Hvad er analog til digital konverter og dens arbejde

Hvad er analog til digital konverter og dens arbejde

Næsten alle miljømæssige målbare parametre er i analog form som temperatur, lyd, tryk, lys osv. Overvej en temperatur overvågningssystem hvor indsamling, analyse og behandling af temperaturdata fra sensorer ikke er mulig med digitale computere og processorer. Derfor har dette system brug for en mellemindretning til at konvertere de analoge temperaturdata til digitale data for at kommunikere med digitale processorer som mikrokontroller og mikroprocessorer. Analog til digital konverter (ADC) er et elektronisk integreret kredsløb, der bruges til at konvertere de analoge signaler såsom spændinger til digital eller binær form bestående af 1s og 0s. De fleste af ADC'erne tager en spændingsindgang som 0 til 10V, -5V til + 5V osv., Og producerer tilsvarende digital udgang som en slags binært tal.



Hvad er analog til digital konverter?

En konverter, der bruges til at ændre det analoge signal til digital, er kendt som en analog til digital konverter eller ADC-konverter. Denne konverter er en slags integreret kredsløb eller IC, der konverterer signalet direkte fra kontinuerlig form til diskret form. Denne konverter kan udtrykkes i A / D, ADC, A til D. Den omvendte funktion af DAC er intet andet end ADC. Analog til digital konverter symbol vises nedenfor.


Processen med at konvertere et analogt signal til digitalt kan udføres på flere måder. Der findes forskellige typer ADC-chips på markedet fra forskellige producenter som ADC08xx-serien. Så en simpel ADC kan designes ved hjælp af diskrete komponenter.





De vigtigste funktioner i ADC er samplingshastighed og bitopløsning.

  • Samplingshastigheden for en ADC er intet andet end hvor hurtigt en ADC kan konvertere signalet fra analog til digital.
  • Bitopløsning er intet andet end hvor meget nøjagtighed en analog til digital konverter kan konvertere signalet fra analog til digital.
Analog til digital konverter

Analog til digital konverter



En af de største fordele ved ADC-konverter er den høje dataopsamlingshastighed, selv ved multipleksede indgange. Med opfindelsen af ​​en bred vifte af ADC integrerede kredsløb (IC'er), dataopsamling fra forskellige sensorer bliver mere nøjagtige og hurtigere. Dynamiske egenskaber ved ADC'erne med høj ydeevne er forbedret målingers repeterbarhed, lavt strømforbrug, præcis gennemstrømning, høj linearitet, fremragende signal-til-støj-forhold (SNR) og så videre.

En række anvendelser af ADC'erne er måle- og kontrolsystemer, industriel instrumentering, kommunikationssystemer og alle andre sensoriske baserede systemer. Klassificering af ADC'er baseret på faktorer som ydeevne, bithastigheder, effekt, pris osv.


ADC-blokdiagram

Blokdiagrammet for ADC er vist nedenfor, som inkluderer prøve, hold, kvantiser og indkoder. Processen med ADC kan udføres som følgende.

For det første tilføres det analoge signal til den første blok, nemlig en prøve, hvor den kan samples med en nøjagtig samplingsfrekvens. Amplitude-værdien af ​​prøven som en analog værdi kan opretholdes såvel som holdes inden for den anden blok som Hold. Holdeprøven kan kvantificeres til diskret værdi gennem den tredje blok ligesom kvantisering. Endelig ændrer den sidste blok som koderen den diskrete amplitude til et binært tal.

I ADC kan konvertering af signalet fra analog til digital forklares gennem ovenstående blokdiagram.

Prøve

I prøveblokken kan det analoge signal samples med et nøjagtigt tidsinterval. Prøverne anvendes i kontinuerlig amplitude og har reel værdi, men de er diskrete med hensyn til tid. Under konvertering af signalet spiller samplingsfrekvensen en vigtig rolle. Så det kan opretholdes i en nøjagtig hastighed. Baseret på systemkravet kan samplingsfrekvensen fastsættes.

Holde

I ADC er HOLD den anden blok, og den har ingen funktion, fordi den simpelthen holder prøveamplituden, indtil den næste prøve er taget. Værdien af ​​tilbageholdelse ændres ikke før den næste prøve.

