Kuinka analogisen signaalin muuntaminen digitaaliseksi

Elektroniikassa signaalit jaetaan: analogisiin, erillisiin ja digitaalisiin. Aluksi kaikki, mitä tunnemme, näemme, kuulemme, on pääosin analoginen signaali, ja mitä tietokoneen prosessori näkee, on digitaalinen signaali. Se ei kuulosta kovin selkeältä, joten käsittelemme näitä määritelmiä ja sitä, kuinka yhden tyyppinen signaali muunnetaan toiseksi.

Signaalityypit

Sähköisessä esityksessä analoginen signaali, nimensä perusteella päätellen, on todellisen arvon analogi. Tunnet esimerkiksi ympäristön lämpötilan jatkuvasti koko elämäsi ajan. Ei taukoja. Samanaikaisesti et tunne vain kahta “kuumaa” ja “kylmää” tasoa, mutta myös ääretöntä määrää tuntemuksia, jotka kuvaavat tätä arvoa.

Ihmiselle ”kylmä” voi olla erilainen, se on syksyn viileys ja talvipakkaset ja kevyet pakkaset, mutta ei aina “kylmä” ole negatiivinen lämpötila, aivan kuten “lämmin” ei aina ole positiivinen lämpötila.

Tästä seuraa, että analogisella signaalilla on kaksi ominaisuutta:

1. Jatkuvuus ajassa.

2. Signaaliarvojen lukumäärä on yleensä ääretön, ts Analogista signaalia ei voida jakaa tarkasti osiin tai kalibroida jakamalla vaaka tiettyihin osiin. Mittausmenetelmät - mittayksikön perusteella ja niiden tarkkuus riippuu vain asteikon jaon hinnasta, mitä pienempi se on, sitä tarkempi mittaus on.

Diskreetit signaalit - nämä ovat signaaleja, jotka ovat minkä suuruisia raportteja tai mittauksia. Tällaisten signaalien mittaukset eivät ole jatkuvia, vaan jaksollisia.

Yritän selittää. Jos asensit lämpömittarin jonnekin, se mittaa analogisen arvon - tämä seuraa edellä esitetystä. Mutta sinä, tosiasiallisesti seuraamalla hänen todistuksiaan, saat erillistä tietoa. Diskreetti tarkoittaa erillistä.

Esimerkiksi herätit ja selvisit kuinka monta astetta lämpömittari oli, seuraavan kerran katsoit sitä lämpömittarilla keskipäivällä ja kolmannen kerran illalla. Et tiedä kuinka nopeasti lämpötila muuttui tasaisesti tai terävällä hyppyllä, tiedät vain havaitsemasi ajankohdan tiedot.

Digitaaliset signaalit Onko joukko tasoja, tyypit 1 ja 0, korkea ja matala, riippumatta siitä. Digitaalimuodossa olevien tietojen heijastuksen syvyyttä rajoittaa digitaalisen laitteen (logiikkajoukon, mikro-ohjaimen, prosessorin jne.) Bittisyvyys. Osoittautuu, että se on ihanteellinen Boolen datan tallentamiseen. Esimerkiksi voimme mainita seuraavan, esimerkiksi “Day” ja “Night” tietojen tallentamiseen, riittää 1 bitti tietoa.

bitti - tämä on vähimmäismäärä tietoa digitaalisessa muodossa, se voi tallentaa vain kahden tyyppisiä arvoja: 1 (looginen yksikkö, korkea taso) tai 0 (looginen nolla, matala taso).

Elektroniikassa vähän informaatiota esitetään matalan jännitetason (lähellä nollaa) ja korkean jännitetason muodossa (tietystä laitteesta riippuen, se usein vastaa tietyn digitaalisen solmun syöttöjännitettä, tyypilliset arvot ovat 1,7, 3,3. 5 V, 15 V).

Kaikilla hyväksytyn matalan ja korkean tason välisillä väliarvoilla on siirtymäalue eikä niillä voi olla tiettyä arvoa piiristä riippuen, sekä laitteella kokonaisuutena että mikrokontrollerin (tai minkä tahansa muun digitaalisen laitteen) sisäisellä piirillä voi olla erilainen siirtymäaste, esimerkiksi 5 -voltin logiikka, jännitearvot 0 - 0,8 V voidaan pitää nollana ja 2 V: sta 5 V: ksi yksikköä, kun taas 0,8 ja 2 V: n välinen rako on määrittelemätön vyöhyke, itse asiassa se auttaa erottamaan nollan yksiköstä.

Mitä tarkempia ja tilavampia arvoja sinun on tallennettava, sitä enemmän bittejä tarvitset, annamme esimerkki taulukon, jossa on digitaalinen näyttö neljästä kellonajan arvosta:

Yö - Aamu - Päivä - Ilta

Tätä varten tarvitsemme 2 bittiä:

Analoginen digitaalimuunnos

Yleisessä tapauksessa analogia-digitaalimuuntaminen on prosessi, jolla fyysinen määrä muunnetaan digitaaliseksi arvoksi. Digitaalinen arvo on joukko yksiköitä ja nollia, jotka käsittelylaite havaitsee.

