Почти каждый измеряемый параметр окружающей среды представлен в аналоговой форме, например, температура, звук, давление, свет и т. Д. Рассмотрим температуру Система наблюдения при этом получение, анализ и обработка данных о температуре от датчиков невозможны с помощью цифровых компьютеров и процессоров. Следовательно, этой системе требуется промежуточное устройство для преобразования аналоговых данных о температуре в цифровые данные для связи с цифровыми процессорами, такими как микроконтроллеры и микропроцессоры. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) - это электронная интегральная схема, используемая для преобразования аналоговых сигналов, таких как напряжение, в цифровую или двоичную форму, состоящую из единиц и нулей. Большинство АЦП принимают входное напряжение от 0 до 10 В, от -5 до +5 В и т. Д. И, соответственно, выдают цифровой выход как своего рода двоичное число.

Что такое аналого-цифровой преобразователь?

Преобразователь, который используется для преобразования аналогового сигнала в цифровой, известен как аналого-цифровой преобразователь или преобразователь АЦП. Этот преобразователь представляет собой одну из разновидностей интегральной схемы или ИС, которая преобразует сигнал непосредственно из непрерывной формы в дискретную. Этот преобразователь может быть выражен в A / D, ADC, от A до D. Обратная функция DAC - это не что иное, как ADC. Символ аналого-цифрового преобразователя показан ниже.

Процесс преобразования аналогового сигнала в цифровой можно осуществить несколькими способами. На рынке доступны различные типы микросхем АЦП от разных производителей, например серия ADC08xx. Итак, простой АЦП можно спроектировать с помощью дискретных компонентов.

Основными особенностями АЦП являются частота дискретизации и битовое разрешение.

Частота дискретизации АЦП - это не что иное, как скорость, с которой АЦП может преобразовывать сигнал из аналогового в цифровой.
Битовое разрешение - это не что иное, как степень точности, с которой аналого-цифровой преобразователь может преобразовать сигнал из аналогового в цифровой.

Аналого-цифровой преобразователь

Одним из основных преимуществ преобразователя АЦП является высокая скорость сбора данных даже на мультиплексированных входах. С изобретением самых разнообразных АЦП интегральные схемы (IC’s) сбор данных с различных датчиков становится более точным и быстрым. К динамическим характеристикам высокопроизводительных АЦП относятся улучшенная повторяемость измерений, низкое энергопотребление, точная пропускная способность, высокая линейность, отличное отношение сигнал-шум (SNR) и так далее.

Разнообразные области применения АЦП - системы измерения и управления, промышленные приборы, системы связи и все другие сенсорные системы. Классификация АЦП на основе таких факторов, как производительность, скорость передачи данных, мощность, стоимость и т. Д.

Блок-схема АЦП

Ниже показана блок-схема АЦП, которая включает выборку, удержание, квантование и кодировщик. Процесс АЦП может быть выполнен следующим образом.

Сначала аналоговый сигнал подается на первый блок, а именно на выборку, где бы он ни был дискретизирован с точной частотой дискретизации. Значение амплитуды выборки, как аналоговое значение, может поддерживаться, а также удерживаться во втором блоке, например, Hold. Удерживаемая выборка может быть квантована в дискретное значение посредством третьего блока, как квантование. Наконец, последний блок, такой как кодировщик, изменяет дискретную амплитуду на двоичное число.

В АЦП преобразование сигнала из аналогового в цифровой можно объяснить с помощью приведенной выше блок-схемы.

Образец

В блоке выборки аналоговый сигнал может быть дискретизирован с точным интервалом времени. Выборки используются с непрерывной амплитудой и имеют реальное значение, однако они дискретны по времени. При преобразовании сигнала важную роль играет частота дискретизации. Так что его можно поддерживать с точной скоростью. В зависимости от требований системы частота дискретизации может быть фиксированной.

Держать

В АЦП HOLD - это второй блок, и он не имеет никакой функции, потому что он просто удерживает амплитуду выборки до тех пор, пока не будет взята следующая выборка. Таким образом, значение удержания не изменится до следующей выборки.

