข้าเป็นการแสดงตัวเลข ปริมาณอินพุตอาจเป็นกระแส แรงดัน ความต้านทาน ความจุ

ADC มีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับแนวคิดของการวัด ซึ่งหมายถึงกระบวนการเปรียบเทียบกับมาตรฐานของปริมาณอินพุตที่วัดได้ นั่นคือการแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัลถือเป็นการวัดค่าของสัญญาณอินพุตและด้วยเหตุนี้จึงสามารถนำไปใช้กับแนวคิดของข้อผิดพลาดในการวัดได้

ADC มีลักษณะเฉพาะหลายประการ โดยลักษณะหลักคือความลึกของบิตและความถี่ในการแปลง ความลึกของบิตจะแสดงเป็นบิต และความถี่ในการแปลงแสดงเป็นตัวอย่างต่อวินาที ยิ่งความจุและความเร็วบิตสูงเท่าไร การได้รับคุณสมบัติที่จำเป็นก็จะยิ่งยากขึ้นเท่านั้น และตัวแปลงก็จะยิ่งซับซ้อนและมีราคาแพงมากขึ้นเท่านั้น

หลักการ องค์ประกอบ และแผนภาพโครงสร้าง ADC ส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับวิธีการแปลง

การจำแนกประเภท

ปัจจุบันมีวิธีการแปลงรหัสแรงดันไฟฟ้าจำนวนมาก วิธีการเหล่านี้แตกต่างกันอย่างมากในแง่ของความแม่นยำ ความเร็วในการแปลง และความซับซ้อนในการใช้งานฮาร์ดแวร์ ในรูป 2 แสดงการจำแนกประเภทของ ADC ตามวิธีการแปลง

ตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัลประเภทต่างๆ ที่ได้รับความนิยมมากที่สุด ได้แก่:

1. ADC การแปลงแบบขนาน มีความลึกบิตต่ำและประสิทธิภาพสูง หลักการทำงานคือสัญญาณอินพุตจะถูกส่งไปยังอินพุต "บวก" ของตัวเปรียบเทียบและแรงดันไฟฟ้าจำนวนหนึ่งจะถูกส่งไปยังอินพุต "ลบ" ตัวเปรียบเทียบทำงานแบบขนาน เวลาหน่วงของวงจรคือผลรวมของเวลาหน่วงในตัวเปรียบเทียบหนึ่งตัวและเวลาหน่วงในตัวเข้ารหัส ด้วยเหตุนี้ ตัวเข้ารหัสและตัวเปรียบเทียบจึงสามารถทำได้อย่างรวดเร็ว และวงจรก็จะมีประสิทธิภาพสูง
2. ADC การประมาณต่อเนื่องกัน วัดขนาดของสัญญาณอินพุตโดยดำเนินการชุด "น้ำหนัก" หรือการเปรียบเทียบค่าแรงดันไฟฟ้าอินพุตและค่าจำนวนหนึ่ง โดดเด่นด้วยความเร็วในการแปลงสูงและถูกจำกัดด้วยความแม่นยำของ DAC ภายใน

3. ADC พร้อมการปรับสมดุลการชาร์จ หลักการทำงานคือการเปรียบเทียบแรงดันไฟฟ้าขาเข้ากับค่าแรงดันไฟฟ้าที่ผู้ประกอบสะสมไว้ พัลส์จะจ่ายให้กับอินพุตของตัวรวมขั้วลบหรือขั้วบวก โดยขึ้นอยู่กับผลการเปรียบเทียบ เป็นผลให้แรงดันเอาต์พุต "ติดตาม" แรงดันไฟฟ้าอินพุต โดดเด่นด้วยความแม่นยำสูงและระดับเสียงรบกวนต่ำ

การแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัลจะใช้ในทุกที่ที่ต้องรับและประมวลผลสัญญาณแอนะล็อกในรูปแบบดิจิทัล

• ADC เป็นส่วนสำคัญของโวลต์มิเตอร์แบบดิจิทัลและมัลติมิเตอร์
• ADC วิดีโอพิเศษใช้ในคอมพิวเตอร์จูนเนอร์ทีวี การ์ดอินพุตวิดีโอ และกล้องวิดีโอสำหรับแปลงสัญญาณวิดีโอเป็นดิจิทัล อินพุตไมโครโฟนและสัญญาณเสียงสายของคอมพิวเตอร์เชื่อมต่อกับ ADC เสียง
• ADC เป็นส่วนสำคัญของระบบเก็บข้อมูล
• ADC การประมาณต่อเนื่องที่มีความจุ 8-12 บิต และ ADC แบบซิกมาเดลต้าที่มีความจุ 16-24 บิตถูกสร้างขึ้นในไมโครคอนโทรลเลอร์แบบชิปตัวเดียว
• ออสซิลโลสโคปแบบดิจิทัลจำเป็นต้องใช้ ADC ที่เร็วมาก (ใช้ ADC แบบขนานและแบบไปป์ไลน์)
• เครื่องชั่งสมัยใหม่ใช้ ADC ที่มีความละเอียดสูงสุด 24 บิต ซึ่งจะแปลงสัญญาณโดยตรงจากเซ็นเซอร์สเตรนเกจ (sigma-delta ADC)
• ADC เป็นส่วนหนึ่งของโมเด็มวิทยุและอุปกรณ์ส่งข้อมูลวิทยุอื่นๆ ซึ่งจะใช้ร่วมกับโปรเซสเซอร์ DSP เป็นตัวดีมอดูเลเตอร์
• ADC ที่เร็วเป็นพิเศษใช้ในระบบเสาอากาศของสถานีฐาน (ในที่เรียกว่าเสาอากาศ SMART) และในอาร์เรย์เสาอากาศเรดาร์

34. ตัวแปลงดิจิตอลเป็นอนาล็อก วัตถุประสงค์ โครงสร้าง หลักการทำงาน.

ตัวแปลงดิจิตอลเป็นอนาล็อก (ดีเอซี) - อุปกรณ์สำหรับแปลงรหัสดิจิทัล (โดยปกติจะเป็นไบนารี่) ให้เป็นสัญญาณแอนะล็อก (กระแส แรงดันไฟฟ้า หรือประจุ) ตัวแปลงดิจิตอลเป็นอนาล็อกเป็นส่วนเชื่อมต่อระหว่างโลกดิจิทัลที่แยกจากกันและสัญญาณอะนาล็อก

ตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัล (ADC) ดำเนินการย้อนกลับ

โดยปกติแล้ว Audio DAC จะรับสัญญาณดิจิทัลแบบมอดูเลตรหัสพัลส์เป็นอินพุต งานการแปลงรูปแบบการบีบอัดต่างๆ เป็น PCM นั้นดำเนินการโดยตัวแปลงสัญญาณที่เกี่ยวข้อง

ใช้ DAC แล้ว เมื่อใดก็ตามที่จำเป็นต้องแปลงสัญญาณจากการแสดงดิจิทัลไปเป็นสัญญาณอะนาล็อก เช่น ในเครื่องเล่นซีดี (ซีดีเพลง)

ตัวแปลงดิจิทัลเป็นอนาล็อก (DAC) และตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิทัล (ADC) ใช้เพื่อเชื่อมต่ออุปกรณ์และระบบดิจิทัลกับสัญญาณอะนาล็อกภายนอกกับโลกแห่งความเป็นจริงเป็นหลัก ในกรณีนี้ ADC จะแปลงสัญญาณอะนาล็อกเป็นสัญญาณอินพุตดิจิทัลที่ป้อนให้กับอุปกรณ์ดิจิทัลเพื่อการประมวลผลหรือการจัดเก็บเพิ่มเติม และ DAC จะแปลงสัญญาณเอาต์พุตดิจิทัลของอุปกรณ์ดิจิทัลให้เป็นสัญญาณอะนาล็อก

