تبدیل اطلاعات آنالوگ به دیجیتال ADC چیست؟

- یک مدار الکترونیکی که دو سیگنال آنالوگ را در ورودی های خود می پذیرد و بسته به اینکه کدام یک از سیگنال ها بزرگتر است، یک "0" یا "1" منطقی را خروجی می دهد.

دو ورودی آنالوگ نامگذاری شده اند غیر معکوس(+) و معکوس (-). اگر ولتاژ در ورودی غیر معکوس بیشتر از ورودی معکوس باشد، سیگنال خروجی برابر با منطقی "1" است، در غیر این صورت - به منطقی "0".
در صورت فعال بودن، مقایسه کننده به شما امکان می دهد مقادیر ولتاژهای موجود در ورودی های مربوطه میکروکنترلر را با هم مقایسه کنید.
نتیجه مقایسه یک مقدار بولی است که از داخل برنامه قابل خواندن است. بر اساس نتیجه مقایسه، می توان یک وقفه ایجاد کرد و وضعیت تایمر-شمار را می توان ثبت کرد.
برای اینکه پین ​​های میکروکنترلر با عملکرد جایگزین مناسب به عنوان مقایسه کننده آنالوگ استفاده شوند، باید به عنوان ورودی آنالوگ پیکربندی شوند.

مبدل آنالوگ به دیجیتال

مبدل آنالوگ به دیجیتال(ADC) دستگاهی است که یک سیگنال آنالوگ ورودی را به یک کد گسسته (سیگنال دیجیتال)، اغلب باینری تبدیل می کند. تبدیل معکوس با استفاده از مبدل دیجیتال به آنالوگ(DAC).
هر کمیت فیزیکی به طور مداوم در حال تغییر یا معادل آن می تواند به عنوان سیگنال آنالوگ استفاده شود. اغلب، یک سیگنال ولتاژ معادل به عنوان سیگنال ورودی برای به دست آوردن اطلاعات دیجیتال در مورد دما، جریان، رطوبت و غیره استفاده می شود.
اکثر مبدل های A/D خطی هستند، یعنی محدوده مقادیر ورودی که به یک مقدار دیجیتال خروجی نگاشت شده است، به صورت خطی با آن مقدار خروجی مرتبط است. ADC بر اساس مقایسه کننده آنالوگ است.
وضوح ADC - حداقل تغییر در بزرگی سیگنال آنالوگ که می تواند توسط یک ADC معین تبدیل شود. معمولا در ولت اندازه گیری می شود.


ظرفیت ADC تعداد مقادیر گسسته ای را که مبدل می تواند در خروجی تولید کند مشخص می کند. در بیت اندازه گیری می شود. به عنوان مثال، یک ADC قادر به تولید 2 8 =256 مقادیر گسسته (0..255)، دارای ظرفیت 8 بیت است.
برابر است با اختلاف ولتاژ مربوط به حداکثر و حداقل کد خروجی تقسیم بر تعداد مقادیر گسسته خروجی.

جایی که ن- عمق بیت ADC
در این حالت، با دانستن مقدار دیجیتال بدست آمده از تبدیل آنالوگ به دیجیتال، می توان ولتاژ ورودی مبدل را تخمین زد. ارزش

در عمل، وضوح ADC توسط نسبت سیگنال به نویز سیگنال ورودی محدود می شود. با شدت نویز بالا در ورودی ADC، تشخیص سطوح مجاور سیگنال ورودی غیرممکن می شود، یعنی وضوح تصویر بدتر می شود. در این مورد، وضوح قابل دستیابی با توصیف شده است عمق بیت موثر(تعداد موثر بیت - ENOB)، که کمتر از عرض بیت واقعی ADC است. هنگام تبدیل یک سیگنال با نویز زیاد، بیت های کم اهمیت کد خروجی عملاً بی فایده هستند، زیرا حاوی نویز هستند.

نمونه گیری سیگنالتبدیل اندازه گیری یک سیگنال پیوسته نامیده می شود x (t)به دنباله مقادیر لحظه ای این سیگنال X (k i T)مربوط به مقاطع خاصی از زمان است k i T (تی- مرحله نمونه برداری).


نمونه برداری زمانی از سیگنال را می توان با یک گام ثابت انجام داد. تی= گام ثابت یا متغیر تی= var.

فرکانس نمونه برداری- فرکانسی که با آن تبدیل سیگنال آنالوگ به دیجیتال انجام می شود.
زمان تبدیل- زمان از شروع تبدیل تا ظاهر شدن کد مربوطه در خروجی ADC.
ولتاژ مرجع- ولتاژ مربوط به حداکثر کد خروجی.

