Πώς γίνεται η μετατροπή του αναλογικού σήματος σε ψηφιακή

Στα ηλεκτρονικά, τα σήματα χωρίζονται σε: αναλογικά, διακριτά και ψηφιακά. Αρχικά, όλα όσα αισθανόμαστε, βλέπουμε, ακούμε, ως επί το πλείστον, είναι ένα αναλογικό σήμα και αυτό που ένας επεξεργαστής υπολογιστή βλέπει είναι ένα ψηφιακό σήμα. Δεν ακούγεται πολύ σαφής, οπότε ας ασχοληθούμε με αυτούς τους ορισμούς και πώς ένας τύπος σήματος μετατρέπεται σε άλλο.

Τύποι σημάτων

Στην ηλεκτρική αναπαράσταση, ένα αναλογικό σήμα, κρίνοντας με το όνομά του, είναι ένα ανάλογο μιας πραγματικής τιμής. Για παράδειγμα, αισθάνεστε τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος συνεχώς, καθ 'όλη τη διάρκεια της ζωής σας. Δεν υπάρχουν διαλείμματα. Ταυτόχρονα, αισθάνεστε όχι μόνο δύο επίπεδα "ζεστού" και "κρύου", αλλά ένας άπειρος αριθμός αισθήσεων που περιγράφουν αυτή την αξία.

Για ένα άτομο, το "κρύο" μπορεί να είναι διαφορετικό, είναι η δροσιά του φθινοπώρου και ο παγετός του χειμώνα, και ελαφρύς παγετός, αλλά όχι πάντα "κρύο" είναι μια αρνητική θερμοκρασία, ακριβώς όπως το "ζεστό" δεν είναι πάντα θετική θερμοκρασία.

Επομένως, το αναλογικό σήμα έχει δύο χαρακτηριστικά:

1. Συνέχεια στο χρόνο.

2. Ο αριθμός των τιμών σήματος τείνει στο άπειρο, δηλαδή Ένα αναλογικό σήμα δεν μπορεί να χωριστεί με ακρίβεια σε μέρη ή να βαθμονομηθεί με σπάσιμο της κλίμακας σε συγκεκριμένες ενότητες. Οι μέθοδοι μέτρησης - με βάση τη μονάδα μέτρησης και η ακρίβειά τους εξαρτάται μόνο από την τιμή κατανομής της κλίμακας, τόσο μικρότερη είναι, τόσο πιο ακριβής είναι η μέτρηση.

Διακριτά σήματα - αυτά είναι σήματα που είναι μια ακολουθία αναφορών ή μετρήσεων οποιουδήποτε μεγέθους. Οι μετρήσεις τέτοιων σημάτων δεν είναι συνεχείς, αλλά περιοδικές.

Θα προσπαθήσω να εξηγήσω. Εάν εγκαταστήσατε ένα θερμόμετρο κάπου, μετρά μια αναλογική τιμή - αυτό προκύπτει από τα παραπάνω. Αλλά εσείς, ακολουθώντας τις μαρτυρίες του, παίρνετε διακριτές πληροφορίες. Διακριτά μέσα ξεχωριστά.

Για παράδειγμα, ξυπνήσατε και ανακαλύψατε πόσο βαθμούς είχε το θερμόμετρο, την επόμενη φορά που το κοιτάξατε σε θερμόμετρο το μεσημέρι και την τρίτη φορά το βράδυ. Δεν γνωρίζετε πόσο γρήγορα άλλαξε η θερμοκρασία, ομοιόμορφα ή με απότομο άλμα, γνωρίζετε μόνο τα δεδομένα εκείνης της χρονικής στιγμής που παρατηρήσατε.

Ψηφιακά σήματα Είναι ένα σύνολο επιπέδων, τύποι 1 και 0, υψηλό και χαμηλό, είτε όχι. Το βάθος της αντανάκλασης των πληροφοριών σε ψηφιακή μορφή περιορίζεται από το βάθος των ψηφίων μιας ψηφιακής συσκευής (ένα σύνολο λογικής, ενός μικροελεγκτή, επεξεργαστή κ.λπ.) Αποδεικνύεται ότι είναι ιδανικό για την αποθήκευση δεδομένων Boolean. Ένα παράδειγμα, μπορείτε να δώσετε τα ακόλουθα, για την αποθήκευση δεδομένων όπως "Ημέρα" και "Νύχτα", μόνο 1 bit πληροφοριών είναι αρκετό.

