Analogtan dijitale dönüştürücü

Bir analog-sayısal dönüştürücü (ADC, bazen A / D dönüştürücü , ya da İngilizce olarak ADC için Analog-Dijital Dönüştürücü veya daha basit A / D), bir bir elektronik cihaz , fonksiyonu bir çevirmek için analog miktarı bir içine dijital değer ile kodlanan birkaç bit . Dönüştürülen sinyal genellikle bir elektrik voltajıdır .

Dönüşümün sonucu aşağıdaki formülle elde edilir: burada Q, Dönüştürmenin sonucudur, Ve, dönüştürülecek voltaj, n dönüştürücünün bit sayısı ve Vref, ölçümün referans voltajıdır. Q=2değilVeVref{\ displaystyle Q = 2 ^ {n} {V_ {e} \ over V_ {ref}}}

Niceleme

Dönüştürme işlemi, bir sinyalin nicelleştirilmesine , yani en yakın nicelenmiş düzeydeki eşleştirilmesine dayanır (bu, kayan nokta sayıları için yuvarlama olgusu ile karşılaştırılabilir).

Bir sinyalin nicelendirilmesi zenginliğini azaltır (bilgi kaybı vardır), bu nedenle meydana gelen yıkıcı bir dönüşümdür.

En az anlamlı bitin değişimi ile temsil edilen ve aynı zamanda ölçüm belirsizliğinin değeri olan minimum dönüştürme adımına kuantum denir . Dönüşümün gerçekleştirildiği dönüştürücü bitlerinin sayısı ne kadar büyükse, nicelemenin sinyalin bozulmasında o kadar az etkisi vardır.

Kuantum, ölçüm doğruluğu ile referans voltajının (Vref) temel fraksiyonu olarak ifade edilir ( burada n, dönüştürücünün bit sayısıdır) . 2değil{\ displaystyle 2 ^ {n}}q=Vref2değil{\ displaystyle q = {Vref \ 2 ^ {n}}} üzerinde

Dönüştürücünün bit sayısının bir sinyalin nicemlenmesi üzerindeki etkisinin temsili

Ölçüm hatası

Dönüştürücülerin ölçümü aşağıdaki formüle dayanmaktadır: Q=2değilVeVref{\ displaystyle Q = 2 ^ {n} {V_ {e} \ over V_ {ref}}}

Bu Vref etkilerin istenmeden Varyasyon formül Q değeri gösterir: . ΔQQ=2değil⋅VeVref2⋅ΔVref2değil⋅VeVref=ΔVrefVref{\ displaystyle {\ Delta Q \ over Q} = {{{2 ^ {n} \ cdot V_ {e}} \ over V_ {ref} ^ {2}} \ cdot \ Delta V_ {ref} \ over {{ 2 ^ {n} \ cdot V_ {e}} \ over V_ {ref}}} = {\ Delta V_ {ref} \ over V_ {ref}}}

Ama Vref bu varyasyon hangi araçlar daha ½ tam ölçekli kuantum az bir hata tanıtmak gerekir: . ΔVrefVref≤12Vref2değilVref⇔ΔVrefVref≤12değil+1{\ displaystyle {\ Delta V_ {ref} \ over V_ {ref}} \ leq {1 \ over 2} {{V_ {ref} \ over 2 ^ {n}} \ over V_ {ref}} \ Leftrightarrow {\ Delta V_ {ref} \ over V_ {ref}} \ leq {1 \ over 2 ^ {n + 1}}}

Bu, dönüştürücülerin referans voltajlarının (ve güç kaynaklarının geçişindeki) kalitesinin, bunların uygulanmasının temel bir unsuru olduğu anlamına gelir.

Bit sayısının bir fonksiyonu olarak referans gerilimlerin bağıl toleransı

Bit sayısı	4 bit	8 bit	10 bit	12 bit	16 bit	20 bit	24 bit	32 bit
Hata payı	% 3.125	2 ‰	488 sayfa / dakika'ya kadar	122 sayfa / dakika'ya kadar	7,6 sayfa / dakika'ya kadar	0,47 ppm	3 ppb	0.11 ppb

Dönüştürücü teknolojisi

Dönüştürmeleri gerçekleştirmek için her biri avantajlara ve dezavantajlara sahip çeşitli dönüştürücü teknolojileri mevcuttur. Teknoloji seçimi 3 noktaya dayanmaktadır:

• Dönüşüm hızı (saatinin frekansı veya örnekleme frekansı)
• Çözünürlüğü (bit sayısı)
• Maliyeti.