Tällainen muutos on välttämätön digitaalitekniikan vuorovaikutuksessa ympäristön kanssa.

Koska analoginen sähköinen signaali toistaa tulosignaalin muodossaan, sitä ei voida tallentaa digitaalisesti ”sellaisenaan”, koska sillä on ääretön määrä arvoja. Esimerkki on äänen tallennusprosessi. Alkuperäisessä muodossaan se näyttää tältä:

Se on eri taajuuksilla olevien aaltojen summa. Jotka hajotettaessa taajuuksilla (lisätietoja, katso Fourier-muunnokset) tavalla tai toisella, voidaan tuoda lähemmäksi samanlaista kuvaa:

Yritä nyt esitellä se tyyppisarjan ”111100101010100” muodossa, se on melko vaikeaa, eikö niin?

Toinen esimerkki tarpeesta muuntaa analoginen määrä digitaaliseksi on sen mittaus: elektroniset lämpömittarit, volttimittarit, ampeerimittarit ja muut mittauslaitteet ovat vuorovaikutuksessa analogisten suureiden kanssa.

Kuinka muuntaminen sujuu?

Ensin tarkastellaan kaaviota analogisen signaalin tyypillisestä muuntamisesta digitaaliseksi ja päinvastoin. Myöhemmin palaamme hänen luokseen.

Itse asiassa tämä on monimutkainen prosessi, joka koostuu kahdesta päävaiheesta:

1. Signaalin mitätöinti.

2. Kvantifiointi tason mukaan.

Signaalin diskreisointi on niiden aikavälien määrittäminen, joiden aikana signaali mitataan. Mitä lyhyemmät nämä aukot ovat, sitä tarkempi mittaus on. Näytteenottoperiodi (T) on ajanjakso tietojen lukemisen alusta sen loppuun. Näytteenottotaajuus (f) on vastavuoroinen seuraaville:

fd = 1 / T

Signaalin lukemisen jälkeen se käsitellään ja tallennetaan muistiin.

Osoittautuu, että signaalin lukeman ja käsittelyn aikana se voi muuttua, joten mitattu arvo vääristyy. Kotelnikovin lause on olemassa, ja siitä seuraa seuraava sääntö:

Näytteenottotaajuuden tulisi olla vähintään 2 kertaa suurempi kuin näytteitetyn signaalin taajuus.

Tämä on kuvakaappaus Wikipediasta, katkelma lauseesta.

Numeerisen arvon määrittämiseksi tarvitaan kvantisointi tason mukaan. Kvantti on tietty mitattujen arvojen alue, keskiarvo pienennettynä tiettyyn lukuun.

X1 ... X2 = Xy

eli signaalit Xl: stä X2: een, jotka ehdollisesti verrataan Xy: n tiettyyn arvoon. Tämä muistuttaa osoittimien jakohintaa. Kun otat lukemia, rinnastat ne usein lähimpään merkkiin instrumentin asteikolla.

Joten tasolla kvantisoimalla, sitä enemmän kvantteja, tarkempia mittauksia ja enemmän desimaalia (sadasosa, tuhatosa ja niin edelleen) ne voivat sisältää.

Tarkemmin sanottuna desimaalien määrä määritetään pikemminkin ADC: n päätöslauselmalla.

Kuvassa on signaalin kvantisointiprosessi käyttämällä yhtä bittiä informaatiota, kuten edellä kuvailin, kun tietyn rajan ylittyessä hyväksytään korkean tason arvo.

Oikealla on signaalin kvantisointi ja tietue kahden databitin muodossa. Kuten näette, tämä signaalifragmentti on jo jaettu neljään arvoon. Osoittautuu, että tuloksena tasainen analoginen signaali muuttui digitaaliseksi "askel" -signaaliksi.

Kvantisointitasojen lukumäärä määritetään kaavalla:

Missä n on bittien lukumäärä, N on kvantisointitaso.

Tässä on esimerkki signaalista, joka on hajotettu suurempaan määrään kvantteja:

Tämä osoittaa erittäin selvästi, että mitä useammin signaaliarvot otetaan (mitä suurempi näytteenottotaajuus), sitä tarkemmin se mitataan.

Tämä kuva näyttää analogisen signaalin muuntamisen digitaalimuotoon, ja ordinaattiakselin (pystyakseli) vasemmalla puolella on 8-bittinen digitaalinen tallenne.

Analoginen digitaalimuuntimiin

ADC tai analogia-digitaalimuunnin voidaan toteuttaa erillisenä laitteena tai integroida siihen mikro.

Aikaisemmin mikrokontrollerit, esimerkiksi MCS-51-perhe, eivät sisältäneet ADC: tä, siihen käytettiin ulkoista mikropiiriä, ja tuli tarpeeksi kirjoittaa aliohjelma ulkoisen IC: n arvojen käsittelemiseksi.

