Téměř každý měřitelný parametr prostředí je v analogové formě, jako je teplota, zvuk, tlak, světlo atd. Zvažte teplotu monitorovací systém přičemž získávání, analýza a zpracování teplotních dat ze senzorů není u digitálních počítačů a procesorů možné. Proto tento systém potřebuje zprostředkující zařízení pro převod analogových teplotních dat na digitální data, aby mohl komunikovat s digitálními procesory, jako jsou mikrokontroléry a mikroprocesory. Analogově-digitální převodník (ADC) je elektronický integrovaný obvod používaný k převodu analogových signálů, jako jsou napětí, na digitální nebo binární formu skládající se z 1 s a 0 s. Většina ADC má napěťový vstup 0 až 10 V, -5 V až + 5 V atd. A odpovídajícím způsobem vytváří digitální výstup jako jakési binární číslo.

Co je analogově-digitální převodník?

Převodník, který se používá ke změně analogového signálu na digitální, se nazývá analogově-digitální převodník nebo převodník ADC. Tento převaděč je jeden druh integrovaného obvodu nebo IC, který převádí signál přímo z kontinuální formy do diskrétní formy. Tento převaděč lze vyjádřit v A / D, ADC, A až D. Inverzní funkce DAC není nic jiného než ADC. Symbol analogově-digitálního převaděče je zobrazen níže.

Proces převodu analogového signálu na digitální lze provést několika způsoby. Na trhu existují různé typy čipů ADC od různých výrobců, jako je řada ADC08xx. Jednoduchý ADC lze tedy navrhnout pomocí diskrétních komponent.

Hlavními rysy ADC jsou vzorkovací frekvence a bitové rozlišení.

Vzorkovací frekvence ADC není nic jiného než to, jak rychle dokáže ADC převést signál z analogového na digitální.
Bitové rozlišení není nic jiného než přesnost, jakou může analogově-digitální převodník převést signál z analogového na digitální.

Analogově digitální převodník

Jednou z hlavních výhod převaděče ADC je vysoká rychlost sběru dat i při multiplexovaných vstupech. S vynálezem široké škály ADC integrované obvody (IC), získávání dat z různých senzorů se stává přesnějším a rychlejším. Dynamické charakteristiky vysoce výkonných ADC jsou zlepšená opakovatelnost měření, nízká spotřeba energie, přesná propustnost, vysoká linearita, vynikající poměr signálu k šumu (SNR) atd.

Různé aplikace ADC jsou měřicí a řídicí systémy, průmyslové vybavení, komunikační systémy a všechny ostatní senzorické systémy. Klasifikace ADC na základě faktorů, jako je výkon, bitové rychlosti, výkon, cena atd.

Blokové schéma ADC

Níže je zobrazeno blokové schéma ADC, které obsahuje vzorek, zadržení, kvantování a kodér. Proces ADC lze provést následujícím způsobem.

Nejprve je analogový signál aplikován na první blok, konkrétně na vzorek, kdekoli může být vzorkován s přesnou vzorkovací frekvencí. Amplitudová hodnota vzorku jako analogová hodnota může být udržována a také udržována v druhém bloku jako Hold. Zadržený vzorek lze kvantifikovat na diskrétní hodnotu prostřednictvím třetího bloku, jako je kvantizace. Nakonec poslední blok jako kodér změní diskrétní amplitudu na binární číslo.

V ADC lze převod signálu z analogového na digitální vysvětlit výše uvedeným blokovým diagramem.

Vzorek

Ve vzorkovacím bloku může být analogový signál vzorkován v přesném časovém intervalu. Vzorky se používají v kontinuální amplitudě a mají skutečnou hodnotu, jsou však diskrétní s ohledem na čas. Při převodu signálu hraje zásadní roli vzorkovací frekvence. Lze jej tedy udržovat přesnou rychlostí. Na základě požadavku na systém lze stanovit vzorkovací frekvenci.

Držet

V ADC je HOLD druhým blokem a nemá žádnou funkci, protože jednoduše drží amplitudu vzorku, dokud není odebrán další vzorek. Hodnota pozdržení se tedy změní až v dalším vzorku.

