Analog sinyalin dijitale nasıl dönüştüğü

Elektronikte, sinyaller ayrılır: analog, ayrık ve dijital. Başlangıç ​​olarak, hissettiğimiz, gördüğümüz, duyduğumuz, çoğunlukla analog bir sinyaldir ve bir bilgisayar işlemcisinin gördüğü şey dijital bir sinyaldir. Kulağa pek net gelmiyor, bu yüzden bu tanımları ve bir tür sinyalin diğerine nasıl dönüştürüldüğünü ele alalım.

Sinyal türleri

Elektrik temsilinde, adıyla değerlendirilen bir analog sinyal, gerçek değerin bir analogudur. Örneğin, ortamın sıcaklığını yaşamınız boyunca sürekli hissedersiniz. Ara yok. Aynı zamanda, sadece iki seviyedeki “sıcak” ve “soğuk” hissetmekle kalmaz, aynı zamanda bu değeri tanımlayan sonsuz sayıda duyum da hissedersiniz.

Bir kişi için “soğuk” farklı olabilir, sonbahar serinliği ve kış donu ve hafif donlardır, ancak her zaman “soğuk” negatif bir sıcaklıktır, tıpkı “sıcak” her zaman pozitif bir sıcaklık değildir.

Analog sinyalin iki özelliği vardır:

1. Zaman içinde süreklilik.

2. Sinyal değerlerinin sayısı sonsuza eğilimlidir, yani Bir analog sinyal, parçalara tam olarak bölünemez veya ölçek belirli bölümlere ayrılarak kalibre edilemez. Ölçüm yöntemleri - ölçüm birimine dayanır ve doğrulukları sadece ölçeğin bölünmesinin fiyatına bağlıdır, ne kadar küçükse, ölçüm o kadar doğru olur.

Ayrık sinyaller - bunlar, herhangi bir büyüklükte rapor veya ölçüm dizisi olan sinyallerdir. Bu tür sinyallerin ölçümleri sürekli değil, periyodiktir.

Açıklamaya çalışacağım. Bir yere bir termometre taktıysanız, analog bir değeri ölçer - bu yukarıdan gelir. Ama sen, aslında tanıklıklarını takip ederek, ayrık bilgiler elde edersin. Ayrık demek ayrı demek.

Örneğin, uyandınız ve termometrenin kaç dereceye sahip olduğunu, bir sonraki öğlen termometreye baktığınızda ve akşam üçüncü kez öğrendiniz. Sıcaklığın eşit olarak ne kadar hızlı değiştiğini bilmiyorsunuz ya da keskin bir sıçrama ile sadece gözlemlediğiniz zamanda verileri biliyorsunuz.

Dijital sinyaller İster seviye ister tip 1 ve 0, yüksek ve düşük seviyeler kümesidir. Bilgilerin dijital biçimde yansıma derinliği, dijital bir cihazın (bir mantık, mikrodenetleyici, işlemci vb.) Bit derinliği ile sınırlıdır. Boole verilerinin depolanması için ideal olduğu ortaya çıkmaktadır. Bir örnek olarak, “Gündüz” ve “Gece” gibi verileri depolamak için 1 bit bilgi yeterlidir.

bit - Bu, bilgileri dijital biçimde temsil etmenin minimum değeridir, yalnızca iki tür değeri depolayabilir: 1 (mantıksal birim, yüksek seviye) veya 0 (mantıksal sıfır, düşük seviye).

Elektronikte, bir miktar bilgi düşük voltaj seviyesi (0'a yakın) ve yüksek voltaj seviyesi (belirli cihaza bağlı olarak, genellikle belirli bir dijital düğümün besleme voltajıyla çakışır), tipik değerler 1.7, 3.3. 5V, 15V'dir.

Kabul edilen düşük ve yüksek seviyeler arasındaki tüm ara değerler bir geçiş bölgesidir ve devreye bağlı olarak belirli bir değere sahip olmayabilir, hem bir bütün olarak cihaz hem de mikrodenetleyicinin (veya başka bir dijital cihazın) dahili devresi farklı bir geçiş seviyesine sahip olabilir, örneğin 5 -volt mantığı, 0 ila 0.8V arasındaki voltaj değerleri sıfır olarak ve 2V ila 5V arası bir birim olarak alınabilirken, 0.8 ve 2V arasındaki boşluk tanımlanmamış bir bölgedir, aslında sıfırı birlikten ayırmaya yardımcı olur.

Ne kadar doğru ve kapasitif değer depolamanız gerekiyorsa, o kadar fazla bit gerekir, günün dört değerini içeren dijital ekranlı örnek bir tablo veririz:

Gece - Sabah - Gün - Akşam

Bunun için 2 bite ihtiyacımız var:

Analogdan dijitale dönüşüm

Genel durumda, analogdan dijitale dönüşüm, fiziksel bir miktarı dijital bir değere dönüştürme işlemidir. Dijital değer, işleme cihazı tarafından algılanan birimler ve sıfırlar kümesidir.

Dijital teknolojinin çevre ile etkileşimi için böyle bir dönüşüm gereklidir.

Analog elektrik sinyali giriş sinyalini formunda tekrarladığından, sonsuz sayıda değere sahip olduğu için dijital “olduğu gibi” kaydedilemez. Bir örnek ses kayıt işlemidir. Orijinal haliyle şöyle görünür:

Farklı frekanslara sahip dalgaların toplamıdır. Hangi, frekanslarda ayrışırken (daha fazla ayrıntı için, bkz. Fourier dönüşümleri), şu veya bu şekilde benzer bir resme yaklaştırılabilir:

Şimdi bunu bir çeşit “111100101010100” şeklinde sunmaya çalışın, oldukça zor, değil mi?

Analog bir miktarı dijital olana dönüştürme ihtiyacının başka bir örneği ölçümüdür: elektronik termometreler, voltmetreler, ampermetreler ve diğer ölçüm cihazları analog miktarlarla etkileşime girer.

Dönüşüm nasıl gidiyor?

İlk olarak, analog bir sinyalin dijitale tipik bir dönüşümünün şemasına bakın veya tersi de geçerlidir. Daha sonra ona döneceğiz.

Aslında, bu iki ana aşamadan oluşan karmaşık bir süreçtir:

1. Sinyalin ayrıklaştırılması.

2. Seviyeye göre nicemleme.

Bir sinyalin ayrıklaştırılması, sinyalin ölçüldüğü zaman aralıklarının belirlenmesidir. Bu boşluklar ne kadar kısa olursa, ölçüm o kadar doğru olur. Örnekleme periyodu (T), verilerin okunmasının başlangıcından sonuna kadar geçen süredir. Örnekleme oranı (f) aşağıdakilerin tersidir:

fd = 1 / T

Sinyali okuduktan sonra işlenir ve bellekte saklanır.

Sinyal okumalarının okunduğu ve işlendiği sırada değişebileceği, dolayısıyla ölçülen değerin bozulduğu ortaya çıkıyor. Böyle bir Kotelnikov teoremi var ve aşağıdaki kural ondan geliyor:

Örnekleme frekansı, örneklenen sinyalin frekansından en az 2 kat daha büyük olmalıdır.

Bu teoremden bir alıntı ile Wikipedia'dan bir ekran görüntüsü.

Sayısal değeri belirlemek için seviyeye göre nicemleme gereklidir. Kuantum, belirli bir sayıya düşürülen ortalama ölçülen değer aralığıdır.

X1 ... X2 = Xy

yani X1'den X2'ye sinyaller, şartlı olarak Xy'nin spesifik bir değerine eşittir. Bu, bir işaretçi metrenin bölme fiyatına benzer. Okuma aldığınızda, bunları genellikle enstrümanın ölçeğindeki en yakın işarete eşitlersiniz.

Böylece, seviyeye göre nicemleme ile daha fazla kuantum, daha doğru ölçümler ve daha fazla ondalık basamak (yüzüncü, bininci vb.) İçerebilirler.

Daha kesin olarak, ondalık basamak sayısı ADC'nin çözünürlüğü ile belirlenir.

Resim, yukarıda açıkladığım gibi, belirli bir sınır aşıldığında, yüksek seviye bir değer kabul edildiğinde, bir bit bilgi kullanarak bir sinyalin nicemleme işlemini göstermektedir.

Sağda sinyalin nicemlenmesi ve iki veri biti şeklinde bir kayıt vardır. Gördüğünüz gibi, bu sinyal parçası zaten dört değere ayrılmıştır. Sonuç olarak, pürüzsüz bir analog sinyalin dijital bir "adım" sinyaline dönüştüğü ortaya çıkıyor.

Nicemleme seviyesi sayısı formül ile belirlenir:

N'nin bit sayısı olduğu durumda, N niceleme seviyesidir.

Aşağıda, çok sayıda kuanta bölünmüş sinyale bir örnek verilmiştir:

Bu, sinyal değerlerinin ne kadar sıklıkla alındığını (örnekleme frekansı ne kadar yüksekse), o kadar doğru bir şekilde ölçüldüğünü açıkça göstermektedir.

Bu görüntü, analog bir sinyalin dijital bir forma dönüştürülmesini gösterir ve normal eksenin (dikey eksen) solunda 8 bit dijital kayıt bulunur.

Analog-Dijital Dönüştürücüler

Bir ADC veya analogdan dijitale dönüştürücü ayrı bir cihaz olarak uygulanabilir veya mikrodenetleyici.

Daha önce, mikrodenetleyiciler, örneğin, MCS-51 ailesi, bir ADC içermiyordu, bunun için harici bir mikro devre kullanıldı ve harici bir IC'nin değerlerini işlemek için bir alt rutin yazmak gerekliydi.

Şimdi çoğu modern mikrodenetleyicide, örneğin en popüler temel olan AVR AtMEGA328'de devre kartı Arduino, MK'nin içine yerleştirilmiştir. Arduino'da AnalogRead () komutuyla analog verileri okumak basittir. Daha az popüler olmayan Raspberry PI'ye takılan mikroişlemci buna sahip olmasa da, her şey o kadar basit değil.

Aslında, her birinin kendi dezavantajları ve avantajları olan analog-dijital dönüştürücüler için çok sayıda seçenek vardır. Bu makalede hangisinin çok mantıklı olmadığını açıklamak, çünkü bu çok miktarda malzeme. Bazılarının sadece genel yapısını düşünün.

En eski patentli ADC seçeneği Paul M. Rainey'in patenti “Faks Telgraf Sistemi”, ABD'dir. 30 Kasım 1926'da yayımlanan 20 Temmuz 1921'de dosyalanmış patent 1,608,527. Bu, 5 bitlik bir doğrudan dönüştürme ADC'sidir. Patentin adından, bu cihazın kullanımının telgraf yoluyla veri iletimiyle bağlantılı olduğu düşünceleri gelir.

Modern doğrudan dönüşüm ADC'lerinden bahsedersek, aşağıdaki şemaya sahiptirler:

Bu, girdinin bir zincir olduğunu gösterir karşılaştırıcılardanbir eşik sinyalini geçtiklerinde sinyal çıkışını verir. Bu bit derinliği ve nicemleme. Devrede biraz güçlü olan herkes bile bu açık gerçeği gördü.

Kim güçlü değil, o zaman giriş devresi şu şekilde çalışır:

“+” Girişine, bir kerede bir analog sinyal girilir. "-" işaretli çıkışlar, bir dizi direnç voltajı (direnç bölücü) kullanılarak bir dizi referans gerilime ayrıştırılan referans voltajını alır. Örneğin, bu zincir için bir seri şu orana benziyor:

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

Parantez içinde, virgül, her bir giriş voltajının girişine toplam referans voltajı Uref'in hangi bölümünün sağlandığını gösterir.

yani giriş gerilimi işaretlendiğinde elemanların her birinin iki girişi vardır «+» “-” işareti ile giriş voltajını aşarsa, çıkışında mantıksal bir birim belirir. Pozitif (ters çevirmeyen) girişteki voltaj negatif (ters çevirme) girişinden daha düşük olduğunda, çıkış sıfır olur.

Gerilim, giriş gerilimi istenen basamak sayısına bölünecek şekilde bölünür. Girişteki voltaj karşılık gelen elemanın çıkışına ulaştığında, bir sinyal görünür, işlem devresi “doğru” sinyali dijital biçimde verir.

Böyle bir karşılaştırıcı veri işleme hızında iyidir, giriş devresinin tüm elemanları paralel olarak tetiklenir, bu ADC'nin ana gecikmesi karşılaştırıcının gecikme 1'inden oluşur (aynı anda aynı anda tetiklenir) ve gecikme kodlayıcıdır.

Bununla birlikte, paralel devrelerin büyük bir dezavantajı vardır - bu, yüksek çözünürlüklü ADC'ler elde etmek için çok sayıda karşılaştırıcıya ihtiyaç duyulmaktadır. Örneğin, 8 hane elde etmek için 2 ^ 8 karşılaştırıcıya ihtiyacınız vardır ve bu 256 parçaya kadar. On bit için (bu arada Arduino 10 bit ADC'de, ancak farklı türde), 1024 karşılaştırıcıya ihtiyacınız var. Böyle bir tedavi seçeneğinin uygunluğunu ve nerede gerekli olabileceğini kendiniz yargılayın.

Başka tipte ADC'ler vardır:

• ardışık yaklaşım;

• delta sigma ADC.

Sonuç

Analog sensörlerden parametreleri okumak için analog sinyalin dijitale dönüştürülmesi gerekir. Ayrı bir dijital sensör tipi vardır, bunlar ya entegre devrelerdir, örneğin DS18b20 - çıkışında zaten bir dijital sinyal vardır ve bir ADC'ye ihtiyaç duymadan herhangi bir mikrodenetleyici veya mikroişlemci veya zaten kendi dönüştürücüsü olan bir kart üzerindeki bir analog sensör tarafından işlenebilir. Her sensör tipinin gürültü bağışıklığı ve ölçüm hatası gibi artıları ve eksileri vardır.

Dönüşüm prensipleri bilgisi mikrodenetleyicilerle çalışan herkes için gereklidir, çünkü her modern sistemde bile böyle dönüştürücüler yerleşik değildir, harici mikro devreler kullanmanız gerekir. Örneğin, ADS1256'da hassas ADC ile Raspberry PI GPIO konnektörü için özel olarak tasarlanmış böyle bir anakarttan bahsedebiliriz.