Kvantiser

I ADC er dette den tredje blok, der hovedsagelig bruges til kvantisering. Hovedfunktionen ved dette er at konvertere amplituden fra kontinuerlig (analog) til diskret. Værdien af ​​kontinuerlig amplitude inden for holdblok bevæger sig gennem kvantiseringsblok for at blive diskret i amplitude. Nu vil signalet være i digital form, fordi det inkluderer diskret amplitude såvel som tid.

Koder

Den sidste blok i ADC er en indkoder, der konverterer signalet fra digital form til binær. Vi ved, at en digital enhed fungerer ved hjælp af binære signaler. Så det er nødvendigt at ændre signalet fra digitalt til binært ved hjælp af en indkoder. Så dette er hele metoden til at ændre et analogt signal til digitalt ved hjælp af en ADC. Den tid, det tager for hele konverteringen, kan ske inden for en mikrosekund.

Analog til digital konverteringsproces

Der er mange metoder til at konvertere analoge signaler til digitale signaler. Disse konvertere finder flere applikationer som en mellemliggende enhed til at konvertere signalerne fra analog til digital form, vise output på LCD gennem en mikrocontroller. Formålet med en A / D-konverter er at bestemme det udgangssignalord, der svarer til et analogt signal. Nu skal vi se en ADC på 0804. Det er en 8-bit konverter med en 5V strømforsyning. Det kan kun tage et analogt signal som input.

Analog til digital konverter til signal

Analog til digital konverter til signal

Den digitale udgang varierer fra 0-255. ADC har brug for et ur til at fungere. Den tid, det tager at konvertere den analoge til den digitale værdi, afhænger af urkilden. Et eksternt ur kan gives til CLK IN-pin nr. 4. Et passende RC-kredsløb er forbundet mellem uret IN og ur R-benene for at bruge det interne ur. Pin2 er indgangsstiften - Høj til lav puls bringer dataene fra det interne register til outputstifterne efter konvertering. Pin3 er en skriv - Lav til høj puls gives til det eksterne ur. Pin11 til 18 er datapinde fra MSB til LSB.

Analog til digital konverter prøver det analoge signal på hver faldende eller stigende kant af prøveuret. I hver cyklus får ADC det analoge signal, måler det og konverterer det til en digital værdi. ADC konverterer outputdataene til en række digitale værdier ved at tilnærme signalet med fast præcision.

I ADC'er bestemmer to faktorer nøjagtigheden af ​​den digitale værdi, der fanger det originale analoge signal. Disse er kvantiseringsniveau eller bithastighed og samplingshastighed. Nedenstående figur viser, hvordan analog til digital konvertering finder sted. Bithastighed bestemmer opløsningen af ​​digitaliseret output, og du kan se i nedenstående figur, hvor 3-bit ADC bruges til at konvertere det analoge signal.

Analog til digital konverteringsproces

Analog til digital konverteringsproces

Antag, at et volt signal skal konverteres fra digitalt ved hjælp af 3-bit ADC som vist nedenfor. Derfor er i alt 2 ^ 3 = 8 divisioner tilgængelige til at producere 1V output. Dette resulterer 1/8 = 0,125V kaldes som minimumændring eller kvantiseringsniveau repræsenteret for hver division som 000 for 0V, 001 for 0,125 og ligeledes op til 111 for 1V. Hvis vi øger bithastighederne som 6, 8, 12, 14, 16 osv., Får vi en bedre præcision af signalet. Således giver bithastighed eller kvantisering den mindste outputændring i den analoge signalværdi, der skyldes en ændring i den digitale repræsentation.

Antag, at hvis signalet er omkring 0-5V, og vi har brugt 8-bit ADC, er den binære udgang på 5V 256. Og for 3V er det 133 som vist nedenfor.

ADC-formel

Der er en absolut chance for forkert at gengive indgangssignalet på udgangssiden, hvis det samples med en anden frekvens end den ønskede. Derfor er en anden vigtig overvejelse af ADC samplingshastigheden. Nyquist-sætningen siger, at den erhvervede signalrekonstruktion introducerer forvrængning, medmindre den samples med (minimum) det dobbelte af hastigheden af ​​signalets største frekvensindhold, som du kan observere i diagrammet. Men denne hastighed er 5-10 gange den maksimale frekvens af signalet i praksis.