วงจรไมโครเฉพาะทางที่ผลิตโดยบริษัทในประเทศและต่างประเทศจำนวนมากมักจะใช้เป็น DAC และ ADC

ชิปดีเอซีสามารถแสดงเป็นบล็อก (รูปที่ 13) โดยมีอินพุตดิจิตอลหลายช่องและอินพุตแบบอะนาล็อกหนึ่งช่องรวมถึงเอาต์พุตแบบอะนาล็อก

ข้าว. 13. ชิป DAC

รหัส n-bit N ถูกส่งไปยังอินพุตดิจิทัลของ DAC และแรงดันอ้างอิง U op ถูกส่งไปยังอินพุตอะนาล็อก (การกำหนดทั่วไปอีกประการหนึ่งคือ U REF) สัญญาณเอาท์พุตคือแรงดันไฟฟ้า U out (ชื่ออื่นคือ U O) หรือกระแส I out (ชื่ออื่นคือ I O) ในกรณีนี้ กระแสไฟขาออกหรือแรงดันไฟขาออกจะเป็นสัดส่วนกับรหัสอินพุตและแรงดันอ้างอิง สำหรับวงจรขนาดเล็กบางวงจร แรงดันอ้างอิงต้องมีระดับที่ระบุอย่างเคร่งครัด สำหรับวงจรอื่นๆ สามารถเปลี่ยนค่าได้ภายในขอบเขตที่กว้าง รวมถึงการเปลี่ยนขั้ว (บวกเป็นลบและในทางกลับกัน) DAC ที่มีช่วงแรงดันอ้างอิงสูงเรียกว่า DAC แบบทวีคูณ เนื่องจากสามารถใช้เพื่อคูณรหัสอินพุตด้วยแรงดันอ้างอิงใดๆ ได้อย่างง่ายดาย

สาระสำคัญของการแปลงรหัสดิจิทัลอินพุตเป็นสัญญาณอะนาล็อกเอาต์พุตนั้นค่อนข้างง่าย ประกอบด้วยการรวมกระแสหลายกระแส (ตามจำนวนบิตของรหัสอินพุต) แต่ละกระแสที่ตามมาจะมีขนาดใหญ่เป็นสองเท่าของกระแสก่อนหน้า เพื่อให้ได้กระแสเหล่านี้ จะใช้แหล่งกำเนิดกระแสของทรานซิสเตอร์หรือเมทริกซ์ความต้านทานที่สวิตช์ของทรานซิสเตอร์

ตามตัวอย่าง รูปที่ 14 แสดงการแปลงดิจิทัลเป็นอนาล็อกแบบ 4 บิต (n = 4) โดยอาศัยเมทริกซ์และสวิตช์ต้านทาน R–2R (ในความเป็นจริง จะใช้สวิตช์ที่ใช้ทรานซิสเตอร์) ตำแหน่งที่ถูกต้องของคีย์สอดคล้องกับตำแหน่งหนึ่งในบิตนี้ของโค้ดอินพุต N (บิต D0…D3) แอมพลิฟายเออร์สำหรับการปฏิบัติงานอาจเป็นแบบในตัว (ในกรณีของ DAC เอาท์พุตแรงดันไฟฟ้า) หรือภายนอก (ในกรณีของ DAC เอาท์พุตกระแส)

ข้าว. 14. การแปลงดิจิตอลเป็นอนาล็อก 4 บิต

สวิตช์ตัวแรก (ซ้ายในรูป) สลับกระแสของค่า U REF /2R สวิตช์ตัวที่สอง - ปัจจุบัน U REF /4R สวิตช์ตัวที่สาม - ปัจจุบัน U REF /8R สวิตช์ตัวที่สี่ - ปัจจุบัน U REF /16R นั่นคือกระแสที่เปลี่ยนโดยคีย์ที่อยู่ติดกันจะต่างกันครึ่งหนึ่ง เช่นเดียวกับน้ำหนักของบิตของรหัสไบนารี่ กระแสที่เปลี่ยนโดยสวิตช์ทั้งหมดจะถูกสรุปและแปลงเป็นแรงดันเอาต์พุตโดยใช้แอมพลิฟายเออร์ปฏิบัติการที่มีความต้านทาน R OS = R ในวงจรป้อนกลับเชิงลบ

เมื่อสวิตช์แต่ละตัวอยู่ในตำแหน่งที่ถูกต้อง (สวิตช์ตัวใดตัวหนึ่งอยู่ในบิตที่สอดคล้องกันของโค้ดอินพุต DAC) กระแสไฟฟ้าที่สวิตช์โดยคีย์นี้จะถูกจ่ายเพื่อการบวก เมื่อสวิตช์อยู่ในตำแหน่งด้านซ้าย (ศูนย์ในบิตที่สอดคล้องกันของโค้ดอินพุต DAC) กระแสไฟที่สวิตช์โดยคีย์นี้จะไม่ได้รับการจ่ายสำหรับการบวก

กระแส I O ทั้งหมดจากสวิตช์ทั้งหมดจะสร้างแรงดันไฟฟ้าที่เอาต์พุตของเครื่องขยายเสียงในการดำเนินงาน U O =I O R OS =I OR นั่นคือการมีส่วนร่วมของคีย์แรก (บิตที่สำคัญที่สุดของรหัส) ต่อแรงดันเอาต์พุตคือ U REF /2 ที่สอง - U REF /4 ที่สาม - U REF /8 ที่สี่ - U REF /16 . ดังนั้นด้วยรหัสอินพุต N = 0000 แรงดันเอาต์พุตของวงจรจะเป็นศูนย์ และด้วยรหัสอินพุต N = 1111 จะเท่ากับ –15U REF /16

โดยทั่วไปแรงดันเอาต์พุตของ DAC ที่ R OS = R จะสัมพันธ์กับรหัสอินพุต N และแรงดันอ้างอิง U REF ด้วยสูตรง่ายๆ

U ออก = –N U อ้างอิง 2 -n

โดยที่ n คือจำนวนบิตของโค้ดอินพุต ชิป DAC บางตัวให้ความสามารถในการทำงานในโหมดไบโพลาร์ ซึ่งแรงดันเอาต์พุตไม่เปลี่ยนจากศูนย์เป็น U REF แต่เปลี่ยนจาก –U REF เป็น +U REF ในกรณีนี้ สัญญาณเอาท์พุตของ DAC U OUT จะถูกคูณด้วย 2 และเลื่อนด้วยค่า U REF ความสัมพันธ์ระหว่างรหัสอินพุต N และแรงดันเอาต์พุต U OUT จะเป็นดังนี้:

U ออก =U อ้างอิง (1–N 2 1–n)

ชิปเอดีซีทำหน้าที่ตรงข้ามกับฟังก์ชันของ DAC โดยตรง โดยจะแปลงสัญญาณอะนาล็อกอินพุตให้เป็นลำดับของรหัสดิจิทัล โดยทั่วไป ชิป ADC สามารถแสดงเป็นบล็อกที่มีอินพุตแบบอะนาล็อกหนึ่งอินพุต อินพุตหนึ่งหรือสองอินพุตสำหรับจ่ายแรงดันไฟฟ้าอ้างอิง (อ้างอิง) รวมถึงเอาต์พุตดิจิทัลสำหรับออกรหัสที่สอดคล้องกับค่าปัจจุบันของสัญญาณอะนาล็อก ( ภาพที่ 15)

