Paano ang conversion ng analog signal sa digital

Sa electronics, ang mga signal ay nahahati sa: analog, discrete at digital. Upang magsimula, ang lahat ng nararamdaman natin, nakikita, naririnig, para sa karamihan, ay isang signal ng analog, at kung ano ang nakikita ng isang processor ng computer ay isang digital signal. Hindi ito malinaw na malinaw, kaya't alalahanin natin ang mga kahulugan na ito at kung paano ang isang uri ng signal ay na-convert sa isa pa.

Mga uri ng senyas

Sa de-koryenteng representasyon, isang analog signal, na pinanghusga ng pangalan nito, ay isang analog ng isang tunay na halaga. Halimbawa, naramdaman mo ang temperatura ng kapaligiran na palagi, sa buong buhay mo. Walang break. Kasabay nito, naramdaman mo hindi lamang ang dalawang antas ng "mainit" at "malamig", ngunit isang walang hanggan bilang ng mga sensasyong naglalarawan sa halagang ito.

Para sa isang tao, ang "malamig" ay maaaring magkakaiba, ito ay taglamig na lamig at taglamig na taglamig, at mga light frosts, ngunit hindi palaging "malamig" ay isang negatibong temperatura, tulad ng "mainit-init" ay hindi palaging isang positibong temperatura.

Kasunod nito na ang signal ng analog ay may dalawang tampok:

1. Pagpapatuloy sa oras.

2. Ang bilang ng mga halaga ng signal ay may posibilidad na walang katapusan, ibig sabihin Ang isang analog signal ay hindi maaaring tumpak na nahahati sa mga bahagi o na-calibrate sa pamamagitan ng pagsira sa scale sa mga tiyak na seksyon. Mga pamamaraan ng pagsukat - batay sa yunit ng pagsukat, at ang kanilang katumpakan ay nakasalalay lamang sa presyo ng dibisyon ng scale, mas maliit ito, mas tumpak ang pagsukat.

Ang mga signal ng discrete - ito ang mga senyas na isang pagkakasunud-sunod ng mga ulat o sukat ng anumang kalakhan. Ang mga pagsukat ng naturang mga signal ay hindi tuluy-tuloy, ngunit pana-panahon.

Susubukan kong ipaliwanag. Kung nag-install ka ng isang thermometer sa isang lugar, sinusukat nito ang isang halaga ng analog - sumusunod ito mula sa itaas. Ngunit ikaw, na aktwal na sumusunod sa kanyang mga patotoo, ay nakakakuha ng diskriminasyon na impormasyon. Ang konkretong nangangahulugang hiwalay.

Halimbawa, nagising ka at nalaman kung gaano karaming mga degree ang thermometer, sa susunod na tiningnan mo ito sa isang thermometer sa tanghali, at sa pangatlong oras sa gabi. Hindi mo alam kung gaano kabilis ang pagbabago ng temperatura, pantay-pantay, o sa pamamagitan ng isang matalim na pagtalon, alam mo lamang ang data sa sandaling iyon na iyong napagmasdan.

Digital signal Ay isang hanay ng mga antas, uri 1 at 0, mataas at mababa, maging o hindi. Ang lalim ng pagmuni-muni ng impormasyon sa digital na form ay limitado sa pamamagitan ng kaunting lalim ng isang digital na aparato (isang hanay ng lohika, isang microcontroller, processor atbp.) Ito ay lumilinaw na mainam para sa pag-iimbak ng data ng Boolean. Isang halimbawa, maaari mong ibigay ang sumusunod, para sa pag-iimbak ng data tulad ng "Araw" at "Gabi", sapat lamang ang 1 kaunting impormasyon.

Bit - ito ang pinakamababang halaga ng kumakatawan sa impormasyon sa digital form, maaari lamang itong mag-imbak ng dalawang uri ng mga halaga: 1 (lohikal na yunit, mataas na antas), o 0 (lohikal na zero, mababang antas).

Sa electronics, ang isang kaunting impormasyon ay kinakatawan sa anyo ng isang mababang antas ng boltahe (malapit sa 0) at isang mataas na antas ng boltahe (depende sa partikular na aparato, madalas na nag-tutugma sa supply boltahe ng isang naibigay na digital node, ang mga karaniwang halaga ay 1.7, 3.3. 5V, 15V).

