Com funciona la conversió del senyal analògic a digital

En electrònica, els senyals es divideixen en: analògic, discret i digital. Per començar, tot el que sentim, veiem, escoltem, en la seva majoria, és un senyal analògic, i el que veu un processador d’ordinador és un senyal digital. No sembla prou clar, així que tractem amb aquestes definicions i com es converteix un tipus de senyal en un altre.

Tipus de senyal

En representació elèctrica, un senyal analògic, a jutjar pel seu nom, és un analògic d'un valor real. Per exemple, sents la temperatura de l’entorn constantment, al llarg de la teva vida. No hi ha pauses. Al mateix temps, no només sent dos nivells de "calent" i "fred", sinó un nombre infinit de sensacions que descriuen aquest valor.

Per a una persona, el "fred" pot ser diferent, es tracta de fredor de tardor i gelades d'hivern, i gelades lleugeres, però no sempre "fred" és una temperatura negativa, de la mateixa manera que "càlid" no sempre és una temperatura positiva.

Es dedueix que el senyal analògic té dues característiques:

1. Continuïtat en el temps.

2. El nombre de valors de senyal tendeix a infinit, és a dir Un senyal analògic no es pot dividir amb precisió en parts ni calibrar-les trencant l'escala en seccions específiques. Mètodes de mesurament - basats en la unitat de mesura, i la seva precisió només depèn del preu de la divisió de l'escala, com més petita sigui, més precisa sigui la mesura.

Senyals discrets - Són senyals que són una seqüència d'informes o mesures de qualsevol magnitud. Les mesures d'aquests senyals no són contínues, sinó periòdiques.

Intentaré explicar. Si heu instal·lat un termòmetre en algun lloc, mesura un valor analògic, que es desprèn de les anteriors. Però, seguint els seus testimonis, obteniu informació discreta. Mitjans discrets separats.

Per exemple, us heu despertat i heu descobert quants graus tenia el termòmetre, la propera vegada que el vau mirar en un termòmetre al migdia i la tercera vegada al vespre. No saps quina velocitat va canviar la temperatura de manera uniforme o per un fort salt, només coneixes les dades en aquell moment en el temps que has observat.

Senyals digitals És un conjunt de nivells, tipus 1 i 0, alts i baixos, siguin o no. La profunditat de reflexió de la informació en forma digital està limitada per la profunditat de bits d’un dispositiu digital (un conjunt de lògiques, un microcontrolador, un processador, etc.) Resulta que és ideal per emmagatzemar dades booleanes. Per exemple, podem citar el següent: per emmagatzemar dades com ara "Dia" i "Nit", n'hi ha prou amb una mica d'informació.

Bit - aquest és el valor mínim per representar informació en forma digital, només pot emmagatzemar dos tipus de valors: 1 (unitat lògica, nivell alt) o 0 (zero lògic, nivell baix).

En electrònica, es representa una mica d’informació en forma d’un nivell de baixa tensió (proper a 0) i d’un nivell d’alta tensió (segons el dispositiu en particular, sovint coincideix amb la tensió d’alimentació d’un determinat node digital, els valors típics són 1,7, 3,3. 5V, 15V).

Tots els valors intermedis entre els nivells baixos i alts acceptats són una regió de transició i pot no tenir un valor específic, depenent del circuit, tant el dispositiu en conjunt com el circuit intern del microcontrolador (o qualsevol altre dispositiu digital) poden tenir un nivell de transició diferent, per exemple, per a 5 de lògica de volt, els valors de tensió de 0 a 0,8V es poden prendre com a zero, i de 2V a 5V com a unitat, mentre que el buit entre 0,8 i 2V és una zona no definida, de fet, ajuda a separar el zero de la unitat.

Els valors més precisos i cabdals que necessiteu emmagatzemar, més bits necessiteu, proporcionem una taula d’exemples amb una visualització digital de quatre valors de l’hora del dia:

Nit - Matí - Dia - Nit

Per això, necessitem 2 bits:

Conversió analògica a digital

En el cas general, la conversió analògica a digital és el procés de convertir una quantitat física en un valor digital. El valor digital és un conjunt d’unitats i zeros que percep el dispositiu de processament.

