Analogowy do cyfrowego konwertera

Przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC, czasami przetwornik A / D lub w języku angielskim ADC dla przetwornika analogowo-cyfrowego lub prościej A / D) to urządzenie elektroniczne , którego funkcją jest przetłumaczenie wielkości analogowej na wartość cyfrową zakodowaną na kilka bitów . Przetworzony sygnał jest zwykle napięciem elektrycznym.

Wynik konwersji uzyskuje się ze wzoru: gdzie Q jest wynikiem konwersji, Ve, napięcie do konwersji, n liczba bitów przetwornika, a Vref napięcie odniesienia pomiaru. Q=2nieVmiVrmifa{\ displaystyle Q = 2 ^ {n} {V_ {e} \ ponad V_ {ref}}}

Ujęcie ilościowe

Proces konwersji opiera się na kwantyzacji sygnału, czyli poprzez jego sparowanie na najbliższym skwantowanym poziomie (co można porównać do zjawiska zaokrąglania liczb zmiennoprzecinkowych).

Kwantyfikacja sygnału degraduje jego bogactwo (następuje utrata informacji), jest zatem destrukcyjną transformacją, która ma miejsce.

Minimalny krok konwersji reprezentowany przez wariację najmniej znaczącego bitu, będący jednocześnie wartością niedokładności pomiaru, nazywany jest kwantem . Im większa liczba n bitów konwertera, na których przeprowadzana jest konwersja, tym bardziej kwantyzacja ma mniejszy wpływ na degradację sygnału.

Kwant jest wyrażony jako elementarny ułamek napięcia odniesienia (Vref) przez dokładność pomiaru ( gdzie n to liczba bitów przetwornika) . 2nie{\ displaystyle 2 ^ {n}}q=Vrmifa2nie{\ displaystyle q = {Vref \ ponad 2 ^ {n}}}

Przedstawienie wpływu liczby bitów konwertera na kwantyzację sygnału

Błąd pomiaru

Pomiar przetworników oparty jest na wzorze: Q=2nieVmiVrmifa{\ displaystyle Q = 2 ^ {n} {V_ {e} \ ponad V_ {ref}}}

Pokazuje on niezamierzone odmianie oddziaływań Vref wartość Q o wzorze: . ΔQQ=2nie⋅VmiVrmifa2⋅ΔVrmifa2nie⋅VmiVrmifa=ΔVrmifaVrmifa{\ displaystyle {\ Delta Q \ over Q} = {{{2 ^ {n} \ cdot V_ {e}} \ over V_ {ref} ^ {2}} \ cdot \ Delta V_ {ref} \ over {{ 2 ^ {n} \ cdot V_ {e}} \ ponad V_ {ref}}} = {\ Delta V_ {ref} \ over V_ {ref}}}

Ale ta odmiana Vref musi przedstawić błędem mniejszym niż ½ pełnego zakresu kwantowej Co oznacza: . ΔVrmifaVrmifa≤12Vrmifa2nieVrmifa⇔ΔVrmifaVrmifa≤12nie+1{\ displaystyle {\ Delta V_ {ref} \ over V_ {ref}} \ leq {1 \ over 2} {{V_ {ref} \ over 2 ^ {n}} \ over V_ {ref}} \ Leftrightarrow {\ Delta V_ {ref} \ over V_ {ref}} \ leq {1 \ over 2 ^ {n + 1}}}

Oznacza to, że jakość napięć odniesienia (i przejścia zasilaczy) przekształtników jest podstawowym elementem ich realizacji.

Względna tolerancja napięć odniesienia jako funkcja liczby bitów

Liczba bitów	4 bity	8 bitów	10 bitów	12 bitów	16 bitów	20 bitów	24 bity	32-bitowy
Tolerancja	3,125%	2 ‰	488 ppm	122 ppm	7,6 ppm	0,47 ppm	3 ppb	0,11 ppb

Technologia konwertera

Do przeprowadzania konwersji dostępnych jest kilka technologii konwerterów, z których każda ma zalety i wady. Wybór technologii opiera się na 3 punktach:

• Szybkość konwersji (częstotliwość jego zegara lub częstotliwość próbkowania)
• Jego rozdzielczość (liczba bitów)
• Koszt.

Pojedynczy konwerter ramp

Pojedynczy konwerter rampy jest fikcyjnym obiektem, a jego wydajność jest zbyt niska, aby pozwolić na jego industrializację. Istnieją 2 wersje tych przetworników, jeden analogowy i jeden cyfrowy, obie nie są używane w przemyśle.

Wersja analogowa jest stosunkowo szybka, ale bardzo nieprecyzyjna (w porównaniu do innych przetworników wykorzystujących metody analogowe, jak przetworniki z podwójną rampą), gdzie wersja cyfrowa jest precyzyjna, ale powolna (znowu w porównaniu do innych przetworników wykorzystujących technologie cyfrowe, takie jak kolejne przetworniki ważące).

Wersja analogowa

Kondensator C jest ładowany stałym prądem, proporcjonalnym do Vref, przez porównanie, za pomocą komparatora , napięcia kondensatora Vcap z mierzonym napięciem Ve.

Poprzez pomiar czasu trwania impulsu (Tconv) przekształca się stosunek napięcia w stosunku zmierzonego czasu z zastosowaniem licznika: . TvsonievTVrmifa=VmiVrmifa{\ Displaystyle {T_ {konw.} \ ponad T_ {V_ {ref}}} = {V_ {e} \ ponad V_ {ref}}}

Ten typ konwertera wymaga częstej ponownej kalibracji (w szczególności w czasie niezbędnym do naładowania kondensatora do Vref), aby był niezawodny, problem rozwiązany w przypadku przetwornic z podwójną rampą.

Wersja cyfrowa

Składa się z n-bitowego licznika , który tak długo, jak wejście EN ma stan 1, zlicza z częstotliwością swojego zegara (H), którego częstotliwość jest równa (przy Fe - częstotliwości próbkowania). faH.=2nie⋅fami{\ Displaystyle F_ {H} = 2 ^ {n} \ cdot F_ {e}}

Wartość cyfrowa na wyjściu licznika jest konwertowana w przetworniku cyfrowo-analogowym lub przetworniku cyfrowo-analogowym na napięcie analogowe Va, które jest porównywane z Ve.

Kiedy Va staje się większa niż Ve, zliczanie zatrzymuje się, a wartość Q na wyjściu jest wynikiem konwersji.

Przetworniki te mają taką samą wydajność pod względem stabilności, jak kolejne przetworniki aproksymacyjne, ale są znacznie wolniejsze niż te ostatnie z czasami zliczania , gdzie kolejny przetwornik ważący ma czas konwersji . Tvsonievmirsjaonie=2nie⋅Tgodzorlosolmi{\ displaystyle T_ {konwersja} = 2 ^ {n} \ cdot T_ {zegar}}Tvsonievmirsjaonie=(nie+1)⋅Tgodzorlosolmi{\ Displaystyle T_ {konwersja} = (n + 1) \ cdot T_ {zegar}}

Podwójny konwerter ramp

Konwerter z podwójną rampą pozwala na bardzo precyzyjną konwersję poprzez eliminację efektów dryftu stosowanych przez niego komponentów analogowych, w szczególności poprzez niwelowanie efektu dryftu pojemnościowego. Jego działanie opiera się na porównaniu odniesienia z konwertowanym sygnałem.

Konwersja odbywa się w trzech etapach:

• kondensator jest naładowany w obecnym proporcjonalny do sygnału, który jest przekształcany w określonym czasie (czas pełnego liczenia licznika );
• kondensator jest następnie rozładowywany stałym prądem wychodzącym z napięcia odniesienia, aż do zaniku napięcia na jego zaciskach. Gdy napięcie osiągnie zero, wartość licznika jest wynikiem konwersji;
• Wreszcie napięcie na zaciskach kondensatora jest znoszone przez zbieżną serię ładunków i wyładowań (celem jest całkowite rozładowanie kondensatora, aby nie zniekształcić następującego pomiaru). Ogólnie mówimy o fazie relaksacji.

Te konwertery są szczególnie wolne (kilkadziesiąt milisekund na cykl, a czasem kilkaset) i często mają wysoką rozdzielczość (ponad 16 bitów). Dryfują niewiele, zarówno pod względem czasu, jak i temperatury.

Pod względem technologicznym konwertery z podwójną rampą są wrażliwe tylko na zmiany napięcia Vref lub na jitter częstotliwości zegara, co czyni je jednymi z najdokładniejszych dostępnych na rynku.

Konwerter Delta-Sigma

Ten typ przetwornika działa na zasadzie nadpróbkowania sygnału wejściowego.

Zasada działania konwertera Delta-Sigma opiera się na zastosowaniu decymatora w układzie sprzężenia zwrotnego.

Pętla sprzężenia zwrotnego

• Napięcie Vc (pochodzące z komparatora) jest odejmowane od napięcia Ve w celu wytworzenia napięcia Va. (DELTA)
• Integrujemy Va, aby wytworzyć napięcie Vb (Vb = Vb + Va) (SIGMA)
• Porównujemy Vb do 0 V, aby wytworzyć napięcie Vc, które jest albo Vref (logika 1), albo 0 V (logika 0)

Weźmy na przykład konwersję napięcia 3V na napięcie odniesienia 5V.

Uważa się, że integrator jest w zasadzie nieobciążony (Vb = 0V). Teraz, jeśli Vb = 0V, to Vc = 0V.

• Początek pierwszego cyklu
  • Va = Ve - Vc = 3V
  • Vb = 0 + 3 V = 3 V.
  • Jeśli Vb = 3 V, Vc = Vref = 5 V ⇒ Wprowadzenie logiki 1 do decymatora .
• Koniec pierwszego cyklu, początek drugiego
  • Va = Ve - Vc = 3 V - 5 V = -2 V.
  • Vb = Vb + Va = 3 V - 2 V = 1 V.
  • Jeśli Vb = 1 V, Vc = Vref = 5 V ⇒ Wprowadzenie logicznej 1 w decymatorze.
• Koniec drugiego cyklu, początek trzeciego
  • Va = Ve - Vc = 3 V - 5 V = -2 V.
  • Vb = Vb + Va = 1 V - 2 V = -1 V.
  • Jeśli Vb = -1V, Vc = 0V ⇒ Wprowadzenie logicznego 0 w decymatorze.
• Koniec trzeciego cyklu, początek czwartego
  • Va = Ve - Vc = 3 V - 0 V = 3 V.
  • Vb = Vb + Va = -1 V + 3 V = 2 V.
  • Jeśli Vb = 2V, Vc = Vref = 5V ⇒ Wprowadzenie logiki 1 do decymatora.
• Koniec czwartego cyklu, początek piątego.
  • Va = Ve - Vc = 3 V - 5 V = -2 V.
  • Vb = Vb + Va = -2 V + 2 V = 0 V.
  • Jeśli Vb = 0 V, Vc = 0 V ⇒ Wprowadzenie logicznego 0 w decymatorze.
• Pod koniec piątego cyklu wracamy do pierwszego cyklu.

Decymator

Jeśli spojrzymy na wartości wprowadzone w decymatorze, znajdziemy serię 11010110101101011010 ... do nieskończoności, o ile napięcie wejściowe Ve nie zmienia się.

W przypadku konwertera n-bitowego pierwsze wyrazy (na przykład dla konwertera 4-bitowego pierwsze 16 cyfr) policzymy liczbę bitów na 1 w szeregu (czyli jeśli zsumujemy wszystkie próbki wprowadzone dla pierwszych 16 wartości ), znajdujemy dla pierwszych 16 bitów: 1101011010110101. To znaczy 1 + 1 + 0 + 1 + 0 + 1 + 1 + 0 + 1 + 0 + 1 + 1 + 0 + 1 + 0 + 1 = 10. 2nie{\ displaystyle 2 ^ {n}}

Czyli 10 bitów na 1 na 16 bitów. Wynik konwersji to zatem 10 (A w systemie szesnastkowym lub 1010 w systemie dwójkowym).

Wynik ten można sprawdzić postępując w odwrotnej kolejności: lub z niedokładnością pomiaru (2 96875 V ≤ Ve ≤ 3,28125 V). Vmmisurmi=Vrmifa1016{\ Displaystyle V_ {miara} = V_ {ref} {10 \ ponad 16}}50V16=3,125V{\ Displaystyle {50 V \ ponad 16} = 3,125 V}Vrmifa16=0,3125V{\ Displaystyle {V_ {ref} \ ponad 16} = 0,3125 V}

Jeśli stosuje się ten pomiar dla przetwornika 10-bitowej (w związku z tym za pomocą serii 2 ^ 10 = 1024 pomiarów) znajdziemy wartość 615 (są 615 bity w 1 w szeregu 1024 bitów), a tym samym wynik pomiaru: z niedokładność pomiaru 0,004883 V. Vmmisurmi=Vrmifa615210=5V6151024=3,002929V{\ Displaystyle V_ {miara} = V_ {ref} {615 \ ponad {2 ^ {10}}} = 5 V {615 \ ponad 1024} = 3,002929 V}

Następnie w każdym okresie zegara przetwornik jest w stanie podać wartość, która będzie oscylować wokół rzeczywistej wartości mierzonej. Jeśli weźmiemy nasz 4-bitowy konwerter, pierwsza seria pomiarów to: 1101011010110101, eliminując pierwszą próbkę i wprowadzając następną, otrzymujemy 1010110101101011, co daje znowu . Vmmisurmi=10⋅Vrmifa16{\ Displaystyle V_ {środek} = {10 \ cdot V_ {ref} \ ponad 16}}

Tworzy się zatem układ kontrolowany (wyjście komparatora jest odejmowane od wejścia), co powoduje, że wartość całki sygnału, która jest konwertowana, oscyluje wokół wartości odniesienia (wynik konwersji).

Charakterystyka

Początkowy czas konwersji jest więc długi, ponieważ dziesiętnik ma wystarczającą ilość próbek, aby dostarczyć znaczną sumę umożliwiającą pomiar, ale po przeprowadzeniu tej pierwszej konwersji można otrzymać wynik dla każdego okresu zegara decymatora. 2nie{\ displaystyle 2 ^ {n}}

Ponadto, jeśli napięcie wejściowe zmienia się powoli (mniej niż 1 kwant na okres próbkowania), przetwornik jest w stanie podążać za rytmem i dostarczać każdemu okresowi zegara wynik konwersji, bez konieczności opróżniania `` integratora, co sprawia, że system jest tym bardziej responsywny, im częstotliwość próbkowania jest wysoka.

Granica zmienności sygnału Ve zależy zarówno od liczby bitów (n), jak i napięcia odniesienia (Vref) oraz częstotliwości próbkowania (Fe) w postaci . Na przykład dla konwertera delta-sigma z Vref przy 5V, 10-bitowa konwersja i działający przy 1MHz: ΔV ≤ 4,88 mV / µs. Oraz 48,83 mV / µs przy próbkowaniu przy 10 MHz. ΔV≤Vrmifa⋅fami2nie{\ displaystyle \ Delta V \ leq {V_ {ref} \ cdot F_ {e} \ ponad 2 ^ {n}}}

Zaletą tego typu konwertera jest jego wysoka możliwa rozdzielczość wyjściowa (16, 24, 32 bity lub nawet więcej) dla sygnałów wejściowych o umiarkowanej szerokości pasma .

Te konwertery są odpowiednie do konwersji sygnałów analogowych z czujników, których szerokość pasma jest często niska (na przykład sygnały audio). Na przykład konwertery Sigma / Delta są używane w odtwarzaczach CD do konwersji cyfrowo-analogowej .

Technologie Sigma-Delta prawie całkowicie zastąpiły technologie z pojedynczą lub podwójną rampą.

Główne wady technologiczne Delta-Sigmy, oprócz ich dużej wrażliwości na wartość Vref (co jest problemem wspólnym dla wszystkich przetworników, ale szczególnie wrażliwym przy gwałtownym wzroście liczby bitów), wynikają z histerezy komparatora ( różnica progów przełączania między przełączaniem z 1 na 0 iz 0 na 1) a integratorem (dryf całkowania podczas pomiaru związany z prądami upływu AOP ).

Kolejny konwerter aproksymacji

Bardzo podobne pod względem składu do cyfrowych przetworników z pojedynczą rampą, kolejne przetworniki aproksymacyjne (sukcesywne przybliżanie ADC  ; zwane również kolejnymi przetwornikami ważącymi) wykorzystują proces dychotomii do cyfrowego tłumaczenia napięcia analogowego.

Sekwencer (zazwyczaj nazywane SAR dla kolejnych rejestru zbliżenia ), w połączeniu z DAC wytwarza napięcie analogowe, które są porównywane z sygnałem konwersji. Wynik tego porównania jest następnie ponownie wprowadzany do SAR, który będzie go uwzględniał przez resztę procesu dychotomii, aż do zakończenia.

Weźmy nasz przykład konwersji z 4-bitowym przetwornikiem analogowo-cyfrowym z kolejnymi ważeniami, z Vref 5 V, napięcia analogowego 3 V.

Zanim przejdziemy dalej w naszym przykładzie, musimy zidentyfikować rolę CNA, która generuje napięcia w zakresie od 0 V dla kodu 0000 (0 w podstawie 10) do 4,6875 V dla kodu 1111 (15 w podstawie 10), co jest wartością maksymalną jakie wyjście z przetwornika cyfrowo-analogowego może przyjąć. Zostanie to uwzględnione w dalszej części obliczeń, przyjmując Vref = 4,6875V.

Dzięki przetwornikowi cyfrowo-analogowemu kolejny konwerter wagowy zawsze podaje wartość domyślną (zaokrągloną w dół do liczby całkowitej).

Analiza krok po kroku

• SAR ustawia swój najbardziej znaczący bit na 1.
  • Następnie przetwornik cyfrowo-analogowy otrzymuje kod binarny 1000, który skutkuje napięciem . Wynik porównuje się z Ve.V=815Vrmifa=2,5V{\ Displaystyle V = {8 \ ponad 15} V_ {ref} = 2,5 V}
  • Ve jest większe od V, wyjście komparatora wchodzi na poziom logiczny 1 w SAR.
  • Najbardziej znaczący bit jest ustawiony na 1.
• SAR ustawia drugi najbardziej znaczący bit na 1.
  • Następnie przetwornik cyfrowo-analogowy odbiera kod binarny 1100, który skutkuje napięciem . Wynik porównuje się z Ve.V=1215Vrmifa=3,75V{\ Displaystyle V = {12 \ ponad 15} V_ {ref} = 3,75 V}
  • Ve jest mniejsze niż V, wyjście komparatora wchodzi na poziom logiczny 0 w SAR.
  • Bit ustawiony na 0 zastępuje 1 dla drugiego mocnego bitu.
• SAR ustawia trzeci najbardziej znaczący bit na 1.
  • Następnie przetwornik cyfrowo-analogowy odbiera kod binarny 1010, który powoduje napięcie . Wynik porównuje się z Ve.V=1015Vrmifa=3,125V{\ Displaystyle V = {10 \ ponad 15} V_ {ref} = 3,125 V}
  • Ve jest mniejsze niż V, wyjście komparatora wchodzi na poziom logiczny 0 w SAR.
  • Bit ustawiony na 0 zastępuje 1 dla trzeciego mocnego bitu.
• SAR ustawia czwarty najbardziej znaczący bit na 1.
  • Następnie przetwornik cyfrowo-analogowy odbiera kod binarny 1001, który powoduje napięcie . Wynik porównuje się z Ve.V=915Vrmifa=2,8125V{\ Displaystyle V = {9 \ ponad 15} V_ {ref} = 2,8125 V}
  • Ve jest większe od V, wyjście komparatora wchodzi na poziom logiczny 1 w SAR.
  • Czwarty najbardziej znaczący bit jest ustawiony na 1.

Ostateczny wynik jest dostępny: 1001 binarnie lub 9 (przy podstawie 10 lub 16) z niedokładnością 0,3125 V, a więc między 2,8125 V a 3,125 V.

Ewolucja SAR

1	0	0	0		2,5V	1
1	1	0	0		3,75V	0
1	0	1	0		3,125V	0
1	0	0	1		2,8125V	1

Charakterystyka

Kolejne przetworniki aproksymacyjne mają czasy konwersji rzędu mikrosekund, dla rozdzielczości kilkunastu bitów. Kolejne przetworniki wagowe to najpopularniejsze przetworniki analogowo-cyfrowe, z reguły w każdym mikrokontrolerze znajduje się jeden lub więcej tego typu przetworników.

Oprócz efektów związanych z użyciem przetwornika DAC (i omówionych wcześniej) i wrażliwości na napięcie Vref, kolejny przetwornik wagowy cierpi tylko z powodu skutków histerezy komparatora.

Konwerter Flash

Przetwornice FLASH wykorzystują sieć rezystorów do wytwarzania napięć w dzielniku napięcia , które w sieci komparatorów porównuje się z napięciem konwertowanym, a następnie za pomocą pamięci otrzymany kod jest tłumaczony na wartość na n bitach. 2nie{\ displaystyle 2 ^ {n}}2nie-1{\ Displaystyle 2 ^ {n} -1}2nie-1{\ Displaystyle 2 ^ {n} -1}

Te napięcia otrzymywane na zaciskach każdego z rezystorów są następnie porównywane w grupie porównawczej z sygnału konwersji. 2NIE-1{\ Displaystyle 2 ^ {N} -1 \;}2NIE-1{\ Displaystyle 2 ^ {N} -1 \;}

Kombinacyjny blok logiczny podłączony do tych komparatorów da wynik zakodowany równolegle na bitach . NIE{\ Displaystyle N \;}

Ta technika konwersji jest bardzo szybka, ale kosztowna w komponentach i dlatego jest używana w krytycznych zastosowaniach, takich jak wideo .

Trudno jest zapewnić dobrą liniowość konwersji, ponieważ wymaga to, aby wszystkie rezystancje były równe z dokładnością, która jest tym większa, że ​​rezystorów jest duża liczba.

Konwertery Flash mają czas konwersji krótszy niż mikrosekunda, ale raczej niską rozdzielczość (rzędu 8 bitów) i często są bardzo drogie.

Pół-flashowe konwertery potokowe

Aby ograniczyć całkowitą liczbę komparatorów, konwertery te wykorzystują kilka połączonych ze sobą stopni błysku o zmniejszonej precyzji (zwykle 3 lub 4 bity).

Każda pamięć flash steruje konwerterem cyfrowo-analogowym , którego wyjście jest odejmowane od wejściowego sygnału analogowego.

Kolejny etap koduje wynik różnicy, poprawiając w ten sposób ostateczną precyzję. Konwerter semi-flash wykonuje wszystkie operacje w jednym cyklu zegara, co ogranicza jego prędkość do całkowitego czasu propagacji wzdłuż łańcucha.

Natomiast konwerter potokowy wykorzystuje jeden cykl zegara na stopień. To sekwencjonowanie wymaga użycia próbnika i uchwytu oraz rejestru na stopień, ale umożliwia szybszą pracę, ponieważ jednocześnie przetwarzanych jest kilka próbek.

Zobacz też

• Przetwornik cyfrowo-analogowy
• Próbkowanie (sygnał)
• Digitalizacja
• Kwantyzacja (sygnał)
• Serwer wideo