หลักการทั่วไปของการทำงานของ ADC

2024 ผู้เขียน: Trinity Chesterton | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-16 08:24

เรามาดูประเด็นหลักๆ ที่อาจเกิดจากหลักการทำงานของตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัล (ADC) ประเภทต่างๆ กัน การนับตามลำดับ การปรับสมดุลระดับบิต - อะไรซ่อนอยู่เบื้องหลังคำเหล่านี้ หลักการทำงานของไมโครคอนโทรลเลอร์ ADC คืออะไร? เราจะพิจารณาคำถามเหล่านี้ในกรอบงานของบทความ เช่นเดียวกับคำถามอื่นๆ อีกจำนวนหนึ่ง เราจะอุทิศสามส่วนแรกให้กับทฤษฎีทั่วไป และจากหัวข้อย่อยที่สี่ เราจะศึกษาหลักการของงานของพวกเขา คุณสามารถปฏิบัติตามข้อกำหนด ADC และ DAC ในวรรณคดีต่างๆ หลักการทำงานของอุปกรณ์เหล่านี้แตกต่างกันเล็กน้อย ดังนั้นอย่าสับสน ดังนั้น บทความนี้จะพิจารณาการแปลงสัญญาณจากรูปแบบแอนะล็อกเป็นดิจิทัล ในขณะที่ DAC ทำงานในทางตรงกันข้าม

คำจำกัดความ

ก่อนจะพิจารณาหลักการทำงานของ ADC เรามาดูกันว่ามันคืออุปกรณ์ประเภทไหนกัน ตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอลเป็นอุปกรณ์ที่แปลงปริมาณทางกายภาพเป็นการแสดงตัวเลขที่สอดคล้องกัน เกือบทุกอย่างสามารถทำหน้าที่เป็นพารามิเตอร์เริ่มต้นได้ - กระแส, แรงดัน, ความจุ,ความต้านทาน, มุมเพลา, ความถี่พัลส์และอื่น ๆ แต่เพื่อให้แน่ใจ เราจะทำงานกับการเปลี่ยนแปลงเพียงครั้งเดียว นี่คือ "รหัสแรงดันไฟฟ้า" การเลือกรูปแบบการทำงานนี้ไม่ใช่เรื่องบังเอิญ ท้ายที่สุด ADC (หลักการทำงานของอุปกรณ์นี้) และคุณลักษณะต่างๆ ส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับแนวคิดของการวัดที่ใช้ เป็นที่เข้าใจกันว่าเป็นกระบวนการเปรียบเทียบค่าหนึ่งกับมาตรฐานที่กำหนดไว้ก่อนหน้านี้

ข้อมูลจำเพาะของ ADC

หลักคือความลึกของบิตและความถี่ในการแปลง อดีตจะแสดงเป็นบิตและหลังเป็นจำนวนต่อวินาที ตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอลสมัยใหม่สามารถมีความกว้าง 24 บิตหรือสูงถึงหน่วย GSPS โปรดทราบว่า ADC สามารถให้คุณลักษณะได้เพียงอย่างใดอย่างหนึ่งในแต่ละครั้ง ยิ่งประสิทธิภาพการทำงานสูงเท่าไหร่ การทำงานกับอุปกรณ์ก็จะยิ่งยากขึ้นเท่านั้น และตัวมันเองก็มีราคาสูงขึ้นด้วย แต่ข้อดีคือคุณจะได้รับตัวบ่งชี้ความลึกของบิตที่จำเป็นโดยการเสียสละความเร็วของอุปกรณ์

ประเภท ADC

หลักการทำงานแตกต่างกันไปตามกลุ่มอุปกรณ์ต่างๆ เราจะดูประเภทต่อไปนี้:

1. ด้วยการแปลงโดยตรง
2. ด้วยการประมาณที่ต่อเนื่องกัน
3. ด้วยการแปลงขนาน
4. ตัวแปลง A/D พร้อมการปรับสมดุลประจุ (delta-sigma)
5. การรวม ADCs.