Samplingshastighed for analog til digital konverter

Samplingshastighed for analog til digital konverter

Faktorer

ADC-præstationen kan evalueres gennem dens præstation baseret på forskellige faktorer. Ud fra det forklares følgende to hovedfaktorer nedenfor.

SNR (Signal-til-støj-forhold)

SNR afspejler det gennemsnitlige antal bits uden støj i en bestemt prøve.

Båndbredde

Båndbredden for en ADC kan bestemmes ved at estimere samplingshastigheden. Den analoge kilde kan samples pr. Sekund for at producere diskrete værdier.

Typer af analoge til digitale konvertere

ADC fås i forskellige typer og nogle af typerne analog til digital konvertere omfatte:

  • Dual Slope A / D-konverter
  • Flash A / D-konverter
  • Successiv Tilnærmelse A / D-konverter
  • Semi-flash ADC
  • Sigma-Delta ADC
  • ADC med rørledning

Dual Slope A / D-konverter

I denne type ADC-konverter genereres sammenligningsspænding ved hjælp af et integratorkredsløb, der er dannet af en modstand, kondensator og operationel forstærker kombination. Ved den indstillede værdi af Vref genererer denne integrator en savtandbølgeform på dens output fra nul til værdien Vref. Når integratorbølgeformen startes, begynder tælleren tilsvarende at tælle fra 0 til 2 ^ n-1, hvor n er antallet af bit ADC.

Dual Slope Analog til Digital Converter

Dual Slope Analog til Digital Converter

Når indgangsspændingen Vin er lig med bølgeformens spænding, registrerer styrekredsløbet tællerværdien, som er den digitale værdi af den tilsvarende analoge indgangsværdi. Denne ADC med to skråninger er en enhed med relativt mellemlang pris og langsom hastighed.

Flash A / D-konverter

Denne ADC-konverter IC kaldes også parallel ADC, som er den mest anvendte effektive ADC med hensyn til dens hastighed. Dette flash-analog til digital-omformerkredsløb består af en række komparatorer, hvor hver sammenligner indgangssignalet med en unik referencespænding. Ved hver komparator vil udgangen være i en høj tilstand, når den analoge indgangsspænding overstiger referencespændingen. Denne output gives yderligere til prioritetskoder til generering af binær kode baseret på højere ordens inputaktivitet ved at ignorere andre aktive input. Denne flashtype er en høj- og højhastighedsenhed.

Flash A / D-konverter

Flash A / D-konverter

Efterfølgende tilnærmelse A / D-konverter

SAR ADC er en mest moderne ADC IC og meget hurtigere end dobbelt hældning og flash ADC'er, da den bruger en digital logik, der konvergerer den analoge indgangsspænding til den nærmeste værdi. Dette kredsløb består af en komparator, outputlåse, successivt tilnærmelsesregister (SAR) og D / A-konverter.

Efterfølgende tilnærmelse A / D-konverter

Efterfølgende tilnærmelse A / D-konverter

I starten nulstilles SAR, og når overgangen LAV til HØJ introduceres, indstilles MSB for SAR. Derefter gives denne udgang til D / A-konverteren, der producerer en analog ækvivalent til MSB, yderligere sammenlignes den med den analoge indgang Vin. Hvis komparatoroutputtet er LAV, vil MSB blive ryddet af SAR, ellers vil MSB blive sat til den næste position. Denne proces fortsætter, indtil alle bits er forsøgt, og efter Q0 får SAR de parallelle outputlinjer til at indeholde gyldige data.

Semi-flash ADC

Disse typer af analoge til digitale konvertere fungerer hovedsageligt omtrent deres begrænsningsstørrelse gennem to separate flashkonvertere, hvor hver konverteropløsning er halvdelen af ​​bitene til semi-flush-enheden. Kapaciteten af ​​en enkelt flashkonverter er, den håndterer MSB'erne (mest betydningsfulde bits), mens den anden håndterer LSB'en (mindst vigtige bits).

Sigma-Delta ADC

Sigma Delta ADC (ΣΔ) er ret nyt design. Disse er ekstremt langsomme sammenlignet med andre former for design, men de tilbyder den maksimale opløsning til alle slags ADC. De er således ekstremt kompatible med high-fidelity-baserede lydapplikationer, men de kan normalt ikke bruges, hvor der kræves høj BW (båndbredde).