Aquesta transformació és necessària per a la interacció de la tecnologia digital amb el medi ambient.

Com que el senyal elèctric analògic repeteix el senyal d’entrada en la seva forma, no es pot gravar digitalment “tal com és” perquè té un nombre infinit de valors. Un exemple és el procés d’enregistrament de so. En la seva forma original es veu així:

És la suma d’ones amb diferents freqüències. Cosa que, en descomposar-se en freqüències (per a més detalls, vegeu les transformacions de Fourier), d’una manera o d’una altra, es pot apropar a una imatge similar:

Ara intenteu presentar-ho en forma d'un conjunt del tipus "111100101010100", és força difícil, no?

Un altre exemple de la necessitat de convertir una quantitat analògica a una de digital és el seu mesurament: els termòmetres electrònics, voltímetres, amperímetres i altres dispositius de mesura interaccionen amb quantitats analògiques.

Com va la conversió?

Primer, mireu el diagrama d’una conversió típica d’un senyal analògic a digital i viceversa. Més tard tornarem a ella.

De fet, es tracta d’un procés complex que consta de dues etapes principals:

1. Discretització del senyal.

2. Quantització per nivell.

La discretització d’un senyal és la determinació dels intervals de temps sobre els quals es mesura el senyal. Com més breus siguin aquests buits, més precisa serà la mesura. El període de mostreig (T) és el període de temps des del començament de la lectura de dades fins al final. La velocitat de mostreig (f) és la mútua de:

fd = 1 / T

Després de llegir el senyal, es processa i es guarda a la memòria.

Resulta que durant el temps que es llegeixen i es processen les lectures del senyal, pot canviar-se, així, el valor mesurat és distorsionat. Hi ha un teorema de Kotelnikov i se'n deriva la regla següent:

La freqüència de mostreig ha de ser almenys dues vegades superior a la freqüència del senyal mostrejat.

Es tracta d'una captura de pantalla de Wikipedia, amb un fragment del teorema.

Per determinar el valor numèric és necessària la quantització per nivells. Quantum és un determinat rang de valors mesurats, reduït en una quantitat determinada.

X1 ... X2 = Xy

I.e. els senyals de X1 a X2, equiparada a un valor específic de Xy. Això s’assembla al preu de divisió d’un indicador. Quan feu lectures, sovint les equipara a la marca més propera a l'escala de l'instrument.

Així doncs, amb la quantització per nivells, com més quantitat de quantitats, més mesuraments precisos i més decimals (centèsimes, mil·lèsimes, etc.) poden contenir.

Més exactament, el nombre de decimals és més aviat determinat per la resolució de l’ADC.

La imatge mostra el procés de quantització d’un senyal amb l’ajut d’un bit d’informació, tal com he descrit anteriorment, quan quan se supera un determinat límit s’accepta un valor d’alt nivell.

A la dreta hi ha la quantització del senyal i un registre en forma de dos bits de dades. Com podeu veure, aquest fragment de senyal ja està dividit en quatre valors. Resulta que, com a resultat, un senyal analògic suau es va convertir en un senyal digital "pas".

El nombre de nivells de quantització està determinat per la fórmula:

On n és el nombre de bits, N és el nivell de quantització.

A continuació, es mostra un exemple de senyal dividit en un nombre més gran de quanta:

Això demostra molt clarament que com més sovint es prenen els valors del senyal (més gran és la freqüència de mostreig), més es mesura amb precisió.

Aquesta imatge mostra la conversió d’un senyal analògic en una forma digital i a l’esquerra de l’eix ordenat (eix vertical) hi ha una gravació digital de 8 bits.

Convertidors analògics a digitals

Es pot implementar un ADC o un convertidor analògic-digital com a dispositiu separat o integrar-se a ell microcontrolador.

Anteriorment, els microcontroladors, per exemple, la família MCS-51, no contenien ADC, es va utilitzar un microcircuit extern per a això, i va ser necessari escriure una subrutina per processar els valors d'una IC externa.

Ara es troben a la majoria de microcontroladors moderns, per exemple AVR AtMEGA328, que és la base dels més populars placa de circuit Arduino, està integrat en MK. A Arduino, la lectura de dades analògiques és senzilla amb la comanda AnalogRead (). Tot i que el microprocessador, que s’instal·la al mateix no menys popular Raspberry PI, no en té, així que no tot és tan senzill.