Kvantovat

V ADC se jedná o třetí blok, který se používá hlavně pro kvantování. Hlavní funkcí je převést amplitudu z kontinuální (analogové) na diskrétní. Hodnota spojité amplitudy v bloku blokování se pohybuje v celém bloku kvantizace a mění se v diskrétní v amplitudě. Nyní bude signál v digitální podobě, protože zahrnuje diskrétní amplitudu i čas.

Kodér

Posledním blokem v ADC je kodér, který převádí signál z digitální formy na binární. Víme, že digitální zařízení funguje pomocí binárních signálů. Je tedy nutné změnit signál z digitálního na binární pomocí kodéru. Toto je celá metoda pro změnu analogového signálu na digitální pomocí ADC. Čas potřebný pro celou konverzi lze provést během mikrosekundy.

Proces analogově-digitálního převodu

Existuje mnoho metod převodu analogových signálů na digitální signály. Tyto převaděče nacházejí více aplikací jako mezilehlé zařízení pro převod signálů z analogové do digitální podoby, zobrazení výstupu na LCD pomocí mikrokontroléru. Cílem převodníku A / D je určit výstupní signální slovo odpovídající analogovému signálu. Nyní uvidíme ADC 0804. Jedná se o 8bitový převodník s napájením 5V. Jako vstup může trvat pouze jeden analogový signál.

Analogově digitální převodník signálu

Digitální výstup se pohybuje od 0-255. ADC potřebuje k provozu hodiny. Doba potřebná k převodu analogové na digitální hodnotu závisí na zdroji hodin. Na pin CLK IN č. 4 lze dát externí hodiny. Pro použití interních hodin je mezi piny hodin IN a hodin R připojen vhodný RC obvod. Pin2 je vstupní pin - High to low pulse přináší data z interního registru na výstupní piny po převodu. Pin3 je zápis - externím hodinám je dán nízký až vysoký impuls. Pin11 až 18 jsou datové piny z MSB do LSB.

Analogově-digitální převodník vzorkuje analogový signál na každé sestupné nebo vzestupné hraně vzorkovacích hodin. V každém cyklu získá ADC analogový signál, změří jej a převede na digitální hodnotu. ADC převádí výstupní data na řadu digitálních hodnot aproximací signálu s pevnou přesností.

V ADC určují přesnost digitální hodnoty, která zachycuje původní analogový signál, dva faktory. Jedná se o úroveň kvantování nebo bitovou rychlost a vzorkovací frekvenci. Níže uvedený obrázek znázorňuje, jak probíhá analogově-digitální převod. Bitová rychlost rozhoduje o rozlišení digitalizovaného výstupu a na níže uvedeném obrázku můžete vidět, kde se pro převod analogového signálu používá 3bitový ADC.

Proces analogově-digitálního převodu

Předpokládejme, že jeden voltový signál musí být převeden z digitálního pomocí 3bitového ADC, jak je uvedeno níže. Proto je pro produkci 1V výstupu k dispozici celkem 2 ^ 3 = 8 divizí. Výsledkem je, že 1/8 = 0,125 V se nazývá minimální změna nebo úroveň kvantování, která je pro každou divizi reprezentována jako 000 pro 0V, 001 pro 0,125 a podobně až 111 pro 1V. Pokud zvýšíme bitové rychlosti jako 6, 8, 12, 14, 16 atd., Získáme lepší přesnost signálu. Bitová rychlost nebo kvantizace tedy dává nejmenší výstupní změnu hodnoty analogového signálu, která je výsledkem změny v digitální reprezentaci.

Předpokládejme, že pokud je signál přibližně 0-5 V a použili jsme 8bitový ADC, pak binární výstup 5V je 256. A pro 3V je to 133, jak je znázorněno níže.

Vzorec ADC

Existuje absolutní šance zkreslit vstupní signál na výstupní straně, pokud je vzorkován na jiné frekvenci, než je požadovaná. Proto dalším důležitým hlediskem ADC je vzorkovací frekvence. Nyquistova věta uvádí, že rekonstrukce získaného signálu zavádí zkreslení, pokud není vzorkováno při (minimálním) dvojnásobku rychlosti největšího frekvenčního obsahu signálu, jak vidíte na diagramu. Tato rychlost je ale v praxi 5-10krát větší než maximální frekvence signálu.