บ่อยครั้งที่ชิป ADC มีอินพุตสำหรับการส่งสัญญาณนาฬิกา CLK, สัญญาณเปิดใช้งาน CS และสัญญาณที่ระบุความพร้อมของรหัสดิจิทัลเอาต์พุต RDY ไมโครเซอร์กิตนั้นมาพร้อมกับแรงดันไฟฟ้าหนึ่งหรือสองตัวและสายไฟทั่วไป

ข้าว. 15. ชิป ADC

ปัจจุบัน มีการพัฒนาวิธีการต่างๆ มากมายในการแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัล เช่น วิธีการนับตามลำดับ การปรับสมดุลระดับบิต การบูรณาการแบบคู่ ด้วยการแปลงแรงดันไฟฟ้าเป็นความถี่, การแปลงแบบขนาน วงจรคอนเวอร์เตอร์ที่สร้างขึ้นตามวิธีการที่ระบุไว้อาจมีหรือไม่มี DAC

โครงการ ADC การนับแบบอนุกรมแสดงในรูปที่ 16 ก. ดังที่เห็นจากกราฟ เวลาการแปลงประเภทนี้จะแปรผันและขึ้นอยู่กับสัญญาณอะนาล็อกอินพุต อย่างไรก็ตาม วงจรการทำงานของอุปกรณ์ทั้งหมดจะคงที่และเท่ากับ โดยที่ T0- ระยะเวลาของเครื่องกำเนิดพัลส์อ้างอิง nความจุบิตของตัวนับและ ADC เอง การทำงานของ ADC ดังกล่าวไม่จำเป็นต้องมีการซิงโครไนซ์ซึ่งช่วยลดความยุ่งยากในการสร้างวงจรควบคุมได้อย่างมาก นับตั้งแต่วินาทีที่สัญญาณ “Start” มาถึงที่เอาต์พุต ADC ด้วยความถี่ 1/ ทีพีรหัสดิจิทัลของการเปลี่ยนแปลงผลลัพธ์การแปลง (ความถี่ 1/ ทีพี- พารามิเตอร์ที่กำหนดความถี่การติดตามสูงสุดที่อนุญาตของสัญญาณอินพุต)

ลักษณะที่สำคัญที่สุดของ ADC คือความแม่นยำ ความเร็ว และราคา ความแม่นยำเกี่ยวข้องกับความลึกบิตของ ADC ความจริงก็คือสัญญาณอะนาล็อกที่อินพุต ADC จะกลายเป็นรหัสดิจิทัลไบนารีที่เอาต์พุตนั่นคือ ADC เป็นเครื่องวัดขนาดสัญญาณอะนาล็อกที่มีความแม่นยำถึงครึ่งหนึ่งของหลักที่มีนัยสำคัญน้อยที่สุด ดังนั้นสมมติว่า ADC 8 บิตให้ความแม่นยำในการแปลงไม่สูงกว่าค่าสูงสุดที่เป็นไปได้ ADC 10 บิตให้ความแม่นยำในการแปลงไม่สูงกว่า ADC 14 บิตให้ความแม่นยำไม่สูงกว่า และ ADC 16 บิตให้ความแม่นยำไม่สูงกว่า จากค่าสูงสุดที่เป็นไปได้

ประสิทธิภาพของ ADC นั้นมีลักษณะเฉพาะตามระยะเวลาที่ต้องใช้ในการแปลงหนึ่งครั้ง หรือจำนวนการแปลงที่เป็นไปได้ต่อหน่วยเวลา (ความถี่ของการแปลง)

โดยทั่วไป ยิ่งความแม่นยำ (ความจุบิต) ของ ADC สูงเท่าใด ประสิทธิภาพก็ยิ่งต่ำลง และยิ่งความแม่นยำและประสิทธิภาพสูงขึ้นเท่าใด ต้นทุนของ ADC ก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น ดังนั้นเมื่อออกแบบเซนเซอร์อัจฉริยะ จำเป็นต้องเลือกพารามิเตอร์ให้ถูกต้อง

ปัจจุบัน ADC ถูกสร้างขึ้นตามหลักการของวงจรที่แตกต่างกัน และผลิตในรูปแบบของวงจรรวมแต่ละวงจรและเป็นหน่วยของวงจรที่ซับซ้อนมากขึ้น (เช่น ไมโครคอนโทรลเลอร์).

ตัวแปลงดิจิตอลเป็นอนาล็อก. .

อุปกรณ์เหล่านี้เป็น “ตัวนำ” ระหว่าง อนาล็อกและ ดิจิตอลโลกแห่งไฟฟ้า

สิ่งสำคัญที่สุดคือต้องใช้เซ็นเซอร์ มอเตอร์ ไฟ และอุปกรณ์อื่นๆ มากมาย สัญญาณอะนาล็อก, นั่นคือแรงดันไฟฟ้าที่มีระดับตั้งแต่ 0V ถึง 12Vในขณะที่ FPGA ดิจิทัล ไมโครคอนโทรลเลอร์ และชิปต้องการระดับแรงดันไฟฟ้าคงที่ เช่น 0V และ 5V แทน ตรรกะ 0 และ 1ตามลำดับ.

ตัวอย่างที่ 1 DAC

ลองจินตนาการว่าเราได้รับมอบหมายให้ควบคุมความสว่างของ LED:

• 10 ระดับ (การไล่ระดับ)ความสว่างของไฟ LED
• แรงดันไฟสูงสุดผ่าน LED 9V
• ควบคุมโดยใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์และปุ่มสองปุ่ม "ระดับความสว่าง +1", "ระดับความสว่าง -1"

ดังนั้น LED จะทำงานที่แรงดันไฟฟ้าตั้งแต่ 0 ถึง 9V เดาได้ไม่ยากว่าความสว่าง 10 ระดับคือระดับแรงดันไฟฟ้า 10 ระดับที่เราใช้กับ LED - 0V, 1V, ..., 9V

ไมโครคอนโทรลเลอร์จะจ่ายแรงดันเอาต์พุต 0V หรือ 5V แต่ไม่ใช่ 1B, 3B, 4B หรือ 9B แต่ไมโครคอนโทรลเลอร์ก็มีมากมาย ตรรกะหมุดที่เราสามารถเชื่อมต่อได้ ดีเอซีคุณและ แปลงตรรกะเข้า สัญญาณอะนาล็อก.

คุณ ตัวแปลงดิจิตอลเป็นอนาล็อกตัวอย่างเช่นมีพินอินพุต 4 พินสำหรับเชื่อมต่อสัญญาณลอจิกและ 2 พินสำหรับเอาต์พุต อนาล็อกแรงดันไฟฟ้าตั้งแต่ 0 ถึง 15V - เทอร์มินัล "+" และ "-"

นี่คืองานของคุณ ดีเอซีก : เมื่อเรากินทั้ง 4 ขา ตรรกะ 1แล้วระดับแรงดันไฟฟ้า อนาล็อกสัญญาณเอาท์พุตสูงสุด( 15V ในกรณีของเรา) เมื่อเราระบุ 0 - น้อยที่สุด นั่นคือ 0V

ตอนนี้ส่วนที่สนุกมา ที่ขาอินพุตแต่ละอัน ดีเอซีแต่มี “น้ำหนัก” สำหรับสัญญาณเอาท์พุต ตัวอย่างเช่น พินด้านบน "มีน้ำหนัก" 8V (นั่นคือถ้าเราใช้ตรรกะ 1 กับพินที่ 1 เท่านั้น เราก็จะได้ 8V ที่เอาต์พุต)อันถัดไปด้านล่างคือ 4B อันถัดไปคือ 2B และอันสุดท้ายด้านล่างคือ 1B ตอนนี้บวกตัวเลขเหล่านี้แล้วคุณจะได้ 15V