มีไปป์ไลน์และประเภทการรวมกันอื่น ๆ อีกมากมายที่มีลักษณะพิเศษเฉพาะของตนเองด้วยสถาปัตยกรรมที่แตกต่างกัน แต่สิ่งเหล่านั้นตัวอย่างที่จะพิจารณาภายในกรอบของบทความเป็นที่น่าสนใจเนื่องจากพวกเขามีบทบาทสำคัญในช่องของอุปกรณ์ที่มีความเฉพาะเจาะจงนี้ ดังนั้นเรามาศึกษาหลักการของ ADC รวมถึงการพึ่งพาอุปกรณ์ทางกายภาพกัน

ตัวแปลง A/D โดยตรง

พวกเขากลายเป็นที่นิยมอย่างมากในยุค 60 และ 70 ของศตวรรษที่ผ่านมา ในรูปแบบของวงจรรวมที่ผลิตขึ้นตั้งแต่ยุค 80 สิ่งเหล่านี้เรียบง่ายมาก แม้แต่อุปกรณ์ดั้งเดิมที่ไม่สามารถอวดประสิทธิภาพที่สำคัญได้ ความลึกของบิตมักจะอยู่ที่ 6-8 บิต และความเร็วไม่เกิน 1 GSPS

หลักการทำงานของ ADC ประเภทนี้มีดังนี้: อินพุตบวกของเครื่องเปรียบเทียบจะรับสัญญาณอินพุตพร้อมกัน แรงดันไฟขนาดหนึ่งถูกนำไปใช้กับขั้วลบ จากนั้นอุปกรณ์จะกำหนดโหมดการทำงาน ทำได้โดยใช้แรงดันอ้างอิง สมมติว่าเรามีอุปกรณ์ที่มีเครื่องเปรียบเทียบ 8 เครื่อง เมื่อใช้แรงดันอ้างอิง ½ ระบบจะเปิดเพียง 4 แรงดันอ้างอิงเท่านั้น ตัวเข้ารหัสลำดับความสำคัญจะสร้างรหัสไบนารีซึ่งจะได้รับการแก้ไขโดยการลงทะเบียนเอาต์พุต เกี่ยวกับข้อดีและข้อเสียเราสามารถพูดได้ว่าหลักการทำงานนี้ช่วยให้คุณสร้างอุปกรณ์ความเร็วสูงได้ แต่เพื่อให้ได้ความลึกบิตที่ต้องการ คุณต้องเหนื่อยมาก

สูตรทั่วไปสำหรับจำนวนตัวเปรียบเทียบมีลักษณะดังนี้: 2^N. ภายใต้ N คุณต้องใส่จำนวนหลัก ตัวอย่างที่พิจารณาก่อนหน้านี้สามารถนำมาใช้อีกครั้งได้: 2^3=8 โดยรวมแล้วในการได้รับประเภทที่สามมีความจำเป็น8 เครื่องเปรียบเทียบ นี่คือหลักการทำงานของ ADC ที่ถูกสร้างขึ้นก่อน ไม่สะดวกนัก สถาปัตยกรรมอื่นจึงปรากฏขึ้นในภายหลัง

ตัวแปลงการประมาณแบบต่อเนื่องแบบแอนะล็อกเป็นดิจิทัล

ที่นี่ใช้อัลกอริธึม "การถ่วงน้ำหนัก" กล่าวโดยย่อ อุปกรณ์ที่ทำงานตามเทคนิคนี้เรียกง่ายๆ ว่า ADCs การนับอนุกรม หลักการทำงานมีดังนี้: อุปกรณ์วัดค่าของสัญญาณอินพุตแล้วเปรียบเทียบกับตัวเลขที่สร้างขึ้นตามวิธีการบางอย่าง:

1. ตั้งครึ่งหนึ่งของแรงดันอ้างอิงที่เป็นไปได้
2. หากสัญญาณทะลุขีดจำกัดค่าจากจุดที่ 1 แล้ว จะถูกนำไปเปรียบเทียบกับตัวเลขที่อยู่ตรงกลางระหว่างค่าที่เหลือ ดังนั้น ในกรณีของเรา มันจะเป็น ¾ ของแรงดันอ้างอิง หากสัญญาณอ้างอิงไม่ถึงตัวบ่งชี้นี้ การเปรียบเทียบจะดำเนินการกับส่วนอื่นของช่วงเวลาตามหลักการเดียวกัน ในตัวอย่างนี้ นี่คือ ¼ ของแรงดันอ้างอิง
3. ขั้นตอนที่ 2 ต้องทำซ้ำ N ครั้ง ซึ่งจะทำให้เรา N บิตของผลลัพธ์ นี่เป็นเพราะการเปรียบเทียบจำนวน H

หลักการทำงานนี้ทำให้สามารถรับอุปกรณ์ที่มีอัตราการแปลงที่ค่อนข้างสูง ซึ่งเป็น ADC โดยประมาณที่ต่อเนื่องกัน หลักการทำงานอย่างที่คุณเห็นนั้นเรียบง่าย และอุปกรณ์เหล่านี้เหมาะสำหรับโอกาสต่างๆ

ตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอลคู่ขนาน

มันทำงานเหมือนอุปกรณ์ซีเรียล สูตรการคำนวณคือ (2 ^ H) -1 สำหรับในกรณีก่อนหน้านี้ เราต้องการ (2^3)-1 ตัวเปรียบเทียบ สำหรับการใช้งานอุปกรณ์เหล่านี้จะใช้อาร์เรย์บางตัวซึ่งแต่ละอันสามารถเปรียบเทียบอินพุตและแรงดันอ้างอิงแต่ละตัวได้ ตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอลแบบขนานเป็นอุปกรณ์ที่ค่อนข้างเร็ว แต่หลักการสร้างอุปกรณ์เหล่านี้จำเป็นต้องใช้พลังงานจำนวนมากเพื่อรองรับประสิทธิภาพ ดังนั้นจึงไม่เป็นประโยชน์ที่จะใช้พวกมันด้วยพลังงานแบตเตอรี่

ตัวแปลง A/D สมดุลระดับบิต

มันทำงานในลักษณะเดียวกับอุปกรณ์รุ่นก่อน ดังนั้น เพื่ออธิบายการทำงานของ ADC แบบสมดุลทีละบิต หลักการทำงานสำหรับผู้เริ่มต้นจะได้รับการพิจารณาอย่างแท้จริงด้วยนิ้วมือ หัวใจสำคัญของอุปกรณ์เหล่านี้คือปรากฏการณ์การแบ่งขั้ว กล่าวอีกนัยหนึ่งจะทำการเปรียบเทียบค่าที่วัดได้กับค่าสูงสุดบางส่วนอย่างสม่ำเสมอ ค่าใน ½, 1/8, 1/16 และอื่นๆ สามารถนำมาใช้ได้ ดังนั้น ตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัลสามารถดำเนินการทั้งกระบวนการให้เสร็จสิ้นด้วยการวนซ้ำ N ครั้ง (ขั้นตอนต่อเนื่องกัน) นอกจากนี้ H เท่ากับความลึกบิตของ ADC (ดูสูตรที่ให้ไว้ก่อนหน้านี้) ดังนั้นเราจึงมีเวลาเพิ่มขึ้นอย่างมากหากความเร็วของเทคนิคมีความสำคัญเป็นพิเศษ แม้จะมีความเร็วมาก แต่อุปกรณ์เหล่านี้ก็มีความแม่นยำแบบคงที่ต่ำเช่นกัน

ตัวแปลง A/D พร้อมการปรับสมดุลประจุ (delta-sigma)

นี่คืออุปกรณ์ประเภทที่น่าสนใจที่สุดด้วยหลักการทำงาน มันอยู่ในความจริงที่ว่าแรงดันไฟฟ้าขาเข้าถูกเปรียบเทียบกับสิ่งที่ผู้รวมระบบสะสมไว้ พัลส์ที่มีขั้วลบหรือขั้วบวกถูกป้อนเข้า (ทั้งหมดขึ้นอยู่กับผลลัพธ์ของการทำงานครั้งก่อน) ดังนั้น เราสามารถพูดได้ว่าตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิตอลดังกล่าวเป็นระบบเซอร์โวอย่างง่าย แต่นี่เป็นเพียงตัวอย่างสำหรับการเปรียบเทียบ คุณจึงสามารถเข้าใจได้ว่า ADC ของ delta-sigma คืออะไร หลักการทำงานเป็นระบบ แต่สำหรับการทำงานที่มีประสิทธิภาพของตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอลนี้ยังไม่เพียงพอ ผลลัพธ์ที่ได้คือกระแส 1 และ 0 ที่ไม่มีที่สิ้นสุดผ่านตัวกรองสัญญาณความถี่ต่ำแบบดิจิทัล ลำดับบิตบางอย่างเกิดขึ้นจากพวกเขา มีความแตกต่างระหว่างตัวแปลง ADC ลำดับที่หนึ่งและที่สอง

การผสานรวมตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัล

กรณีพิเศษสุดท้ายที่จะนำมาพิจารณาในบทความ ต่อไปเราจะอธิบายหลักการทำงานของอุปกรณ์เหล่านี้ แต่ในระดับทั่วไป ADC นี้เป็นตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอลแบบผลักดึง คุณสามารถพบกับอุปกรณ์ที่คล้ายกันในมัลติมิเตอร์แบบดิจิตอล และไม่น่าแปลกใจเพราะให้ความแม่นยำสูงและในขณะเดียวกันก็ยับยั้งการรบกวนได้ดี

ตอนนี้มาดูวิธีการทำงานกันดีกว่า มันอยู่ในความจริงที่ว่าสัญญาณอินพุตชาร์จตัวเก็บประจุตามเวลาที่กำหนด ตามกฎแล้ว ช่วงเวลานี้เป็นหน่วยของความถี่ของเครือข่ายที่จ่ายไฟให้กับอุปกรณ์ (50 Hz หรือ 60 Hz) นอกจากนี้ยังสามารถเป็นได้หลายแบบ ดังนั้นความถี่สูงจึงถูกระงับการรบกวน. ในเวลาเดียวกัน อิทธิพลของแรงดันไฟฟ้าที่ไม่เสถียรของแหล่งกำเนิดไฟฟ้าหลักที่มีต่อความแม่นยำของผลลัพธ์จะถูกปรับระดับ

เมื่อหมดเวลาชาร์จตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอล ตัวเก็บประจุจะเริ่มคายประจุที่อัตราคงที่ที่แน่นอน ตัวนับภายในของอุปกรณ์จะนับจำนวนพัลส์นาฬิกาที่สร้างขึ้นระหว่างกระบวนการนี้ ดังนั้น ยิ่งระยะเวลานานเท่าใด ตัวชี้วัดก็จะยิ่งมีความสำคัญมากขึ้นเท่านั้น

ADC push-pull Integration มีความแม่นยำและความละเอียดสูง ด้วยเหตุนี้เช่นเดียวกับโครงสร้างการก่อสร้างที่ค่อนข้างง่ายจึงถูกนำมาใช้เป็นไมโครเซอร์กิต ข้อเสียเปรียบหลักของหลักการทำงานนี้คือการพึ่งพาตัวบ่งชี้เครือข่าย โปรดจำไว้ว่าความสามารถของมันเชื่อมโยงกับช่วงความถี่ของแหล่งจ่ายไฟ

นี่คือวิธีการทำงานของ ADC แบบบูรณาการสองครั้ง หลักการทำงานของอุปกรณ์นี้แม้ว่าจะค่อนข้างซับซ้อน แต่ก็มีตัวบ่งชี้คุณภาพ ในบางกรณีก็จำเป็นเท่านั้น

เลือก APC กับหลักการทำงานที่เราต้องการ

สมมติว่าเรามีงานรออยู่ข้างหน้า เลือกอุปกรณ์ใดเพื่อตอบสนองคำขอของเราทั้งหมด? ก่อนอื่น มาพูดถึงความละเอียดและความแม่นยำกันก่อน บ่อยครั้งที่พวกเขาสับสนแม้ว่าในทางปฏิบัติพวกเขาจะพึ่งพากันน้อยมาก โปรดทราบว่าตัวแปลง A/D แบบ 12 บิตอาจมีความแม่นยำน้อยกว่าตัวแปลง A/D แบบ 8 บิต ในนั้นในกรณีนี้ ความละเอียดคือการวัดว่าสามารถแยกส่วนต่างๆ ออกจากช่วงอินพุตของสัญญาณที่วัดได้กี่ส่วน ดังนั้น ADC 8 บิตจึงมี 28=256 หน่วยดังกล่าว

ความแม่นยำคือค่าเบี่ยงเบนรวมของผลการแปลงที่ได้รับจากค่าในอุดมคติ ซึ่งควรอยู่ที่แรงดันไฟฟ้าขาเข้าที่กำหนด นั่นคือ พารามิเตอร์แรกแสดงลักษณะความสามารถที่เป็นไปได้ที่ ADC มี และพารามิเตอร์ที่สองแสดงสิ่งที่เรามีในทางปฏิบัติ ดังนั้นประเภทที่ง่ายกว่า (เช่น ตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอลโดยตรง) อาจเหมาะสำหรับเรา ซึ่งจะตอบสนองความต้องการเนื่องจากมีความแม่นยำสูง

เพื่อให้เข้าใจว่าอะไรจำเป็น ก่อนอื่นคุณต้องคำนวณพารามิเตอร์ทางกายภาพและสร้างสูตรทางคณิตศาสตร์สำหรับการโต้ตอบ สิ่งสำคัญในตัวพวกเขาคือข้อผิดพลาดแบบสถิตและไดนามิก เนื่องจากเมื่อใช้ส่วนประกอบและหลักการสร้างอุปกรณ์ต่างๆ จะส่งผลต่อคุณลักษณะในลักษณะต่างๆ ข้อมูลรายละเอียดเพิ่มเติมสามารถพบได้ในเอกสารทางเทคนิคที่นำเสนอโดยผู้ผลิตอุปกรณ์เฉพาะแต่ละเครื่อง

ตัวอย่าง

มาดู SC9711 ADC กัน หลักการทำงานของอุปกรณ์นี้มีความซับซ้อนเนื่องจากขนาดและความสามารถ โดยวิธีการที่พูดถึงหลังควรสังเกตว่าพวกเขามีความหลากหลายอย่างแท้จริง ตัวอย่างเช่น ความถี่ของการทำงานที่เป็นไปได้มีตั้งแต่ 10 Hz ถึง 10 MHz กล่าวอีกนัยหนึ่ง อาจใช้ตัวอย่าง 10 ล้านตัวอย่างต่อวินาที! และตัวอุปกรณ์เองก็ไม่ได้แข็งแกร่งอะไร แต่มีโครงสร้างแบบโมดูลาร์ แต่ตามกฎแล้วจะใช้ในเทคโนโลยีที่ซับซ้อนซึ่งจำเป็นต้องทำงานกับสัญญาณจำนวนมาก

สรุป

อย่างที่คุณเห็น ADCs โดยทั่วไปมีหลักการทำงานที่แตกต่างกัน ซึ่งช่วยให้เราเลือกอุปกรณ์ที่จะตอบสนองความต้องการที่เกิดขึ้น ในขณะเดียวกันก็ช่วยให้เราจัดการเงินที่มีอยู่ได้อย่างชาญฉลาด