De fet, hi ha un gran nombre d’opcions per a convertidors analògics a digitals, cadascuna de les quals té els seus propis desavantatges i avantatges. Descriure quins en aquest article no té gaire sentit, ja que es tracta d’una gran quantitat de material. Considereu només l’estructura general d’alguns d’ells.

L’opció ADC patentada més antiga és la patent de Paul M. Rainey, “Facsimile Telegraph System”, EUA. Patent 1.608.527, Arxivat el 20 de juliol de 1921, publicat el 30 de novembre de 1926. Es tracta d’un ADC de conversió directa de 5 bits. Del nom de la patent es desprèn que l'ús d'aquest dispositiu es relacionava amb la transmissió de dades mitjançant telègraf.

Si parlem de moderns ADC de conversió directa, tenen el següent esquema:

Això demostra que l’entrada és una cadena dels comparadorsque emeten el seu senyal quan travessen algun senyal llindar. Es tracta de quantitat i profunditat de bits. Algú, fins i tot una mica fort en circuits, va veure aquest fet evident.

Qui no és fort, el circuit d’entrada funciona així:

S'introdueix un senyal analògic a l'entrada "+" alhora. Les sortides amb la designació "-" reben la tensió de referència, que es descompon mitjançant una sèrie de resistències (divisor resistiu) en diverses tensions de referència. Per exemple, una sèrie d'aquesta cadena s'assembla a aquesta relació:

Urefi = (1/16, 3/16, 5/16, 7/16, 9/16, 11/16, 13/16) * Uref

Entre claudàtors, una coma indica quina part del voltatge de referència total Uref s’ofereix a l’entrada de cada voltatge d’entrada.

I.e. cadascun dels elements té dues entrades quan se signa el voltatge d’entrada «+» supera la tensió d'entrada amb un signe "-", a la seva sortida apareix una unitat lògica. Quan la tensió a l’entrada positiva (no invertida) és inferior a l’entrada negativa (invertint), la sortida és zero.

El voltatge es divideix de manera que el voltatge d’entrada es divideix en el nombre de dígits desitjat. Quan la tensió a l’entrada arriba a la sortida de l’element corresponent, apareix un senyal, el circuit de processament emet el senyal “correcte” de forma digital.

Aquest comparador és bo a la velocitat de processament de dades, tots els elements del circuit d’entrada s’activen paral·lelament, el retard principal d’aquest tipus d’ADC es forma a partir del retard 1 del comparador (es desencadenen simultàniament) i el retard és codificador.

Tot i així, hi ha un gran inconvenient dels circuits paral·lels: aquesta és la necessitat d’un gran nombre de comparadors per obtenir ADC d’alta resolució. Per obtenir, per exemple, 8 dígits, necessiteu 2 ^ 8 comparadors, i fins a 256 peces. Per a un ADC de deu bits (a Arduino, a 10 bits, ADC, per cert, però d’un tipus diferent), necessiteu 1024 comparadors. Jutgeu per si mateix l'adequació d'aquesta opció de tractament i on es pot necessitar.

Hi ha altres tipus d’ADC:

• aproximació consecutiva;

• delta sigma ADC.

Conclusió

La conversió d’un senyal analògic a digital és necessària per a la lectura de paràmetres de sensors analògics. Hi ha un tipus independent de sensors digitals, bé són circuits integrats, per exemple DS18b20; a la seva sortida ja hi ha un senyal digital i pot ser processat per qualsevol microcontrolador o microprocessador sense necessitat de tenir un ADC, o un sensor analògic en una placa que ja té el seu propi convertidor. Cada tipus de sensor té els seus propis i contres, com ara la immunitat del soroll i els errors de mesura.

El coneixement dels principis de conversió és necessari per a tothom que treballi amb microcontroladors, perquè ni tan sols tots els sistemes moderns tinguin integrats aquests convertidors, heu d'utilitzar microcircuits externs. Per exemple, podem citar una placa dissenyada específicament per al connector Raspberry PI GPIO amb precisió ADC a l’ADS1256.