از آنجایی که ADC های واقعی نمی توانند تبدیل A/D را به صورت آنی انجام دهند، مقدار ورودی آنالوگ باید حداقل از ابتدا تا انتهای فرآیند تبدیل ثابت نگه داشته شود (این بازه زمانی نامیده می شود. زمان تبدیل). این کار را می توان با استفاده از یک مدار خاص در ورودی ADC حل کرد - دستگاه های واکشی فروشگاهی(UVH). UVC، به عنوان یک قاعده، ولتاژ ورودی را در یک خازن ذخیره می کند، که از طریق یک سوئیچ آنالوگ به ورودی متصل می شود: هنگامی که سوئیچ بسته می شود، سیگنال ورودی نمونه برداری می شود (خازن به ولتاژ ورودی شارژ می شود) باز می شود، ذخیره می شود. به طور معمول، ماژول های ADC حاوی ورودی / خروجی داخلی هستند.

این مقاله دستگاه و اصول عملکرد مبدل های آنالوگ به دیجیتال در انواع مختلف و همچنین ویژگی های اصلی آنها را که توسط سازندگان در اسناد نشان داده شده است، شرح می دهد.

مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) یکی از مهمترین قطعات الکترونیکی در تجهیزات اندازه گیری و آزمایش است. ADC یک ولتاژ (سیگنال آنالوگ) را به کد تبدیل می کند که ریزپردازنده و نرم افزار اعمال خاصی را روی آن انجام می دهند. حتی اگر فقط با سیگنال های دیجیتال کار می کنید، به احتمال زیاد از یک ADC به عنوان بخشی از یک اسیلوسکوپ برای پیدا کردن ویژگی های آنالوگ آنها استفاده می کنید.

چندین نوع اساسی از معماری ADC وجود دارد، اگرچه در هر نوع نیز تغییرات زیادی وجود دارد. انواع مختلف تجهیزات اندازه گیری از انواع مختلف ADC استفاده می کنند. به عنوان مثال، یک اسیلوسکوپ دیجیتال از نرخ نمونه برداری بالایی استفاده می کند، اما به وضوح بالایی نیاز ندارد. مولتی مترهای دیجیتال به وضوح بیشتری نیاز دارند، اما سرعت اندازه گیری را می توان قربانی کرد. سیستم‌های جمع‌آوری داده با هدف عمومی معمولاً از نظر نرخ نمونه و وضوح بین اسیلوسکوپ‌ها و مولتی‌مترهای دیجیتال قرار می‌گیرند. این نوع تجهیزات از یک ADC تقریبی متوالی یا یک ADC سیگما-دلتا استفاده می کنند. همچنین ADCهای موازی برای کاربردهایی که نیاز به پردازش سیگنال آنالوگ با سرعت بالا و ادغام ADCهایی با وضوح بالا و سرکوب نویز بالا دارند، وجود دارد.

شکل 1. قابلیت های معماری های اصلی ADC را بسته به وضوح و فرکانس نمونه گیری نشان می دهد.

برنج. 1. انواع ADC - وضوح بسته به فرکانس نمونه برداری

ADC های موازی

اکثر اسیلوسکوپ‌های پرسرعت و برخی ابزارهای اندازه‌گیری با فرکانس بالا از ADC‌های موازی به دلیل نرخ تبدیل بالایشان استفاده می‌کنند که می‌تواند به 5G (5x10 9) cps برای دستگاه‌های استاندارد و تعداد 20G / ثانیه برای طرح‌های اصلی برسد. ADC های موازی معمولا تا 8 بیت رزولوشن دارند، اما نسخه های 10 بیتی نیز موجود است.

برنج. 2. تبدیل موازی ADC

برنج. شکل 2 یک بلوک دیاگرام ساده شده از یک ADC موازی 3 بیتی را نشان می دهد (برای مبدل هایی با وضوح بالاتر، اصل عملکرد یکسان است). از آرایه ای از مقایسه کننده ها استفاده می کند که هر کدام ولتاژ ورودی را با یک ولتاژ مرجع جداگانه مقایسه می کند. این ولتاژ مرجع برای هر مقایسه کننده بر روی تقسیم کننده مقاومتی دقیق داخلی تشکیل می شود. ولتاژهای مرجع از نصف بیت کم اهمیت (LSB) شروع می شود و با هر مقایسه کننده بعدی با افزایش V REF / 2 3 افزایش می یابد. در نتیجه، یک ADC 3 بیتی به 2 3 -1 یا هفت مقایسه کننده نیاز دارد. و به عنوان مثال، یک ADC موازی 8 بیتی به 255 (یا (2 8 -1)) مقایسه کننده نیاز دارد.