ADC med rørledning

Rørledte ADC'er er også kendt som underliggende kvantiseringsmidler, der i koncept er relateret til successive tilnærmelser, selvom de er mere sofistikerede. Mens successive tilnærmelser vokser gennem hvert trin ved at gå til næste MSB, bruger denne ADC følgende proces.

  • Det bruges til en grov konvertering. Derefter evaluerer den ændringen mod indgangssignalet.
  • Denne konverter fungerer som en bedre konvertering ved at muliggøre en midlertidig konvertering med en række bits.
  • Normalt tilbyder rørledningsdesign et centralt sted blandt SAR'er samt flashanalog til digitale konvertere ved at afbalancere dens størrelse, hastighed og høj opløsning.

Eksempler på analog til digital konverter

Eksemplerne på analog til digital konverter er beskrevet nedenfor.

ADC0808

ADC0808 er en konverter, der har 8 analoge indgange og 8 digitale udgange. ADC0808 giver os mulighed for at overvåge op til 8 forskellige transducere ved kun at bruge en enkelt chip. Dette eliminerer behovet for ekstern nul- og fuldskalajusteringer.

ADC0808 IC

ADC0808 IC

ADC0808 er en monolitisk CMOS-enhed, tilbyder høj hastighed, høj nøjagtighed, minimal temperaturafhængighed, fremragende langvarig nøjagtighed og repeterbarhed og bruger minimal strøm. Disse funktioner gør denne enhed ideel til applikationer fra proces- og maskinstyring til forbruger- og bilapplikationer. Stiftdiagrammet til ADC0808 er vist i nedenstående figur:

Funktioner

De vigtigste funktioner i ADC0808 inkluderer følgende.

  • Let interface til alle mikroprocessorer
  • Ingen nul- eller fuldskalatilpasning krævet
  • 8-kanals multiplexer med adresselogik
  • 0V til 5V inputområde med enkelt 5V strømforsyning
  • Udgange opfylder TTL spændingsniveau specifikationer
  • Carrier chip pakke med 28-pin

specifikationer

Specifikationerne for ADC0808 inkluderer følgende.

  • Opløsning: 8 bit
  • Total ujusteret fejl: ± ½ LSB og ± 1 LSB
  • Enkeltforsyning: 5 VDC
  • Lav effekt: 15 mW
  • Konverteringstid: 100 μs

Generelt kan ADC0808-indgangen, der skal skiftes til digital form, vælges ved anvendelse af tre adresselinjer A, B, C, som er ben 23, 24 og 25. Trinstørrelsen vælges afhængigt af den indstillede referenceværdi. Trinstørrelse er ændringen i den analoge indgang for at forårsage en enhedsændring i udgangen af ​​ADC. ADC0808 har brug for et eksternt ur til at fungere, i modsætning til ADC0804, som har et internt ur.

Den kontinuerlige 8-bit digitale udgang svarende til den øjeblikkelige værdi af den analoge indgang. Det mest ekstreme niveau af indgangsspændingen skal reduceres proportionalt til + 5V.

ADC 0808 IC kræver et urssignal på typisk 550 kHz, ADC0808 bruges til at konvertere dataene til digital form, der kræves til mikrocontrolleren.

Anvendelse af ADC0808

ADC0808 har mange applikationer her, vi har givet nogle ansøgninger om ADC:

Fra nedenstående kredsløb er uret, start- og EOC-stikkene forbundet til en mikrokontroller. Generelt har vi 8 indgange her, vi bruger kun 4 indgange til operationen.

ADC0808 kredsløb

ADC0808 kredsløb

  • LM35-temperatursensoren bruger, som er tilsluttet de første 4 indgange fra den analoge til digitale konverter IC. Sensoren har 3 ben, dvs. VCC, GND og outputben, når sensoren opvarmes, spændingen ved output øges.
  • Adresselinierne A, B, C er forbundet til mikrocontrolleren for kommandoerne. I dette følger afbrydelsen den lave til høje drift.
  • Når startstiften holdes høj, begynder ingen konvertering, men når startstiften er lav, starter konverteringen inden for 8 tidsperioder.
  • På det tidspunkt, hvor konverteringen er afsluttet, går EOC-stiften lavt for at indikere slutningen af ​​konverteringen og data klar til afhentning.
  • Output muliggør (OE) hæves derefter højt. Dette gør det muligt for TRI-STATE-udgangene, så dataene kan læses.