Nyt ne ovat nykyaikaisimmissa mikrokontrollereissa, esimerkiksi AVR AtMEGA328, joka on suosituimpien perusta piirilevy Arduino, se on rakennettu itse MK: iin. Arduinossa analogisen datan lukeminen on helppoa AnalogRead () -komennon avulla. Vaikka samaan, ei yhtä suosittuun Raspberry PI: hen, asennetulla mikroprosessorilla ei ole sitä, niin kaikki ei ole niin yksinkertaista.

Itse asiassa analogia-digitaalimuuntimille on olemassa suuri joukko vaihtoehtoja, joilla jokaisella on omat haitat ja edut. Kuvailemalla mitä tässä artikkelissa ei ole paljon järkeä, koska tämä on suuri määrä materiaalia. Tarkastellaan vain joidenkin niistä yleistä rakennetta.

Vanhin patentoitu ADC-vaihtoehto on Paul M. Raineyn patentti, USA: n ”Facsimile Telegraph System”. Patentti 1 608 527, jätetty 20. heinäkuuta 1921, julkaistu 30. marraskuuta 1926. Tämä on 5-bittinen suora muuntaminen ADC. Patentin nimestä ajattelee, että tämän laitteen käyttö liittyi tiedon siirtoon sähkön avulla.

Jos puhumme nykyisistä suoran muuntamisen ADC: stä, niillä on seuraava kaavio:

Tämä osoittaa, että syöte on ketju vertailijoiltajotka lähettävät signaalinsa ylittäessään jonkin kynnyssignaalin. Tämä on bitinsyvyyttä ja kvantisointia. Jokainen, jopa vähän vahva piiristössä, näki tämän ilmeisen tosiasian.

Kuka ei ole vahva, silloin tulopiiri toimii tällä tavalla:

Analoginen signaali syötetään “+” -tuloon, kaikki kerralla. Lähtöt, joilla on merkintä “-”, vastaanottavat referenssijännitteen, joka hajotetaan käyttämällä vastuksien sarjaa (resistiivinen jakaja) useisiin referenssijännitteisiin. Esimerkiksi tämän ketjun sarja näyttää seuraavalta suhteelta:

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

Suluissa pilkku ilmoittaa, mikä osa kokonaisvertailujännitteestä Uref syötetään kunkin tulojännitteen tuloon.

eli jokaisella elementillä on kaksi sisääntuloa, kun tulojännite on allekirjoitettu «+» ylittää tulojännitteen "-" -merkillä, looginen yksikkö ilmestyy lähtöön. Kun jännite positiivisessa (ei invertoivassa) tulossa on pienempi kuin negatiivisessa (invertoiva) tulossa, ulostulo on nolla.

Jännite jaetaan siten, että tulojännite jaetaan haluttuun numeroon. Kun tulon jännite saavuttaa vastaavan elementin ulostulon, tulee signaali, prosessointipiiri tuottaa “oikean” signaalin digitaalisessa muodossa.

Tällainen vertailija on hyvä tietojenkäsittelynopeudella, kaikki syöttöpiirin elementit laukaistaan ​​rinnakkain, tämän tyyppisen ADC: n pääviive muodostetaan vertailijan viiveestä 1 (ne laukeavat samanaikaisesti samanaikaisesti) ja viive on kooderin.

Rinnakkaispiireillä on kuitenkin valtava haitta - tämä vaatii suuren määrän vertailulaitteita korkearesoluutioisten ADC-piirien saamiseksi. Jos haluat esimerkiksi 8 numeroa, tarvitset 2 ^ 8 vertailijaa, ja tämä on jopa 256 kappaletta. Kymmenen bittiseen (Arduinon 10-bittisessä ADC: ssä, muuten, mutta erityyppinen) tarvitset 1024 vertailijaa. Arvioi itse, onko tällainen hoitovaihtoehto sopiva ja missä sitä voidaan tarvita.

On olemassa muun tyyppisiä ADC: itä:

• peräkkäinen lähentäminen;

• delta sigma ADC.

johtopäätös

Analogisen signaalin muuttaminen digitaaliseksi on välttämätöntä parametrien lukemiseksi analogisista antureista. On olemassa erillinen digitaalianturityyppi, ne ovat joko integroituja piirejä, esimerkiksi DS18b20 - ulostulossaan on jo digitaalinen signaali ja sen voivat käsitellä kaikki mikro-ohjaimet tai mikroprosessorit ilman ADC: tä tai analoginen anturi aluksella, jolla on jo oma muuntimensa. Jokaisella anturityypillä on edut ja haitat, kuten melun kestävyys ja mittausvirhe.

Muuntamisen periaatteiden tunteminen on pakollista kaikille, jotka työskentelevät mikrokontrollerien kanssa, koska kaikissa nykyaikaisissa järjestelmissä ei ole sisäänrakennettuja muuntimia, joudut käyttämään ulkoisia mikropiirejä. Voimme esimerkiksi mainita tällaisen erityisesti Raspberry PI GPIO -liittimelle tarkoitetun alustan, jonka ADS1256-tarkkuus on ADC.