Regardons la gamme principale de problèmes qui peuvent être attribués au principe de fonctionnement des convertisseurs analogique-numérique (CAN) de différents types. Comptage séquentiel, équilibrage bit à bit - que se cache-t-il derrière ces mots ? Quel est le principe de fonctionnement du microcontrôleur ADC ? Ces questions, ainsi qu'un certain nombre d'autres, seront examinées dans le cadre de l'article. Nous consacrerons les trois premières parties à la théorie générale, et à partir du quatrième sous-titre nous étudierons le principe de leur travail. Vous pouvez rencontrer les termes ADC et DAC dans diverses publications. Le principe de fonctionnement de ces appareils est légèrement différent, alors ne les confondez pas. Ainsi, l'article examinera la conversion des signaux de la forme analogique à la forme numérique, tandis que le DAC fonctionne dans l'autre sens.
Définition
Avant d'envisager le principe de fonctionnement de l'ADC, découvrons de quel type d'appareil il s'agit. Les convertisseurs analogique-numérique sont des dispositifs qui convertissent une grandeur physique en une représentation numérique correspondante. Presque tout peut agir comme paramètre initial - courant, tension, capacité,résistance, angle d'axe, fréquence d'impulsion et ainsi de suite. Mais pour être certain, nous travaillerons avec une seule transformation. C'est "code de tension". Le choix de ce format de travail n'est pas fortuit. Après tout, l'ADC (le principe de fonctionnement de cet appareil) et ses caractéristiques dépendent en grande partie du concept de mesure utilisé. Ceci est compris comme le processus de comparaison d'une certaine valeur avec une norme précédemment établie.
Spécifications ADC
Les principaux sont la profondeur de bits et la fréquence de conversion. Le premier est exprimé en bits et le second en coups par seconde. Les convertisseurs analogique-numérique modernes peuvent avoir une largeur de 24 bits ou jusqu'à des unités GSPS. Notez qu'un ADC ne peut vous fournir qu'une seule de ses caractéristiques à la fois. Plus leurs performances sont élevées, plus il est difficile de travailler avec l'appareil et cela coûte plus cher. Mais l'avantage est que vous pouvez obtenir les indicateurs de profondeur de bits nécessaires en sacrifiant la vitesse de l'appareil.
Types ADC
Le principe de fonctionnement varie selon les différents groupes d'appareils. Nous examinerons les types suivants:
- Avec conversion directe.
- Avec approximations successives.
- Avec conversion parallèle.
- Convertisseur A/N avec équilibrage de charge (delta-sigma).
- Intégration des ADC.
Il existe de nombreux autres types de pipelines et de combinaisons qui ont leurs propres caractéristiques spéciales avec une architecture différente. Mais ceuxles échantillons qui seront considérés dans le cadre de l'article sont intéressants du fait qu'ils jouent un rôle indicatif dans leur niche d'appareils de cette spécificité. Par conséquent, étudions le principe de l'ADC, ainsi que sa dépendance à l'appareil physique.
Convertisseurs A/N directs
Ils sont devenus très populaires dans les années 60 et 70 du siècle dernier. Sous forme de circuits intégrés, ils sont produits depuis les années 80. Ce sont des appareils très simples, voire primitifs, qui ne peuvent se vanter de performances significatives. Leur profondeur de bits est généralement de 6 à 8 bits et la vitesse dépasse rarement 1 GSPS.
Le principe de fonctionnement de ce type de CAN est le suivant: les entrées positives des comparateurs reçoivent simultanément un signal d'entrée. Une tension d'une certaine amplitude est appliquée aux bornes négatives. Et puis l'appareil détermine son mode de fonctionnement. Cela se fait avec une tension de référence. Disons que nous avons un appareil avec 8 comparateurs. Lors de l'application d'une demi-tension de référence, seuls 4 d'entre eux seront activés. L'encodeur prioritaire générera un code binaire, qui sera fixé par le registre de sortie. En ce qui concerne les avantages et les inconvénients, nous pouvons dire que ce principe de fonctionnement vous permet de créer des appareils à grande vitesse. Mais pour obtenir la profondeur de bits requise, vous devez beaucoup transpirer.
La formule générale pour le nombre de comparateurs ressemble à ceci: 2^N. Sous N, vous devez mettre le nombre de chiffres. L'exemple considéré précédemment peut être repris: 2^3=8. Au total, pour obtenir la troisième catégorie, il faut8 comparateurs. C'est le principe de fonctionnement des ADC, qui ont été créés en premier. Pas très pratique, donc d'autres architectures sont apparues plus tard.
Convertisseurs d'approximations successives analogique-numérique
Ici l'algorithme de "pondération" est utilisé. En bref, les appareils qui fonctionnent selon cette technique sont simplement appelés CAN à comptage en série. Le principe de fonctionnement est le suivant: l'appareil mesure la valeur du signal d'entrée, puis il est comparé à des nombres générés selon une certaine méthode:
- Règle la moitié de la tension de référence possible.
- Si le signal a dépassé la limite de valeur à partir du point 1, il est alors comparé avec le nombre qui se situe au milieu entre la valeur restante. Ainsi, dans notre cas, ce sera les ¾ de la tension de référence. Si le signal de référence n'atteint pas cet indicateur, alors la comparaison s'effectuera avec l'autre partie de l'intervalle selon le même principe. Dans cet exemple, il s'agit de ¼ de la tension de référence.
- L'étape 2 doit être répétée N fois, ce qui nous donnera N bits du résultat. Cela est dû au nombre H de comparaisons.
Ce principe de fonctionnement permet d'obtenir des dispositifs à taux de conversion relativement élevé, qui sont des CAN à approximations successives. Le principe de fonctionnement, comme vous pouvez le constater, est simple et ces appareils sont parfaits pour diverses occasions.
Convertisseurs analogique-numérique parallèles
Ils fonctionnent comme des périphériques série. La formule de calcul est (2 ^ H) -1. PourDans le cas précédent, nous avons besoin de (2^3)-1 comparateurs. Pour le fonctionnement, un certain réseau de ces dispositifs est utilisé, chacun pouvant comparer la tension d'entrée et la tension de référence individuelle. Les convertisseurs parallèles analogique-numérique sont des appareils assez rapides. Mais le principe de construction de ces appareils est tel qu'une puissance importante est nécessaire pour supporter leurs performances. Par conséquent, il n'est pas pratique de les utiliser sur batterie.
Convertisseur A/N équilibré au niveau du bit
Il fonctionne de la même manière que l'appareil précédent. Par conséquent, afin d'expliquer le fonctionnement d'un ADC d'équilibrage bit par bit, le principe de fonctionnement pour les débutants sera considéré littéralement sur les doigts. Au cœur de ces dispositifs se trouve le phénomène de dichotomie. En d'autres termes, une comparaison cohérente de la valeur mesurée avec une certaine partie de la valeur maximale est effectuée. Des valeurs en ½, 1/8, 1/16 et ainsi de suite peuvent être prises. Par conséquent, le convertisseur analogique-numérique peut terminer l'ensemble du processus en N itérations (étapes consécutives). De plus, H est égal à la profondeur de bits de l'ADC (regardez les formules données précédemment). Ainsi, on a un gain de temps non négligeable, si la rapidité de la technique est particulièrement importante. Malgré leur vitesse considérable, ces appareils ont également une faible précision statique.
Convertisseurs A/N avec équilibrage de charge (delta-sigma)
C'est le type d'appareil le plus intéressant, et pas des moindresgrâce à son principe de fonctionnement. Elle réside dans le fait que la tension d'entrée est comparée à ce qui a été accumulé par l'intégrateur. Des impulsions de polarité négative ou positive sont envoyées à l'entrée (tout dépend du résultat de l'opération précédente). Ainsi, on peut dire qu'un tel convertisseur analogique-numérique est un simple système d'asservissement. Mais ce n'est qu'un exemple de comparaison, afin que vous puissiez comprendre ce qu'est un ADC delta-sigma. Le principe de fonctionnement est systémique, mais pour le fonctionnement efficace de ce convertisseur analogique-numérique ne suffit pas. Le résultat final est un flux sans fin de 1 et de 0 à travers le filtre passe-bas numérique. Une certaine séquence de bits est formée à partir d'eux. Une distinction est faite entre les convertisseurs ADC du premier et du second ordre.
Intégration de convertisseurs analogique-numérique
C'est le dernier cas particulier qui sera considéré dans l'article. Ensuite, nous décrirons le principe de fonctionnement de ces appareils, mais à un niveau général. Ce CAN est un convertisseur analogique-numérique push-pull. Vous pouvez rencontrer un appareil similaire dans un multimètre numérique. Et ce n'est pas surprenant, car ils offrent une grande précision tout en supprimant bien les interférences.
Maintenant, concentrons-nous sur son fonctionnement. Elle réside dans le fait que le signal d'entrée charge le condensateur pendant un temps fixe. En règle générale, cette période est une unité de la fréquence du réseau qui alimente l'appareil (50 Hz ou 60 Hz). Il peut aussi être multiple. Ainsi, les hautes fréquences sont supprimées.ingérence. Dans le même temps, l'influence de la tension instable de la source de production d'électricité sur la précision du résultat est nivelée.
Lorsque le temps de charge du convertisseur analogique-numérique se termine, le condensateur commence à se décharger à un certain taux fixe. Le compteur interne de l'appareil compte le nombre d'impulsions d'horloge générées au cours de ce processus. Ainsi, plus la période est longue, plus les indicateurs sont significatifs.
L'intégration push-pull ADC a une précision et une résolution élevées. Pour cette raison, ainsi qu'une structure de construction relativement simple, ils sont mis en œuvre sous forme de microcircuits. Le principal inconvénient de ce principe de fonctionnement est la dépendance à l'indicateur de réseau. N'oubliez pas que ses capacités sont liées à la période de fréquence de l'alimentation.
Voici comment fonctionne un ADC à double intégration. Le principe de fonctionnement de cet appareil, bien qu'il soit assez compliqué, mais il fournit des indicateurs de qualité. Dans certains cas, cela est simplement nécessaire.
Choisissez l'APC avec le principe de fonctionnement dont nous avons besoin
Disons que nous avons une certaine tâche devant nous. Quel appareil choisir pour qu'il puisse satisfaire toutes nos demandes ? Parlons d'abord de la résolution et de la précision. Très souvent, ils sont confondus, bien qu'en pratique ils dépendent très peu l'un de l'autre. Sachez qu'un convertisseur A/N 12 bits peut être moins précis qu'un convertisseur A/N 8 bits. Dans ceDans ce cas, la résolution est une mesure du nombre de segments pouvant être extraits de la plage d'entrée du signal mesuré. Ainsi, les ADC 8 bits ont 28=256 de ces unités.
La précision est l'écart total du résultat de conversion obtenu par rapport à la valeur idéale, qui doit être à une tension d'entrée donnée. Autrement dit, le premier paramètre caractérise les capacités potentielles de l'ADC et le second montre ce que nous avons en pratique. Par conséquent, un type plus simple (tel que des convertisseurs analogiques-numériques directs) peut nous convenir, ce qui satisfera les besoins en raison d'une grande précision.
Pour avoir une idée de ce qui est nécessaire, vous devez d'abord calculer les paramètres physiques et construire une formule mathématique pour l'interaction. Les erreurs statiques et dynamiques y sont importantes, car lors de l'utilisation de divers composants et principes de construction d'un appareil, elles affecteront ses caractéristiques de différentes manières. Des informations plus détaillées peuvent être trouvées dans la documentation technique proposée par le fabricant de chaque appareil spécifique.
Exemple
Jetons un coup d'œil au SC9711 ADC. Le principe de fonctionnement de cet appareil est compliqué en raison de sa taille et de ses capacités. Soit dit en passant, en parlant de ces derniers, il convient de noter qu'ils sont vraiment divers. Ainsi, par exemple, la fréquence de fonctionnement possible varie de 10 Hz à 10 MHz. En d'autres termes, il peut prélever 10 millions d'échantillons par seconde ! Et l'appareil lui-même n'est pas quelque chose de solide, maisa une structure de construction modulaire. Mais il est généralement utilisé dans les technologies complexes, où il est nécessaire de travailler avec un grand nombre de signaux.
Conclusion
Comme vous pouvez le voir, les ADC ont fondamentalement des principes de fonctionnement différents. Cela nous permet de sélectionner des appareils qui satisferont les besoins qui se présentent, tout en nous permettant de gérer judicieusement nos fonds disponibles.