ADC0804

Vi ved allerede, at analog-til-digital-konvertere (ADC'er) er de mest anvendte enheder til informationssikring for at oversætte de analoge signaler til digitale numre, så mikrocontrolleren let kan læse dem. Der er mange ADC-konvertere som ADC0801, ADC0802, ADC0803, ADC0804 og ADC080. I denne artikel skal vi diskutere ADC0804-konverteren.

ADC0804

ADC0804

ADC0804 er en meget almindeligt anvendt 8-bit analog til digital konverter. Det fungerer med 0V til 5V analog indgangsspænding. Den har enkelt analogindgang og 8-digitale udgange. Konverteringstid er en anden vigtig faktor ved vurderingen af ​​en ADC, i ADC0804 varierer konverteringstiden afhængigt af de uretsignaler, der anvendes på CLK R- og CLK IN-stifter, men den kan ikke være hurtigere end 110 μs.

Stiftbeskrivelse af ADC804

Pin 1 : Det er en chipvalgtap og aktiverer ADC, aktiv lav

Pin 2: Det er en indgangsstift med høj til lav puls, der bringer data fra interne registre til udgangsstiftene efter konvertering

Pin 3: Det er en indgangsstift, der giver lav til høj puls for at starte konverteringen

Pin 4: Det er en urindgangsstift, der giver det eksterne ur

Pin 5: Det er en output pin, går lavt, når konverteringen er afsluttet

Pin 6: Analog ikke-inverterende input

Pin 7: Analog inverterende input, det er normalt jordet

Pin 8: Jord (0V)

Pin 9: Det er en indgangsstift, indstiller referencespændingen til den analoge indgang

Pin 10: Jord (0V)

Pin 11 - Pin 18: Det er en 8-bit digital output pin

Pin 19: Bruges med Clock IN-pin, når der bruges intern urkilde

Pin 20: Forsyningsspænding 5V

Funktioner i ADC0804

De vigtigste funktioner i ADC0804 inkluderer følgende.

  • 0V til 5V analog indgangsspændingsområde med enkelt 5V forsyning
  • Kompatibel med mikrokontrollere er adgangstiden 135 ns
  • Let interface til alle mikroprocessorer
  • Logiske ind- og udgange opfylder både MOS og TTL spændingsniveau specifikationer
  • Arbejder med 2,5V (LM336) spændingsreference
  • On-chip urgenerator
  • Ingen nuljustering kræves
  • 0,3 [Prime] standardbredde 20-polet DIP-pakke
  • Betjener forholdet metrisk eller med 5 VDC, 2,5 VDC eller analog spændingsjusteret spændingsreference
  • Differentielle analoge spændingsindgange

Det er en 8-bit konverter med en 5V strømforsyning. Det kan kun tage et analogt signal som input. Den digitale udgang varierer fra 0-255. ADC har brug for et ur til at fungere. Den tid, det tager at konvertere den analoge til den digitale værdi, afhænger af urkilden. Et eksternt ur kan gives til CLK IN. Pin2 er indgangsstiften - Høj til lav puls bringer dataene fra det interne register til outputstifterne efter konvertering. Pin3 er en skriv - Lav til høj puls gives til det eksterne ur.

Ansøgning

Fra det enkle kredsløb er pin 1 i ADC forbundet til GND, hvor pin4 er forbundet til GND gennem en kondensatorstift 2, 3 og 5 i ADC er forbundet til 13, 14 og 15 ben på mikrocontrolleren. Ben 8 og 10 er kortsluttet og forbundet til GND, 19 ben på ADC er til 4. ben gennem modstand 10k. Pin 11 til 18 i ADC er forbundet til 1 til 8 ben på mikrocontrolleren, der hører til port 1.