Tek rampa dönüştürücü

Tek rampa dönüştürücü hayali bir nesnedir, performansı sanayileşmesine izin vermeyecek kadar zayıftır. Bu dönüştürücülerin, endüstride kullanılmayan biri analog ve diğeri dijital olmak üzere 2 versiyonu vardır.

Analog sürüm nispeten hızlıdır ancak çok kesin değildir (çift rampalı dönüştürücüler gibi analog yöntemler kullanan diğer dönüştürücülerle karşılaştırıldığında), dijital sürüm hassas ancak yavaştır (yine ardışık tartım dönüştürücüler gibi dijital teknolojileri kullanan diğer dönüştürücülerle karşılaştırıldığında).

Analog versiyon

Bir kondansatör C , bir karşılaştırıcı kullanılarak Vcap kapasitörünün voltajı ile ölçülecek voltaj karşılaştırılarak, Vref ile orantılı sabit akımda şarj edilir .

Bir sayaç kullanılarak ölçüldü zaman bir oranda bir voltaj oranına dönüştürme darbesi (Tconv) süresinin ölçülmesi ile: . TvsÖdeğilvTVref=VeVref{\ displaystyle {T_ {dönüşüm} \ over T_ {V_ {ref}}} = {V_ {e} \ over V_ {ref}}}

Bu tür bir dönüştürücü, güvenilir olabilmek için sık sık yeniden kalibrasyon gerektirir (özellikle kapasiteyi Vref'e kadar şarj etmek için gereken süre boyunca), bu, çift rampalı dönüştürücüler üzerinde çözülen bir problemdir.

Dijital versiyon

EN girişi 1'de olduğu sürece frekansı (Fe ile örnekleme frekansı) olan saat (H) oranında sayan bir n-bit sayaçtan oluşur . FH=2değil⋅Fe{\ displaystyle F_ {H} = 2 ^ {n} \ cdot F_ {e}}

Sayacın çıkışındaki dijital değer, dijitalden analoğa dönüştürücü veya DAC'de Ve ile karşılaştırılan bir Va analog voltajına dönüştürülür .

Va, Ve'den büyük olduğunda, sayma durur ve çıktıdaki Q değeri dönüşümün sonucudur.

Bu dönüştürücüler, kararlılık açısından birbirini izleyen yaklaşım dönüştürücülerle aynı performansa sahipken , ardışık tartım dönüştürücüsünün bir dönüştürme süresine sahip olduğu sayma süreleri ile ikinciden önemli ölçüde daha yavaştır . TvsÖdeğilversbenÖdeğil=2değil⋅ThÖrlÖge{\ displaystyle T_ {dönüşüm} = 2 ^ {n} \ cdot T_ {saat}}TvsÖdeğilversbenÖdeğil=(değil+1)⋅ThÖrlÖge{\ displaystyle T_ {dönüşüm} = (n + 1) \ cdot T_ {saat}}

Çift rampa dönüştürücü

İkili rampa dönüştürücü, özellikle kapasitans kaymasının etkisini iptal ederek, kullandığı analog bileşenlerin kaymasının etkilerini ortadan kaldırarak çok hassas dönüşümlere izin verir. İşlemi, bir referans ile dönüştürülecek sinyal arasındaki bir karşılaştırmaya dayanır.

Dönüşüm üç aşamada gerçekleşir:

• bir kondansatör , sabit bir süre için dönüştürülecek sinyale orantılı bir akımla şarj edilir ( sayacın tam sayım süresi );
• daha sonra kondansatör, terminallerindeki voltaj iptal edilene kadar referans voltajdan sabit bir akımla boşaltılır. Gerilim sıfır olduğunda, sayacın değeri dönüşümün sonucudur;
• Son olarak, kondansatörün terminallerindeki voltaj, birbirine yaklaşan bir dizi şarj ve deşarj ile iptal edilir (amaç, aşağıdaki ölçümü bozmamak için kondansatörü tamamen boşaltmaktır). Genelde gevşeme aşamasından bahsediyoruz.