با افزایش ولتاژ ورودی، مقایسه‌کننده‌ها به‌طور متوالی خروجی‌های خود را به‌جای صفر منطقی روی یک واحد منطقی تنظیم می‌کنند و با مقایسه‌کننده‌ای شروع می‌کنند که مسئول کمترین بیت است. می توانید مبدل را به عنوان یک دماسنج جیوه ای در نظر بگیرید: با افزایش دما، ستون جیوه نیز افزایش می یابد. در شکل 2، ولتاژ ورودی در بازه بین V3 و V4 می افتد، بنابراین 4 مقایسه کننده پایین "1" در خروجی دارند و سه مقایسه کننده بالا "0" دارند. رمزگشا کلمه دیجیتال بیت (2 3 -1) را از خروجی مقایسه کننده ها به یک کد باینری 3 بیتی تبدیل می کند.

ADC های موازی به اندازه کافی سریع هستند، اما دارای معایبی هستند. به دلیل نیاز به استفاده از تعداد زیادی مقایسه کننده، ADC های موازی انرژی قابل توجهی مصرف می کنند و برای برنامه های کاربردی با باتری غیرعملی هستند.

زمانی که رزولوشن 12، 14 یا 16 بیت مورد نیاز است و به نرخ تبدیل بالایی نیاز نیست، اما عوامل تعیین کننده هزینه کم و مصرف انرژی کم است، معمولاً از ADC های SAR استفاده می شود. این نوع ADC بیشتر در انواع سیستم های ابزار دقیق و جمع آوری داده ها استفاده می شود. در حال حاضر، ADCهای تقریبی متوالی می توانند ولتاژ را با دقت 16 بیت با نرخ نمونه برداری از 100K (1x103) تا 1M (1x106) شمارش در ثانیه اندازه گیری کنند.

برنج. 3 یک بلوک دیاگرام ساده شده از SAR ADC را نشان می دهد. ADC از این نوع بر اساس یک ثبت تقریب متوالی خاص است. در ابتدای چرخه تبدیل، تمام خروجی های این ثبات به استثنای بیت اول (مهمترین) روی منطق 0 تنظیم می شوند. این یک سیگنال در خروجی مبدل داخلی دیجیتال به آنالوگ (DAC) تولید می کند که مقدار آن برابر با نیمی از محدوده ورودی ADC است. و خروجی مقایسه کننده به حالتی تغییر می کند که تفاوت بین سیگنال در خروجی DAC و ولتاژ ورودی اندازه گیری شده را تعیین می کند.

برنج. 3. تقریب متوالی ADC

به عنوان مثال، برای یک ADC SAR 8 بیتی (شکل 4)، خروجی های ثبت بر روی "10000000" تنظیم می شوند. اگر ولتاژ ورودی کمتر از نیمی از محدوده ورودی ADC باشد، خروجی مقایسه کننده روی منطق 0 تنظیم می شود. این به رجیستر تقریب متوالی دستور می دهد تا خروجی های خود را به "01000000" تغییر دهد، که بر این اساس ولتاژ خروجی را از DAC تغییر می دهد. به مقایسه کننده اگر در این حالت خروجی مقایسه کننده همچنان روی "0" باقی بماند، خروجی های رجیستر به حالت "00100000" تغییر خواهند کرد. اما در این چرخه تبدیل، ولتاژ خروجی DAC کمتر از ولتاژ ورودی است (شکل 4)، و مقایسه کننده به منطق 1 سوئیچ می کند. این به ثبت تقریب متوالی دستور می دهد تا "1" را در بیت دوم نگه دارد و "1" را اعمال کند. به بیت سوم سپس الگوریتم عملیات توصیف شده دوباره تا آخرین بیت تکرار می شود. بنابراین، یک SAR ADC به یک ساعت تبدیل داخلی برای هر بیت یا N چرخه ساعت برای تبدیل N-bit نیاز دارد.

برنج. 4. تبدیل به تقریب متوالی ADC

با این حال، ADC های SAR یک رفتار گذرا در DAC داخلی دارند. در تئوری، ولتاژ خروجی DAC برای هر یک از ساعت‌های تبدیل داخلی N باید در همان زمان تنظیم شود. اما در واقع، این شکاف در اقدامات اولیه بسیار بیشتر از اقدامات قبلی است. بنابراین، زمان تبدیل یک ADC SAR 16 بیتی بیش از دو برابر زمان تبدیل این نوع ADC 8 بیتی است.