Квантовать

В АЦП это третий блок, который в основном используется для квантования. Основная функция этого - преобразование амплитуды из непрерывной (аналоговой) в дискретную. Значение непрерывной амплитуды в блоке удержания перемещается по блоку квантования, чтобы превратиться в дискретную по амплитуде. Теперь сигнал будет в цифровой форме, потому что он включает дискретную амплитуду, а также время.

Кодировщик

Последний блок в АЦП - это кодировщик, который преобразует сигнал из цифровой формы в двоичную. Мы знаем, что цифровое устройство работает с использованием двоичных сигналов. Поэтому требуется изменить сигнал с цифрового на двоичный с помощью энкодера. Итак, это весь метод преобразования аналогового сигнала в цифровой с помощью АЦП. Время, необходимое для всего преобразования, может составлять микросекунду.

Процесс аналого-цифрового преобразования

Существует множество методов преобразования аналоговых сигналов в цифровые. Эти преобразователи находят больше применений в качестве промежуточных устройств для преобразования сигналов из аналоговой в цифровую форму, вывода вывода на ЖК-дисплей через микроконтроллер. Задача аналого-цифрового преобразователя - определить слово выходного сигнала, соответствующее аналоговому сигналу. Теперь посмотрим на АЦП 0804. Это 8-битный преобразователь с питанием 5В. В качестве входного может приниматься только один аналоговый сигнал.

Аналого-цифровой преобразователь сигнала

Цифровой выход варьируется от 0 до 255. Для работы АЦП нужны часы. Время, необходимое для преобразования аналогового значения в цифровое, зависит от источника синхронизации. Внешние часы могут быть поданы на контакт № 4 CLK IN. Подходящая RC-цепь подключена между контактами clock IN и clock R для использования внутренних часов. Контакт 2 является входным контактом. Импульс с высокого на низкий передает данные из внутреннего регистра на выходные контакты после преобразования. Вывод 3 - это сигнал записи - импульс от низкого к высокому передается на внешние часы. Выводы с 11 по 18 - это выводы данных от MSB к LSB.

Аналого-цифровой преобразователь дискретизирует аналоговый сигнал по каждому спадающему или нарастающему фронту тактовой частоты дискретизации. В каждом цикле АЦП получает аналоговый сигнал, измеряет его и преобразует в цифровое значение. АЦП преобразует выходные данные в серию цифровых значений, аппроксимируя сигнал с фиксированной точностью.

В АЦП два фактора определяют точность цифрового значения, которое фиксирует исходный аналоговый сигнал. Это уровень квантования или скорость передачи данных и частота дискретизации. На рисунке ниже показано, как происходит аналого-цифровое преобразование. Скорость передачи данных определяет разрешение оцифрованного вывода, и вы можете увидеть на рисунке ниже, где 3-битный АЦП используется для преобразования аналогового сигнала.

Процесс аналого-цифрового преобразования

Предположим, что сигнал в один вольт должен быть преобразован из цифрового с помощью 3-битного АЦП, как показано ниже. Следовательно, всего 2 ^ 3 = 8 делений доступны для получения выходного напряжения 1 В. Этот результат 1/8 = 0,125 В называется минимальным изменением или уровнем квантования, представленным для каждого деления как 000 для 0 В, 001 для 0,125 и аналогично до 111 для 1 В. Если мы увеличим скорость передачи, например, 6, 8, 12, 14, 16 и т.д., мы получим лучшую точность сигнала. Таким образом, битовая скорость или квантование дает наименьшее выходное изменение значения аналогового сигнала, которое возникает в результате изменения цифрового представления.

Предположим, что если сигнал составляет около 0-5 В и мы использовали 8-битный АЦП, то двоичный выход 5 В равен 256. А для 3 В это 133, как показано ниже.

Формула АЦП

Существует абсолютная вероятность искажения входного сигнала на выходной стороне, если он дискретизируется с частотой, отличной от желаемой. Следовательно, еще одним важным аспектом АЦП является частота дискретизации. Теорема Найквиста утверждает, что полученная реконструкция сигнала вносит искажения, если только он не дискретизируется (минимум) с удвоенной скоростью наибольшего частотного содержания сигнала, как вы можете наблюдать на диаграмме. Но эта скорость в 5-10 раз превышает максимальную частоту сигнала на практике.