Bu dönüştürücüler özellikle yavaştır (döngü başına birkaç on milisaniye ve bazen birkaç yüz) ve genellikle yüksek çözünürlüklere sahiptir (16 bitten fazla). Hem zaman hem de sıcaklık açısından çok az sürüklenirler.

Teknolojik olarak, Çift Rampa Dönüştürücüler yalnızca voltaj Vref'deki değişimlere veya saat frekansı seğirmesine karşı hassastır, bu da onları piyasadaki en doğru dönüştürücülerden biri haline getirir.

Delta-Sigma dönüştürücü

Bu tip dönüştürücü, bir giriş sinyalinin yüksek hızda örneklenmesi ilkesine dayanır .

Bir Delta-Sigma dönüştürücünün çalışma prensibi, bir geri besleme sisteminde bir desimatörün kullanımına dayanır.

Geri bildirim döngüsü

• Vc gerilimi (karşılaştırıcıdan gelen), Va gerilimini üretmek için Ve geriliminden çıkarılır. (DELTA)
• Va gerilimini üretmek için Vb'yi entegre ediyoruz (Vb = Vb + Va) (SIGMA)
• Vref (mantık 1) veya 0V (mantık 0) olan bir Vc voltajı üretmek için Vb'yi 0V ile karşılaştırıyoruz.

Referans voltajı 5V olan 3V'luk bir voltajın dönüşüm örneğini ele alalım.

Entegratörün temelde yüksüz olduğu kabul edilir (Vb = 0V). Şimdi eğer Vb = 0V ise o zaman Vc = 0V.

• İlk döngünün başlangıcı
  • Va = Ve - Vc = 3V
  • Vb = 0 + 3V = 3V
  • Eğer Vb = 3V ise, Vc = Vref = 5V ⇒ Desimatörde lojik 1 girişi .
• İlk döngünün sonu, ikinci döngünün başlangıcı
  • Va = Ve - Vc = 3V - 5V = -2V
  • Vb = Vb + Va = 3V - 2V = 1V
  • Eğer Vb = 1V ise, Vc = Vref = 5V ⇒ Desimatörde mantıksal 1 girişi.
• İkinci döngünün sonu, üçüncü dönemin başlangıcı
  • Va = Ve - Vc = 3V - 5V = -2V
  • Vb = Vb + Va = 1V - 2V = -1V
  • Eğer Vb = -1V, Vc = 0V ise ⇒ Decimator'da mantıksal 0 girişi.
• Üçüncü döngünün sonu, dördüncü döngünün başlangıcı
  • Va = Ve - Vc = 3V - 0V = 3V
  • Vb = Vb + Va = -1V + 3V = 2V
  • Eğer Vb = 2V ise, Vc = Vref = 5V ⇒ Desimatörde lojik 1 girişi.
• Dördüncü döngünün sonu, beşincinin başı.
  • Va = Ve - Vc = 3V - 5V = -2V
  • Vb = Vb + Va = -2V + 2V = 0V
  • Eğer Vb = 0V ise, Vc = 0V dec Desimatörde mantıksal 0 girişi.
• Beşinci döngünün sonunda, ilk döngüye geri dönüyoruz.

Decimator

Dekimatörde girilen değerlere bakarsak, giriş voltajı Ve değişmediği sürece 11010110101101011010 ... serisini sonsuz buluruz.

Bir n-bit dönüştürücü için, ilk terimleri (örneğin 4 bitlik bir dönüştürücü için ilk 16 basamak) serideki 1'deki bit sayısını sayacağız (bu nedenle, ilk 16 değer için girilen tüm örnekleri toplarsak) ), ilk 16 bit için buluruz: 1101011010110101. Yani 1 + 1 + 0 + 1 + 0 + 1 + 1 + 0 + 1 + 0 + 1 + 1 + 0 + 1 + 0 + 1 = 10. 2değil{\ displaystyle 2 ^ {n}}

Yani 16 bit için 1'de 10 bit. Dolayısıyla, dönüşümün sonucu 10'dur (onaltılık olarak A veya ikili olarak 1010).

Bu sonuç, ters yönde ilerleyerek veya (2,96875V ≤ Ve ≤ 3,28125V) ölçüm belirsizliği ile kontrol edilebilir . Vmessenre=Vref1016{\ displaystyle V_ {ölçü} = V_ {ref} {10 \ 16 üzerinde}}50V16=3,125V{\ displaystyle {50V \ 16'dan fazla} = 3,125V}Vref16=0,3125V{\ displaystyle {V_ {ref} \ 16'dan fazla} = 0,3125V}

Biz değeri 615 bulmak (dolayısıyla 2 ^ 10 = 1024 ölçümlerinin bir dizi kullanılarak) 10 bitlik bir dönüştürücü için, bu ölçümü uygulanır ise, bu nedenle, bir ölçüm sonucu (1024 bit serisi içinde 1 615 bit vardır): ile 0,004883V'luk bir ölçüm hatası. Vmessenre=Vref615210=5V6151024=3,002929V{\ displaystyle V_ {ölçü} = V_ {ref} {615 \ {2 ^ {10}}} = 5V {615 \ 1024'ün üzerinde} = 3.002929V}

Daha sonra, saatin her periyodunda dönüştürücü, gerçek ölçülen değer etrafında salınacak bir değer sağlayabilir. 4-bit dönüştürücümüzü ele alırsak, ilk ölçüm serisi: 1101011010110101, ilk örneği eleyerek ve bir sonrakini girerek, tekrar veren 1010110101101011'i buluyoruz . Vmessenre=10⋅Vref16{\ displaystyle V_ {ölçü} = {10 \ cdot V_ {ref} \ 16'dan fazla}}

Bu nedenle kontrollü bir sistem yaratılır (karşılaştırıcının çıkışı girişten çıkarılır), bu da sinyalin integralinin değerinin bir referans değer etrafında salınıma dönüştürülmesine neden olur (dönüşümün sonucu).

Özellikler

Bu nedenle, ilk dönüştürme süresi uzundur çünkü desimatörün ölçüme izin veren önemli bir toplamı sağlamak için yeterli numuneye sahip olması süreler alır , ancak bu ilk dönüştürme gerçekleştirildikten sonra, desimatorun saatinin her periyodu için bir sonuç elde edilebilir. 2değil{\ displaystyle 2 ^ {n}}

Buna ek olarak, giriş voltajı yavaşça değişirse (örnekleme periyodu başına 1 kuantumdan daha az), dönüştürücü ritmi takip edebilir ve saatin her periyoduna, 'entegratörü boşaltmaya gerek kalmadan bir dönüşüm sonucu sağlayabilir. sistem, örnekleme frekansı yüksek olduğu için daha duyarlıdır.

Hem bit sayısına (n) hem de referans voltajına (Vref) ve örnekleme frekansına (Fe) bağlı olarak sinyalin varyasyon sınırı . Örneğin, 5V'de bir Vref, 10-bit dönüştürme ve 1MHz'de çalışan bir delta-sigma dönüştürücü için: ΔV ≤ 4.88mV / µs. Ve 10 MHz'de örnekleme için 48,83 mV / µs. ΔV≤Vref⋅Fe2değil{\ displaystyle \ Delta V \ leq {V_ {ref} \ cdot F_ {e} \ 2 ^ {n}}} üzerinde

Bu tür dönüştürücünün avantajı, orta bant genişliğine sahip giriş sinyalleri için yüksek olası çıkış çözünürlüğünde (16, 24, 32 bit veya daha fazla) yatmaktadır .

Bu dönüştürücüler , bant genişliği genellikle düşük olan sensörlerden gelen analog sinyalleri dönüştürmek için uygundur (örneğin ses sinyalleri). Sigma / Delta dönüştürücüler, örneğin, CD çalarlarda dijitalden analoğa dönüştürme için kullanılır .

Sigma-Delta teknolojileri neredeyse tamamen tek veya çift rampa teknolojilerinin yerini almıştır.

Delta-Sigma'nın temel teknolojik kusurları, Vref değerine olan büyük hassasiyetlerine ek olarak (bu, tüm dönüştürücüler için ortak bir sorundur, ancak bit sayısı keskin bir şekilde arttığında özellikle hassastır), karşılaştırıcının histerizinden kaynaklanır ( 1'den 0'a ve 0'dan 1'e değişim arasındaki fark anahtarlama eşikleri) ve entegratör ( AOP kaçak akımlarıyla ilgili ölçüm sırasında entegrasyon sapması ).

Ardışık yaklaşım dönüştürücü

Kompozisyon açısından dijital tek rampalı dönüştürücülere çok benzeyen ardışık yaklaşım dönüştürücüler ( ADC ardışık yaklaştırma  ; aynı zamanda ardışık tartım dönüştürücüler olarak da adlandırılır) bir analog voltajı dijital olarak çevirmek için bir ikiye bölünme işlemi kullanır.

Bir dizi oluşturma (genellikle SAR adı ardışık yazmaç yaklaşım bir bağlanmış), DAC sinyal dönüştürülecek göre bir analog voltaj üretir. Bu karşılaştırmanın sonucu daha sonra, tamamlanana kadar dikotomi sürecinin geri kalanı için onu hesaba katacak olan SAR'a yeniden dahil edilir.

3V'luk bir analog voltajın 5V'luk bir Vref ile ardışık tartımları olan 4 bitlik bir analog-dijital dönüştürücü ile dönüşüm örneğimizi ele alalım.

Örneğimizde daha ileri gitmeden önce, 0000 kodu için 0V (10 tabanında 0) ile 1111 kodu için 4.6875V (10 tabanında 15) arasında değişen voltajlar üreten CNA'nın rolünü tanımlamalıyız, bu maksimum değerdir. DAC çıktısının alabileceği. Bu, hesaplamanın geri kalanında Vref = 4.6875V alınarak dikkate alınacaktır.

DAC sayesinde, ardışık bir tartım dönüştürücü her zaman varsayılan bir değer verir (tam sayıya yuvarlanır).

Adım adım analiz

• SAR, en önemli kısmını 1'e ayarlar.
  • DAC daha sonra voltajla sonuçlanan 1000 ikili kodu alır . Sonuç Ve ile karşılaştırılır.V=815Vref=2,5V{\ displaystyle V = {8 \ 15'in üzerinde} V_ {ref} = 2,5V}
  • Ve V'den büyük olduğu için, karşılaştırıcının çıkışı SAR'da mantık seviyesi 1'e girer.
  • En önemli bit 1'e ayarlanmıştır.
• SAR, ikinci en önemli biti 1'e ayarlar.
  • DAC daha sonra voltajla sonuçlanan ikili kod 1100'ü alır . Sonuç Ve ile karşılaştırılır.V=1215Vref=3,75V{\ displaystyle V = {12 \ 15'in üzerinde} V_ {ref} = 3,75V}
  • Ve V'den daha küçük olduğundan, karşılaştırıcının çıkışı SAR'da mantık seviyesi 0'a girer.
  • 0'a ayarlanan bit, ikinci güçlü bit için 1'in yerini alır.
• SAR, üçüncü en önemli biti 1'e ayarlar.
  • DAC daha sonra voltajla sonuçlanan 1010 ikili kodunu alır . Sonuç Ve ile karşılaştırılır.V=1015Vref=3,125V{\ displaystyle V = {10 \ 15'in üzerinde} V_ {ref} = 3,125V}
  • Ve V'den daha küçük olduğundan, karşılaştırıcının çıkışı SAR'da mantık seviyesi 0'a girer.
  • 0'a ayarlanan bit, üçüncü güçlü bit için 1'in yerini alır.
• SAR, dördüncü en önemli biti 1'e ayarlar.
  • DAC daha sonra voltajla sonuçlanan 1001 ikili kodunu alır . Sonuç Ve ile karşılaştırılır.V=915Vref=2,8125V{\ displaystyle V = {9 \ 15'in üzerinde} V_ {ref} = 2.8125V}
  • Ve V'den büyük olduğu için, karşılaştırıcının çıkışı SAR'da mantık seviyesi 1'e girer.
  • Dördüncü en önemli bit 1'e ayarlanmıştır.

Nihai sonuç şu şekildedir: 1001 ikili veya 9 (10 veya 16 bazında) 0,3125V belirsizlikle, dolayısıyla 2,8125V ile 3,125V arasındadır.

SAR'ın Evrimi

1	0	0	0		2.5V	1
1	1	0	0		3,75V	0
1	0	1	0		3,125V	0
1	0	0	1		2.8125V	1

Özellikler

Ardışık yaklaşım dönüştürücüler, yaklaşık bir düzine bitlik çözünürlükler için mikrosaniye düzeyinde dönüşüm sürelerine sahiptir. Ardışık tartım dönüştürücüler en popüler analogdan dijitale dönüştürücülerdir, bu türden bir veya daha fazla dönüştürücü genellikle her mikro denetleyicide bulunur.

Bir DAC kullanımıyla bağlantılı (ve daha önce işlenmiş) etkilere ve Vref voltajına duyarlılığa ek olarak, ardışık tartım konvertörü yalnızca karşılaştırıcının histerezis etkilerinden muzdariptir.

Flaş dönüştürücü

FLASH dönüştürücüler , bir gerilim bölücüsünde gerilimleri üretmek için bir direnç ağı kullanır ve bu, bir karşılaştırıcılar ağında dönüştürülecek gerilimle karşılaştırılır, ardından bir bellek kullanılarak elde edilen kod n bitlik bir değere çevrilir. 2değil{\ displaystyle 2 ^ {n}}2değil-1{\ displaystyle 2 ^ {n} -1}2değil-1{\ displaystyle 2 ^ {n} -1}

Dirençler her terminallerinde elde edilen voltaj sonra karşılaştırılmıştır sinyal dönüştürülecek olan karşılaştırıcılar. 2DEĞİL-1{\ displaystyle 2 ^ {N} -1 \;}2DEĞİL-1{\ displaystyle 2 ^ {N} -1 \;}

Bu karşılaştırıcılara bağlanan bir kombinasyonel mantık bloğu , paralel olarak bitler üzerinde kodlanmış sonucu verecektir . DEĞİL{\ displaystyle N \;}

Bu dönüştürme tekniği çok hızlıdır, ancak bileşenler açısından pahalıdır ve bu nedenle video gibi kritik uygulamalar için kullanılır .

Dönüşümün iyi doğrusallığını sağlamak zordur, çünkü bu, tüm dirençlerin, çok sayıda direnç olduğu için daha büyük bir hassasiyetle eşit olmasını gerektirir.

Flash dönüştürücüler bir mikrosaniyeden daha az dönüştürme sürelerine sahiptir, ancak çözünürlüğü düşüktür (8 bit düzeyinde) ve genellikle çok pahalıdır.

Yarı flaş boru hattı dönüştürücüler

Toplam karşılaştırıcı sayısını sınırlamak için, bu dönüştürücüler, birbirine bağlı düşük hassasiyetli (tipik olarak 3 veya 4 bit) birkaç flaş aşaması kullanır.

Her flaş , çıkışı analog giriş sinyalinden çıkarılan bir dijitalden analoğa dönüştürücüyü çalıştırır .

Bir sonraki aşama, farkın sonucunu kodlar ve böylece nihai hassasiyeti iyileştirir. Yarı flaş dönüştürücü, tüm işlemleri tek bir saat döngüsünde gerçekleştirir ve bu da hızını zincir boyunca toplam yayılma süresiyle sınırlar.

Bunun aksine, bir boru hattı dönüştürücü, her aşama için bir saat döngüsü kullanır. Bu sıralama, bir örnekleyici ve tutulması ve her aşama için bir kayıt gerektirir, ancak birkaç örnek aynı anda işlendiğinden daha hızlı olmasına izin verir.

Ayrıca görün

• Dijitalden analoğa dönüştürücü
• Örnekleme (sinyal)
• Sayısallaştırma
• Niceleme (sinyal)
• Video sunucusu