Загальний принцип роботи АЦП

Давайте розглянемо основний спектр питань, які можна віднести до принципу дії аналого-цифрових перетворювачів (АЦП) різних типів. Послідовний рахунок, порозрядне урівноваження – що ховається за цими словами? У чому полягає принцип роботи АЦП мікроконтролера? Ці, а також ряд інших питань ми розглянемо в рамках статті. Перші три частини ми присвятимо загальної теорії, а з четвертого підзаголовку будемо вивчати принцип їх роботи. Ви можете в різній літературі зустрічати терміни АЦП і ЦАП. Принцип роботи цих пристроїв трохи різниться, тому не плутайте їх. Так, у статті буде розглядатися перетворення сигналів з аналогової форми у цифрову, в той час як ЦАП працює навпаки.

Визначення

Перш ніж розглядати принцип роботи АЦП, давайте дізнаємося, що це за пристрій. Аналого-цифрові перетворювачі є приладами, які фізичну величину перетворюють у відповідне числове подання. В якості початкового параметра може виступати практично все що завгодно – струм, напруга, ємність, опір, кут повороту вала, частота імпульсів і так далі. Але щоб мати визначеність, ми будемо працювати тільки з одним перетворенням. Це "напруга-код". Вибір такого формату роботи не випадковий. Адже АЦП (принцип роботи цього пристрою) і його особливості значною мірою залежать від того, яке поняття вимірювання використовується. Під цим розуміють процес порівняння певної величини з раніше встановленим еталоном.

Характеристики АЦП

Основними можна назвати розрядність і частоту перетворення. Першу виражають в бітах, а другу - в звітах на секунду. Сучасні аналого-цифрові перетворювачі можуть володіти розрядністю 24 біта або швидкістю перетворення, яка доходить до одиниць GSPS. Зверніть увагу, що АЦП може одночасно надавати у використання тільки одну свою характеристику. Чим більші їх показники, тим складніше працювати з пристроєм, так і вона сама коштує дорожче. Але благо можна отримати необхідні показники розрядності, пожертвувавши швидкістю роботи приладу.

Типи АЦП

Принцип роботи різниться у різних груп пристроїв. Ми розглянемо такі типи:

З прямим перетворенням.

З послідовним наближенням.

З паралельним перетворенням.

Аналого-цифровий перетворювач з балансуванням заряду (дельта-сигма).

Інтегруючі АЦП.

Є багато інших конвеєрних та комбінованого типів, які мають своїми особливими характеристиками з різною архітектурою. Але ті зразки, які будуть розглядатися в рамках статті, становлять інтерес завдяки тому, що вони грають показову роль у своїй ніші пристроїв такої специфіки. Тому давайте будемо вивчати принцип роботи АЦП, а також його залежність від фізичного пристрою.

Прямі аналого-цифрові перетворювачі

Вони стали досить популярними у 60-70-х роках минулого століття. У вигляді інтегральних схем виробляються з 80-х рр. Це досить прості, навіть примітивні пристрої, які не можуть похвалитися значними показниками. Їх розрядність зазвичай становить 6-8 біт, а швидкість рідко перевищує 1 GSPS.
Принцип роботи АЦП даного типу такий: на плюсові входи компараторів одночасно надходить вхідний сигнал. На мінусові висновки подається напруга певної величини. А потім пристрій визначає свій режим роботи. Це робиться завдяки опорного напруги. Припустимо, що у нас є пристрій, де 8 компараторів. При подачі 1/2 опорного напруги буде включено тільки 4 з них. Пріоритетним шифратором сформується двійковий код, який і зафіксується вихідним регістром. Щодо переваг і недоліків можна сказати, що такий принцип роботи дозволяє створювати швидкодіючі пристрою. Але для отримання необхідної розрядності доводиться сильно попотіти. Загальна формула кількості компараторів виглядає таким чином: 2^N. Під N необхідно поставити кількість розрядів. Розглянутий раніше приклад можна використовувати ще раз: 2^3=8. Разом для отримання третього розряду необхідно 8 компараторів. Такий принцип роботи АЦП, які були створені першими. Не дуже зручно, тому в подальшому з'явилися інші архітектури.

Аналого-цифрові перетворювачі послідовного наближення

Тут використовується алгоритм «зважування». Скорочено пристрої, що працюють за такою методикою, називають просто АЦП послідовного рахунку. Принцип роботи такий: пристроєм вимірюється величина вхідного сигналу, а потім вона порівнюється з числами, які генеруються за певною методикою:

Встановлюється половина можливого опорного напруги.

Якщо сигнал подолав межу величини з пункту №1 порівнюється з числом, яке лежить посередині між рештою значенням. Так, в нашому випадку це буде 3/4 опорного напруги. Якщо опорний сигнал не дотягує до цього показника, то порівняння буде проводитися з іншою частиною інтервалу за таким же принципом. В даному прикладі це 1/4 опорного напруги.

Крок 2 необхідно повторити Н раз, що дасть нам Н біт результату. Це завдяки проведенню Н кількості порівнянь.

Даний принцип роботи дозволяє отримувати пристрої з відносною високою швидкістю перетворення, якими і є АЦП послідовного наближення. Принцип роботи, як бачите, простий, і дані прилади відмінно підходять для різних випадків.

Паралельні аналого-цифрові перетворювачі

Вони працюють подібно послідовним пристроїв. Формула розрахунку – (2^N)-1. Для розглянутого раніше випадку нам знадобиться (2^3)-1 компараторів. Для роботи використовується певний масив цих пристроїв, кожне з яких може порівнювати вхідна та індивідуальне опорне напруга. Паралельні аналого-цифрові перетворювачі є досить швидкими приладами. Але принцип побудови цих пристроїв такий, що для підтримки їх працездатності необхідна значна потужність. Тому використовувати їх при батарейному харчуванні недоцільно.

Аналого-цифровий перетворювач з поразрядним зрівноважуванням

Він діє за схожою схемою, що і попереднє пристрій. Тому щоб пояснити функціонування АЦП порозрядного врівноваження, принцип роботи для початківців буде розглянуто буквально на пальцях. В основі даних пристроїв лежить явище дихотомії. Іншими словами, проводиться послідовне порівняння вимірюваної величини з певною частиною максимального значення. Можуть братися значення в 1/2 , 1/8 1/16 і так далі. Тому аналого-цифровий перетворювач може виконати весь процес за Н ітерацій (послідовних кроків). Причому Н дорівнює розрядності АЦП (подивіться на раніше наведені формули). Таким чином, ми маємо значний виграш у часі, якщо особливо важливим є швидкодія техніки. Незважаючи на значну швидкість, ці пристрої також характеризуються низькою статичною похибкою.

Аналого-цифрові перетворювачі з балансуванням заряду (дельта-сигма)

Це самий цікавий тип пристрою, не в останню чергу завдяки своїм принципом роботи. Він полягає в тому, що відбувається порівняння вхідного напруги з тим, що накопичилося інтегратором. На вхід подаються імпульси з негативною або позитивною полярністю (всі залежить від результату попередньої операції). Таким чином, можна сказати, що подібний аналого-цифровий перетворювач є простий стежачою системою. Але це лише як приклад для порівняння, щоб ви могли розуміти, що таке дельта-сигма АЦП. Принцип роботи системний, але для результативного функціонування цього аналого-цифрового перетворювача мало. Кінцевим результатом є нескінченний потік одиниць і нулів, який йде через цифровий ФНЧ. З них формується певна бітна послідовність. Розрізняють АЦП-перетворювачі першого і другого порядків.

Інтегруючі аналого-цифрові перетворювачі

Це останній приватний випадок, який буде розглянуто в рамках статті. Далі ми будемо описувати принцип роботи даних пристроїв, але вже на загальному рівні. Цей АЦП є аналого-цифровим перетворювачем з двотактним інтегруванням. Зустріти подібний пристрій можна в цифровому мультиметре. І це не дивно, адже вони забезпечують високу точність і одночасно добре пригнічують перешкоди. Тепер давайте зосередимося на його принцип роботи. Він полягає в тому, що вхідним сигналом заряджається конденсатор протягом фіксованого часу. Як правило, цей період становить одиницю частоти мережі, яка живить пристрій (50 Гц або 60 Гц). Також він може бути кратним. Таким чином, придушуються високочастотні перешкоди. Одночасно нівелюється вплив нестабільної напруги джерела отримання електроенергії на точність отриманого результату. Коли закінчується час заряду аналого-цифрового перетворювача, конденсатор починає розряджатися з певною фіксованою швидкістю. Внутрішній лічильник пристрою вважає кількість тактових імпульсів, які формуються під час цього процесу. Таким чином, чим більший часовий проміжок, тим значніше показники. АЦП двотактного інтегрування володіють високою точністю та роздільною здатністю. Завдяки цьому, а також порівняно простою структурою побудови вони виконуються як мікросхеми. Основний недолік такого принципу роботи – залежність від показника мережі. Пам'ятайте, що його можливості прив'язані до тривалості частотного періоду джерела живлення. Ось як влаштований АЦП подвійного інтегрування. Принцип роботи цього пристрою хоча і є досить складним, але він забезпечує якісні показники. У деяких випадках таке буває просто необхідним.

Вибираємо АПЦ з необхідним нам принципом роботи

Припустимо, перед нами стоїть певна завдання. Яке вибрати пристрій, щоб воно могло задовольнити всі наші запити? Для початку давайте поговоримо про роздільну здатність і точність. Дуже часто їх плутають, хоча на практиці вони дуже слабо залежать один від другого. Запам'ятайте, що 12-розрядний аналого-цифровий перетворювач може мати меншу точність, чим 8-розрядний. У цьому випадку дозвіл – це міра того, яку кількість сегментів може бути виділено з вхідного діапазону вимірюваного сигналу. Так, 8-розрядні АЦП мають 2 8 =256 такими одиницями. Точність – це сумарне відхилення отриманого результату перетворення від ідеального значення, яке має бути при даному вхідній напрузі. Тобто перший параметр характеризує потенційні можливості, які має АЦП, а другий показує, що ж ми маємо на практиці. Тому нам може підійти і більш простий тип (наприклад, прямі аналого-цифрові перетворювачі), який дозволить задовольнити потреби завдяки високій точності. Щоб мати уявлення про те, що потрібно, для початку необхідно прорахувати фізичні параметри та побудувати математичну формулу взаємодії. Важливими у них є статичні і динамічні похибки, адже при використанні різних компонентів і принципів побудова пристрою вони будуть по-різному впливати на його характеристики. Більш детальну інформацію можна виявити в технічній документації, яку пропонує виробник кожного конкретного приладу.

Приклад

Давайте розглянемо АЦП SC9711. Принцип роботи цього пристрою складний зважаючи на його розміру та можливостей. До речі, про останніх, необхідно зауважити, що вони по-справжньому різноманітні. Так, наприклад, частота можливої роботи коливається від 10 Гц до 10 МГц. Іншими словами, воно може робити 10 млн відліків в секунду! Та й сам пристрій не є чимось цільним, а має модульну структуру побудови. Але воно використовується, як правило, у складній техніці, де необхідно працювати з великою кількістю сигналів.

Висновок

Як бачите, АЦП в своїй основі мають різні принципи роботи. Це дозволяє нам підбирати пристрої, які задовольнять виникли запити, і при цьому дозволять розумно розпорядитися наявними засобами.