Kako se pretvara analogni signal u digitalni

U elektronici se signali dijele na: analogne, diskretne i digitalne. Za početak, sve što većinom osjećamo, vidimo, čujemo je analogni signal, a ono što računalni procesor vidi je digitalni signal. Ne zvuči baš jasno, pa ćemo se pozabaviti tim definicijama i kako se jedna vrsta signala pretvara u drugu.

Vrste signala

U električnom predstavljanju analogni signal, sudeći po imenu, analog je stvarne vrijednosti. Na primjer, tijekom cijelog života osjećate temperaturu okoline. Nema pauze. U isto vrijeme osjećate ne samo dvije razine „vruće“ i „hladne“, već beskonačan broj senzacija koje opisuju ovu vrijednost.

Za osobu "hladnoća" može biti različita, to je jesenja hladnoća i zimski mraz, i lagani mrazovi, ali nije uvijek "hladno" negativna temperatura, baš kao što "toplo" nije uvijek pozitivna temperatura.

Iz toga slijedi da analogni signal ima dvije značajke:

1. Kontinuitet u vremenu.

2. Broj vrijednosti signala teži beskonačnosti, tj Analogni signal se ne može precizno podijeliti na dijelove ili kalibrirati razbijanjem skale na posebne dijelove. Metode mjerenja - temelje se na mjernoj jedinici, a njihova točnost ovisi samo o cijeni podjele skale, što je ona manja, to je mjerenje preciznije.

Diskretni signali - to su signali koji su niz izvještaja ili mjerenja bilo koje veličine. Mjerenja takvih signala nisu kontinuirana, već su periodična.

Pokušat ću objasniti. Ako ste negdje instalirali termometar, mjeri analognu vrijednost - to slijedi iz gore navedenog. Ali vi, zapravo slijedeći njegova svjedočenja, dobivate diskretne informacije. Diskretan znači odvojiti.

Primjerice, probudili ste se i saznali koliko stupnjeva ima termometar, sljedeći put kad ste ga pogledali termometrom u podne, a treći put navečer. Ne znate koliko se brzo promijenila temperatura, ravnomjerno ili oštrim skokom, znate podatke u tom trenutku u vremenu koje ste opazili.

Digitalni signali Je li razina, tipovi 1 i 0, visoka i niska, bez obzira na to Dubina refleksije informacija u digitalnom obliku ograničena je dubinom bita digitalnog uređaja (skup logike, mikrokontroler, procesor itd.) Ispada da je idealan za pohranu logičnih podataka. Primjer, možete navesti sljedeće: za pohranu podataka kao što su "Dan" i "Noć" dovoljno je samo 1 bit informacija.

bit - ovo je minimalna vrijednost predstavljanja informacija u digitalnom obliku, ona može pohraniti samo dvije vrste vrijednosti: 1 (logička jedinica, visoka razina) ili 0 (logička nula, niska razina).

U elektronici je malo informacija predstavljeno u obliku niskog napona (blizu 0) i visoke razine napona (ovisno o pojedinom uređaju, često se podudara s napajanjem određenog digitalnog čvora, tipične vrijednosti su 1,7, 3,3, 5 V, 15 V).

Sve srednje vrijednosti između prihvaćenih niskih i visokih razina su prijelazna regija i ne moraju imati određenu vrijednost, ovisno o krugu, i uređaj u cjelini i unutarnji krug mikrokontrolera (ili bilo koji drugi digitalni uređaj) mogu imati različitu razinu prijelaza, na primjer, za 5 -naponska logika, vrijednosti napona od 0 do 0,8 V mogu se uzeti kao nula, a od 2 V do 5 V kao jedinica, dok je jaz između 0,8 i 2 V neodređena zona, što zapravo pomaže odvajanju nule od jedinstva.

Preciznije i spremnije vrijednosti koje trebate pohraniti, što više bita vam treba, dajemo primjer tablice s digitalnim prikazom četiri vrijednosti doba dana:

Noć - jutro - dan - večer

Za to su nam potrebna 2 bita:

Analogno digitalnoj pretvorbi

U općenitom slučaju, analogno-digitalna pretvorba je proces pretvaranja fizičke veličine u digitalnu vrijednost. Digitalna vrijednost je skup jedinica i nula koje percipira uređaj za obradu.

Takva je transformacija nužna za interakciju digitalne tehnologije s okolinom.

Budući da analogni električni signal ponavlja ulazni signal u svom obliku, on se ne može zabilježiti digitalno "onakav kakav jest", jer ima beskonačan broj vrijednosti. Primjer je postupak snimanja zvuka. U svom izvornom obliku izgleda ovako:

To je zbroj valova s ​​različitim frekvencijama. Koji se, razlaganjem u frekvencijama (za više detalja, pogledajte Fourierove transformacije), na ovaj ili onaj način, mogu približiti sličnoj slici:

Pokušajte ga sada predstaviti u obliku skupa tipa "111100101010100", prilično je teško, zar ne

Drugi primjer potrebe za pretvaranjem analogne količine u digitalnu je njegovo mjerenje: elektronički termometri, voltmetri, ampermetri i drugi mjerni uređaji djeluju u interakciji s analognim količinama.

Kako ide pretvorba?

Prvo pogledajte dijagram tipične pretvorbe analognog signala u digitalni i obrnuto. Kasnije ćemo se vratiti njoj.

U stvari, to je složen proces koji se sastoji od dvije glavne faze:

1. Diskretizacija signala.

2. Kvantizacija prema razini.

Diskretizacija signala je određivanje vremenskih intervala preko kojih se signal mjeri. Što su ove praznine kraće, to je mjerenje preciznije. Razdoblje uzorkovanja (T) je trajanje vremena od početka čitanja podataka do njegovog kraja. Brzina uzorkovanja (f) uzajamna je za:

fd = 1 / T

Nakon čitanja signala obrađuje se i pohranjuje u memoriju.

Ispada da se tijekom vremena očitanja i obrade očitanja signala može mijenjati, čime se izmjerena vrijednost izobličava. Postoji takva Kotelnikovova teorema i iz nje slijedi sljedeće pravilo:

Učestalost uzorkovanja trebala bi biti najmanje 2 puta veća od frekvencije uzorkovanog signala.

Ovo je snimka zaslona s Wikipedije, s isječkom iz teorema.

Za određivanje numeričke vrijednosti potrebno je kvantiziranje prema razini. Kvant je određeni raspon izmjerenih vrijednosti, prosječno sveden na određeni broj.

X1 ... X2 = Xy

tj signali od X1 do X2, uvjetno izjednačeni s određenom vrijednošću Xy. Ovo nalikuje cijeni podjele pokazivača. Kad uzimate očitanja, često ih izjednačujete sa najbližom oznakom na skali instrumenta.

Dakle, s kvantizacijom prema razini, što više kvanta, točnije mjerenja i više decimalnih mjesta (stotinke, tisuće i slično) mogu ih sadržavati.

Preciznije, broj decimalnih mjesta točno je određen rezolucijom ADC-a.

Na slici je prikazan proces kvantizacije signala uz pomoć jednog bita informacija, kao što sam gore opisao, kad se pređe određena granica, prihvaća se vrijednost visoke razine.

S desne strane je kvantizacija signala i zapis u obliku dva bita podataka. Kao što vidite, ovaj fragment signala je već podijeljen u četiri vrijednosti. Ispada da se kao rezultat gladak analogni signal pretvorio u digitalni "korak" signal.

Broj razina kvantizacije određuje se formulom:

Gdje je n broj bita, N je razina kvantizacije.

Evo primjera signala slomljenog na veći broj kvanta:

To vrlo jasno pokazuje da što se češće uzimaju vrijednosti signala (što je veća frekvencija uzorkovanja), to se točnije mjeri.

Ova slika prikazuje pretvorbu analognog signala u digitalni oblik, a lijevo od ordinatne osi (vertikalna os) je 8-bitni digitalni snimak.

Analogni digitalnim pretvaračima

ADC ili analogno-digitalni pretvarač mogu se implementirati kao zasebni uređaj ili biti integrirani u njega mikrokontrolera.

Prije toga, mikrokontroleri, na primjer, obitelj MCS-51, nisu sadržavali ADC, za to je korišten vanjski mikrovez, i postalo je potrebno napisati potprogram za obradu vrijednosti vanjskog IC-a.

Sada su u većini modernih mikrokontrolera, primjerice AVR AtMEGA328, koji je osnova najpopularnijih pločica Arduino, ugrađena je u sam MK. U Arduinu je čitanje analognih podataka jednostavno pomoću naredbe AnalogRead (). Iako mikroprocesor, koji je instaliran u isti ne manje popularni Raspberry PI, nema ga, pa nije sve tako jednostavno.

Zapravo, postoji veliki broj opcija analogno-digitalnih pretvarača, od kojih svaki ima svoje nedostatke i prednosti. Opisati što u ovom članku nema puno smisla, jer je to velika količina materijala. Razmotrite samo opću strukturu nekih od njih.

Najstarija patentirana opcija ADC-a je Paul M. Raineyjev patent „Telefonski telefakcijski sustav faksa“, SAD. Patent 1.608.527, podneseno 20. srpnja 1921., izdano 30. studenog 1926. Ovo je 5-bitni ADC izravne konverzije. Iz naziva patenta proizlaze misli da je upotreba ovog uređaja bila povezana s prijenosom podataka telegrafom.

Ako govorimo o modernim ADC-ima izravne pretvorbe, oni imaju sljedeću shemu:

To pokazuje da je ulaz lanac iz komparatorakoji izlažu svoj signal kad pređu neki prag signala. Ovo je bitna dubina i kvantizacija. Bilo tko, čak i malo jak u krugu, vidio je tu očitu činjenicu.

Tko nije jak, tada ulazni krug funkcionira na ovaj način:

Analogni signal ulazi na ulaz "+", sve odjednom. Izlazi s oznakom "-" primaju referentni napon koji se dekomponira pomoću niza otpornika (otpornički razdjelnik) u više referentnih napona. Na primjer, serija za ovaj lanac izgleda ovako:

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

U zagradama zarez označava koji se dio ukupnog referentnog napona Uref daje na ulaz svakog ulaznog napona.

tj svaki element ima dva ulaza kad je ulazni napon potpisan «+» premašuje ulazni napon sa znakom "-", na njegovom se izlazu pojavljuje logička jedinica. Kad je napon na pozitivnom (ne invertirajućem) ulazu manji nego na negativnom (invertirajućem) ulazu, tada je izlaz nul.

Napon se dijeli tako da se ulazni napon podijeli na željeni broj znamenki. Kad napon na ulazu dosegne izlaz odgovarajućeg elementa, pojavi se signal, procesni krug emitira "ispravan" signal u digitalnom obliku.

Takav je usporednik dobar u brzini obrade podataka, svi elementi ulaznog kruga pokreću se paralelno, glavno kašnjenje ove vrste ADC nastaje iz kašnjenja 1 komparatora (oni se istovremeno pokreću istovremeno), a kašnjenje je koder.

Međutim, postoji ogroman nedostatak paralelnih krugova - to je potreba za velikim brojem komparatora za dobivanje ADC-a visoke rezolucije. Da biste, primjerice, dobili 8 znamenki, trebate 2 ^ 8 usporednika, a to je čak 256 komada. Za deset-bitni (u Arduinu, 10-bitni ADC, usput, ali drugačijeg tipa), trebate 1024 komparatora. Procijenite prikladnost takve mogućnosti liječenja i tamo gdje je to potrebno.

Postoje i druge vrste ADC-a:

• uzastopna aproksimacija;

• delta sigma ADC.

zaključak

Pretvaranje analognog signala u digitalni potrebno je za čitanje parametara s analognih senzora. Postoji zasebna vrsta digitalnih senzora, ili su integrirani krugovi, na primjer DS18b20 - na njegovom se izlazu već nalazi digitalni signal i može ga obraditi bilo koji mikrokontroler ili mikroprocesor bez potrebe za ADC-om ili analogni senzor na ploči koji već ima vlastiti pretvarač. Svaka vrsta senzora ima svoje prednosti i nedostatke, poput otpornosti na buku i pogreške u mjerenju.

Poznavanje principa pretvorbe obvezno je za sve koji rade s mikrokontrolerima, jer ni u svakom modernom sustavu nisu ugrađeni takvi pretvarači, morate koristiti vanjske mikro kruge. Na primjer, možemo navesti takvu ploču dizajniranu posebno za konektor Raspberry PI GPIO s preciznim ADC-om na ADS1256.