Veamos la gama principal de problemas que se pueden atribuir al principio de funcionamiento de los convertidores de analógico a digital (ADC) de varios tipos. Conteo secuencial, equilibrio bit a bit: ¿qué se esconde detrás de estas palabras? ¿Cuál es el principio de funcionamiento del microcontrolador ADC? Estas, así como una serie de otras preguntas, las consideraremos en el marco del artículo. Dedicaremos las primeras tres partes a la teoría general, y desde el cuarto subtítulo estudiaremos el principio de su trabajo. Puede encontrar los términos ADC y DAC en varias publicaciones. El principio de funcionamiento de estos dispositivos es ligeramente diferente, así que no los confunda. Por lo tanto, el artículo considerará la conversión de señales de formato analógico a digital, mientras que el DAC funciona al revés.
Definición
Antes de considerar el principio de funcionamiento del ADC, averigüemos qué tipo de dispositivo es. Los convertidores de analógico a digital son dispositivos que convierten una cantidad física en una representación numérica correspondiente. Casi cualquier cosa puede actuar como un parámetro inicial: corriente, voltaje, capacitancia,Resistencia, ángulo del eje, frecuencia de pulso, etc. Pero para estar seguros, trabajaremos con una sola transformación. Esto es "código de voltaje". La elección de este formato de trabajo no es casual. Después de todo, el ADC (el principio de funcionamiento de este dispositivo) y sus características dependen en gran medida del concepto de medición que se utilice. Este se entiende como el proceso de comparar un determinado valor con un estándar previamente establecido.
Especificaciones del ADC
Los principales son la profundidad de bits y la frecuencia de conversión. El primero se expresa en bits y el segundo en cuentas por segundo. Los convertidores analógicos a digitales modernos pueden tener 24 bits de ancho o hasta unidades GSPS. Tenga en cuenta que un ADC solo puede proporcionarle una de sus características a la vez. Cuanto mayor sea su rendimiento, más difícil es trabajar con el dispositivo y cuesta más. Pero la ventaja es que puede obtener los indicadores de profundidad de bits necesarios sacrificando la velocidad del dispositivo.
tipos ADC
El principio de funcionamiento varía según los diferentes grupos de dispositivos. Veremos los siguientes tipos:
- Con conversión directa.
- Con aproximaciones sucesivas.
- Con conversión paralela.
- Convertidor A/D con equilibrio de carga (delta-sigma).
- Integración de ADC.
Hay muchos otros tipos de tuberías y combinaciones que tienen sus propias características especiales con una arquitectura diferente. Pero esoslas muestras que se considerarán en el marco del artículo son de interés por el hecho de que juegan un papel indicativo en su nicho de dispositivos de esta especificidad. Por lo tanto, estudiemos el principio del ADC, así como su dependencia del dispositivo físico.
Convertidores A/D directos
Se hicieron muy populares en los años 60 y 70 del siglo pasado. En forma de circuitos integrados, se producen desde los años 80. Estos son dispositivos muy simples, incluso primitivos, que no pueden presumir de un rendimiento significativo. Su profundidad de bits suele ser de 6 a 8 bits, y la velocidad rara vez supera 1 GSPS.
El principio de funcionamiento de este tipo de ADC es el siguiente: las entradas positivas de los comparadores reciben simultáneamente una señal de entrada. Se aplica un voltaje de cierta magnitud a los terminales negativos. Y luego el dispositivo determina su modo de operación. Esto se hace con voltaje de referencia. Digamos que tenemos un dispositivo con 8 comparadores. Al aplicar ½ voltaje de referencia, solo 4 de ellos estarán encendidos. El codificador de prioridad generará un código binario, que será fijado por el registro de salida. En cuanto a las ventajas y desventajas, podemos decir que este principio de funcionamiento le permite crear dispositivos de alta velocidad. Pero para obtener la profundidad de bits necesaria, hay que sudar mucho.
La fórmula general para el número de comparadores se ve así: 2^N. Debajo de N necesitas poner el número de dígitos. El ejemplo considerado anteriormente se puede utilizar de nuevo: 2^3=8. En total, para obtener la tercera categoría, es necesario8 comparadores. Este es el principio de funcionamiento de los ADC, que se crearon primero. No muy conveniente, por lo que más tarde aparecieron otras arquitecturas.
Convertidores de aproximación sucesiva de analógico a digital
Aquí se utiliza el algoritmo de "ponderación". En resumen, los dispositivos que funcionan de acuerdo con esta técnica se denominan simplemente ADC de conteo en serie. El principio de funcionamiento es el siguiente: el dispositivo mide el valor de la señal de entrada y luego se compara con números que se generan de acuerdo con un método determinado:
- Establece la mitad del voltaje de referencia posible.
- Si la señal ha superado el límite de valor del punto 1, entonces se compara con el número que se encuentra en el medio entre el valor restante. Entonces, en nuestro caso será ¾ del voltaje de referencia. Si la señal de referencia no alcanza este indicador, la comparación se realizará con la otra parte del intervalo según el mismo principio. En este ejemplo, esto es ¼ del voltaje de referencia.
- El paso 2 debe repetirse N veces, lo que nos dará N bits del resultado. Esto se debe a hacer H número de comparaciones.
Este principio de funcionamiento permite obtener dispositivos con una tasa de conversión relativamente alta, que son ADC de aproximación sucesiva. El principio de funcionamiento, como puede ver, es simple y estos dispositivos son ideales para varias ocasiones.
Convertidores de analógico a digital en paralelo
Funcionan como dispositivos seriales. La fórmula de cálculo es (2 ^ H) -1. ParaEn el caso anterior, necesitamos (2^3)-1 comparadores. Para la operación, se utiliza una cierta matriz de estos dispositivos, cada uno de los cuales puede comparar la entrada y el voltaje de referencia individual. Los convertidores paralelos de analógico a digital son dispositivos bastante rápidos. Pero el principio de construcción de estos dispositivos es tal que se requiere una potencia significativa para respaldar su rendimiento. Por lo tanto, no es práctico usarlos con batería.
Convertidor A/D balanceado bit a bit
Funciona de forma similar al dispositivo anterior. Por lo tanto, para explicar el funcionamiento de un ADC de equilibrio bit a bit, el principio de funcionamiento para principiantes se considerará literalmente en los dedos. En el corazón de estos dispositivos está el fenómeno de la dicotomía. En otras palabras, se lleva a cabo una comparación consistente del valor medido con una cierta parte del valor máximo. Se pueden tomar valores en ½, 1/8, 1/16 y así sucesivamente. Por lo tanto, el convertidor de analógico a digital puede completar todo el proceso en N iteraciones (pasos consecutivos). Además, H es igual a la profundidad de bits del ADC (consulte las fórmulas anteriores). Así, tenemos una importante ganancia de tiempo, si la velocidad de la técnica es especialmente importante. A pesar de su considerable velocidad, estos dispositivos también tienen una baja precisión estática.
Convertidores A/D con equilibrio de carga (delta-sigma)
Este es el tipo de dispositivo más interesante, no menos importantegracias a su principio de funcionamiento. Se basa en que se compara la tensión de entrada con la acumulada por el integrador. Los pulsos con polaridad negativa o positiva se alimentan a la entrada (todo depende del resultado de la operación anterior). Por lo tanto, podemos decir que dicho convertidor de analógico a digital es un servosistema simple. Pero este es solo un ejemplo de comparación, para que pueda comprender qué es un ADC delta-sigma. El principio de funcionamiento es sistémico, pero para el funcionamiento eficaz de este convertidor de analógico a digital no es suficiente. El resultado final es un flujo interminable de 1 y 0 a través del filtro de paso bajo digital. A partir de ellos se forma una determinada secuencia de bits. Se hace una distinción entre convertidores ADC de primer y segundo orden.
Integración de convertidores de analógico a digital
Este es el último caso especial que se considerará en el artículo. A continuación, describiremos el principio de funcionamiento de estos dispositivos, pero a nivel general. Este ADC es un convertidor push-pull de analógico a digital. Puede conocer un dispositivo similar en un multímetro digital. Y esto no es sorprendente, ya que proporcionan una gran precisión y, al mismo tiempo, suprimen bien las interferencias.
Ahora centrémonos en cómo funciona. Se encuentra en el hecho de que la señal de entrada carga el condensador durante un tiempo fijo. Por regla general, este período es una unidad de la frecuencia de la red que alimenta el dispositivo (50 Hz o 60 Hz). También puede ser múltiple. Por lo tanto, se suprimen las frecuencias altas.interferencia. Al mismo tiempo, se nivela la influencia del voltaje inestable de la fuente principal de generación de electricidad en la precisión del resultado.
Cuando finaliza el tiempo de carga del convertidor de analógico a digital, el capacitor comienza a descargarse a una tasa fija determinada. El contador interno del dispositivo cuenta el número de pulsos de reloj que se generan durante este proceso. Por lo tanto, cuanto más largo sea el período de tiempo, más significativos serán los indicadores.
La integración push-pull ADC tiene alta precisión y resolución. Debido a esto, además de una estructura de construcción relativamente simple, se implementan como microcircuitos. La principal desventaja de este principio de funcionamiento es la dependencia del indicador de red. Recuerde que sus capacidades están ligadas al período de frecuencia de la fuente de alimentación.
Así es como funciona un ADC de doble integración. El principio de funcionamiento de este dispositivo, aunque es bastante complicado, pero proporciona indicadores de calidad. En algunos casos, esto es simplemente necesario.
Elija el APC con el principio de funcionamiento que necesitamos
Digamos que tenemos cierta tarea por delante. ¿Qué dispositivo elegir para que pueda satisfacer todas nuestras peticiones? Primero, hablemos de resolución y precisión. Muy a menudo se confunden, aunque en la práctica dependen muy poco unos de otros. Tenga en cuenta que un convertidor A/D de 12 bits puede ser menos preciso que un convertidor A/D de 8 bits. En esoEn este caso, la resolución es una medida de cuántos segmentos se pueden extraer del rango de entrada de la señal medida. Entonces, los ADC de 8 bits tienen 28=256 de tales unidades.
La precisión es la desviación total del resultado de conversión obtenido del valor ideal, que debería estar en un voltaje de entrada dado. Es decir, el primer parámetro caracteriza las capacidades potenciales que tiene el ADC, y el segundo muestra lo que tenemos en la práctica. Por lo tanto, un tipo más simple (como los convertidores directos de analógico a digital) puede ser adecuado para nosotros, lo que satisfará las necesidades debido a la alta precisión.
Para tener una idea de lo que se necesita, primero debe calcular los parámetros físicos y construir una fórmula matemática para la interacción. En ellos son importantes los errores estáticos y dinámicos, porque al usar varios componentes y principios de construcción de un dispositivo, afectarán sus características de diferentes maneras. Puede encontrar información más detallada en la documentación técnica que ofrece el fabricante de cada dispositivo específico.
Ejemplo
Echemos un vistazo al ADC SC9711. El principio de funcionamiento de este dispositivo es complicado debido a su tamaño y capacidades. Por cierto, hablando de estos últimos, cabe señalar que son verdaderamente diversos. Así, por ejemplo, la frecuencia de posible funcionamiento oscila entre 10 Hz y 10 MHz. En otras palabras, ¡puede tomar 10 millones de muestras por segundo! Y el dispositivo en sí no es algo sólido, peroTiene una estructura de construcción modular. Pero se usa, por regla general, en tecnología compleja, donde es necesario trabajar con una gran cantidad de señales.
Conclusión
Como puede ver, los ADC básicamente tienen diferentes principios de operación. Esto nos permite seleccionar dispositivos que satisfagan las necesidades que se presenten, a la vez que nos permite administrar sabiamente nuestros fondos disponibles.