ADC0804 kredsløb

ADC0804 kredsløb

Når den logiske høje anvendes til CS og RD, er input blevet uret gennem 8-bit skifteregisteret, der fuldfører den specifikke absorptionshastighed (SAR) søgning, ved den næste urpuls overføres det digitale ord til tri-state output. Afbrydelsens output er inverteret for at give et INTR-output, der er højt under konvertering og lavt, når konverteringen er afsluttet. Når en lav er på både CS og RD, påføres en udgang til DB0 gennem DB7-udgange, og afbrydelsen nulstilles. Når enten CS- eller RD-indgangene vender tilbage til en høj tilstand, deaktiveres DB0 til DB7-udgange (returneres til højimpedanstilstanden). Afhængig af logikken varieres spændingen således fra 0 til 5V, der transformeres til en digital værdi med 8-bit opløsning, der tilføres som input til mikrocontrolport 1.

ADC0804 Komponenter Brugte projekter
ADC0808 Komponenter Brugte projekter

ADC-test

Testningen af ​​analog til digital konverter kræver primært en analog indgangskilde såvel som hardware til at transmittere styresignalerne samt til at fange digitale data o / p. Nogle typer ADC'er har brug for en præcis referencesignalkilde. ADC kan testes ved hjælp af følgende nøgleparametre

  • DC offset-fejl
  • Effekttab
  • DC-gevinstfejl
  • Rasende gratis dynamisk rækkevidde
  • SNR (signal / støjforhold)
  • INL eller integreret ikke-linearitet
  • DNL eller differentiel ikke-linearitet
  • THD eller total harmonisk forvrængning

Test af ADC'er eller Analog-til-digitale konvertere udføres hovedsageligt af flere grunde. Bortset fra grunden, samfundet med IEEE Instrumentation & Measurement, blev bølgeformgenererings- og analysekomiteen udviklet IEEE-standarden for ADC til terminologi samt testmetoder. Der er forskellige generelle testopsætninger, der inkluderer Sine Wave, arbitrær bølgeform, trinbølgeform og feedbacksløjfe. For at bestemme analoge til digitale konverters stabile ydeevne anvendes forskellige metoder som servobaseret, rampebaseret, ac-histogram-teknik, trekant-histogram-teknik og den fysiske teknik. Den ene teknik, der bruges til dynamisk test, er sinusbølgetest.

Anvendelser af analog til digital konverter

Ansøgningerne fra ADC inkluderer følgende.

  • På nuværende tidspunkt øges brugen af ​​digitale enheder. Disse enheder fungerer ud fra det digitale signal. En analog til digital konverter spiller en nøglerolle i sådanne slags enheder til at konvertere signalet fra analog til digital. Anvendelserne af analoge til digitale konvertere er ubegrænsede, hvilket diskuteres nedenfor.
  • AC (klimaanlæg) inkluderer temperatursensorer til at opretholde temperaturen i rummet. Så denne konvertering af temperatur kan ske fra analog til digital ved hjælp af ADC.
  • Det bruges også i et digitalt oscilloskop til at konvertere signalet fra analog til digital til visning.
  • ADC bruges til at konvertere det analoge stemmesignal til digitalt i mobiltelefoner, fordi mobiltelefoner bruger digitale stemmesignaler, men faktisk er stemmesignalet i form af analogt. Så ADC bruges til at konvertere signalet, før signalet sendes mod mobiltelefonens sender.
  • ADC bruges i medicinsk udstyr som MR og røntgen til at konvertere billederne fra analoge til digitale inden ændringer.
  • Kameraet i mobilen bruges hovedsageligt til optagelse af billeder såvel som videoer. Disse gemmes på den digitale enhed, så disse konverteres til digital form ved hjælp af ADC.
  • Kassettemusikken kan også ændres til et digitalt som CDS & tommelfinger bruger ADC.
  • På nuværende tidspunkt bruges ADC i alle enheder, fordi næsten alle enheder, der er tilgængelige på markedet, er i digital version. Så disse enheder bruger ADC.

Således handler dette om en oversigt over analog til digital konverter eller ADC-konverter og dens typer. For lettere forståelse diskuteres kun få ADC-konvertere i denne artikel. Vi håber, at dette møblerede indhold er mere informativt for læserne. Eventuelle yderligere spørgsmål, tvivl og teknisk hjælp til dette emne kan du kommentere nedenfor.

Fotokreditter: