Kaip keičiamas analoginis signalas į skaitmeninį

Elektronikoje signalai skirstomi į: analoginius, diskrečius ir skaitmeninius. Pirmiausia viskas, ką dažniausiai jaučiame, matome, girdime, yra analoginis signalas, o tai, ką mato kompiuterio procesorius, yra skaitmeninis signalas. Tai nėra visiškai aiškūs, todėl nagrinėkime šiuos apibrėžimus ir tai, kaip vieno tipo signalas konvertuojamas į kitą.

Signalų tipai

Elektros atvaizdavime analoginis signalas pagal jo pavadinimą yra tikrosios vertės analogas. Pavyzdžiui, visą gyvenimą nuolat jaučiate aplinkos temperatūrą. Nėra pertraukų. Tuo pat metu jaučiate ne tik du „karšto“ ir „šalto“ lygius, bet ir begalinį pojūčių, apibūdinančių šią vertę, skaičių.

Žmogui „šalta“ gali būti skirtinga, tai yra rudens vėsumas ir žiemos šaltis bei lengvos šalnos, tačiau ne visada „šalta“ yra neigiama temperatūra, kaip ir „šilta“ ne visada yra teigiama temperatūra.

Darytina išvada, kad analoginis signalas turi dvi savybes:

1. Laiko tęstinumas.

2. Signalo reikšmių skaičius yra linkęs į begalybę, ty Analoginio signalo negalima tiksliai padalyti į dalis ar sukalibruoti skaldant skalę į konkrečias dalis. Matavimo metodai - pagrįsti matavimo vienetu, o jų tikslumas priklauso tik nuo skalės padalijimo kainos, kuo ji mažesnė, tuo tikslesnis matavimas.

Diskretiniai signalai - tai signalai, kurie yra bet kokio masto ataskaitų ar matavimų seka. Tokie signalai matuojami ne nuolat, o periodiškai.

Pabandysiu paaiškinti. Jei kažkur įdėjote termometrą, jis matuoja analoginę vertę - tai išplaukia iš aukščiau. Bet jūs, iš tikrųjų sekdami jo liudijimais, gaunate diskrečią informaciją. Diskretus reiškia atskirą.

Pavyzdžiui, jūs atsibudėte ir sužinojote, kiek laipsnių termometras turėjo, kitą kartą pažiūrėję į jį termometru vidurdienį, o trečią kartą vakare. Jūs nežinote, kaip greitai, tolygiai ar staigiai šoktelėjus temperatūrai, pasikeitėte tik tuo momentu, kurį stebėjote.

Skaitmeniniai signalai - Tai yra 1 ir 0 tipų aukšto ir žemo lygio rinkinys, nepriklausomai nuo to, ar jis yra, ar ne. Informacijos skaitmeninio atspindžio gylį riboja skaitmeninio įrenginio (logikos rinkinio, mikrovaldiklio, procesoriaus ir kt.) Bitų gylis. Pasirodo, kad jis idealiai tinka kaupti Būlio duomenis. Pavyzdžiui, tokiems duomenims kaip „Diena“ ir „Naktis“ saugoti pakanka tik 1 bitų informacijos.

Šiek tiek - tai yra minimali informacijos pateikimo skaitmenine forma vertė, joje galima laikyti tik dviejų tipų reikšmes: 1 (loginis vienetas, aukštas lygis) arba 0 (loginis nulis, žemas lygis).

Elektronikoje šiek tiek informacijos pavaizduota kaip žemos įtampos lygis (artimas 0) ir aukštos įtampos lygis (priklausomai nuo konkretaus prietaiso, dažnai sutampa su tam tikro skaitmeninio mazgo maitinimo įtampa, tipiškos vertės yra 1,7, 3,3. 5 V, 15 V).

Visos tarpinės vertės tarp priimtino žemo ir aukšto lygio yra pereinamasis regionas ir gali neturėti konkrečios vertės, atsižvelgiant į schemą, tiek visas įrenginys, tiek vidinė mikrovaldiklio (ar bet kurio kito skaitmeninio įrenginio) grandinė gali turėti skirtingą perėjimo lygį, pavyzdžiui, 5 -volto logika, įtampos reikšmes nuo 0 iki 0,8V galima laikyti kaip nulį, o nuo 2V iki 5V - kaip vienetą, o tarpas tarp 0,8 ir 2V yra neapibrėžta zona, iš tikrųjų tai padeda atskirti nulį nuo vienybės.

Kuo tikslesnės ir talpesnės vertės, kurias reikia saugoti, tuo daugiau bitų jums reikia, pateikiame lentelės su skaitmeniniu ekranu pavyzdį, kuriame pateikiamos keturios dienos laiko vertės:

Naktis - Rytas - Diena - Vakaras

Tam mums reikia 2 bitų:

Analoginis skaitmeninis konvertavimas

Paprastai analoginio skaitmeninio konvertavimo procesas yra fizinio dydžio konvertavimas į skaitmeninę vertę. Skaitmeninė vertė yra duomenų apdorojimo įrenginio suvokiamas vienetų ir nulių rinkinys.

Tokia transformacija yra būtina skaitmeninių technologijų sąveikai su aplinka.

Kadangi analoginis elektrinis signalas pakartoja įvesties signalą savo forma, jo negalima skaitmeniniu būdu įrašyti tokiu, koks yra, nes jis turi begalę reikšmių. Pavyzdys yra garso įrašymo procesas. Pradine forma jis atrodo taip:

Tai bangų su skirtingais dažniais suma. Kuris, skaidydamasis dažniais (daugiau informacijos žr. Furjė transformacijose), vienaip ar kitaip, gali būti priartintas prie panašaus paveikslo:

Dabar pabandykite jį pateikti kaip rinkinį, kurio tipas yra „111100101010100“. Tai gana sunku, ar ne

Kitas poreikis konvertuoti analoginį dydį į skaitmeninį yra jo matavimas: elektroniniai termometrai, voltmetrai, ampermetrai ir kiti matavimo prietaisai sąveikauja su analoginiais dydžiais.

Kaip vyksta pertvarka?

Pirmiausia pažiūrėkite į tipinio analoginio signalo konvertavimo į skaitmeninį ir atvirkščiai schemą. Vėliau grįšime prie jos.

Tiesą sakant, tai yra sudėtingas procesas, susidedantis iš dviejų pagrindinių etapų:

1. Signalo diskreditacija.

2. Kiekybinis įvertinimas pagal lygį.

Signalo diskretizacija yra laiko intervalų, per kuriuos matuojamas signalas, nustatymas. Kuo trumpesni šie tarpai, tuo tikslesnis matavimas. Mėginių ėmimo laikotarpis (T) yra laikas nuo duomenų nuskaitymo pradžios iki jo pabaigos. Mėginių ėmimo dažnis (f) yra abipusis:

fd = 1 / T

Perskaitęs signalą, jis apdorojamas ir saugomas atmintyje.

Pasirodo, per tą laiką, kai signalo rodmenys yra skaitomi ir apdorojami, jis gali pasikeisti, taigi, išmatuota vertė yra iškraipoma. Yra tokia Kotelnikovo teorema ir iš jos išplaukia tokia taisyklė:

Atrankos dažnis turėtų būti bent 2 kartus didesnis už imamo signalo dažnį.

Tai ekrano kopija iš Vikipedijos su teoremos ištrauka.

Norint nustatyti skaitinę vertę, reikia kiekybiškai įvertinti lygį. Kvantas yra tam tikras išmatuotų verčių diapazonas, vidurkis, sumažintas iki tam tikro skaičiaus.

X1 ... X2 = Xy

T. y. signalai nuo X1 iki X2, sąlygiškai prilyginami konkrečiai Xy vertei. Tai primena rodyklės matuoklio padalijimo kainą. Kai imate rodmenis, jūs dažnai juos prilyginate artimiausiam instrumento skalės žymeniui.

Taigi kai kvantuojama pagal lygį, tuo daugiau kvantų, tuo tikslesni matavimai ir daugiau dešimtųjų tikslumu (šimtosios, tūkstantosios ir tt) jie gali būti sudaryti.

Tiksliau, dešimtųjų tikslumu skaičių lemia ADC rezoliucija.

Paveikslėlyje parodytas signalo kiekybinis procesas naudojant vieną informacijos bitą, kaip aprašiau aukščiau, kai viršijant tam tikrą ribą, priimama aukšto lygio vertė.

Dešinėje yra signalo kvantavimas ir įrašas dviejų duomenų bitų pavidalu. Kaip matote, šis signalo fragmentas jau yra padalintas į keturias reikšmes. Pasirodo, kad dėl to sklandus analoginis signalas virto skaitmeniniu „žingsnio“ signalu.

Kiekybinių lygių skaičius nustatomas pagal formulę:

Kur n yra bitų skaičius, N yra kiekybinis lygis.

Čia yra signalo, suskaidyto į didesnį kiekį kvantų, pavyzdys:

Tai labai aiškiai parodo, kad kuo dažniau imamos signalo vertės (kuo didesnis mėginių ėmimo dažnis), tuo tiksliau jis matuojamas.

Šis paveikslėlis parodo analoginio signalo konvertavimą į skaitmeninę formą, o kairėje nuo ordinatės ašies (vertikali ašis) yra 8 bitų skaitmeninis įrašas.

Analoginis skaitmeniniams keitikliams

ADC arba analoginio-skaitmeninio keitiklį galima įdiegti kaip atskirą įrenginį arba integruoti į mikrovaldiklis.

Anksčiau mikrovaldikliuose, pavyzdžiui, MCS-51 šeimoje, nebuvo ADC, tam buvo naudojama išorinė mikroschema, ir prireikė parašyti paprogramę išorinio IC reikšmių apdorojimui.

Dabar jie yra moderniausiuose mikrovaldikliuose, pavyzdžiui, AVR AtMEGA328, kuris yra populiariausių plokštė „Arduino“, ji įmontuota į patį MK. „Arduino“ paprasta skaityti analoginius duomenis naudojant „AnalogRead ()“ komandą. Nors mikroprocesorius, kuris yra įdiegtas tame pačiame ne mažiau populiariame „Raspberry PI“, jo neturi, todėl ne viskas yra taip paprasta.

Tiesą sakant, yra daugybė analoginio skaitmeninio keitiklio variantų, kiekvienas iš jų turi savo trūkumų ir pranašumų. Aprašyti, kurie iš šio straipsnio nėra daug prasmės, nes tai yra didelis kiekis medžiagos. Apsvarstykite tik bendrą kai kurių iš jų struktūrą.

Seniausias patentuotas ADC variantas yra Paulo M. Rainey patentas JAV „Faksimilinio telegrafo sistema“. Patentas 1 608 527, pateiktas 1921 m. Liepos 20 d., Išduotas 1926 m. Lapkričio 30 d. Tai yra 5 bitų tiesioginės konversijos ADC. Iš patento pavadinimo kyla minčių, kad šio prietaiso naudojimas buvo susijęs su duomenų perdavimu telegrafu.

Jei mes kalbėsime apie šiuolaikinius tiesioginio konvertavimo ADC, tai ši schema:

Tai rodo, kad įvestis yra grandinė iš komparatoriųkurie išveda savo signalą, kai kerta kažkokį slenksčio signalą. Tai yra šiek tiek gylio ir kiekybiškumo. Bet kuris net šiek tiek stiprus grandinės modelis matė šį akivaizdų faktą.

Kas nėra stiprus, tada įvesties grandinė veikia taip:

Analoginis signalas eina į „+“ įvestį vienu metu. Išėjimai, pažymėti „-“, gauna pamatinę įtampą, kuri, pasibaigus rezistorių (varžos daliklio) dalijimui, suskaidoma į keletą pamatinių įtampų. Pavyzdžiui, šios grandinės serija atrodo tokiu santykiu:

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

Skliausteliuose kablelis nurodo, kokia visos referencinės įtampos Uref dalis tiekiama į kiekvieno įėjimo įtampą.

T. y. kiekvienas elementas turi dvi įvestis, kai įėjimo įtampa yra pasirašyta «+» viršija įėjimo įtampą ženklu „-“, jo išvestyje pasirodo loginis vienetas. Kai įtampa esant teigiamam (neinvertuojančiam) įėjimui yra mažesnė nei esant neigiamam (apverčiamam) įėjimui, tada išėjimas yra lygus nuliui.

Įtampa yra padalinta taip, kad įvesties įtampa būtų padalinta į norimą skaičių skaičių. Kai įėjimo įtampa pasiekia atitinkamo elemento išvestį, pasirodo signalas, apdorojimo grandinė skaitmeniniu pavidalu perduoda „teisingą“ signalą.

Toks komparatorius pasižymi dideliu duomenų apdorojimo greičiu, visi įvesties grandinės elementai įjungiami lygiagrečiai, pagrindinis tokio tipo ADC uždelsimas formuojamas iš 1 lygintuvo vėlavimo (jie vienu metu suveikia vienu metu), o uždelsimas yra kodavimo priemonė.

Tačiau yra didžiulis lygiagrečių grandinių trūkumas - norint gauti aukštos skiriamosios gebos ADC, reikia daugybės lygintuvų. Pavyzdžiui, norint gauti, pavyzdžiui, 8 skaitmenis, reikia 2 ^ 8 komparatorių, tai yra net 256 vienetai. Dešimties bitų („Arduino“ 10 bitų ADC, beje, bet kitokio tipo) jums reikia 1024 komparatorių. Patys nuspręskite, ar toks gydymo būdas yra tinkamas, ir kur jis gali būti reikalingas.

Yra ir kitų rūšių ADC:

• nuoseklus artėjimas;

• delta sigma ADC.

Išvada

Norint perskaityti parametrus iš analoginių jutiklių, reikia konvertuoti analoginį signalą į skaitmeninį. Yra atskiras skaitmeninių jutiklių tipas, jie yra arba integruotos grandinės, pavyzdžiui, DS18b20 - jo išvestyje jau yra skaitmeninis signalas ir jį gali apdoroti bet kokie mikrovaldikliai ar mikroprocesoriai, kuriems nereikia ADC, arba analoginis jutiklis plokštėje, kuri jau turi savo keitiklį. Kiekvieno tipo jutikliai turi savo privalumų ir trūkumų, pavyzdžiui, atsparumą triukšmui ir matavimo paklaidą.

Žinoti konvertavimo principus būtina visiems, dirbantiems su mikrovaldikliais, nes net ne kiekvienoje šiuolaikinėje sistemoje yra įmontuoti tokie keitikliai, jūs turite naudoti išorinius mikroschemus. Pavyzdžiui, galime pacituoti tokią plokštę, sukurtą specialiai „Raspberry PI GPIO“ jungčiai su tiksliu ADC ADS1256.