Агульны прынцып працы АЛП

Давайце разгледзім асноўны спектр пытанняў, якія можна аднесці да прынцыпу дзеяння аналога-лічбавых пераўтваральнікаў (АЛП) розных тыпаў. Паслядоўны кошт, поразрядное ўраўнаважванне - што хаваецца за гэтымі словамі? У чым заключаецца прынцып працы АЛП мікракантролера? Гэтыя, а таксама шэраг іншых пытанняў мы разгледзім у рамках артыкула. Першыя тры часткі мы прысвяцім агульнай тэорыі, а з чацвёртага падзагалоўку будзем вывучаць прынцып іх працы. Вы можаце ў рознай літаратуры сустракаць тэрміны АЛП і ЛАП. Прынцып працы гэтых прылад трохі адрозніваецца, таму не блытайце іх. Так, у артыкуле будзе разглядацца пераўтварэнне сігналаў з аналагавай формы ў лічбавую, у той час як ЛАП працуе наадварот.

вызначэнне

Перш чым разглядаць прынцып працы АЛП, давайце даведаемся, што гэта за прылада. Аналога-лічбавыя пераўтваральнікі з'яўляюцца прыборамі, якія фізічную велічыню ператвараюць ў адпаведнае лікавае паданне. У якасці пачатковага параметру можа выступаць практычна ўсё што заўгодна - ток, напружанне, ёмістасць, супраціў, кут павароту вала, частата імпульсаў і гэтак далей. Але каб мець пэўнасць, мы будзем працаваць толькі з адным пераўтварэннем. Гэта "напружанне-код". Выбар такога фармату працы не выпадковы. Бо АЛП (прынцып працы гэтай прылады) і яго асаблівасці ў значнай меры залежаць ад таго, якое паняцце вымярэння выкарыстоўваецца. Пад гэтым разумеюць працэс параўнання пэўнай велічыні з раней устаноўленым эталонам.

характарыстыкі АЛП

Асноўнымі можна назваць разраднасць і частату пераўтварэнні. Першую выяўляюць у бітах, а другую - у адлік на секунду. Сучасныя аналога-лічбавыя пераўтваральнікі могуць валодаць разраднасцю 24 біта або хуткасцю пераўтварэнні, якая даходзіць да адзінак GSPS. Звярніце ўвагу, што АЛП можа адначасова прадастаўляць вам у выкарыстанне толькі адну сваю характарыстыку. Чым вялікія іх паказчыкі, тым складаней працаваць з прыладай, ды і яно само каштуе даражэй. Але карысць можна атрымаць неабходныя паказчыкі разраднасці, ахвяраваўшы хуткасцю працы прыбора.

тыпы АЛП

Прынцып працы адрозніваецца ў розных груп прылад. Мы разгледзім наступныя тыпы:

1. З прамым пераўтварэннем.
2. З паслядоўным набліжэннем.
3. З паралельным пераўтварэннем.
4. Аналога-лічбавы пераўтваральнік з Балансаваннем зарада (дэльта-сігма).
5. Інтэгравальныя АЛП.

Ёсць шмат іншых канвеерных і камбінаваных тыпаў, якія валодаюць сваімі асаблівымі характарыстыкамі з рознай архітэктурай. Але тыя ўзоры, якія будуць разглядацца ў рамках артыкула, уяўляюць цікавасць дзякуючы таму, што яны гуляюць паказальную ролю ў сваёй нішы прылад такі спецыфікі. Таму давайце будзем вывучаць прынцып працы АЛП, а таксама яго залежнасць ад фізічнага прылады.

Прамыя аналога-лічбавыя пераўтваральнікі

Яны сталі вельмі папулярнымі ў 60-70-х гадах мінулага стагоддзя. У выглядзе інтэгральных схем вырабляюцца з 80-х гг. Гэта вельмі простыя, нават прымітыўныя прылады, якія не могуць пахваліцца значнымі паказчыкамі. Іх разраднасць звычайна складае 6-8 біт, а хуткасць рэдка перавышае 1 GSPS.

Прынцып працы АЛП дадзенага тыпу такі: на плюсавыя ўваходы кампаратараў адначасова паступае ўваходны сігнал. На мінусавыя высновы падаецца напружанне пэўнай велічыні. А затым прылада вызначае свой рэжым працы. Гэта робіцца дзякуючы апорным напрузе. Дапусцім, што ў нас ёсць прылада, дзе 8 кампаратараў. Пры падачы ½ апорнай напругі будзе ўключана толькі 4 з іх. Прыярытэтным шыфратараў сфармуецца двайковы код, які і зафіксуецца выхадных рэгістрам. Адносна вартасцяў і недахопаў можна сказаць, што такі прынцып працы дазваляе ствараць хуткадзейныя прылады. Але для атрымання неабходнай разраднасці прыходзіцца моцна папацець.