Частота дискретизации аналого-цифрового преобразователя

Факторы

Характеристики АЦП можно оценить по его характеристикам, основанным на различных факторах. Исходя из этого, ниже объясняются следующие два основных фактора.

SNR (отношение сигнал / шум)

SNR отражает среднее количество бит без шума в любой конкретной выборке.

Пропускная способность

Полоса пропускания АЦП может быть определена путем оценки частоты дискретизации. Аналоговый источник может быть дискретизирован за секунду для получения дискретных значений.

Типы аналого-цифровых преобразователей

Доступны различные типы АЦП, а некоторые типы аналогово-цифрового конвертеры включают:

Двухканальный аналого-цифровой преобразователь
Флэш-аналого-цифровой преобразователь
Последовательный Приближение Аналого-цифровой преобразователь
Полу-импульсный АЦП
Сигма-дельта АЦП
Конвейерный АЦП

Двухканальный аналого-цифровой преобразователь

В этом типе преобразователя АЦП напряжение сравнения генерируется с помощью схемы интегратора, состоящей из резистора, конденсатора и операционный усилитель сочетание. По заданному значению Vref этот интегратор генерирует пилообразный сигнал на своем выходе от нуля до значения Vref. При запуске сигнала интегратора, соответственно, счетчик начинает отсчет от 0 до 2 ^ n-1, где n - количество битов АЦП.

Двухканальный аналого-цифровой преобразователь

Когда входное напряжение Vin равно напряжению сигнала, тогда схема управления фиксирует значение счетчика, которое является цифровым значением соответствующего аналогового входного значения. Этот двухканальный АЦП представляет собой устройство относительно средней стоимости и низкой скорости.

Флэш-аналого-цифровой преобразователь

Эта ИС преобразователя АЦП также называется параллельным АЦП, который является наиболее широко используемым эффективным АЦП с точки зрения его скорости. Эта схема аналогово-цифрового преобразователя Flash состоит из серии компараторов, каждый из которых сравнивает входной сигнал с уникальным опорным напряжением. На каждом компараторе, на выходе будет высоким состоянием, когда аналоговые входное напряжение превышает опорное напряжение. Этот вывод далее передается в кодировщик приоритета для генерации двоичного кода на основе входной активности более высокого порядка путем игнорирования других активных входов. Этот тип вспышки является дорогостоящим и высокоскоростным устройством.

Флэш-аналого-цифровой преобразователь

Аналого-цифровой преобразователь последовательного приближения

АЦП последовательного приближения - это самая современная ИС АЦП, которая намного быстрее, чем АЦП с двойным наклоном и флэш-памятью, поскольку использует цифровую логику, которая преобразует входное аналоговое напряжение к ближайшему значению. Эта схема состоит из компаратора, выходных защелок, регистра последовательного приближения (SAR) и цифро-аналогового преобразователя.

Аналого-цифровой преобразователь последовательного приближения

Вначале SAR сбрасывается, и при переходе от низкого к высокому уровню устанавливается старший бит SAR. Затем этот выходной сигнал поступает на цифро-аналоговый преобразователь, который производит аналоговый эквивалент MSB, далее он сравнивается с аналоговым входом Vin. Если выход компаратора LOW, тогда MSB будет очищен SAR, в противном случае MSB будет установлен на следующую позицию. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не будут перепробованы все биты, и после Q0 SAR заставляет параллельные выходные линии содержать действительные данные.

Полу-импульсный АЦП

Эти типы аналого-цифровых преобразователей в основном работают приблизительно с их размером ограничения с помощью двух отдельных флэш-преобразователей, где разрешение каждого преобразователя составляет половину битов для устройства с полупроводниковой очисткой. Емкость одного флэш-конвертера составляет: он обрабатывает старшие значащие биты (старшие биты), а другой - младшие биты (младшие значащие биты).

Сигма-дельта АЦП

Сигма-дельта-АЦП (ΣΔ) - это относительно недавняя разработка. Они очень медленные по сравнению с другими типами схем, однако они предлагают максимальное разрешение для всех типов АЦП. Таким образом, они чрезвычайно совместимы с аудио приложениями, основанными на высокой точности воспроизведения, однако обычно не используются там, где требуется высокая BW (полоса пропускания).