Ang lahat ng mga intermediate na halaga sa pagitan ng tinanggap na mababa at mataas na antas ay isang rehiyon ng paglipat at maaaring hindi magkaroon ng isang tukoy na halaga, depende sa circuitry, kapwa ang aparato sa kabuuan at panloob na circuit ng microcontroller (o anumang iba pang digital na aparato) ay maaaring magkaroon ng ibang antas ng paglipat, halimbawa, para sa 5 -volt logic, ang mga halaga ng boltahe mula 0 hanggang 0.8V ay maaaring kunin bilang zero, at mula sa 2V hanggang 5V bilang isang yunit, habang ang agwat sa pagitan ng 0.8 at 2V ay isang hindi natukoy na zone, sa katunayan, nakakatulong ito upang paghiwalayin ang zero mula sa pagkakaisa.

Ang mas tumpak at sapat na mga halaga na kailangan mong iimbak, mas maraming mga kailangan mo, nagbibigay kami ng isang halimbawa ng talahanayan na may isang digital na pagpapakita ng apat na mga halaga ng oras ng araw:

Gabi - Umaga - Araw - Gabi

Para sa mga ito, kailangan namin ng 2 bits:

Analog sa digital na conversion

Sa pangkalahatang kaso, ang conversion ng analog-to-digital ay ang proseso ng pag-convert ng isang pisikal na dami sa isang digital na halaga. Ang digital na halaga ay isang hanay ng mga yunit at zero na napansin ng aparato sa pagproseso.

Ang ganitong pagbabagong-anyo ay kinakailangan para sa pakikipag-ugnayan ng digital na teknolohiya sa kapaligiran.

Dahil inuulit ng signal ng elektrikal na analogue ang signal ng pag-input sa anyo nito, hindi ito maitala na digital bilang "ito ay" dahil mayroon itong isang walang hanggan bilang ng mga halaga. Ang isang halimbawa ay ang proseso ng pag-record ng tunog. Mukha ito sa orihinal na anyo nito:

Ito ang kabuuan ng mga alon na may iba't ibang mga dalas. Alin, kapag nabubulok sa mga dalas (para sa higit pang mga detalye, tingnan ang mga pagbabagong-anyo ng Fourier), isang paraan o iba pa, ay maaaring mapalapit sa isang katulad na larawan:

Ngayon subukang ipakita ito sa anyo ng isang hanay ng uri ng "111100101010100", mahirap ito, hindi ba?

Ang isa pang halimbawa ng pangangailangan na mag-convert ng isang analog na dami sa isang digital ay ang pagsukat nito: electronic thermometer, voltmeter, ammeter at iba pang mga aparato ng pagsukat ay nakikipag-ugnay sa mga analog na dami.

Paano pupunta ang conversion?

Una, tingnan ang diagram ng isang karaniwang pag-convert ng isang analog signal sa digital at kabaligtaran. Mamaya bumalik kami sa kanya.

Sa katunayan, ito ay isang kumplikadong proseso, na binubuo ng dalawang pangunahing yugto:

1. Discretization ng signal.

2. Pag-dami ayon sa antas.

Discretization ng isang signal ay ang pagpapasiya ng mga agwat ng oras kung saan sinusukat ang signal. Ang mas maiikling mga gaps na ito, mas tumpak ang pagsukat. Ang panahon ng sampling (T) ay ang haba ng oras mula sa simula ng data ng pagbabasa hanggang sa pagtatapos nito. Ang rate ng sampling (f) ay katumbas ng:

fd = 1 / T

Matapos basahin ang signal, naproseso ito at nakaimbak sa memorya.

Ito ay lumiliko na sa oras na ang mga pagbasa ng signal ay binabasa at naproseso, maaari itong magbago, sa gayon, ang sinusukat na halaga ay pangit. Mayroong isang teorem ng Kotelnikov at ang sumusunod na panuntunan ay sumusunod mula dito:

Ang dalas ng sampling ay dapat na hindi bababa sa 2 beses na mas malaki kaysa sa dalas ng sample na signal.

Ito ay isang screenshot mula sa Wikipedia, na may isang sipi mula sa teorema.

Upang matukoy ang halaga ng numero, kinakailangan ang dami ayon sa antas. Ang dami ay isang tiyak na hanay ng mga sinusukat na halaga, na naibawas sa isang tiyak na bilang.

X1 ... X2 = Xy

I.e. signal mula sa X1 hanggang X2, kondisyon na pantay-pantay sa isang tiyak na halaga ng Xy. Ito ay kahawig ng presyo ng dibisyon ng isang pointer meter. Kapag kukuha ka ng mga pagbabasa, madalas mong maihahambing ang mga ito sa pinakamalapit na marka sa laki ng instrumento.

Kaya sa pamamagitan ng pagsukat ayon sa antas, mas maraming quanta, mas tumpak na mga sukat at ang higit pang mga lugar na desimal (daan-daan, libu-libo at iba pa) maaari silang maglaman.

Mas tiyak, ang bilang ng mga lugar ng desimal ay sa halip ay tinutukoy ng resolusyon ng ADC.

Ipinapakita ng larawan ang proseso ng dami ng isang signal sa tulong ng isang piraso ng impormasyon, tulad ng inilarawan ko sa itaas, kapag kapag ang isang tiyak na limitasyon ay tatanggapin ng isang mataas na antas ng halaga.

Sa kanan ay ang dami ng signal, at isang tala sa anyo ng dalawang bits ng data. Tulad ng nakikita mo, ang fragment ng signal na ito ay nahahati na sa apat na mga halaga. Ito ay lumitaw na bilang isang resulta, ang isang makinis na signal ng analog ay naging isang digital na "hakbang" signal.

Ang bilang ng mga antas ng quantization ay natutukoy ng formula:

Kung saan n ang bilang ng mga bit, N ang antas ng dami.

Narito ang isang halimbawa ng isang signal na nasira sa isang mas malaking bilang ng quanta:

Malinaw na ipinapakita nito na mas madalas ang mga halaga ng signal ay nakuha (mas mataas ang dalas ng sampling), mas tumpak na sinusukat ito.

Ipinapakita ng larawang ito ang pag-convert ng isang signal ng analog sa isang digital na form, at sa kaliwa ng ordinate axis (vertical axis) ay isang 8-bit digital recording.

Analog sa Digital Converter

Ang isang ADC o isang analog-to-digital converter ay maaaring maipatupad bilang isang hiwalay na aparato o maisasama sa microcontroller.

Noong nakaraan, ang mga microcontroller, halimbawa, ang pamilyang MCS-51, ay hindi naglalaman ng isang ADC, isang panlabas na microcircuit ang ginamit para dito, at kinakailangan na magsulat ng isang subroutine para sa pagproseso ng mga halaga ng isang panlabas na IC.

Ngayon sila ay nasa karamihan ng mga modernong microcontroller, halimbawa AVR AtMEGA328, na siyang batayan ng pinakapopular circuit board Arduino, ito ay itinayo sa MK mismo. Sa Arduino, ang pagbabasa ng data ng analog ay simple sa utos ng AnalogRead (). Bagaman ang microprocessor, na naka-install sa parehong hindi gaanong tanyag na Raspberry PI, ay wala ito, kaya hindi lahat ay simple.

Sa katunayan, mayroong isang malaking bilang ng mga pagpipilian para sa mga analog-to-digital na mga convert, ang bawat isa ay may sariling mga kawalan at pakinabang. Ang paglalarawan kung aling sa loob ng artikulong ito ay hindi gaanong kahulugan, dahil ito ay isang malaking halaga ng materyal. Isaalang-alang lamang ang pangkalahatang istraktura ng ilan sa kanila.

Ang pinakalumang patentadong ADC opsyon ay ang patent ni Paul M. Rainey, "Facsimile Telegraph System," U.S. Patent 1,608,527, Filed Hulyo 20, 1921, Inisyu noong Nobyembre 30, 1926. Ito ay isang 5-bit na direktang pagbabagong ADC. Mula sa pangalan ng patente, dumating ang mga saloobin na ang paggamit ng aparatong ito ay konektado sa paghahatid ng data sa pamamagitan ng telegrapo.