اکثر اندازه گیری ها اغلب به ADC با نرخ تبدیل ارائه شده توسط SAR ADC نیاز ندارند، اما وضوح بالاتری مورد نیاز است. ADC های سیگما دلتا می توانند تا وضوح 24 بیتی ارائه دهند، اما از نظر سرعت تبدیل پایین تر هستند. بنابراین، در یک سیگما-دلتا ADC در 16 بیت، می توانید نرخ نمونه برداری تا 100K نمونه در ثانیه دریافت کنید و در 24 بیت، بسته به دستگاه، این فرکانس به 1K نمونه در ثانیه یا کمتر کاهش می یابد.

معمولاً ADCهای سیگما-دلتا در انواع سیستم‌های جمع‌آوری داده و ابزار دقیق (فشار، دما، وزن و غیره) زمانی که به نرخ نمونه‌برداری بالا نیاز نیست و وضوح بیش از 16 بیت مورد نیاز است، استفاده می‌شوند.

درک اصل عملکرد یک ADC سیگما-دلتا دشوارتر است. این معماری متعلق به کلاس یکپارچه سازی ADC ها است. اما ویژگی اصلی ADC سیگما-دلتا این است که نرخ نمونه برداری، که در آن سطح ولتاژ سیگنال اندازه گیری شده آنالیز می شود، به طور قابل توجهی از فرکانس وقوع نمونه ها در خروجی ADC (فرکانس نمونه برداری) فراتر می رود. به این نرخ نمونه‌گیری، نرخ نمونه‌برداری بیش از حد گفته می‌شود. بنابراین، یک سیگما دلتا ADC با نرخ تبدیل 100K نمونه در ثانیه، که از نرخ نمونه برداری بیش از 128 برابر بیشتر استفاده می کند، مقادیر سیگنال آنالوگ ورودی را با فرکانس 12.8M نمونه در ثانیه نمونه برداری می کند.

بلوک دیاگرام یک ADC سیگما-دلتا مرتبه اول در شکل نشان داده شده است. 5. سیگنال آنالوگ به یک انتگرالگر تغذیه می شود که خروجی های آن به یک مقایسه کننده متصل است، که به نوبه خود به یک DAC 1 بیتی در یک حلقه بازخورد متصل می شود. از طریق یک سری از تکرارهای متوالی، یکپارچه ساز، مقایسه کننده، DAC و جمع کننده یک جریان بیت سریالی تولید می کنند که حاوی اطلاعاتی در مورد ولتاژ ورودی است.

برنج. 5. سیگما دلتا ADC

سپس توالی دیجیتالی به دست آمده به یک فیلتر پایین گذر وارد می شود تا اجزای دارای فرکانس بالاتر از فرکانس Kotelnikov (که نصف نرخ نمونه برداری ADC است) را سرکوب کند. پس از حذف مولفه های فرکانس بالا، گره بعدی - decimator - داده ها را از بین می برد. در ADC مورد نظر ما، decimator 1 بیت از هر 128 دریافتی را در دنباله دیجیتال خروجی باقی می گذارد.

از آنجایی که فیلتر پایین گذر دیجیتال داخلی در ADC Sigma-Delta جزء فرآیند تبدیل است، زمان ته نشین شدن فیلتر پایین گذر عاملی است که باید در هنگام متناوب بودن سیگنال ورودی در نظر گرفته شود. به عنوان مثال، هنگام تعویض مالتی پلکسر ورودی یا تغییر حد اندازه گیری دستگاه، باید منتظر بمانید تا چندین قرائت ADC قبل از خواندن داده های خروجی صحیح بگذرد.

مزیت اضافی و بسیار مهم سیگما-دلتا ADC این است که تمام گره های داخلی آن را می توان به صورت یکپارچه بر روی سطح یک کریستال سیلیکون انجام داد. این به طور قابل توجهی هزینه دستگاه های پایانی را کاهش می دهد و پایداری ویژگی های ADC را افزایش می دهد.

ادغام ADC ها

و آخرین نوع ADC که در اینجا مورد بحث قرار خواهد گرفت، ADC یکپارچه سازی فشار-کشش است. در مولتی مترهای دیجیتال، به عنوان یک قاعده، از چنین ADCهایی استفاده می شود، زیرا این مترها به ترکیبی از وضوح بالا و سرکوب صدای بالا نیاز دارند. ایده تبدیل در چنین ADC ادغامی بسیار کمتر از یک ADC سیگما دلتا پیچیده است.

شکل 6 اصل عملکرد یک ADC یکپارچه فشار کش را نشان می دهد. سیگنال ورودی خازن را برای مدت زمان ثابتی شارژ می کند که معمولاً یک سیکل فرکانس شبکه (50 یا 60 هرتز) یا مضربی از آن است. با یکپارچه سازی سیگنال ورودی برای این مدت زمان، نویز فرکانس بالا سرکوب می شود. در عین حال، تأثیر ناپایداری ولتاژ منبع تغذیه اصلی بر روی دقت تبدیل حذف شده است. این به این دلیل است که اگر انتگرال در یک بازه زمانی که مضربی از دوره تغییر سینوسی است انجام شود، مقدار انتگرال سیگنال سینوسی برابر با صفر است.

برنج. 6. یکپارچه سازی ADC. نویز از شبکه به رنگ سبز نشان داده شده است (1 نقطه)

در پایان زمان شارژ، ADC خازن را با نرخ ثابتی تخلیه می کند، در حالی که شمارنده داخلی تعداد پالس های ساعت را در طول زمان تخلیه خازن می شمارد. بنابراین، زمان تخلیه طولانی‌تر مربوط به مقدار بیشتری از قرائت کنتور و ولتاژ اندازه‌گیری شده بالاتر است (شکل 6).

ADC های ادغام فشار-کشش دارای دقت بالا و وضوح بالایی هستند و همچنین ساختار نسبتاً ساده ای دارند. این امر امکان اجرای آنها را در قالب مدارهای مجتمع فراهم می کند. عیب اصلی چنین ADCهایی طولانی بودن زمان تبدیل به دلیل اتصال دوره یکپارچه سازی به طول دوره شبکه تامین است. به عنوان مثال، برای تجهیزات 50 هرتز، نرخ نمونه برداری از یک ADC یکپارچه فشار کش از 25 نمونه در ثانیه تجاوز نمی کند. البته چنین ADC هایی می توانند با نرخ نمونه برداری بالاتری کار کنند، اما با افزایش دومی، ایمنی نویز کاهش می یابد.

مشخصات ADC

تعاریف کلی وجود دارد که معمولاً برای مبدل های آنالوگ به دیجیتال استفاده می شود. با این حال، مشخصات ارائه شده در دیتاشیت های سازنده ADC می تواند نسبتاً گیج کننده به نظر برسد. انتخاب صحیح ADC بهینه از نظر ترکیبی از ویژگی های آن برای یک برنامه خاص نیاز به تفسیر دقیق داده های ارائه شده در اسناد فنی دارد.

متداول ترین پارامترهای اشتباه گرفته شده وضوح و دقت هستند، اگرچه این دو ویژگی یک ADC واقعی بسیار ضعیف با یکدیگر مرتبط هستند. وضوح با دقت یکسان نیست، ADC های 12 بیتی ممکن است دقت کمتری نسبت به 8 بیتی داشته باشند. برای یک ADC، وضوح معیاری است از اینکه محدوده ورودی سیگنال آنالوگ اندازه گیری شده به چند بخش تقسیم می شود (به عنوان مثال، برای یک ADC 8 بیتی، این 28 = 256 قطعه است). دقت انحراف کل نتیجه تبدیل را از مقدار ایده آل آن برای یک ولتاژ ورودی مشخص مشخص می کند. یعنی وضوح قابلیت‌های بالقوه ADC را مشخص می‌کند و مجموعه پارامترهای دقیق امکان‌سنجی چنین قابلیت بالقوه‌ای را تعیین می‌کند.

ADC سیگنال ورودی آنالوگ را به کد خروجی دیجیتال تبدیل می کند. برای مبدل‌های واقعی که به شکل مدارهای مجتمع ساخته می‌شوند، فرآیند تبدیل ایده‌آل نیست: این فرآیند هم تحت تأثیر تغییرات تکنولوژیکی پارامترها در طول تولید و هم از تداخل‌های خارجی مختلف است. بنابراین کد دیجیتال در خروجی ADC با خطا مشخص می شود. مشخصات ADC نشان دهنده خطاهایی است که خود مبدل می دهد. آنها معمولاً به دو دسته استاتیک و دینامیک تقسیم می شوند. در این مورد، این کاربرد نهایی است که تعیین می کند کدام ویژگی های ADC تعیین کننده در نظر گرفته می شود، مهمترین آنها در هر مورد خاص.

خطای استاتیک

در بیشتر کاربردها، یک ADC برای اندازه‌گیری یک سیگنال با فرکانس پایین و به آرامی در حال تغییر (به عنوان مثال، از یک سنسور دما، فشار، فشار سنج، و غیره) زمانی که ولتاژ ورودی متناسب با یک کمیت فیزیکی نسبتاً ثابت است، استفاده می‌شود. نقش اصلی در اینجا توسط خطای اندازه گیری استاتیک ایفا می شود. مشخصات ADC این نوع خطا را به صورت Offset، Full-Scale، DNL، INL و Quantization Error تعریف می کند. این پنج ویژگی به شما امکان می دهد تا خطای استاتیکی ADC را به طور کامل توصیف کنید.

ویژگی انتقال ADC ایده آل

مشخصه انتقال ADC تابعی از وابستگی کد در خروجی ADC به ولتاژ ورودی آن است. چنین نموداری یک تابع خطی تکه تکه از 2N "گام" است، که در آن N ظرفیت ADC است. هر بخش افقی این تابع با یکی از مقادیر کد خروجی ADC مطابقت دارد (شکل 7 را ببینید). اگر مبدا این بخش های افقی را با خطوط (در مرزهای انتقال از یک مقدار کد به مقدار دیگر) وصل کنیم، مشخصه انتقال ایده آل یک خط مستقیم خواهد بود که از مبدأ عبور می کند.

برنج. 7. مشخصه انتقال ایده آل یک ADC 3 بیتی

برنج. 7 یک مشخصه انتقال ایده آل را برای یک ADC 3 بیتی با نقاط شکست در مرزهای انتقال کد نشان می دهد. زمانی که مقدار سیگنال ورودی بین 0 تا 1/8 مقیاس کامل (حداکثر مقدار کد این ADC) باشد، کد خروجی کوچکترین مقدار (000b) را می گیرد. همچنین باید توجه داشت که ADC به مقدار کد مقیاس کامل (111b) در مقیاس کامل 7/8 خواهد رسید، نه در مقدار مقیاس کامل. که انتقال به حداکثر مقدار در خروجی در ولتاژ مقیاس کامل اتفاق نمی‌افتد، بلکه در مقداری کمتر از بیت کم‌اهمیت (LSB) از ولتاژ مقیاس کامل ورودی رخ می‌دهد. مشخصه انتقال را می توان با افست -1/2 LSB تحقق بخشید. این با جابجایی مشخصه انتقال به چپ به دست می آید که خطای کوانتیزاسیون را از محدوده -1 ... 0 LSB به محدوده -1/2 ... +1/2 LSB تغییر می دهد.

برنج. 8. مشخصه انتقال یک ADC 3 بیتی با افست -1 / 2LSB

با توجه به تنوع تکنولوژیکی پارامترها در ساخت مدارهای مجتمع، ADC های واقعی یک مشخصه انتقال ایده آل ندارند. انحراف از مشخصه انتقال ایده آل، خطای استاتیکی ADC را تعیین می کند و در مستندات فنی آورده شده است.

مشخصه انتقال ADC ایده آل از مبدا عبور می کند و اولین پرش کد زمانی اتفاق می افتد که به 1 LSB برسد. همانطور که در شکل 9 نشان داده شده است، خطای افزایشی (خطای افست) را می توان به عنوان جابجایی کل مشخصه انتقال به چپ یا راست نسبت به محور ولتاژ ورودی تعریف کرد. بنابراین، یک افست 1/2 LSB عمداً در تعریف ADC گنجانده شده است.

برنج. 9. خطای افزایشی (خطای افست)

خطای ضربی

خطای ضربی (خطا در مقیاس کامل) تفاوت بین ویژگی های انتقال ایده آل و واقعی در نقطه حداکثر مقدار خروجی است، با فرض صفر بودن خطای افزایشی (بدون سوگیری). این خود را به عنوان تغییر در شیب تابع انتقال نشان می دهد که در شکل 1 نشان داده شده است. ده

برنج. 10. خطای ضربی (خطا در مقیاس کامل)

برای یک مشخصه انتقال ADC ایده آل، عرض هر "گام" باید یکسان باشد. تفاوت در طول بخش های افقی این تابع خطی تکه تکه از 2N "گام" غیرخطی دیفرانسیل (DNL) است.

کم اهمیت ترین بیت ADC Vref / 2N است که در آن Vref ولتاژ مرجع است و N وضوح ADC است. اختلاف ولتاژ بین هر انتقال کد باید برابر با مقدار LSB باشد. انحراف این تفاوت از LSB به عنوان غیر خطی بودن دیفرانسیل تعریف می شود. این در شکل به صورت شکاف های نابرابر بین "مراحل" کد و یا به صورت "تار" مرزهای انتقال در مشخصه انتقال ADC نشان داده شده است.

برنج. 11. غیرخطی دیفرانسیل (DNL)

غیر خطی بودن انتگرال

غیرخطی انتگرال (INL) خطایی است که ناشی از انحراف یک تابع خطی از پاسخ انتقال ADC از یک خط مستقیم است، همانطور که در شکل نشان داده شده است. 12. معمولاً یک تابع انتقال با غیرخطی انتگرال با یک خط مستقیم با استفاده از روش حداقل مربعات تقریب می شود. اغلب اوقات، خط مستقیم تقریبی به سادگی پایین ترین و بالاترین مقادیر را به هم متصل می کند. غیرخطی بودن انتگرال با مقایسه ولتاژهایی که در آن انتقال کد رخ می دهد تعیین می شود. برای یک ADC ایده آل، این انتقال ها دقیقاً در چند برابر ولتاژ ورودی LSB رخ می دهد. و برای یک مبدل واقعی، چنین شرطی می تواند با خطا برآورده شود. تفاوت بین سطوح ولتاژ «ایده‌آل» که در آن انتقال کد اتفاق می‌افتد و مقادیر واقعی آن‌ها در واحدهای LSB بیان می‌شود و غیرخطی انتگرال نامیده می‌شود.

برنج. 12. غیرخطی انتگرال (INL)

خطای کوانتیزاسیون

یکی از مهمترین عواملی که در خطای اندازه گیری ADC نقش دارد، خطای کوانتیزاسیون، نتیجه خود فرآیند تبدیل است. خطای کوانتیزاسیون خطای ناشی از مقدار مرحله کوانتیزه شدن است و به این صورت تعریف می شود؟ مقادیر بیت کم اهمیت (LSB) نمی توان آن را در تبدیل آنالوگ به دیجیتال مستثنی کرد، زیرا بخشی جدایی ناپذیر از فرآیند تبدیل است، با وضوح ADC تعیین می شود و از ADC به ADC با وضوح برابر تغییر نمی کند.

ویژگی های دینامیکی

مشخصه‌های دینامیکی یک ADC معمولاً با استفاده از تجزیه و تحلیل طیفی، از نتایج انجام تبدیل فوریه سریع (FFT) روی آرایه‌ای از مقادیر خروجی ADC مربوط به برخی از سیگنال‌های ورودی آزمایشی تعیین می‌شوند.

در شکل شکل 13 نمونه ای از طیف فرکانس سیگنال اندازه گیری شده را نشان می دهد. هارمونیک صفر مربوط به فرکانس اصلی سیگنال ورودی است. هر چیز دیگری نویز است که شامل اعوجاج هارمونیک، نویز حرارتی، نویز 1/f و نویز کوانتیزاسیون است. برخی از اجزای نویز توسط خود ADC تولید می شوند، برخی ممکن است از مدارهای خارجی به ورودی ADC بیایند. به عنوان مثال، اعوجاج هارمونیک می تواند در سیگنال اندازه گیری شده وجود داشته باشد و به طور همزمان توسط ADC در طول فرآیند تبدیل ایجاد شود.

برنج. 13. نتیجه اجرای FFT روی داده های خروجی ADC

نسبت سیگنال به نویز

نسبت سیگنال به نویز (SNR) نسبت مقدار rms سیگنال ورودی به مقدار rms نویز (به استثنای اعوجاج هارمونیک) بیان شده در دسی بل است:

SNR (dB) = 20 log [Vsignal (rms) / Vnoise (rms)]

این مقدار به شما امکان می دهد نسبت نویز سیگنال اندازه گیری شده را نسبت به سیگنال مفید تعیین کنید.

برنج. 14. SNR - نسبت سیگنال به نویز

برنج. 15. FFT منعکس کننده اعوجاج هارمونیک است

نویز اندازه گیری شده در محاسبات SNR شامل اعوجاج هارمونیک نمی شود، اما نویز کوانتیزاسیون را شامل می شود. برای یک ADC با وضوح مشخص، این نویز کوانتیزاسیون است که قابلیت های مبدل را به بهترین نسبت سیگنال به نویز از لحاظ نظری محدود می کند که به صورت زیر تعریف می شود:

SNR (db) = 6.02 N + 1.76،

که در آن N وضوح ADC است.

طیف نویز کوانتیزاسیون معماری های استاندارد ADC دارای توزیع فرکانسی یکنواخت است. بنابراین نمی توان با افزایش زمان تبدیل و سپس میانگین گیری نتایج، میزان این نویز را کاهش داد. نویز کوانتیزاسیون را فقط می توان با اندازه گیری با ADC بزرگتر کاهش داد.