Конвейерный АЦП

Конвейерные АЦП также известны как квантователи с поддиапазоном, которые по своей концепции связаны с последовательными приближениями, даже если они более сложные. Хотя последовательные приближения растут на каждом этапе, переходя к следующему старшему разряду, этот АЦП использует следующий процесс.

Используется для грубого преобразования. После этого он оценивает это изменение входного сигнала.
Этот преобразователь действует как лучшее преобразование, позволяя выполнять временное преобразование с диапазоном битов.
Обычно конвейерные конструкции предлагают центральное место среди SAR, а также аналого-цифровых преобразователей флэш-памяти за счет баланса между их размером, скоростью и высоким разрешением.

Примеры аналого-цифрового преобразователя

Примеры аналого-цифрового преобразователя обсуждаются ниже.

ADC0808

ADC0808 - это преобразователь с 8 аналоговыми входами и 8 цифровыми выходами. ADC0808 позволяет нам контролировать до 8 различных преобразователей, используя только одну микросхему. Это устраняет необходимость в настройке внешнего нуля и полной шкалы.

ADC0808 IC

ADC0808 - это монолитное устройство CMOS, обеспечивающее высокую скорость работы, высокую точность, минимальную температурную зависимость, превосходную долгосрочную точность и воспроизводимость, а также потребляющее минимальное количество энергии. Эти особенности делают это устройство идеально подходящим для приложений, от управления процессами и машинами до бытовых и автомобильных приложений. Схема выводов ADC0808 показана на рисунке ниже:

особенности

Основные особенности ADC0808 включают следующее.

Простой интерфейс для всех микропроцессоров
Не требуется настройка нуля или полной шкалы
8-канальный мультиплексор с адресной логикой
Диапазон входного напряжения от 0 В до 5 В с одним источником питания 5 В
Выходы соответствуют спецификациям уровня напряжения TTL
Корпус несущей микросхемы с 28 выводами

Характеристики

Технические характеристики ADC0808 включают следующее.

Разрешение: 8 бит
Общая нескорректированная ошибка: ± ½ LSB и ± 1 LSB
Однополярное питание: 5 В постоянного тока
Низкая мощность: 15 мВт
Время преобразования: 100 мкс

Как правило, вход ADC0808, который должен быть изменен к цифровой форме могут быть выбраны с помощью трех адресных линий A, B, C, которые являются штифты 23, 24 и 25. Размер шага выбирается зависит от установленного эталонного значения. Размер шага - это изменение аналогового входа, вызывающее изменение единицы на выходе АЦП. ADC0808 требует для работы внешних часов, в отличие от ADC0804, у которого есть внутренние часы.

Непрерывный 8-битный цифровой выход, соответствующий мгновенному значению аналогового входа. Самый крайний уровень входного напряжения должен быть уменьшен пропорционально + 5В.

Для микросхемы ADC 0808 требуется тактовый сигнал обычно с частотой 550 кГц, ADC0808 используется для преобразования данных в цифровую форму, необходимую для микроконтроллера.

Применение ADC0808

У ADC0808 есть много приложений, здесь мы привели некоторые приложения для ADC:

Из приведенной ниже схемы выводы часов, запуска и EOC подключены к микроконтроллеру. Как правило, здесь 8 входов, мы используем только 4 входа для операции.

Схема ADC0808

Используется датчик температуры LM35, который подключен к первым 4 входам аналого-цифрового преобразователя IC. Датчик имеет 3 контакта, то есть VCC, GND и выходные контакты, когда датчик нагревается, напряжение на выходе увеличивается.
Адресные линии A, B, C подключены к микроконтроллеру для команд. В этом случае прерывание следует за операцией от низкого к высокому.
Когда стартовый вывод удерживается на высоком уровне, преобразование не начинается, но когда на стартовом выводе низкий уровень, преобразование начинается в течение 8 периодов тактов.
В момент, когда преобразование завершено, на выводе EOC устанавливается низкий уровень, указывая на окончание преобразования и готовность данных к приему.
Затем значение разрешения выхода (OE) повышается. Это включает выходы TRI-STATE, позволяя считывать данные.