Kung pinag-uusapan natin ang tungkol sa mga modernong ADC ng direktang pagbabalik-loob, mayroon silang mga sumusunod na pamamaraan:

Ipinapakita nito na ang input ay isang chain mula sa mga comparatorna naglabas ng kanilang signal kapag tumatawid sila ng ilang signal ng threshold. Ito ay medyo malalim at dami. Kahit sino kahit isang maliit na malakas sa circuitry, nakita ang halatang katotohanan na ito.

Sino ang hindi malakas, pagkatapos gumana ang input circuit sa ganitong paraan:

Ang signal ng analog ay pupunta sa "+" na input, lahat nang sabay-sabay. Ang mga output na may pagtukoy "-" natanggap ang sanggunian ng sanggunian, na kung saan ay nabulok gamit ang isang serye ng mga resistors (resistive divider) sa isang bilang ng mga sanggunian na sanggunian. Halimbawa, ang isang serye para sa chain na ito ay mukhang ang ratio na ito:

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

Sa mga bracket, ipinapahiwatig ng isang kuwit kung aling bahagi ng kabuuang sanggunian ng sanggunian ang Uref ay ibinibigay sa pag-input ng bawat boltahe sa pag-input.

I.e. ang bawat isa sa mga elemento ay may dalawang mga pag-input kapag naka-sign ang boltahe ng input «+» lumampas sa input boltahe gamit ang isang "-" sign, isang lohikal na yunit ay lilitaw sa output nito. Kapag ang boltahe sa positibo (hindi pag-iikot) ay mas mababa sa input (negatibong) input, kung gayon ang output ay zero.

Nahati ang boltahe upang ang input boltahe ay nahahati sa nais na bilang ng mga numero. Kapag ang boltahe sa input ay umabot sa output ng kaukulang elemento, lumilitaw ang isang signal, ang pagproseso ng circuit circuit ang "tama" na signal sa digital form.

Ang nasabing isang comparator ay mabuti sa bilis ng pagproseso ng data, ang lahat ng mga elemento ng circuit ng pag-input ay na-trigger nang kahanay, ang pangunahing pagkaantala ng ganitong uri ng ADC ay nabuo mula sa pagkaantala ng 1 comparator (sila ay sabay-sabay na nag-trigger nang sabay-sabay) at ang pagkaantala ay encoder.

Gayunpaman, mayroong isang malaking disbentaha ng mga kahanay na circuit - ito ang pangangailangan para sa isang malaking bilang ng mga comparator upang makakuha ng mga ADC na may mataas na resolusyon. Upang makakuha, halimbawa, 8 mga numero, kailangan mo ng 2 ^ 8 mga comparator, at ito ay kasing dami ng 256 na piraso. Para sa isang sampung-bit (sa Arduino 10-bit ADC, sa paraan, ngunit sa iba't ibang uri), kailangan mo ng 1024 na mga comparator. Hukom para sa iyong sarili ang pagiging angkop ng tulad ng isang opsyon sa paggamot, at kung saan kinakailangan ito.

Mayroong iba pang mga uri ng ADC:

• magkakasunod na pagtataya;

• delta sigma ADC.

Konklusyon

Ang pag-convert ng isang signal ng analog sa digital ay kinakailangan para sa pagbabasa ng mga parameter mula sa mga sensor ng analog. Mayroong isang hiwalay na uri ng digital sensor, ang mga ito ay alinman sa integrated circuit, halimbawa DS18b20 - sa output nito ay mayroon nang isang digital signal at maaari itong maproseso ng anumang mga microcontroller o microprocessors nang hindi nangangailangan ng isang ADC, o isang sensor ng analog sa isang board na mayroon nang sariling converter. Ang bawat uri ng sensor ay may mga kalamangan at kahinaan nito, tulad ng kaligtasan sa ingay at error sa pagsukat.

Ang kaalaman sa mga alituntunin ng pagbabalik-loob ay kinakailangan para sa lahat na nagtatrabaho sa mga microcontroller, dahil hindi kahit na ang bawat modernong sistema ay may tulad na mga converters, kailangan mong gumamit ng panlabas na microcircuits. Halimbawa, maaari nating banggitin ang naturang board na sadyang idinisenyo para sa konektor ng Raspberry PI GPIO na may katumpakan na ADC sa ADS1256.