เราจำเป็นต้องได้รับระดับ 0B, 1B, 2B, 3B, 4B, 5B, 6B, 7B, 8B และ 9B

ซึ่งหมายความว่าอินพุต ดีเอซีคุณต้องส่งรหัสตามตารางต่อไปนี้

แรงดันไฟฟ้าที่ อนาล็อกออก	0V	1B	2B	3B	4B	5V	6V	7V	8V	9V
อินพุต 1 น้ำหนัก 8V	0	0	0	0	0	0	0	0	1	1
อินพุต 1 น้ำหนัก 4V	0	0	0	0	1	1	1	1	0	0
อินพุต 1 น้ำหนัก 2V	0	0	1	1	0	0	1	1	0	0
อินพุต 1 น้ำหนัก 1V	0	1	0	1	0	1	0	1	0	1

ปุ่ม "ระดับความสว่าง +1", "ระดับความสว่าง -1" จะเพิ่มหรือลบ 1 หน่วยจากเอาต์พุต ดิจิตอลสัญญาณไมโครคอนโทรลเลอร์ สัญญาณนี้จะถูกส่งไปยังอินพุต ดีเอซี- ออก ดีเอซีจะต่อเข้ากับ LED ภารกิจสำเร็จ!

ตัวอย่างที่ 2 ADC

ตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิทัลทำงานบนหลักการย้อนกลับ เราใช้ระดับแรงดันไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงกับอินพุตและที่เอาต์พุตเราได้รับตรรกะ (บิต) +5V และ 0V หรือตรรกะ 1 และ 0

มากำหนดภารกิจการอ่านค่าจากเซ็นเซอร์อุณหภูมิ:

• เซ็นเซอร์แสดงอุณหภูมิตั้งแต่ 0C ถึง 30C
• ที่ 0C เซ็นเซอร์จะส่งออก 0V ที่ 30C เซ็นเซอร์จะส่งออก 15V
• ไมโครคอนโทรลเลอร์จะต้องรับสัญญาณในรูปแบบดิจิตอล (โลจิคัล 1 และ 0, แรงดัน +5V และ 0V)

เอดีซีมีพินอินพุตสองตัวสำหรับรับสัญญาณแรงดันไฟฟ้าแบบอะนาล็อกเช่นตั้งแต่ 0 ถึง 15V และในกรณีของเรามี 4 พินสำหรับเอาต์พุต สัญญาณลอจิกดิจิทัล- นั่นคือสัญญาณรหัสขนานสี่บิต

เราเชื่อมต่อเอาต์พุตจากเซ็นเซอร์ของเราเข้ากับอินพุตแบบอะนาล็อก เอดีซีและเอาต์พุตดิจิทัลสี่บิตจาก เอดีซีเชื่อมต่อกับไมโครคอนโทรลเลอร์ และเราได้รับการอ่านจากเซ็นเซอร์ในรูปแบบดิจิทัลบนไมโครโฟนแล้ว ข้อมูลในกระบวนการจะสอดคล้องกับตารางด้านล่าง

เอพีซี- นี้ กภาษี คดิจิตอล ปตัวแปลง ในภาษาอังกฤษ เอดีซี (กภาษีต่อ- ดีดิจิตอล คอินเวอร์เตอร์) นั่นคืออุปกรณ์พิเศษที่แปลงเป็นดิจิทัล

ADC ใช้ในเทคโนโลยีดิจิทัล โดยเฉพาะอย่างยิ่งสมัยใหม่เกือบทั้งหมดมี ADC ในตัว

ดังที่คุณคงทราบแล้วว่าไมโครโปรเซสเซอร์ (เช่น โปรเซสเซอร์คอมพิวเตอร์) ไม่เข้าใจอะไรมากไปกว่าเลขฐานสอง ตามมาด้วยว่าไมโครโปรเซสเซอร์ (ซึ่งเป็นพื้นฐานของไมโครคอนโทรลเลอร์) ไม่สามารถประมวลผลสัญญาณอะนาล็อกได้โดยตรง

โดยทั่วไป ADC ของไมโครคอนโทรลเลอร์จะวัดเฉพาะแรงดันไฟฟ้าในช่วงตั้งแต่ 0 จนถึงแรงดันไฟฟ้าของไมโครคอนโทรลเลอร์

ลักษณะเฉพาะของเอดีซี

มี ADC ที่แตกต่างกันซึ่งมีลักษณะแตกต่างกัน ลักษณะสำคัญคือความลึกของบิต อย่างไรก็ตามยังมีคนอื่นอยู่ เช่น ชนิดของสัญญาณอนาล็อกที่สามารถเชื่อมต่อกับอินพุต ADC ได้

คุณลักษณะทั้งหมดเหล่านี้อธิบายไว้ในเอกสารประกอบสำหรับ ADC (หากได้รับการออกแบบให้เป็นชิปแยกต่างหาก) หรือในเอกสารประกอบสำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์ (หาก ADC ติดตั้งอยู่ในไมโครคอนโทรลเลอร์)

นอกเหนือจากความจุบิตที่เราได้พูดคุยไปแล้ว เรายังสามารถตั้งชื่อคุณลักษณะพื้นฐานเพิ่มเติมอีกหลายประการได้

บิตที่มีนัยสำคัญน้อยที่สุด (LSB)- นี่คือแรงดันไฟฟ้าอินพุตที่เล็กที่สุดที่ ADC สามารถวัดได้ กำหนดโดยสูตร:

1 LSB = Uop / 2 R

โดยที่ Uop คือแรงดันอ้างอิง (ระบุไว้ในข้อกำหนด ADC) ตัวอย่างเช่น ด้วยแรงดันอ้างอิง 1 V และความกว้างบิต 8 บิต เราจะได้:

1 LSB = 1/2 8 = 1/256 = 0.004 โวลต์

อินทิกรัลไม่เชิงเส้น - อินทิกรัลไม่เชิงเส้นของโค้ดเอาต์พุต ADC- เป็นที่ชัดเจนว่าการเปลี่ยนแปลงใด ๆ ทำให้เกิดการบิดเบือน และคุณลักษณะนี้จะกำหนดความไม่เชิงเส้นของค่าเอาต์พุต นั่นคือค่าเบี่ยงเบนของค่าเอาต์พุต ADC จากค่าเชิงเส้นในอุดมคติ คุณลักษณะนี้วัดเป็น LSB

กล่าวอีกนัยหนึ่ง คุณลักษณะนี้จะกำหนดว่าเส้น "โค้ง" บนกราฟสัญญาณเอาท์พุตจะเป็นได้อย่างไร ซึ่งตามหลักการแล้วควรจะเป็นเส้นตรง (ดูรูป)

ความแม่นยำแน่นอน- วัดเป็น LSB ด้วย กล่าวอีกนัยหนึ่ง นี่คือข้อผิดพลาดในการวัด ตัวอย่างเช่น หากคุณลักษณะนี้คือ +/- 2 LSB และ LSB = 0.05 V นั่นหมายความว่าข้อผิดพลาดในการวัดสามารถเข้าถึง +/- 2 * 0.05 = +/- 0.1 V

ADC ยังมีคุณลักษณะอื่นๆ แต่สำหรับผู้เริ่มต้น แค่นี้ก็เกินพอแล้ว

การเชื่อมต่อเอดีซี

ฉันขอเตือนคุณว่าโดยพื้นฐานแล้วมีสองประเภท: กระแสและแรงดันไฟฟ้า นอกจากนี้ สัญญาณอาจมีช่วงค่ามาตรฐานและค่าที่ไม่เป็นมาตรฐานได้ ช่วงมาตรฐานของค่าสัญญาณอะนาล็อกอธิบายไว้ใน GOST (เช่น GOST 26.011-80 และ GOST R 51841-2001) แต่ถ้าอุปกรณ์ของคุณใช้เซ็นเซอร์แบบโฮมเมดบางประเภท สัญญาณอาจแตกต่างจากเซ็นเซอร์มาตรฐาน (แม้ว่าฉันแนะนำให้คุณเลือกสัญญาณมาตรฐานไม่ว่าในกรณีใด - เพื่อให้เข้ากันได้กับเซ็นเซอร์มาตรฐานและอุปกรณ์อื่น ๆ )

ADC วัดแรงดันไฟฟ้าเป็นหลัก

ฉันจะพยายามพูดถึง (โดยทั่วไป) วิธีเชื่อมต่อเซ็นเซอร์อะนาล็อกกับ ADC และวิธีจัดการกับค่าที่ ADC จะสร้าง

สมมติว่าเราต้องการวัดอุณหภูมิในช่วง -40...+50 องศา โดยใช้เซ็นเซอร์พิเศษที่มีเอาต์พุตมาตรฐาน 0...1V สมมติว่าเรามีเซ็นเซอร์ที่สามารถวัดอุณหภูมิได้ในช่วง -50...+150 องศา

หากเซ็นเซอร์อุณหภูมิมีเอาต์พุตมาตรฐาน ตามกฎแล้วแรงดันไฟฟ้า (หรือกระแส) ที่เอาต์พุตเซ็นเซอร์จะแปรผันเป็นเส้นตรง นั่นคือเราสามารถระบุได้อย่างง่ายดายว่าแรงดันไฟฟ้าจะอยู่ที่เอาต์พุตของเซ็นเซอร์ที่อุณหภูมิที่กำหนด

กฎหมายเชิงเส้นคืออะไร? นี่คือเมื่อช่วงของค่าบนกราฟดูเหมือนเป็นเส้นตรง (ดูรูป) เมื่อรู้ว่าอุณหภูมิตั้งแต่ -50 ถึง +150 ให้แรงดันไฟฟ้าที่เอาต์พุตของเซ็นเซอร์ซึ่งแปรผันตามกฎเชิงเส้น ดังที่ได้กล่าวไปแล้ว ดังที่ได้กล่าวไปแล้ว เราสามารถคำนวณแรงดันไฟฟ้านี้สำหรับค่าอุณหภูมิใดๆ ในช่วงที่กำหนดได้

โดยทั่วไป ในการแปลงช่วงอุณหภูมิเป็นช่วงแรงดันไฟฟ้าในกรณีของเรา เราจำเป็นต้องเปรียบเทียบสเกลสองสเกล โดยหนึ่งในนั้นคือช่วงอุณหภูมิ และอีกอันเป็นช่วงแรงดันไฟฟ้า

คุณสามารถกำหนดแรงดันไฟฟ้าตามอุณหภูมิด้วยสายตาโดยใช้กราฟ (ดูรูปด้านบน) แต่ไมโครคอนโทรลเลอร์ไม่มีตา (แต่แน่นอนว่าคุณสามารถสนุกและสร้างอุปกรณ์บนไมโครคอนโทรลเลอร์ที่สามารถจดจำภาพและกำหนดค่าอุณหภูมิจากแรงดันไฟฟ้าบนกราฟได้ แต่ขอฝากความบันเทิงนี้ไว้กับแฟน ๆ ของหุ่นยนต์ )))

ก่อนอื่นเรากำหนดช่วงอุณหภูมิ เรามีอุณหภูมิตั้งแต่ -50 ถึง 150 นั่นคือ 201 องศา (อย่าลืมเกี่ยวกับศูนย์)

และช่วงแรงดันไฟฟ้าที่วัดได้คือตั้งแต่ 0 ถึง 1 V

นั่นคือเราต้องบีบช่วงตั้งแต่ 0 ถึง 200 (รวมทั้งหมด 201) ให้เป็นมาตราส่วนตั้งแต่ 0 ถึง 1

ค้นหาปัจจัยการแปลง:

K = U / Td = 1/200 = 0.005 (1)

นั่นคือเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง 1 องศา แรงดันไฟฟ้าที่เอาต์พุตเซ็นเซอร์จะเปลี่ยน 0.005 V โดยที่ Td คือช่วงอุณหภูมิ ไม่ใช่ค่าอุณหภูมิ แต่เป็นจำนวนหน่วยการวัด (ในกรณีของเราคือองศา) ในระดับอุณหภูมิเมื่อเปรียบเทียบกับระดับแรงดันไฟฟ้า (เราไม่คำนึงถึงศูนย์เพื่อความง่ายเนื่องจากมีศูนย์ในช่วงแรงดันไฟฟ้าด้วย ).

เราตรวจสอบคุณสมบัติของ ADC ของไมโครคอนโทรลเลอร์ที่เราวางแผนจะใช้ ค่า LSB ไม่ควรเกิน K (ในกรณีของเรามากกว่า 0.005 หรือแม่นยำยิ่งขึ้น ซึ่งเป็นที่ยอมรับได้หากคุณพอใจกับข้อผิดพลาดในการวัดมากกว่า 1 หน่วย - มากกว่า 1 องศาในกรณีของเรา)

โดยพื้นฐานแล้ว K คือโวลต์ต่อองศา นั่นคือวิธีที่เราค้นหาได้จากค่าที่แรงดันไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง 1 องศา

ตอนนี้เรามีข้อมูลที่จำเป็นทั้งหมดเพื่อแปลงค่าเอาท์พุต ADC เป็นค่าอุณหภูมิในโปรแกรมไมโครคอนโทรลเลอร์

เราจำได้ว่าเราเปลี่ยนช่วงอุณหภูมิ 50 องศา สิ่งนี้จะต้องนำมาพิจารณาเมื่อแปลงค่าเอาต์พุต ADC เป็นอุณหภูมิ

และสูตรจะเป็นดังนี้:

T = (ยู / เค) - 50 (2)

ตัวอย่างเช่นหากเอาต์พุต ADC คือ 0.5 V แสดงว่า

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

ตอนนี้เราจำเป็นต้องกำหนดความแตกต่างซึ่งก็คือความแม่นยำในการวัดที่ต้องการ

ดังที่คุณจำได้ ข้อผิดพลาดสัมบูรณ์อาจมี LSB หลายรายการ นอกจากนี้ ยังมีความผิดเพี้ยนแบบไม่เชิงเส้นด้วย ซึ่งโดยปกติจะเท่ากับ 0.5 LSB นั่นคือข้อผิดพลาดรวมของ ADC สามารถเข้าถึง 2-3 LSB

ในกรณีของเราคือ:

ขึ้น = 3 LSB * 0.005 = 0.015 V

หรือ 3 องศา

หากในกรณีของคุณทุกอย่างไม่ราบรื่นนัก ให้ใช้สูตรที่ได้มาจาก (1):

Td = ขึ้น / K = 0.015 / 0.005 = 3

หากข้อผิดพลาด 3 องศาเหมาะสมกับคุณ คุณไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนแปลงอะไรเลย ถ้าไม่เช่นนั้นคุณจะต้องเลือก ADC ที่มีความจุบิตสูงกว่าหรือค้นหาเซ็นเซอร์อื่น (ที่มีช่วงอุณหภูมิต่างกันหรือมีแรงดันเอาต์พุตต่างกัน)

ตัวอย่างเช่น หากคุณจัดการเพื่อค้นหาเซ็นเซอร์ที่มีช่วง -40...+50 ตามที่เราต้องการ และมีเอาต์พุตเดียวกัน 0...1V ดังนั้น

เค = 1/90 = 0.01

จากนั้นข้อผิดพลาดที่แน่นอนจะเป็น:

Td = ขึ้น / K = 0.015 / 0.01 = 1.5 องศา

สิ่งนี้เป็นที่ยอมรับไม่มากก็น้อยอยู่แล้ว ถ้าคุณมีเซ็นเซอร์ที่มีเอาต์พุต 0...5V (นี่เป็นสัญญาณมาตรฐานด้วย)

เค = 5/90 = 0.05

และข้อผิดพลาดที่แน่นอนจะเป็น:

Td = ขึ้น / K = 0.015 / 0.05 = 0.3 องศา

นี่ไม่มีอะไรเลย

แต่! โปรดจำไว้ว่าเรากำลังดูเฉพาะข้อผิดพลาด ADC ที่นี่เท่านั้น แต่เซ็นเซอร์เองก็มีข้อผิดพลาดที่ต้องนำมาพิจารณาด้วย

แต่ทั้งหมดนี้มาจากสาขาอิเล็กทรอนิกส์และมาตรวิทยาแล้ว ดังนั้นฉันจะจบบทความนี้ที่นี่

และท้ายที่สุด ในกรณีนี้ ฉันจะให้สูตรแปลงอุณหภูมิกลับเป็นแรงดันไฟฟ้า:

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

ป.ล.ฉันเขียนบทความนี้หลังจากทำงานหนักมาทั้งวัน ดังนั้นหากฉันทำผิดตรงไหนก็ขออภัยด้วย)))

บทความนี้จะกล่าวถึงประเด็นหลักเกี่ยวกับหลักการทำงานของ ADC ประเภทต่างๆ ในเวลาเดียวกัน การคำนวณทางทฤษฎีที่สำคัญบางประการเกี่ยวกับคำอธิบายทางคณิตศาสตร์ของการแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัลนั้นอยู่นอกขอบเขตของบทความ แต่มีลิงก์ให้ไว้ซึ่งผู้อ่านที่สนใจสามารถค้นหาการพิจารณาในเชิงลึกมากขึ้นเกี่ยวกับแง่มุมทางทฤษฎีของ การดำเนินงานของ ADC ดังนั้นบทความนี้จึงเกี่ยวข้องกับการทำความเข้าใจหลักการทั่วไปของการทำงานของ ADC มากกว่าการวิเคราะห์ทางทฤษฎีของการดำเนินงาน

การแนะนำ

เพื่อเป็นจุดเริ่มต้น เรามากำหนดการแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัลกันดีกว่า การแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัลเป็นกระบวนการแปลงปริมาณทางกายภาพที่ป้อนเข้าเป็นการแสดงตัวเลข ตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัลคืออุปกรณ์ที่ทำการแปลงดังกล่าว อย่างเป็นทางการ ค่าอินพุตของ ADC อาจเป็นปริมาณทางกายภาพใดๆ ได้ เช่น แรงดันไฟฟ้า กระแส ความต้านทาน ความจุ อัตราการเกิดซ้ำของพัลส์ มุมการหมุนของเพลา ฯลฯ อย่างไรก็ตาม เพื่อความชัดเจน ในสิ่งที่ตามมาโดย ADC เราจะหมายถึงเฉพาะตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าเป็นโค้ดเท่านั้น

แนวคิดของการแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัลมีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับแนวคิดเรื่องการวัด โดยการวัด เราหมายถึงกระบวนการเปรียบเทียบค่าที่วัดได้กับมาตรฐานบางอย่าง ในระหว่างการแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัล ค่าอินพุตจะถูกเปรียบเทียบกับค่าอ้างอิงบางค่า (โดยปกติจะเป็นแรงดันอ้างอิง) ดังนั้นการแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัลจึงถือได้ว่าเป็นการวัดค่าของสัญญาณอินพุต และนำแนวคิดด้านมาตรวิทยาทั้งหมด เช่น ข้อผิดพลาดในการวัด มาปรับใช้

ลักษณะสำคัญของ ADC

ADC มีลักษณะเฉพาะหลายประการ ลักษณะหลักคือความถี่ในการแปลงและความลึกของบิต ความถี่ในการแปลงมักจะแสดงเป็นตัวอย่างต่อวินาที (SPS) และความลึกของบิตเป็นบิต ADC สมัยใหม่สามารถมีความกว้างบิตได้สูงสุด 24 บิต และความเร็วในการแปลงสูงถึงหน่วย GSPS (แน่นอนว่าไม่ใช่ในเวลาเดียวกัน) ยิ่งความเร็วและความจุบิตสูงเท่าไร การได้รับคุณสมบัติที่ต้องการก็จะยิ่งยากขึ้นเท่านั้น ตัวแปลงก็จะมีราคาแพงและซับซ้อนมากขึ้นเท่านั้น ความเร็วการแปลงและความลึกของบิตมีความสัมพันธ์กันในทางใดทางหนึ่ง และเราสามารถเพิ่มความลึกของบิตการแปลงที่มีประสิทธิผลได้โดยการเสียสละความเร็ว

ประเภทของ ADC

ADC มีหลายประเภท แต่สำหรับวัตถุประสงค์ของบทความนี้ เราจะจำกัดตัวเองให้พิจารณาเฉพาะประเภทต่อไปนี้:

• ADC การแปลงแบบขนาน (การแปลงโดยตรง, ADC แฟลช)
• ADC ประมาณต่อเนื่อง (SAR ADC)
• ADC เดลต้าซิกมา (ADC ที่สมดุลการชาร์จ)

นอกจากนี้ยังมี ADC ประเภทอื่นๆ รวมถึงประเภทไปป์ไลน์และแบบรวม ซึ่งประกอบด้วย ADC หลายตัวที่มีสถาปัตยกรรมที่แตกต่างกัน (โดยทั่วไป) อย่างไรก็ตาม สถาปัตยกรรม ADC ที่ระบุไว้ข้างต้นเป็นตัวแทนได้มากที่สุด เนื่องจากสถาปัตยกรรมแต่ละสถาปัตยกรรมใช้พื้นที่เฉพาะในช่วงบิตความเร็วโดยรวม

ADC ของการแปลงโดยตรง (ขนาน) มีความเร็วสูงสุดและความลึกบิตต่ำสุด ตัวอย่างเช่น การแปลงแบบขนาน ADC TLC5540 จาก Texas Instruments มีความเร็ว 40MSPS โดยมีเพียง 8 บิต ADC ประเภทนี้สามารถมีความเร็วในการแปลงได้สูงสุด 1 GSPS สามารถสังเกตได้ที่นี่ว่า ADC แบบไปป์ไลน์มีความเร็วที่มากกว่า แต่เป็นการรวมกันของ ADC หลายตัวที่มีความเร็วต่ำกว่า และการพิจารณาอยู่นอกเหนือขอบเขตของบทความนี้

ช่องตรงกลางในซีรีย์ความเร็วบิตถูกครอบครองโดย ADC การประมาณที่ต่อเนื่องกัน ค่าทั่วไปคือ 12-18 บิตที่มีความถี่การแปลง 100KSPS-1MSPS

ความแม่นยำสูงสุดทำได้โดย ADC sigma-delta ที่มีความกว้างบิตสูงสุด 24 บิตและมีความเร็วจากหน่วย SPS ถึงหน่วย KSPS

ADC อีกประเภทหนึ่งที่พบการใช้งานในอดีตที่ผ่านมาคือการบูรณาการ ADC ปัจจุบันการบูรณาการ ADC ถูกแทนที่ด้วย ADC ประเภทอื่นๆ เกือบทั้งหมดแล้ว แต่สามารถพบได้ในเครื่องมือวัดรุ่นเก่า

ADC การแปลงโดยตรง

ADC การแปลงโดยตรงเริ่มแพร่หลายในทศวรรษ 1960 และ 1970 และเริ่มผลิตเป็นวงจรรวมในทศวรรษ 1980 มักใช้เป็นส่วนหนึ่งของ ADC แบบ "ไปป์ไลน์" (ไม่ได้กล่าวถึงในบทความนี้) และมีความจุ 6-8 บิตที่ความเร็วสูงสุด 1 GSPS

สถาปัตยกรรม ADC การแปลงโดยตรงแสดงไว้ในรูปที่ 1 1

ข้าว. 1. บล็อกไดอะแกรมของ ADC การแปลงโดยตรง

หลักการทำงานของ ADC นั้นง่ายมาก: สัญญาณอินพุตจะถูกจ่ายพร้อมกันไปยังอินพุต "บวก" ทั้งหมดของตัวเปรียบเทียบและชุดของแรงดันไฟฟ้าจะถูกส่งไปยังสัญญาณ "ลบ" ซึ่งได้มาจากแรงดันอ้างอิงโดยการหารด้วย ตัวต้านทาน R สำหรับวงจรในรูป 1 แถวนี้จะเป็นดังนี้: (1/16, 3/16, 5/16, 7/16, 9/16, 11/16, 13/16) Uref โดยที่ Uref คือแรงดันอ้างอิง ADC

ปล่อยให้แรงดันไฟฟ้าเท่ากับ 1/2 Uref ใช้กับอินพุต ADC จากนั้นตัวเปรียบเทียบ 4 ตัวแรกจะทำงาน (หากคุณนับจากด้านล่าง) และตัวเปรียบเทียบจะปรากฏที่เอาต์พุต ตัวเข้ารหัสลำดับความสำคัญจะสร้างรหัสไบนารี่จาก "คอลัมน์" ของรหัสซึ่งบันทึกไว้ในรีจิสเตอร์เอาต์พุต

ตอนนี้ข้อดีและข้อเสียของตัวแปลงดังกล่าวชัดเจนแล้ว ตัวเปรียบเทียบทั้งหมดทำงานแบบขนาน เวลาหน่วงของวงจรเท่ากับเวลาหน่วงในตัวเปรียบเทียบหนึ่งตัวบวกกับเวลาหน่วงในตัวเข้ารหัส ตัวเปรียบเทียบและตัวเข้ารหัสสามารถทำได้อย่างรวดเร็ว ส่งผลให้วงจรทั้งหมดมีประสิทธิภาพสูงมาก

แต่เพื่อให้ได้ N บิต จำเป็นต้องมีตัวเปรียบเทียบ 2^N (และความซับซ้อนของตัวเข้ารหัสก็เพิ่มขึ้นเป็น 2^N ด้วย) โครงการในรูป 1. มีตัวเปรียบเทียบ 8 ตัวและมี 3 บิต เพื่อให้ได้ 8 บิต คุณต้องมีตัวเปรียบเทียบ 256 ตัว สำหรับ 10 บิต - 1,024 ตัวเปรียบเทียบ สำหรับ ADC 24 บิต พวกเขาต้องการมากกว่า 16 ล้าน อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยียังไม่ถึงความสูงดังกล่าว

ADC ประมาณต่อเนื่องกัน

ตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิทัลแบบลงทะเบียนประมาณต่อเนื่อง (SAR) จะวัดขนาดของสัญญาณอินพุตโดยดำเนินการชุด "การถ่วงน้ำหนัก" ตามลำดับนั่นคือการเปรียบเทียบค่าแรงดันไฟฟ้าอินพุตกับชุดของค่าที่สร้างขึ้นดังต่อไปนี้:

1. ในขั้นตอนแรก เอาต์พุตของตัวแปลงดิจิทัลเป็นอนาล็อกในตัวจะถูกตั้งค่าเป็น 1/2Uref (ต่อไปนี้เราจะถือว่าสัญญาณอยู่ในช่วงเวลา (0 – Uref)

2. ถ้าสัญญาณมากกว่าค่านี้ ก็จะถูกนำไปเปรียบเทียบกับแรงดันไฟฟ้าที่อยู่ตรงกลางของช่วงที่เหลือ เช่น ในกรณีนี้คือ 3/4Uref หากสัญญาณน้อยกว่าระดับที่ตั้งไว้ การเปรียบเทียบครั้งต่อไปจะกระทำโดยใช้ช่วงเวลาที่เหลือน้อยกว่าครึ่งหนึ่ง (เช่น ที่ระดับ 1/4Uref)

3. ขั้นตอนที่ 2 ทำซ้ำ N ครั้ง ดังนั้นการเปรียบเทียบ N (“การถ่วงน้ำหนัก”) จะสร้างผลลัพธ์ N บิต

ข้าว. 2. แผนภาพบล็อกของ ADC ประมาณต่อเนื่องกัน

ดังนั้น ADC การประมาณต่อเนื่องกันจึงประกอบด้วยโหนดต่อไปนี้:

1. เครื่องเปรียบเทียบ โดยจะเปรียบเทียบค่าอินพุตและค่าปัจจุบันของแรงดันไฟฟ้า "การถ่วงน้ำหนัก" (ในรูปที่ 2 ระบุด้วยรูปสามเหลี่ยม)

2. ตัวแปลงดิจิทัลเป็นอนาล็อก (DAC) โดยจะสร้างแรงดันไฟฟ้า "น้ำหนัก" ตามรหัสดิจิทัลที่ได้รับจากอินพุต

3. การลงทะเบียนการประมาณต่อเนื่อง (SAR) ใช้อัลกอริธึมการประมาณต่อเนื่องกัน โดยสร้างค่าปัจจุบันของโค้ดที่ป้อนไปยังอินพุต DAC สถาปัตยกรรม ADC ทั้งหมดได้รับการตั้งชื่อตามชื่อดังกล่าว

4. รูปแบบการเก็บตัวอย่าง/การเก็บตัวอย่าง (ตัวอย่าง/การเก็บรักษา, S/H) สำหรับการทำงานของ ADC นี้ สิ่งสำคัญโดยพื้นฐานคือแรงดันไฟฟ้าขาเข้าจะคงที่ตลอดวงจรการแปลง อย่างไรก็ตาม สัญญาณ "จริง" มีแนวโน้มที่จะเปลี่ยนแปลงเมื่อเวลาผ่านไป วงจรเก็บตัวอย่างและเก็บค่า "จดจำ" ค่าปัจจุบันของสัญญาณอะนาล็อก และคงค่าไว้ไม่เปลี่ยนแปลงตลอดวงจรการทำงานของอุปกรณ์

ข้อดีของอุปกรณ์คือความเร็วในการแปลงค่อนข้างสูง เวลาการแปลงของ N-bit ADC คือ N รอบสัญญาณนาฬิกา ความแม่นยำในการแปลงถูกจำกัดด้วยความแม่นยำของ DAC ภายในและสามารถเป็น 16-18 บิต (ขณะนี้ SAR ADC 24 บิตเริ่มปรากฏให้เห็นแล้ว เช่น AD7766 และ AD7767)

เดลต้า-ซิกมา ADC

สุดท้าย ADC ประเภทที่น่าสนใจที่สุดคือ ADC ซิกมาเดลต้า ซึ่งบางครั้งเรียกว่า ADC ที่สมดุลในวรรณกรรม แผนภาพบล็อกของ sigma-delta ADC แสดงในรูปที่ 1 3.

รูปที่ 3 แผนภาพบล็อกของ ADC ซิกมาเดลต้า

หลักการทำงานของ ADC นี้ค่อนข้างซับซ้อนกว่า ADC ประเภทอื่น สาระสำคัญของมันคือการเปรียบเทียบแรงดันไฟฟ้าขาเข้ากับค่าแรงดันไฟฟ้าที่สะสมโดยผู้รวมระบบ พัลส์ของขั้วบวกหรือขั้วลบจะจ่ายให้กับอินพุตของตัวรวม ขึ้นอยู่กับผลลัพธ์ของการเปรียบเทียบ ดังนั้น ADC นี้จึงเป็นระบบติดตามแบบง่าย: แรงดันไฟฟ้าที่เอาต์พุตของตัวรวม "ติดตาม" แรงดันไฟฟ้าอินพุต (รูปที่ 4) ผลลัพธ์ของวงจรนี้คือกระแสของค่าศูนย์และกระแสที่เอาต์พุตของตัวเปรียบเทียบ ซึ่งจะถูกส่งผ่านตัวกรองความถี่ต่ำผ่านดิจิทัล ส่งผลให้ได้ผลลัพธ์ N-บิต LPF ในรูป 3. เมื่อใช้ร่วมกับ “เดซิเมเตอร์” ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่จะลดความถี่ในการอ่านค่าโดยการ “ทำลาย” อุปกรณ์เหล่านั้น

ข้าว. 4. Sigma-delta ADC เป็นระบบติดตาม

เพื่อความเข้มงวดในการนำเสนอ ต้องบอกว่าในรูปนี้ รูปที่ 3 แสดงแผนภาพบล็อกของ ADC ซิกมาเดลต้าลำดับที่หนึ่ง ADC ซิกมาเดลต้าลำดับที่สองมีผู้รวมระบบสองคนและลูปป้อนกลับสองลูป แต่จะไม่มีการกล่าวถึงในที่นี้ ผู้ที่สนใจในหัวข้อนี้สามารถอ้างอิงถึง

ในรูป รูปที่ 5 แสดงสัญญาณใน ADC ที่ระดับอินพุตเป็นศูนย์ (ด้านบน) และที่ระดับ Vref/2 (ด้านล่าง)

ข้าว. 5. สัญญาณใน ADC ที่ระดับสัญญาณอินพุตต่างกัน

ตอนนี้ โดยไม่ต้องเจาะลึกการวิเคราะห์ทางคณิตศาสตร์ที่ซับซ้อน เราจะพยายามทำความเข้าใจว่าเหตุใด ADC แบบซิกมา-เดลต้าจึงมี Noise Floor ต่ำมาก

ลองพิจารณาบล็อกไดอะแกรมของโมดูเลเตอร์ซิกมาเดลต้าที่แสดงในรูปที่ 1 3 และนำเสนอในรูปแบบนี้ (รูปที่ 6):

ข้าว. 6. บล็อกไดอะแกรมของโมดูเลเตอร์ซิกมาเดลต้า

ที่นี่ตัวเปรียบเทียบจะแสดงเป็นตัวบวกที่เพิ่มสัญญาณที่ต้องการอย่างต่อเนื่องและเสียงเชิงปริมาณ

ปล่อยให้ผู้รวมระบบมีฟังก์ชันถ่ายโอน 1/s จากนั้น เมื่อแสดงสัญญาณที่เป็นประโยชน์เป็น X(s) เอาต์พุตของโมดูเลเตอร์ซิกมาเดลต้าเป็น Y(s) และเสียงควอนตัมเป็น E(s) เราได้รับฟังก์ชันถ่ายโอน ADC:

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

นั่นคือ ในความเป็นจริง โมดูเลเตอร์ซิกมา-เดลต้าเป็นตัวกรองความถี่ต่ำผ่าน (1/(s+1)) สำหรับสัญญาณที่มีประโยชน์ และตัวกรองความถี่สูงผ่าน (s/(s+1)) สำหรับสัญญาณรบกวน ทั้งสอง ตัวกรองที่มีความถี่คัตออฟเท่ากัน สัญญาณรบกวนที่กระจุกตัวอยู่ในย่านความถี่สูงของสเปกตรัมจะถูกกำจัดออกได้อย่างง่ายดายด้วยตัวกรองความถี่ต่ำผ่านแบบดิจิทัล ซึ่งอยู่หลังโมดูเลเตอร์

ข้าว. 7. ปรากฏการณ์ “การกระจัด” ของสัญญาณรบกวนไปยังส่วนความถี่สูงของสเปกตรัม

อย่างไรก็ตาม ควรเข้าใจว่านี่เป็นคำอธิบายที่ง่ายมากเกี่ยวกับปรากฏการณ์ของการสร้างเสียงรบกวนใน ADC ซิกมาเดลต้า

ดังนั้น ข้อได้เปรียบหลักของ sigma-delta ADC ก็คือความแม่นยำสูง เนื่องจากมีระดับเสียงรบกวนที่ต่ำมาก อย่างไรก็ตาม เพื่อให้ได้ความแม่นยำสูง ความถี่คัตออฟของฟิลเตอร์ดิจิทัลจำเป็นต้องต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ซึ่งน้อยกว่าความถี่การทำงานของโมดูเลเตอร์ซิกมา-เดลต้าหลายเท่า ดังนั้น ADC แบบซิกมา-เดลต้าจึงมีความเร็วในการแปลงต่ำ

สามารถใช้ในด้านวิศวกรรมเสียง แต่การใช้งานหลักคือในระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมสำหรับการแปลงสัญญาณเซ็นเซอร์ ในเครื่องมือวัด และในการใช้งานอื่นๆ ที่จำเป็นต้องมีความแม่นยำสูง แต่ไม่จำเป็นต้องใช้ความเร็วสูง

ประวัติเล็กน้อย

การกล่าวถึง ADC ที่เก่าแก่ที่สุดในประวัติศาสตร์น่าจะเป็นสิทธิบัตรของ Paul M. Rainey "ระบบโทรเลขโทรสาร" ของสหรัฐอเมริกา สิทธิบัตร 1,608,527 ยื่นเมื่อวันที่ 20 กรกฎาคม พ.ศ. 2464 ออกเมื่อ 30 พฤศจิกายน พ.ศ. 2469 อุปกรณ์ที่แสดงในสิทธิบัตรจริงๆ แล้วเป็น ADC ที่แปลงโดยตรงขนาด 5 บิต

ข้าว. 8. สิทธิบัตรฉบับแรกสำหรับ ADC

ข้าว. 9. ADC การแปลงโดยตรง (1975)

อุปกรณ์ที่แสดงในรูปคือ ADC MOD-4100 ที่แปลงโดยตรงซึ่งผลิตโดย Computer Labs ผลิตในปี 1975 ประกอบโดยใช้เครื่องเปรียบเทียบแบบแยกส่วน มีตัวเปรียบเทียบ 16 ตัว (อยู่ในครึ่งวงกลมเพื่อให้การหน่วงเวลาการแพร่กระจายสัญญาณเท่ากันกับตัวเปรียบเทียบแต่ละตัว) ดังนั้น ADC จึงมีความกว้างเพียง 4 บิตเท่านั้น ความเร็วแปลง 100 MSPS กินไฟ 14 วัตต์

รูปต่อไปนี้แสดง ADC การแปลงโดยตรงเวอร์ชันขั้นสูง

ข้าว. 10. ADC การแปลงโดยตรง (1970)

VHS-630 ปี 1970 ผลิตโดย Computer Labs มีตัวเปรียบเทียบ 64 ตัว เป็น 6 บิต 30MSPS และใช้ 100 วัตต์ (VHS-675 เวอร์ชันปี 1975 มี 75 MSPS และใช้ 130 วัตต์)

วรรณกรรม

ดับเบิลยู. เคสเตอร์. สถาปัตยกรรม ADC I: ตัวแปลงแฟลช อุปกรณ์อะนาล็อก, บทช่วยสอน MT-020