Агульная формула колькасці кампаратараў выглядае такім чынам: 2 ^ N. Пад N неабходна паставіць колькасць разрадаў. Разгляданы раней прыклад можна выкарыстоўваць яшчэ раз: 2 ^ 3 = 8. Усяго для атрымання трэцяга разраду неабходна 8 кампаратараў. Такі прынцып працы АЛП, якія былі створаны першымі. Не вельмі зручна, таму ў наступным з'явіліся іншыя архітэктуры.

Аналога-лічбавыя пераўтваральнікі паслядоўнага набліжэння

Тут выкарыстоўваецца алгарытм «ўзважвання». Скарочана прылады, якія працуюць па такой методыцы, называюць проста АЛП паслядоўнага рахунку. Прынцып працы такі: прыладай вымяраецца велічыня ўваходнага сігналу, а потым яна параўноўваецца з лікамі, якія вы атрымалі па пэўнай методыцы:

1. Усталёўваецца палова магчымага апорнай напругі.
2. Калі сігнал пераадолеў мяжа велічыні з пункта №1, то параўноўваецца з лікам, якое ляжыць пасярэдзіне паміж пакінутым значэннем. Так, у нашым выпадку гэта будзе ¾ апорнай напругі. Калі апорны сігнал не дацягвае да гэтага паказчыка, то параўнанне будзе праводзіцца з другога часткай інтэрвалу па такім жа прынцыпе. У дадзеным прыкладзе гэта ¼ апорнай напругі.
3. Крок 2 неабходна паўтарыць Н раз, што дасць нам Н біт выніку. Гэта дзякуючы правядзенню Н колькасці параўнанняў.

Дадзены прынцып працы дазваляе атрымліваць прылады з адноснай высокай хуткасцю пераўтварэнні, якімі і з'яўляюцца АЛП паслядоўнага набліжэння. Прынцып працы, як бачыце, просты, і дадзеныя прыборы выдатна падыходзяць для розных выпадкаў.

Паралельныя аналога-лічбавыя пераўтваральнікі

Яны працуюць падобна паслядоўным прыладам. Формула разліку - (2 ^ Н) -1. Для разгляданага раней выпадкі нам яшчэ трэба (2 ^ 3) -1 кампаратараў. Для працы выкарыстоўваецца пэўны масіў гэтых прылад, кожнае з якіх можа параўноўваць уваходнае і індывідуальнае апорная напружанне. Паралельныя аналога-лічбавыя пераўтваральнікі з'яўляюцца даволі хуткімі прыборамі. Але прынцып пабудовы гэтых прылад такі, што для падтрымкі іх працаздольнасці неабходная значная магутнасць. Таму выкарыстоўваць іх пры батарэйны харчаваннем немэтазгодна.

Аналога-лічбавы пераўтваральнік з поразрядным ўраўнаважваннем

Ён дзейнічае па падобнай схеме, што і папярэдняе прыладу. Таму каб растлумачыць функцыянаванне АЛП поразрядного ўраўнаважвання, прынцып працы для пачаткоўцаў будзе разгледжаны літаральна на пальцах. У аснове дадзеных прылад ляжыць з'ява дыхатаміі. Іншымі словамі, праводзіцца паслядоўнае параўнанне вымяранай велічыні з пэўнай часткай максімальнага значэння. Могуць брацца значэння ў ½, 1/8, 1/16 і гэтак далей. Таму аналога-лічбавы пераўтваральнік можа выканаць увесь працэс за Н ітэрацый (паслядоўных крокаў). Прычым Н раўняецца разраднасці АЛП (паглядзіце на раней прыведзеныя формулы). Такім чынам, мы маем значны выйгрыш у часе, калі асабліва важным з'яўляецца хуткадзейнасць тэхнікі. Нягледзячы на значную хуткасць, гэтыя прылады таксама характарызуюцца нізкай статычнай хібнасцю.

Аналога-лічбавыя пераўтваральнікі з Балансаваннем зарада (дэльта-сігма)

Гэта самы цікавы тып прылады, не ў апошнюю чаргу дзякуючы свайму прынцыпу працы. Ён заключаецца ў тым, што адбываецца параўнанне уваходнага напружання з тым, што назапасілася інтэгратарам. На ўваход падаюцца імпульсы з адмоўнай або станоўчай палярнасцю (усё залежыць ад выніку папярэдняй аперацыі). Такім чынам, можна сказаць, што падобны аналога-лічбавы пераўтваральнік з'яўляецца просты сачыльнай сістэмай. Але гэта толькі як прыклад для параўнання, каб вы маглі разумець, што такое дэльта-сігма АЛП. Прынцып працы сістэмны, але для выніковага функцыянавання гэтага аналога-лічбавага пераўтваральніка мала. Канчатковым вынікам з'яўляецца бясконцы паток адзінак і нулёў, які ідзе праз лічбавай ФНЧ. З іх фармуецца пэўная бітная паслядоўнасць. Адрозніваюць АЛП-пераўтваральнікі першага і другога парадкаў.

Інтэгравальныя аналога-лічбавыя пераўтваральнікі

Гэта апошні прыватны выпадак, які будзе разгледжаны ў рамках артыкула. Далей мы будзем апісваць прынцып працы дадзеных прылад, але ўжо на агульным узроўні. Гэты АЛП з'яўляецца аналога-лічбавым пераўтваральнікам з двухтактным інтэграваннем. Сустрэць падобную прыладу можна ў лічбавым мультиметре. І гэта не дзіўна, бо яны забяспечваюць высокую дакладнасць і адначасова добра душаць перашкоды.

Зараз давайце засяродзімся на яго прынцыпе працы. Ён заключаецца ў тым, што уваходным сігналам зараджаецца кандэнсатар на працягу фіксаванага часу. Як правіла, гэты перыяд складае адзінку частоты сеткі, якая сілкуе прылада (50 Гц або 60 Гц). Таксама ён можа быць кратным. Такім чынам, душацца высокачашчынныя перашкоды. Адначасова нівеліруецца ўплыў нестабільнага напружання сеткавага крыніцы атрымання электраэнергіі на дакладнасць атрыманага выніку.

Калі канчаецца час зарада аналога-лічбавага пераўтваральніка, кандэнсатар пачынае разряжаться з пэўнай фіксаванай хуткасцю. Унутраны лічыльнік прылады лічыць колькасць тактавых імпульсаў, якія фармуюцца падчас гэтага працэсу. Такім чынам, чым больш часовай прамежак, тым больш значныя паказчыкі.

АЛП двухтактного інтэгравання валодаюць высокай дакладнасцю і адрознівальнай здольнасцю. Дзякуючы гэтаму, а таксама параўнальна просты структуры пабудовы яны выконваюцца як мікрасхемы. Асноўны недахоп такога прынцыпу працы - залежнасць ад паказчыка сеткі. Памятаеце, што яго магчымасці прывязаныя да працягласці частотнага перыяду крыніцы харчавання.

Вось як уладкованы АЛП падвойнага інтэгравання. Прынцып працы дадзенай прылады хоць і з'яўляецца даволі складаным, але ён забяспечвае якасныя паказчыкі. У некаторых выпадках такое бывае проста неабходным.

Выбіраем АПЦ з неабходным нам прынцыпам працы

Дапусцім, перад намі стаіць пэўная задача. Якое выбраць прыладу, каб яно магло задаволіць усе нашы запыты? Для пачатку давайце пагаворым пра магчымай здольнасцю і дакладнасць. Вельмі часта іх блытаюць, хоць на практыцы яны вельмі слаба залежаць адзін ад другога. Запомніце, што 12-разрадны аналога-лічбавы пераўтваральнік можа мець меншую дакладнасць, чым 8-разрадны. У гэтым выпадку дазвол - гэта мера таго, якая колькасць сегментаў можа быць выдзелена з уваходнага дыяпазону вымяранага сігналу. Так, 8-разрадныя АЛП валодаюць 2 ⁸ = 256 такімі адзінкамі.

Дакладнасць - гэта сумарная адхіленне атрыманага выніку пераўтварэння ад ідэальнага значэння, якое павінна быць пры дадзеным ўваходным напрузе. Гэта значыць першы параметр характарызуе патэнцыйныя магчымасці, якія мае АЛП, а другі паказвае, што ж мы маем на практыцы. Таму нам можа падысці і больш просты тып (напрыклад, прамыя аналога-лічбавыя пераўтваральнікі), які дазволіць задаволіць патрэбы дзякуючы высокай дакладнасці.

Каб мець уяўленне аб тым, што трэба, для пачатку неабходна пралічыць фізічныя параметры і пабудаваць матэматычную формулу ўзаемадзеяння. Важнымі ў іх з'яўляюцца статычныя і дынамічныя хібнасці, бо пры выкарыстанні розных кампанентаў і прынцыпаў пабудова прылады яны будуць па-рознаму ўплываць на яго характарыстыкі. Больш дэталёвую інфармацыю можна выявіць у тэхнічнай дакументацыі, якую прапануе вытворца кожнага канкрэтнага прыбора.

прыклад

Давайце разгледзім АЛП SC9711. Прынцып працы дадзенай прылады складзены з прычыны яго памеру і магчымасцяў. Дарэчы, кажучы пра апошнія, неабходна заўважыць, што яны па-сапраўднаму разнастайныя. Так, да прыкладу, частата магчымай працы вагаецца ад 10 Гц да 10 МГц. Іншымі словамі, яно можа рабіць 10 млн адлікаў у секунду! Ды і само прылада не з'яўляецца чымсьці цэльны, а мае модульную структуру пабудовы. Але выкарыстоўваецца яно, як правіла, у складанай тэхніцы, дзе неабходна працаваць з вялікай колькасцю сігналаў.

заключэнне

Як бачыце, АЛП ў сваёй аснове маюць розныя прынцыпы працы. Гэта дазваляе нам падбіраць прылады, якія задаволяць ўзніклі запыты, і пры гэтым дазволяць разумна распарадзіцца наяўнымі сродкамі.