Λίγο - αυτή είναι η ελάχιστη τιμή που αντιπροσωπεύει πληροφορίες σε ψηφιακή μορφή, μπορεί να αποθηκεύσει μόνο δύο τύπους τιμών: 1 (λογική μονάδα, υψηλό επίπεδο) ή 0 (λογικό μηδέν, χαμηλό επίπεδο).

Στα ηλεκτρονικά, μια μικρή πληροφορία αντιπροσωπεύεται με τη μορφή μιας χαμηλής τάσης (κοντά στο 0) και ενός υψηλού επιπέδου τάσης (ανάλογα με τη συγκεκριμένη συσκευή, συχνά συμπίπτει με την τάση τροφοδοσίας ενός δεδομένου ψηφιακού κόμβου, τυπικές τιμές είναι 1,7, 3,3, 5V, 15V).

Όλες οι ενδιάμεσες τιμές μεταξύ των αποδεκτών χαμηλών και υψηλών επιπέδων είναι μια περιοχή μετάβασης και μπορεί να μην έχουν συγκεκριμένη τιμή, ανάλογα με το κύκλωμα, τόσο η συσκευή ως σύνολο όσο και το εσωτερικό κύκλωμα του μικροελεγκτή (ή οποιαδήποτε άλλη ψηφιακή συσκευή) μπορεί να έχει διαφορετικό επίπεδο μετάβασης, -volt logic, οι τιμές τάσης από 0 έως 0.8V μπορούν να ληφθούν ως μηδέν και από 2V σε 5V ως μονάδα, ενώ το χάσμα μεταξύ 0,8 και 2V είναι μια απροσδιόριστη ζώνη, στην πραγματικότητα, βοηθά να διαχωριστεί το μηδέν από την ενότητα.

Οι πιο ακριβείς και ευρύχωρες τιμές που πρέπει να αποθηκεύσετε, τα περισσότερα bits που χρειάζεστε, δίνουμε ένα παράδειγμα πίνακα με μια ψηφιακή απεικόνιση των τεσσάρων τιμών της εποχής:

Νύχτα - Πρωί - Ημέρα - Βραδιά

Για αυτό, χρειαζόμαστε 2 bits:

Αναλογική σε ψηφιακή μετατροπή

Στη γενική περίπτωση, η αναλογική προς ψηφιακή μετατροπή είναι η διαδικασία μετατροπής μιας φυσικής ποσότητας σε ψηφιακή τιμή. Η ψηφιακή τιμή είναι ένα σύνολο μονάδων και μηδενικά που γίνεται αντιληπτό από τη συσκευή επεξεργασίας.

Ένας τέτοιος μετασχηματισμός είναι απαραίτητος για την αλληλεπίδραση της ψηφιακής τεχνολογίας με το περιβάλλον.

Δεδομένου ότι το αναλογικό ηλεκτρικό σήμα επαναλαμβάνει το σήμα εισόδου στη μορφή του, δεν μπορεί να καταγραφεί ψηφιακά "όπως είναι" επειδή έχει άπειρο αριθμό τιμών. Ένα παράδειγμα είναι η διαδικασία εγγραφής ήχου. Στην αρχική της μορφή μοιάζει με αυτό:

Είναι το άθροισμα των κυμάτων με διαφορετικές συχνότητες. Το οποίο, κατά την αποσύνθεση σε συχνότητες (για περισσότερες λεπτομέρειες, βλέπε μετασχηματισμούς Fourier), μπορεί να προσεγγιστεί με έναν παρόμοιο τρόπο:

Τώρα προσπαθήστε να το παρουσιάσετε με τη μορφή ενός συνόλου τύπου "111100101010100", είναι μάλλον δύσκολο, έτσι δεν είναι;

Ένα άλλο παράδειγμα της ανάγκης μετατροπής μιας αναλογικής ποσότητας σε ψηφιακή είναι η μέτρησή της: τα ηλεκτρονικά θερμόμετρα, τα βολτόμετρα, τα αμπερόμετρα και άλλες συσκευές μέτρησης αλληλεπιδρούν με αναλογικές ποσότητες.

Πώς θα γίνει η μετατροπή;

Αρχικά, δείτε το διάγραμμα μιας τυπικής μετατροπής ενός αναλογικού σήματος σε ψηφιακό και αντίστροφα. Αργότερα θα επιστρέψουμε σε αυτήν.

Στην πραγματικότητα, πρόκειται για μια πολύπλοκη διαδικασία, η οποία αποτελείται από δύο βασικά στάδια:

1. Διακριτικότητα του σήματος.

2. Κβαντοποίηση ανά επίπεδο.

Η διάκριση ενός σήματος είναι ο προσδιορισμός των χρονικών διαστημάτων κατά τα οποία μετριέται το σήμα. Όσο πιο σύντομα είναι αυτά τα κενά, τόσο πιο ακριβή είναι η μέτρηση. Η περίοδος δειγματοληψίας (T) είναι η χρονική περίοδος από την αρχή της ανάγνωσης δεδομένων μέχρι το τέλος της. Δείκτης δειγματοληψίας (στ) είναι η αμοιβαιότητα μεταξύ:

fd = 1 / Τ

Αφού διαβάσει το σήμα, επεξεργάζεται και αποθηκεύεται στη μνήμη.

Αποδεικνύεται ότι κατά τη διάρκεια του χρόνου που οι ενδείξεις του σήματος διαβάζονται και επεξεργάζονται, μπορεί να αλλάξει, έτσι, η μετρούμενη τιμή παραμορφώνεται. Υπάρχει ένα τέτοιο θεώρημα Kotelnikov και από αυτό προκύπτει ο ακόλουθος κανόνας:

Η συχνότητα δειγματοληψίας πρέπει να είναι τουλάχιστον 2 φορές μεγαλύτερη από τη συχνότητα του δειγματοληπτικού σήματος.

Αυτό είναι ένα στιγμιότυπο οθόνης από τη Wikipedia, με ένα απόσπασμα από το θεώρημα.

Για τον προσδιορισμό της αριθμητικής τιμής είναι απαραίτητη η ποσοτικοποίηση ανά επίπεδο. Το Quantum είναι ένα ορισμένο εύρος μετρημένων τιμών, με μέση τιμή μειωμένη σε ορισμένο αριθμό.

Χ1 ... Χ2 = Χγ

Π.χ. σήματα από το Χ1 έως το Χ2, εξισωμένα υπό όρους με μια συγκεκριμένη τιμή του Χγ. Αυτό μοιάζει με την τιμή διαίρεσης ενός μετρητή δείκτη. Όταν λαμβάνετε αναγνώσεις, συχνά τις εξομολογείτε με το πλησιέστερο σημάδι στην κλίμακα του οργάνου.

Έτσι, με την ποσοτικοποίηση ανά επίπεδο, τόσο πιο ποσοτικά, όσο ακριβέστερες είναι οι μετρήσεις και τα περισσότερα δεκαδικά ψηφία (εκατοστά, χιλιοστά και ούτω καθεξής) μπορούν να περιέχουν.

Πιο συγκεκριμένα, ο αριθμός των δεκαδικών ψηφίων καθορίζεται μάλλον από την ανάλυση του ADC.

Η εικόνα δείχνει τη διαδικασία κβαντοποίησης ενός σήματος με τη βοήθεια ενός bit πληροφοριών, όπως περιγράψαμε παραπάνω, όταν όταν ξεπεραστεί ένα ορισμένο όριο, γίνεται αποδεκτή μια τιμή υψηλού επιπέδου.

Δεξιά είναι η ποσοτικοποίηση του σήματος και ένα αρχείο με τη μορφή δύο δυαδικών ψηφίων. Όπως μπορείτε να δείτε, αυτό το θραύσμα σήματος είναι ήδη χωρισμένο σε τέσσερις τιμές. Αποδεικνύεται ότι ως αποτέλεσμα, ένα ομαλό αναλογικό σήμα μετατρέπεται σε ψηφιακό σήμα "βημάτων".

Ο αριθμός των ποσοτικοποιημένων επιπέδων προσδιορίζεται από τον τύπο:

Όπου n είναι ο αριθμός των δυαδικών ψηφίων, το Ν είναι το επίπεδο κβαντισμού.

Εδώ είναι ένα παράδειγμα ενός σήματος σπασμένο σε έναν μεγαλύτερο αριθμό των ποσοτήτων:

Αυτό δείχνει πολύ σαφώς ότι όσο πιο συχνά λαμβάνονται οι τιμές σήματος (τόσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα δειγματοληψίας), τόσο πιο μετράται.

Αυτή η εικόνα δείχνει τη μετατροπή ενός αναλογικού σήματος σε ψηφιακή μορφή και αριστερά από τον άξονα τεταγμένων (κάθετος άξονας) είναι μια ψηφιακή εγγραφή 8 bit.

Αναλογικά σε ψηφιακούς μετατροπείς

Ένας μετατροπέας ADC ή ένας αναλογικός-ψηφιακός μετατροπέας μπορεί να εφαρμοστεί ως ξεχωριστή συσκευή ή να ενσωματωθεί μικροελεγκτή.

Προηγουμένως, οι μικροεπεξεργαστές, για παράδειγμα, η οικογένεια MCS-51, δεν περιείχαν ADC, για αυτό χρησιμοποιήθηκε εξωτερικός μικροκυκλώνας και έγινε αναγκαία η εγγραφή μιας υπορουτίνας για την επεξεργασία των τιμών ενός εξωτερικού IC.

Τώρα βρίσκονται σε περισσότερους σύγχρονους μικροελεγκτές, για παράδειγμα το AVR AtMEGA328, το οποίο αποτελεί τη βάση των πιο δημοφιλών circuit board Arduino, είναι ενσωματωμένο στο ίδιο το MK. Στο Arduino, η ανάγνωση αναλογικών δεδομένων είναι απλή με την εντολή AnalogRead (). Αν και ο μικροεπεξεργαστής, ο οποίος είναι εγκατεστημένος στο ίδιο όχι λιγότερο δημοφιλές Raspberry PI, δεν το έχει, οπότε δεν είναι όλα τόσο απλά.

Στην πραγματικότητα, υπάρχει ένας μεγάλος αριθμός επιλογών για αναλογικούς-ψηφιακούς μετατροπείς, καθένας από τους οποίους έχει τα δικά του μειονεκτήματα και πλεονεκτήματα. Περιγράφοντας τα οποία μέσα σε αυτό το άρθρο δεν έχει πολύ νόημα, δεδομένου ότι πρόκειται για ένα μεγάλο ποσό υλικού. Εξετάστε μόνο τη γενική δομή ορισμένων από αυτά.

Η παλαιότερη κατοχυρωμένη με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας επιλογή ADC είναι το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας του Paul M. Rainey, "Facsimile Telegraph System", U.S. Το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας 1.608.527, που κατατέθηκε στις 20 Ιουλίου 1921, εκδόθηκε στις 30 Νοεμβρίου 1926. Πρόκειται για μια άμεση μετατροπή ADC 5-bit. Από το όνομα του διπλώματος ευρεσιτεχνίας, πιστεύεται ότι η χρήση αυτής της συσκευής συνδέθηκε με τη μετάδοση δεδομένων μέσω τηλεγράφου.

Αν μιλάμε για σύγχρονους ADCs άμεσης μετατροπής, έχουν το ακόλουθο σχήμα:

Αυτό δείχνει ότι η είσοδος είναι μια αλυσίδα από τους συγκριτέςτα οποία εξάγουν το σήμα τους όταν διασχίζουν κάποιο σήμα κατωφλίου. Αυτό είναι το βάθος και το κβαντισμό bit. Οποιοσδήποτε, ακόμη και λίγο ισχυρός σε κυκλώματα, είδε αυτό το προφανές γεγονός.

Ποιος δεν είναι ισχυρός, τότε το κύκλωμα εισόδου λειτουργεί με αυτόν τον τρόπο:

Ένα αναλογικό σήμα εισάγεται στην είσοδο "+", όλα ταυτόχρονα. Οι έξοδοι με την ονομασία "-" λαμβάνουν την τάση αναφοράς, η οποία αποσυντίθεται με τη χρήση μιας σειράς αντιστάσεων (διαχωριστής αντίστασης) σε διάφορες τάσεις αναφοράς. Για παράδειγμα, μια σειρά για αυτήν την αλυσίδα μοιάζει με αυτή την αναλογία:

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

Στις παρενθέσεις, ένα κόμμα δείχνει το τμήμα της συνολικής τάσης αναφοράς Uref που τροφοδοτείται στην είσοδο κάθε τάσης εισόδου.

Π.χ. κάθε στοιχείο έχει δύο εισόδους όταν υπογράφεται η τάση εισόδου «+» υπερβαίνει την τάση εισόδου με σημάδι "-", στην έξοδο της εμφανίζεται μια λογική μονάδα. Όταν η τάση στην θετική (μη αναστρέψιμη) είσοδο είναι μικρότερη από την αρνητική (αναστρέψιμη) είσοδο, τότε η έξοδος είναι μηδέν.

Η τάση διαιρείται έτσι ώστε η τάση εισόδου να διαιρείται στον επιθυμητό αριθμό ψηφίων. Όταν η τάση στην είσοδο φτάσει στην έξοδο του αντίστοιχου στοιχείου, εμφανίζεται ένα σήμα, το κύκλωμα επεξεργασίας εξάγει το "σωστό" σήμα σε ψηφιακή μορφή.

Ένας τέτοιος συγκριτής είναι καλός στην ταχύτητα επεξεργασίας δεδομένων, όλα τα στοιχεία του κυκλώματος εισόδου ενεργοποιούνται παράλληλα, η κύρια καθυστέρηση αυτού του τύπου του ADC σχηματίζεται από την καθυστέρηση 1 συγκριτή (ταυτόχρονα ενεργοποιούνται ταυτόχρονα) και η καθυστέρηση είναι κωδικοποιητής.

Ωστόσο, υπάρχει ένα τεράστιο μειονέκτημα των παράλληλων κυκλωμάτων - αυτή είναι η ανάγκη για ένα μεγάλο αριθμό συγκριτών για την απόκτηση ADC υψηλής ανάλυσης. Για να λάβετε, για παράδειγμα, 8 ψηφία, χρειάζεστε 2 ^ 8 συγκριτές και αυτό είναι όσο το 256 τεμάχια. Για ένα δέκα-bit (στο ADD του Arduino 10-bit, παρεμπιπτόντως, αλλά διαφορετικού τύπου), χρειάζεστε 1024 συγκριτές. Κρίνετε για τον εαυτό σας την καταλληλότητα μιας τέτοιας θεραπευτικής επιλογής και όπου μπορεί να χρειαστεί.

Υπάρχουν άλλοι τύποι ADC:

• διαδοχική προσέγγιση.

• delta sigma ADC.

Συμπέρασμα

Η μετατροπή αναλογικού σήματος σε ψηφιακή είναι απαραίτητη για την ανάγνωση παραμέτρων από αναλογικούς αισθητήρες. Υπάρχει ξεχωριστός τύπος ψηφιακών αισθητήρων, είναι είτε ολοκληρωμένα κυκλώματα, για παράδειγμα DS18b20 - στην έξοδο του υπάρχει ήδη ένα ψηφιακό σήμα και μπορεί να επεξεργαστεί από οποιονδήποτε μικροελεγκτή ή μικροεπεξεργαστή χωρίς την ανάγκη για ADC ή αναλογικό αισθητήρα σε πίνακα που έχει ήδη δικό του μετατροπέα. Κάθε τύπος αισθητήρα έχει τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα του, όπως η θωράκιση θορύβου και το σφάλμα μέτρησης.

Η γνώση των αρχών της μετατροπής είναι απαραίτητη για όλους όσους εργάζονται με μικροελεγκτές, διότι δεν έχουν ενσωματωθεί σε όλα τα σύγχρονα συστήματα τέτοιοι μετατροπείς, πρέπει να χρησιμοποιείτε εξωτερικά μικροκυκλώματα. Για παράδειγμα, μπορούμε να αναφέρουμε μια τέτοια πλακέτα σχεδιασμένη ειδικά για το σύνδεσμο Raspberry PI GPIO με ακρίβεια ADC στο ADS1256.