Ako sa prevádza prevod analógového signálu na digitálny

V elektronike sa signály delia na: analógový, diskrétny a digitálny. Na úvod, všetko, čo cítime, vidíme, počujeme, je z väčšej časti analógový signál a čo počítačový procesor vidí, je digitálny signál. Neznie to veľmi jasne, preto sa poďme zaoberať týmito definíciami a spôsobom, ako sa jeden typ signálu prevádza na iný.

Typy signálov

V elektrickom znázornení je analógový signál, posudzovaný podľa svojho názvu, analógom skutočnej hodnoty. Napríklad počas svojho života neustále cítite teplotu prostredia. Nie sú žiadne prestávky. Zároveň pociťujete nielen dve úrovne „horúcej“ a „studenej“, ale nekonečné množstvo pocitov, ktoré túto hodnotu opisujú.

Pre človeka môže byť „chlad“ iný, je to jesenný chlad a zimný mráz a ľahké mrazy, ale nie vždy „studený“ je negatívna teplota, rovnako ako „teplý“ nie je vždy pozitívna teplota.

Z toho vyplýva, že analógový signál má dve vlastnosti:

1. Kontinuita v čase.

2. Počet hodnôt signálu má sklon k nekonečnu, tj Analógový signál nie je možné presne rozdeliť na časti alebo kalibrovať rozdelením stupnice na konkrétne časti. Metódy merania - založené na meracej jednotke a jej presnosť závisí iba na cene delenia stupnice, čím je menšia, tým presnejšie je meranie.

Diskrétne signály - sú to signály, ktoré sú sledom správ alebo meraní akejkoľvek veľkosti. Merania takýchto signálov nie sú nepretržité, ale periodické.

Pokúsim sa to vysvetliť. Ak ste teplomer niekde nainštalovali, meria sa ním analógová hodnota - vyplýva to z vyššie uvedeného. Ale vy, vlastne na základe jeho svedectiev, získate diskrétne informácie. Diskrétny znamená oddelene.

Napríklad ste sa prebudili a zistili ste, koľko stupňov teplomer mal, nabudúce ste sa naň pozerali na teplomer v poludnie a tretí večer. Neviete, ako rýchlo sa teplota zmenila, rovnomerne alebo prudkým skokom, údaje poznáte iba v tom okamihu, ktorý ste pozorovali.

Digitálne signály Je to sada úrovní, typov 1 a 0, vysoká a nízka, či už je alebo nie. Hĺbka odrazu informácií v digitálnej podobe je obmedzená bitovou hĺbkou digitálneho zariadenia (sada logiky, mikrokontroléra, procesora atď.). Ukázalo sa, že je ideálny na ukladanie booleovských údajov. Ako príklad môžeme uviesť nasledujúce, pre ukladanie údajov ako „Deň“ a „Noc“ stačí 1 bit informácií.

bit - toto je minimálna hodnota reprezentujúca informácie v digitálnej podobe, môže ukladať iba dva typy hodnôt: 1 (logická jednotka, vysoká úroveň) alebo 0 (logická nula, nízka úroveň).

V elektronike je bit informácie reprezentovaný vo forme nízkonapäťovej úrovne (blízko 0) a vysokej napäťovej úrovne (v závislosti od konkrétneho zariadenia, často sa zhoduje s napájacím napätím daného digitálneho uzla, typické hodnoty sú 1,7, 3,3, 5V, 15V).

Všetky prechodné hodnoty medzi akceptovanou nízkou a vysokou úrovňou sú prechodovou oblasťou a nemusia mať špecifickú hodnotu, v závislosti od obvodov, tak zariadenie ako celok, ako aj vnútorný obvod mikrokontroléra (alebo akékoľvek iné digitálne zariadenie) môžu mať inú úroveň prechodu, napríklad 5 - logické je, že hodnoty napätia od 0 do 0,8 V môžu byť brané ako nula a od 2 do 5 V ako jednotka, zatiaľ čo medzera medzi 0,8 a 2V je nedefinovaná zóna, v skutočnosti to pomáha oddeliť nulu od jednoty.

Presnejšie a priestrannejšie hodnoty, ktoré potrebujete uložiť, čím viac bitov potrebujete, dávame príklad tabuľky s digitálnym zobrazením štyroch hodnôt denného času:

Noc - ráno - deň - večer

Na to potrebujeme 2 bity:

Prevod z analógového na digitálny

Vo všeobecnom prípade je analógovo-digitálna konverzia proces premeny fyzikálnej veličiny na digitálnu hodnotu. Digitálna hodnota je skupina jednotiek a núl vnímaných spracovateľským zariadením.

Takáto transformácia je potrebná na interakciu digitálnej technológie s prostredím.

Pretože analógový elektrický signál opakuje vstupný signál vo svojej podobe, nemôže byť zaznamenaný digitálne „tak, ako je“, pretože má nekonečný počet hodnôt. Príkladom je proces nahrávania zvuku. Vyzerá to takto:

Je to súčet vĺn s rôznymi frekvenciami. Ktoré sa pri rozklade frekvencií (bližšie pozri v Fourierovej transformácii) môžu priblížiť k podobnému obrázku:

Teraz to skúste prezentovať vo forme súboru typu „111100101010100“, je to dosť ťažké, nie je to tak?

Ďalším príkladom potreby previesť analógovú veličinu na digitálnu je jej meranie: elektronické teplomery, voltmetre, ampéry a iné meracie prístroje interagujú s analógovými veličinami.

Ako prebieha konverzia?

Najprv sa pozrieme na schému typickej konverzie analógového signálu na digitálny a naopak. Neskôr sa k nej vrátime.

V skutočnosti je to komplexný proces, ktorý pozostáva z dvoch hlavných etáp:

1. Diskretizácia signálu.

2. Kvantifikácia podľa úrovne.

Diskrétizácia signálu je určenie časových intervalov, počas ktorých sa signál meria. Čím sú tieto medzery kratšie, tým presnejšie je meranie. Perióda vzorkovania (T) je doba, ktorá uplynie od začiatku čítania údajov do jeho konca. Vzorkovacia frekvencia (f) je recipročná:

fd = 1 / T

Po prečítaní signálu sa spracuje a uloží do pamäte.

Ukazuje sa, že v priebehu čítania a spracovania hodnôt signálu sa môže meniť, takže nameraná hodnota je skreslená. Existuje taká kotelnikovská veta az toho vyplýva nasledujúce pravidlo:

Vzorkovacia frekvencia by mala byť najmenej dvakrát väčšia ako frekvencia vzorkovaného signálu.

Toto je snímka obrazovky z Wikipédie s úryvkom z vety.

Na určenie číselnej hodnoty je potrebná kvantifikácia podľa úrovne. Kvant je určitý rozsah nameraných hodnôt, spriemerovaný na určitý počet.

X1 ... X2 = Xy

tj signály z X1 do X2, podmienečne sa rovnala špecifickej hodnote Xy. To sa podobá divíznej cene ukazovateľa ukazovateľa. Keď odčítate údaje, často ich prirovnávate k najbližšej značke na stupnici prístroja.

Takže s kvantizáciou podľa úrovne, čím viac quanta, presnejšie merania a viac desatinných miest (stotiny, tisíciny atď.), Ktoré môžu obsahovať.

Presnejšie povedané, počet desatinných miest je skôr určený rozlíšením ADC.

Obrázok ukazuje proces kvantovania signálu pomocou jedného bitu informácií, ako som opísal vyššie, keď sa pri prekročení určitej hranice akceptuje hodnota vysokej úrovne.

Vpravo je kvantizácia signálu a záznam vo forme dvoch dátových bitov. Ako vidíte, tento fragment signálu je už rozdelený do štyroch hodnôt. Ukazuje sa, že v dôsledku toho sa plynulý analógový signál zmenil na digitálny signál „krok“.

Počet kvantizačných úrovní je určený vzorcom:

Kde n je počet bitov, N je kvantizačná úroveň.

Tu je príklad signálu rozdeleného do viacerých kvant:

To veľmi jasne ukazuje, že čím častejšie sa prijímajú hodnoty signálu (čím vyššia je vzorkovacia frekvencia), tým presnejšie sa meria.

Tento obrázok ukazuje prevod analógového signálu do digitálnej formy a naľavo od osi y (zvislej osi) je 8-bitový digitálny záznam.

Analógovo-digitálne prevodníky

ADC alebo analógovo-digitálny prevodník sa môže implementovať ako samostatné zariadenie alebo sa do neho môže integrovať mikroradič.

Doteraz mikrokontroléry, napríklad rodina MCS-51, neobsahovali ADC, na tento účel sa použil externý mikroobvod a na spracovanie hodnôt externého IC bolo potrebné napísať podprogram.

Teraz sa nachádzajú v najmodernejších mikrokontroléroch, napríklad AVR AtMEGA328, ktorá je základom najpopulárnejších doska s plošnými spojmi Arduino, je zabudovaný do samotného MK. V Arduino je čítanie analógových dát jednoduché pomocou príkazu AnalogRead (). Aj keď mikroprocesor, ktorý je nainštalovaný v rovnakom, nie menej populárnom Raspberry PI, ho nemá, takže nie všetko je také jednoduché.

V skutočnosti existuje veľké množstvo možností pre analógovo-digitálne prevodníky, z ktorých každý má svoje nevýhody a výhody. Opis, ktorý v tomto článku nedáva veľký zmysel, pretože ide o veľké množstvo materiálu. Zvážte iba všeobecnú štruktúru niektorých z nich.

Najstaršou patentovanou možnosťou ADC je patent Paula M. Raineya, „Facsimile Telegraph System“, USA Patent 1 608 527, podaný 20. júla 1921, vydaný 30. novembra 1926. Toto je 5-bitová ADC s priamou konverziou. Z názvu patentu vyplýva, že použitie tohto zariadenia bolo spojené s prenosom údajov prostredníctvom telegrafu.

Ak hovoríme o moderných ADC s priamou konverziou, majú nasledujúcu schému:

To ukazuje, že vstup je reťaz od komparátorovktoré vydávajú svoj signál, keď prekročia prahový signál. Toto je bitová hĺbka a kvantizácia. Túto zrejmú skutočnosť videl každý, kto je v obvodoch dokonca trochu silný.

Kto nie je silný, potom vstupný obvod funguje takto:

Analógový signál sa privádza na vstup „+“ naraz. Výstupy s označením „-“ prijímajú referenčné napätie, ktoré sa rozkladá pomocou série odporov (odporový delič) na určitý počet referenčných napätí. Napríklad séria pre tento reťazec vyzerá takto:

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

V zátvorkách čiarka označuje, ktorá časť celkového referenčného napätia Uref je privádzaná na vstup každého vstupného napätia.

tj každý z týchto prvkov má pri podpise vstupného napätia dva vstupy «+» prekročí vstupné napätie znakom „-“, na jeho výstupe sa objaví logická jednotka. Ak je napätie na kladnom (neinvertujúcom) vstupe menšie ako na zápornom (invertujúcom) vstupe, potom je výstup nulový.

Napätie je rozdelené tak, že vstupné napätie je rozdelené na požadovaný počet číslic. Keď napätie na vstupe dosiahne výstup príslušného prvku, objaví sa signál, spracovávací obvod vydá „správny“ signál v digitálnej forme.

Taký porovnávač je dobrý pri rýchlosti spracovania dát, všetky prvky vstupného obvodu sú spustené paralelne, hlavné oneskorenie tohto typu ADC je tvorené oneskorením 1 porovnávača (sú súčasne spustené súčasne) a oneskorenie je kódované.

Paralelné obvody však majú obrovskú nevýhodu - je potrebné, aby veľké množstvo porovnávacích zariadení získalo ADC s vysokým rozlíšením. Ak chcete získať napríklad 8 číslic, potrebujete 2 ^ 8 porovnávačov, a to až 256 kusov. Na desať bitov (mimochodom v Arduino 10-bitovom ADC, ale iného typu) potrebujete 1024 porovnávacích nástrojov. Posúďte sami za primeranosť takejto možnosti liečby a podľa potreby.

Existujú aj iné typy ADC:

• po sebe nasledujúca aproximácia;

• delta sigma ADC.

záver

Prevod analógového signálu na digitálny je potrebný na čítanie parametrov z analógových snímačov. Existuje samostatný typ digitálnych snímačov, ktoré sú buď integrovanými obvodmi, napríklad DS18b20 - na jeho výstupe už je digitálny signál a môžu ho spracovať mikroprocesory alebo mikroprocesory bez potreby ADC alebo analógový snímač na doske, ktorá už má svoj vlastný prevodník. Každý typ senzora má svoje výhody a nevýhody, ako napríklad odolnosť proti šumu a chyba merania.

Znalosť princípov konverzie je potrebná pre každého, kto pracuje s mikrokontrolérmi, pretože ani každý moderný systém nemá zabudované takéto prevodníky, musíte používať externé mikroobvody. Napríklad môžeme uviesť takú dosku navrhnutú špeciálne pre konektor Raspberry PI GPIO s presným ADC na ADS1256.