ویژگی سیگما-دلتا ADC این است که طیف نویز کوانتیزاسیون به طور نابرابر در فرکانس توزیع می شود - به سمت فرکانس های بالا منتقل می شود. بنابراین با افزایش زمان اندازه گیری (و بر این اساس تعداد نمونه های سیگنال اندازه گیری شده)، جمع آوری و سپس میانگین گیری نمونه به دست آمده (فیلتر پایین گذر)، می توان نتیجه اندازه گیری را با دقت بالاتری به دست آورد. طبیعتا کل زمان تبدیل در این حالت افزایش می یابد.

سایر منابع نویز ADC عبارتند از: نویز حرارتی، نویز 1/f و لرزش مرجع.

اعوجاج هارمونیک کامل

غیر خطی بودن در نتایج تبدیل داده ها منجر به اعوجاج هارمونیک می شود. چنین اعوجاج هایی به صورت "مبلغ" در طیف فرکانس در هارمونیک های فرد و زوج سیگنال اندازه گیری شده مشاهده می شوند (شکل 15).

این اعوجاج به عنوان اعوجاج هارمونیک کل (THD) نامیده می شود. آنها به این صورت تعریف می شوند:

میزان اعوجاج هارمونیک در فرکانس های بالا تا جایی کاهش می یابد که دامنه هارمونیک ها از سطح نویز کمتر می شود. بنابراین، اگر سهم اعوجاج هارمونیک را در نتایج تبدیل تجزیه و تحلیل کنیم، این می تواند در کل طیف فرکانس انجام شود، در حالی که دامنه هارمونیک ها را با سطح نویز محدود می کند، یا با محدود کردن باند فرکانسی برای تجزیه و تحلیل. به عنوان مثال، اگر سیستم ما دارای یک فیلتر پایین گذر باشد، فرکانس های بالا برای ما جالب نیستند و هارمونیک های فرکانس بالا قابل بررسی نیستند.

نسبت سیگنال به نویز و اعوجاج

نسبت سیگنال به نویز و اعوجاج (SiNAD) عملکرد نویز یک ADC را به طور کامل توصیف می کند. SiNAD میزان نویز و اعوجاج هارمونیک را در رابطه با سیگنال مورد نظر در نظر می گیرد. SiNAD با استفاده از فرمول زیر محاسبه می شود:

برنج. 16. محدوده دینامیکی، بدون هارمونیک

مشخصات ADC که در مستندات فنی ریزمدارها ارائه شده است، به انتخاب منطقی مبدل برای یک برنامه خاص کمک می کند. به عنوان مثال، مشخصات یک ADC ادغام شده در میکروکنترلر جدید C8051F064 از آزمایشگاه سیلیکون را در نظر بگیرید.

میکروکنترلر C8051F064

کریستال C8051F064 یک میکروکنترلر 8 بیتی پرسرعت برای پردازش مشترک سیگنال های آنالوگ و دیجیتال با دو ADC SAR 16 بیتی یکپارچه است. ADC های داخلی می توانند در حالت های تک سیم و دیفرانسیل با حداکثر توان عملیاتی تا 1M شمارش در ثانیه کار کنند. جدول مشخصات اصلی ADC میکروکنترلر C8051F064 را نشان می دهد. می‌توانید از کیت ارزیابی ارزان قیمت C8051F064EK (شکل 17) برای ارزیابی توانایی‌های پردازش دیجیتال و آنالوگ C8051F064 استفاده کنید. این کیت حاوی یک برد ارزیابی مبتنی بر C8051F064، یک کابل USB، اسناد و نرم افزار برای آزمایش ویژگی های دینامیکی و استاتیک آنالوگ ADC 16 بیتی یکپارچه با دقت بالا است.

جدول. V DD = 3.0 V، AV + = 3.0 V، AVDD = 3.0 V، V REF = 2.50 V (REFBE = 0)، -40 تا + 85 درجه، مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد

برنج. 17. کیت ارزیابی C8051F064EK

ادبیات

1. http://www.wbc-europe.com/en/services/pim_application_guide.html
2. www.silabs.com

ولفگانگ ریس (WBC GmbH)

هنگام استفاده از رایانه برای پردازش اطلاعات از دستگاه های مختلف (اشیاء، فرآیندها)، که در آن اطلاعات با سیگنال های پیوسته (آنالوگ) نشان داده می شود، لازم است سیگنال آنالوگ را به دیجیتال تبدیل کنید - به عددی متناسب با دامنه این. سیگنال و بالعکس به طور کلی، فرآیند تبدیل آنالوگ به دیجیتال شامل سه مرحله است.