ADC0804

Мы уже знаем, что аналого-цифровые (АЦП) преобразователи являются наиболее широко используемыми устройствами для защиты информации для преобразования аналоговых сигналов в цифровые числа, чтобы микроконтроллер мог их легко считывать. Существует множество преобразователей АЦП, таких как ADC0801, ADC0802, ADC0803, ADC0804 и ADC080. В этой статье мы собираемся обсудить преобразователь ADC0804.

ADC0804

ADC0804 - это очень часто используемый 8-битный аналого-цифровой преобразователь. Он работает с аналоговым входным напряжением от 0 до 5 В. Он имеет один аналоговый вход и 8 цифровых выходов. Время преобразования - еще один важный фактор при оценке АЦП, в ADC0804 время преобразования варьируется в зависимости от сигналов синхронизации, подаваемых на выводы CLK R и CLK IN, но оно не может быть быстрее 110 мкс.

Описание контактов ADC804

Контакт 1 : Это вывод выбора микросхемы, который активирует АЦП, активный низкий уровень.

Контакт 2: Это входной вывод с высокого на низкий импульс, который передает данные из внутренних регистров на выходные контакты после преобразования.

Контакт 3: Импульс от низкого к высокому входному выводу подается для начала преобразования.

Контакт 4: Это входной контакт часов, чтобы дать внешним часам

Контакт 5: Это выходной контакт, переходит в низкий уровень, когда преобразование завершено.

Контакт 6: Аналоговый неинвертирующий вход

Контакт 7: Аналоговый инвертирующий вход, нормально заземленный

Контакт 8: Земля (0 В)

Контакт 9: Это входной контакт, устанавливает опорное напряжение для аналогового входа

Контакт 10: Земля (0 В)

Контакт 11 - Контакт 18: Это 8-битный цифровой выходной контакт

Контакт 19: Используется с выводом Clock IN, когда используется внутренний источник синхронизации

Контакт 20: Напряжение питания 5В

Особенности ADC0804

Основные особенности ADC0804 включают следующее.

Диапазон аналогового входного напряжения от 0 В до 5 В с одним источником питания 5 В
Совместимость с микроконтроллерами, время выборки 135 нс
Простой интерфейс для всех микропроцессоров
Логические входы и выходы соответствуют требованиям к уровню напряжения MOS и TTL.
Работает с опорным напряжением 2,5 В (LM336)
Встроенный тактовый генератор
Регулировка нуля не требуется
0,3 [Prime] 20-контактный DIP-корпус стандартной ширины
Работает по коэффициенту метрически или с опорным напряжением 5 В постоянного тока, 2,5 В постоянного тока или аналоговым диапазоном
Дифференциальные аналоговые входы напряжения

Это 8-битный преобразователь с питанием 5 В. В качестве входного может приниматься только один аналоговый сигнал. Цифровой выход варьируется от 0 до 255. Для работы АЦП нужны часы. Время, необходимое для преобразования аналогового значения в цифровое, зависит от источника синхронизации. На CLK IN могут быть поданы внешние часы. Контакт 2 является входным контактом. Импульс с высокого на низкий передает данные из внутреннего регистра на выходные контакты после преобразования. Вывод 3 - это сигнал записи - импульс от низкого к высокому передается на внешние часы.

Заявление

В простой схеме контакт 1 АЦП подключен к GND, а контакт 4 подключен к GND через конденсатор, контакты 2, 3 и 5 АЦП подключены к контактам 13, 14 и 15 микроконтроллера. Контакты 8 и 10 закорочены и подключены к GND, 19 контактов АЦП подключены к 4-му контакту через резистор 10k. Контакты с 11 по 18 АЦП подключены к контактам с 1 по 8 микроконтроллера, который принадлежит порту 1.

Схема ADC0804

Когда высокий логический уровень применяется к CS и RD, вход синхронизируется через 8-битный регистр сдвига, завершая поиск удельной скорости поглощения (SAR), при следующем тактовом импульсе цифровое слово передается на выход с тремя состояниями. Выход прерывания инвертируется, чтобы обеспечить выход INTR, который имеет высокий уровень во время преобразования и низкий уровень, когда преобразование завершено. Когда низкий уровень присутствует как на CS, так и на RD, выходной сигнал подается на выходы DB0 - DB7, и прерывание сбрасывается. Когда входы CS или RD возвращаются в высокое состояние, выходы DB0 - DB7 отключаются (возвращаются в состояние высокого импеданса). Таким образом, в зависимости от логики напряжение от 0 до 5 В, которое преобразуется в цифровое значение с 8-битным разрешением, подается как вход на порт 1 микроконтроллера.

“что было первым электронным ”

ADC0804 Проекты с использованием компонентов

Локатор расстояния до места повреждения подземного кабеля

ADC0808 Проекты с использованием компонентов

Scada (диспетчерский контроль и сбор данных) для удаленного промышленного предприятия

Тестирование АЦП

Тестирование аналого-цифрового преобразователя в основном требует источника аналогового ввода, а также оборудования для передачи управляющих сигналов, а также для сбора цифровых данных. Некоторые виды АЦП нужен точный источник опорного сигнала. АЦП можно проверить, используя следующие ключевые параметры

Ошибка смещения постоянного тока
Рассеяние мощности
Ошибка усиления постоянного тока
Свободный от паразитов динамический диапазон
SNR (отношение сигнал / шум)
INL или интегральная нелинейность
DNL или дифференциальная нелинейность
THD или полное гармоническое искажение

Тестирование АЦП или аналого-цифровых преобразователей в основном проводится по нескольким причинам. Помимо причины, общество IEEE Instrumentation & Measurement, комитет по генерации и анализу сигналов разработало стандарт IEEE для АЦП для терминологии, а также методов тестирования. Существуют различные общие настройки тестирования, которые включают синусоидальную волну, произвольную форму волны, ступенчатую форму волны и петлю обратной связи. Для определения стабильной работы аналогово-цифровых преобразователей используются различные методы, такие как сервопривод, линейное изменение, метод гистограммы переменного тока, метод треугольной гистограммы и физический метод. Единственный метод, который используется для динамического тестирования, - это тест синусоидальной волны.

Применение аналого-цифрового преобразователя

Приложения ADC включают следующее.

В настоящее время использование цифровых устройств увеличивается. Эти устройства работают на основе цифрового сигнала. Аналого-цифровой преобразователь играет ключевую роль в таких устройствах для преобразования сигнала из аналогового в цифровой. Области применения аналого-цифровых преобразователей безграничны, о чем говорится ниже.
AC (кондиционер) включает датчики температуры для поддержания температуры в помещении. Таким образом, это преобразование температуры может быть выполнено из аналогового в цифровой с помощью АЦП.
Он также используется в цифровом осциллографе для преобразования аналогового сигнала в цифровой для отображения.
АЦП используется для преобразования аналогового голосового сигнала в цифровой в мобильных телефонах, потому что мобильные телефоны используют цифровые голосовые сигналы, но на самом деле голосовой сигнал имеет аналоговую форму. Таким образом, АЦП используется для преобразования сигнала перед отправкой сигнала на передатчик сотового телефона.
АЦП используется в медицинских устройствах, таких как МРТ и рентгеновский снимок, для преобразования изображения из аналогового в цифровое перед изменением.
Камера в мобильном телефоне в основном используется для съемки изображений, а также видео. Они хранятся в цифровом устройстве, поэтому преобразуются в цифровую форму с помощью АЦП.
Музыка на кассете также может быть преобразована в цифровую, как CDS и флэш-накопители, использующие ADC.
В настоящее время АЦП используется в каждом устройстве, поскольку почти все устройства, представленные на рынке, имеют цифровую версию. Итак, эти устройства используют АЦП.

Таким образом, речь идет о обзор аналого-цифрового преобразователя или преобразователь АЦП и его типы. Для облегчения понимания в этой статье рассматриваются только несколько преобразователей АЦП. Мы надеемся, что этот предоставленный контент будет более информативным для читателей. Любые дальнейшие вопросы, сомнения и техническую помощь по этой теме вы можете прокомментировать ниже.

Фото: