Что такое АЦП (аналогово-цифровой преобразователь)? Как они работают?

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) чрезвычайно полезен для преобразования явлений реального мира в значения, которые мы можем использовать в проектах программирования. Но как АЦП может преобразовывать аналоговые сигналы в цифровые, которые мы можем использовать где угодно?

Для чего используется АЦП?

Вы найдете АЦП повсюду. Они находятся в вашем телефоне и преобразуют ваш голос в строку двоичных значений. Они в твоей машине, измеряют вращение колёс. Они расположены в осциллографе (осциллографе), который помогает улавливать сигналы и представлять их. Однако большинство людей будут использовать их в мире видео и аудио, где привнесение света и звука в цифровое пространство имеет основополагающее значение.

Что такое частота дискретизации? Как частота дискретизации влияет на АЦП?

Одним из наиболее важных показателей АЦП является частота дискретизации: количество показаний, выполняемых в секунду.

Высококлассный осциллограф может снимать 10 миллиардов выборок в секунду. В мире аудио типичной является частота дискретизации 44 100 в секунду (44,1 кГц).

Чем больше выборок взято, тем точнее отображается сигнал. Иногда это необходимо; иногда нет. Допустим, вы создаете банк фейдеров (предназначенный для управления электронными устройствами) с несколькими десятками потенциометров. В этом случае значения, которые вам нужно измерить, вряд ли будут меняться миллионы раз в секунду, потому что ваши пальцы не могут двигаться так быстро. Вам нужно только достаточно образцов, чтобы получить плавный и отзывчивый результат.

Что такое битрейт? Влияет ли битрейт на качество АЦП?

Вам также следует подумать о качестве получаемого вами образца. Это во многом определяется битрейтом, который сообщает нам, сколько состояний включения-выключения можно использовать для представления напряжения в цифровой форме. Чем больше у нас битов, тем больше возможных значений мы можем записать в любой заданной выборке, поэтому конечный результат будет более плавным и точным.

Итак, сколько бит нам нужно? Опять же, это зависит от того, чего мы пытаемся достичь. Иногда мы можем быть ограничены используемым протоколом. Например, протокол MIDI 1.0 ограничен 7-битными (а иногда и 14-битными) значениями. В других случаях ограничивающим фактором может быть человеческое восприятие. Если повышение точности не приводит к заметному улучшению результатов, возможно, оно не стоит затрат.

Как мультиплексирование улучшает качество АЦП?

Популярные микросхемы АЦП, такие как ADS1115 и MCP3008, имеют несколько входов. Но на самом деле они содержат внутри только один АЦП. Это возможно благодаря встроенным в эти устройства мультиплексорам или схемам мультиплексирования. Мультиплексоры присутствуют повсюду в мире электроники и телекоммуникаций. Это цифровые коммутаторы, которые управляют трафиком вашего АЦП. АЦП может производить выборку одного канала, а затем последующих каналов. Таким образом, если у вас 8 каналов и частота дискретизации 200 000, вы можете циклически просмотреть их все, беря по 25 000 выборок на канал.

Какие типы АЦП существуют?

АЦП работают по-разному, в зависимости от стоимости и требуемых возможностей.

Flash ADC работает через очень сложный делитель напряжения. Ряд резисторов делит опорное напряжение на приращения, которые затем сравниваются с входным сигналом через ряд схем компаратора. Флэш-АЦП работают молниеносно, но их разрядность ограничена из-за количества требуемых компараторов.

Поддиапазонные АЦП стремятся компенсировать эти недостатки, разделив работу на две отдельные части: одна, которая приблизительно рассчитывает напряжение, и вторая, которая его точно рассчитывает. Разбивая вещи, мы можем уменьшить количество компараторов. Некоторые кластеризирующие АЦП разделяют работу на три этапа со встроенной коррекцией ошибок на протяжении всего процесса.

ADC SAR (регистр последовательного приближения) выполняет свою работу посредством двоичного поиска. Допустим, нам нужно заполнить 8 бит. SAR будет начинаться с 10000000, что является средним значением (00000000 — нижнее, а 11111111 — верхнее). Если напряжение превышает эту среднюю точку, SAR сохранит самую левую цифру как 1; в противном случае SAR установит самую левую цифру в 0. Мы можем повторить процесс с последующими цифрами рекурсивно. Это приведет к тому, что предполагаемое значение постепенно приблизится к реальному значению:

Таким образом, мы постоянно сужаем поиск, разделяя возможности на две части и спрашивая, является ли результат выше или ниже средней точки. В этом случае значение находится в диапазоне от 0 до 255; После нескольких итераций АЦП выяснил, что это около 77.

Сигма-дельта преобразователь, пожалуй, самый запутанный. Они используются для высокоточных приложений измерения музыки и сигналов.

Они работают путем выборки сигнала и точной настройки результатов с помощью фильтров и чрезвычайно сложных математических вычислений. Этот процесс эффективно снижает частоту дискретизации, одновременно повышая точность. Эти АЦП отлично подходят, когда шум и точность важнее скорости.

Наконец, у нас есть Интегрирующий АЦП, который работает даже медленнее, чем сигма-дельта. Они работают с помощью конденсатора, по скорости заряда которого можно определить входное напряжение. Частота дискретизации здесь часто синхронизируется с частотой сети, что позволяет свести шум к минимуму.

В приведенной выше статье вы познакомились с темой «Что такое АЦП (аналогово-цифровой преобразователь)? Как они работают?». СоветыНадейтесь, что эта статья вам поможет! Если эта статья кажется вам интересной и полезной, не забудьте поделиться ею. Спасибо!