Vzorkovací frekvence analogově-digitálního převaděče

Faktory

Výkon ADC lze hodnotit prostřednictvím jeho výkonu na základě různých faktorů. Z toho jsou níže vysvětleny následující dva hlavní faktory.

SNR (odstup signálu od šumu)

SNR odráží průměrný počet bitů bez šumu v konkrétním vzorku.

Šířka pásma

Šířku pásma ADC lze určit odhadem vzorkovací frekvence. Analogový zdroj lze vzorkovat za sekundu a vytvářet diskrétní hodnoty.

Typy analogově-digitálních převodníků

ADC je k dispozici v různých typech a v některých typech analogově-digitálních převaděče zahrnout:

A / D převodník s dvojitým sklonem
Flash A / D převodník
Postupné Přiblížení A / D převodník
Semi-flash ADC
Sigma-Delta ADC
Pipeline ADC

A / D převodník s dvojitým sklonem

V tomto typu převaděče ADC je srovnávací napětí generováno pomocí integračního obvodu, který je tvořen rezistorem, kondenzátorem a operační zesilovač kombinace. Nastavenou hodnotou Vref generuje tento integrátor na svém výstupu pilovitý tvar vlny od nuly po hodnotu Vref. Když se spustí křivka integrátoru, začne čítač odpovídajícím způsobem počítat od 0 do 2 ^ n-1, kde n je počet bitů ADC.

Analogově digitální převodník s dvojitým sklonem

Když se vstupní napětí Vin rovná napětí křivky, pak řídicí obvod zachytí hodnotu čítače, což je digitální hodnota odpovídající analogové vstupní hodnoty. Tento duální svah ADC je zařízení se relativně nízkou cenou a nízkou rychlostí.

Flash A / D převodník

Tento IC převaděč ADC se také nazývá paralelní ADC, což je z hlediska rychlosti nejpoužívanější efektivní ADC. Tento obvod analogového a digitálního převodníku blesku se skládá z řady komparátorů, kde každý porovnává vstupní signál s jedinečným referenčním napětím. U každého komparátoru bude výstup vysoký stav, když analogové vstupní napětí překročí referenční napětí. Tento výstup je dále věnován kodér priority pro generování binárního kódu na základě vstupní aktivity vyššího řádu ignorováním dalších aktivních vstupů. Tento typ blesku je vysoce nákladné a vysokorychlostní zařízení.

Flash A / D převodník

Postupný A / D převodník

SAR ADC je nejmodernější ADC IC a je mnohem rychlejší než ADC s dvojitým sklonem a bleskem, protože používá digitální logiku, která převádí analogové vstupní napětí na nejbližší hodnotu. Tento obvod se skládá z komparátoru, výstupních západek, registru postupné aproximace (SAR) a převodníku D / A.

Postupný A / D převodník

Na začátku se SAR resetuje a po zavedení přechodu LOW na HIGH se nastaví MSB SAR. Pak je tento výstup předán D / A převodníku, který produkuje analogový ekvivalent MSB, dále je porovnáván s analogovým vstupem Vin. Pokud je výstup komparátoru LOW, pak bude MSB vymazán SAR, jinak bude MSB nastaven na další pozici. Tento proces pokračuje, dokud nejsou vyzkoušeny všechny bity, a po Q0 způsobí SAR, aby paralelní výstupní řádky obsahovaly platná data.

Semi-flash ADC

Tyto typy analogově-digitálních převodníků fungují hlavně přibližně ve své omezené velikosti prostřednictvím dvou samostatných bleskových převodníků, kde každé rozlišení převaděče je polovina bitů pro poloplachové zařízení. Kapacita jednoho převaděče blesku je, zpracovává MSB (nejvýznamnější bity), zatímco druhá zpracovává LSB (nejméně významné bity).

Sigma-Delta ADC

Sigma Delta ADC (ΣΔ) je poměrně nedávný design. Ve srovnání s jinými druhy návrhů jsou extrémně pomalé, nabízejí však maximální rozlišení pro všechny druhy ADC. Jsou tedy extrémně kompatibilní s vysoce věrnými zvukovými aplikacemi, ale obvykle je nelze použít všude tam, kde je vyžadována vysoká BW (šířka pásma).

Pipeline ADC

Pipelined ADCs are also known as sub range quantizers which are related in concept to successive Aproximations, even though more Sofisticated. Zatímco postupné aproximace rostou každým krokem přechodem na další MSB, používá tento ADC následující proces.

Používá se pro hrubý převod. Poté vyhodnotí tuto změnu směrem ke vstupnímu signálu.
Tento převaděč funguje jako lepší převod tím, že umožňuje dočasný převod s řadou bitů.
Potrubní převody obvykle nabízejí střed mezi SAR a bleskovými analogově-digitálními převaděči vyvážením jeho velikosti, rychlosti a vysokého rozlišení.

Příklady analogově-digitálních převodníků

Níže uvádíme příklady analogově-digitálního převaděče.

ADC0808

ADC0808 je převodník, který má 8 analogových vstupů a 8 digitálních výstupů. ADC0808 nám umožňuje sledovat až 8 různých snímačů pomocí jediného čipu. To eliminuje potřebu externích úprav nuly a plného rozsahu.

ADC0808 IC

ADC0808 je monolitické zařízení CMOS, které nabízí vysokou rychlost, vysokou přesnost, minimální závislost na teplotě, vynikající dlouhodobou přesnost a opakovatelnost a spotřebovává minimální energii. Díky těmto vlastnostem je toto zařízení ideální pro aplikace od řízení procesů a strojů až po spotřební a automobilové aplikace. Schéma kolíků ADC0808 je znázorněno na následujícím obrázku:

Funkce

Mezi hlavní vlastnosti ADC0808 patří následující.

Snadné rozhraní pro všechny mikroprocesory
Není nutná žádná úprava nuly nebo celého rozsahu
8kanálový multiplexer s logikou adres
Vstupní rozsah 0 V až 5 V s jediným napájením 5 V.
Výstupy splňují specifikace úrovně napětí TTL
Balíček nosného čipu s 28kolíky

Specifikace

Specifikace ADC0808 zahrnují následující.

Rozlišení: 8 bitů
Celková neupravená chyba: ± ½ LSB a ± 1 LSB
Jedno napájení: 5 VDC
Nízký výkon: 15 mW
Čas převodu: 100 μs

Obecně lze vstup ADC0808, který má být přepnut do digitální podoby, vybrat pomocí tří adresních linek A, B, C, které jsou kolíky 23, 24 a 25. Velikost kroku se volí v závislosti na nastavené referenční hodnotě. Velikost kroku je změna analogového vstupu, která způsobí změnu jednotky na výstupu ADC. ADC0808 potřebuje k provozu externí hodiny, na rozdíl od ADC0804, které mají vnitřní hodiny.

Kontinuální 8bitový digitální výstup odpovídající okamžité hodnotě analogového vstupu. Nejextrémnější úroveň vstupního napětí musí být úměrně snížena na + 5V.

ADC 0808 IC vyžaduje hodinový signál typicky 550 kHz, ADC0808 se používá k převodu dat do digitální podoby požadované pro mikrokontrolér.

Aplikace ADC0808

ADC0808 má mnoho aplikací, které jsme zadali na ADC:

Z níže uvedeného obvodu jsou piny hodiny, start a EOC připojeny k mikrokontroléru. Obecně zde máme 8 vstupů, pro provoz používáme pouze 4 vstupy.

Obvod ADC0808

Používá teplotní senzor LM35, který je připojen k prvním 4 vstupům analogově-digitálního převodníku IC. Senzor má 3 piny, tj. VCC, GND a výstupní piny, když senzor zahřívá napětí na výstupu.
Adresové řádky A, B, C jsou připojeny k mikrokontroléru pro příkazy. V tomto případě přerušení sleduje provoz od nízké po vysokou.
Pokud je počáteční kolík držen vysoko, nezačne konverze, ale když je počáteční kolík nízký, konverze začne do 8 hodinových období.
V okamžiku, kdy je převod dokončen, kolík EOC klesá, což indikuje dokončení převodu a data připravená k vyzvednutí.
Povolení výstupu (OE) je poté zvýšeno vysoko. To umožňuje výstupy TRI-STATE, což umožňuje čtení dat.

ADC0804

Již víme, že analogově-digitální převaděče (ADC) jsou nejběžněji používaným zařízením pro zabezpečení informací pro převod analogových signálů na digitální čísla, aby je mikrokontrolér mohl snadno číst. Existuje mnoho převaděčů ADC, jako jsou ADC0801, ADC0802, ADC0803, ADC0804 a ADC080. V tomto článku budeme diskutovat o převaděči ADC0804.

ADC0804

ADC0804 je velmi běžně používaný 8bitový analogově-digitální převodník. Pracuje s analogovým vstupním napětím 0V až 5V. Má jeden analogový vstup a 8 digitálních výstupů. Doba převodu je dalším hlavním faktorem při posuzování ADC, doba převodu v ADC0804 se liší v závislosti na taktovacích signálech aplikovaných na piny CLK R a CLK IN, ale nemůže být rychlejší než 110 μs.

Pin Popis ADC804

Pin 1 : Je to pin pro výběr čipu a aktivuje ADC, aktivní low

Pin 2: Jedná se o vstupní pin vysokého až nízkého impulzu, který po převodu přináší data z interních registrů na výstupní piny

Pin 3: Jedná se o vstupní kolík s nízkým až vysokým pulzem, který je zahájen převod

Pin 4: Jedná se o hodinový vstupní kolík, který poskytuje externí hodiny

Pin 5: Je to výstupní kolík, po dokončení převodu se sníží

Pin 6: Analogový neinvertující vstup

Pin 7: Analogový invertující vstup, je normálně uzemněný

Pin 8: Uzemnění (0 V)

Pin 9: Jedná se o vstupní kolík, nastavuje referenční napětí pro analogový vstup

Pin 10: Uzemnění (0 V)

Kolík 11 - Kolík 18: Jedná se o 8bitový digitální výstupní pin

Pin 19: Používá se s kolíkem Clock IN, když se používá interní zdroj hodin

Pin 20: Napájecí napětí 5V

Vlastnosti ADC0804

Mezi hlavní vlastnosti ADC0804 patří následující.

Rozsah analogového vstupního napětí 0 V až 5 V s jedním napájením 5 V.
Kompatibilní s mikrokontroléry, přístupová doba je 135 ns
Snadné rozhraní pro všechny mikroprocesory
Logické vstupy a výstupy splňují specifikace úrovní napětí MOS i TTL
Funguje s referenčním napětím 2,5 V (LM336)
Generátor hodin na čipu
Není nutná žádná úprava nuly
0,3 [Prime] 20pinový DIP balíček se standardní šířkou
Pracuje s poměrem metricky nebo s referenčním napětím 5 VDC, 2,5 VDC nebo analogovým napětím
Diferenční analogové napěťové vstupy

Jedná se o 8bitový převodník s napájením 5V. Jako vstup může trvat pouze jeden analogový signál. Digitální výstup se pohybuje od 0-255. ADC potřebuje k provozu hodiny. Doba potřebná k převodu analogové na digitální hodnotu závisí na zdroji hodin. CLK IN mohou být poskytnuty externí hodiny. Pin2 je vstupní pin - High to low pulse přináší data z interního registru na výstupní piny po převodu. Pin3 je zápis - externím hodinám je dán nízký až vysoký impuls.

aplikace

Z jednoduchého obvodu je pin 1 ADC připojen k GND, kde pin4 je připojen k GND přes kondenzátor pin 2, 3 a 5 ADC jsou připojeny k 13, 14 a 15 pinům mikrokontroléru. Pin 8 a 10 jsou zkratovány a připojeny k GND, 19 pinů ADC je na 4. pin přes rezistor 10k. Kolíky 11 až 18 ADC jsou připojeny k 1 až 8 pinům mikrokontroléru, který patří k portu1.

Obvod ADC0804

Když je logická výška aplikována na CS a RD, vstup byl taktován přes 8bitový posuvný registr, čímž je dokončeno vyhledávání specifické míry absorpce (SAR), na další hodinový puls je digitální slovo přeneseno na třístupňový výstup. Výstup přerušení je invertován, aby poskytoval výstup INTR, který je vysoký během převodu a nízký po dokončení převodu. Když je low na obou CS a RD, je výstup aplikován na výstupy DB0 až DB7 a přerušení je resetováno. Když se vstupy CS nebo RD vrátí do vysokého stavu, výstupy DB0 až DB7 jsou deaktivovány (vráceny do stavu vysoké impedance). V závislosti na logice je tedy napětí různé od 0 do 5 V, které je transformováno na digitální hodnotu s 8bitovým rozlišením a je přiváděno jako vstup do portu 1 mikrokontroléru.

“jak je ohmmetr připojen k obvodu ”

ADC0804 Použité projekty

Vyhledávač vzdáleností poruch pod zemí

ADC0808 Použité projekty

Scada (dohledová kontrola a sběr dat) pro vzdálený průmyslový závod

Testování ADC

Testování analogově-digitálního převodníku vyžaduje hlavně zdroj analogového vstupu a hardware pro přenos řídicích signálů i pro zachycení digitálních dat o / p. Některé druhy ADC vyžadují přesný zdroj referenčního signálu. ADC lze otestovat pomocí následujících klíčových parametrů

Chyba offsetu DC
Ztráta výkonu
Chyba zisku DC
Falešný dynamický rozsah zdarma
SNR (odstup signálu od šumu)
INL nebo Integral Nonlinearity
DNL nebo diferenciální nelinearita
THD nebo celkové harmonické zkreslení

Testování ADC nebo analogově-digitálních převodníků se provádí hlavně z několika důvodů. Kromě důvodu, společnosti IEEE Instrumentation & Measurement, byl výbor pro generování a analýzu křivek vyvinut standard IEEE pro ADC pro terminologii a testovací metody. Existuje několik obecných nastavení testů, které zahrnují Sine Wave, Arbitrary Waveform, Step Waveform & Feedback Loop. K určení stabilního výkonu analogově-digitálních převodníků se používají různé metody, jako je servo, rampa, technika ac histogramu, technika trojúhelníkového histogramu a fyzikální technika. Jedna technika, která se používá pro dynamické testování, je test sinusových vln.

Aplikace analogově-digitálního převaděče

Mezi aplikace ADC patří následující.

V současné době se využití digitálních zařízení zvyšuje. Tato zařízení fungují na základě digitálního signálu. Analogově-digitální převaděč hraje u takových zařízení klíčovou roli pro převod signálu z analogového na digitální. Aplikace analogově-digitálních převodníků jsou neomezené, o čemž pojednává níže.
AC (klimatizace) obsahuje teplotní senzory pro udržení teploty v místnosti. Tuto konverzi teploty lze tedy provést z analogové na digitální pomocí ADC.
Používá se také v digitálním osciloskopu k převodu signálu z analogového na digitální na displej.
ADC se používá k převodu analogového hlasového signálu na digitální v mobilních telefonech, protože mobilní telefony používají digitální hlasové signály, ale ve skutečnosti je hlasový signál ve formě analogu. ADC se tedy používá k převodu signálu před odesláním signálu směrem k vysílači mobilního telefonu.
ADC se používá v lékařských zařízeních, jako je MRI a X-Ray, k převodu obrazu z analogového na digitální před změnou.
Fotoaparát v mobilu se používá hlavně k pořizování obrázků i videí. Ty jsou uloženy v digitálním zařízení, takže jsou převedeny do digitální podoby pomocí ADC.
Kazetová hudba může být také změněna na digitální, jako jsou CDS a palcové disky využívající ADC.
V současné době se ADC používá ve všech zařízeních, protože téměř všechna zařízení dostupná na trhu jsou v digitální verzi. Tato zařízení tedy používají ADC.

Jedná se tedy o přehled analogově-digitálního převaděče nebo převodník ADC a jeho typy. Pro snazší pochopení je v tomto článku popsáno pouze několik převaděčů ADC. Doufáme, že tento zařízený obsah bude pro čtenáře informativní. Jakékoli další dotazy, pochybnosti a technickou pomoc k tomuto tématu můžete komentovat níže.

Fotografické kredity: