Wat zijn ADC's (analoog/digitaal-omzetters) en hoe werken ze?
Belangrijkste opmerkingen
Analoog-digitaalomzetters (ADC’s) spelen een cruciale rol bij het omzetten van continue signalen zoals geluid en licht in discrete digitale waarden, die vervolgens voor allerlei doeleinden kunnen worden gebruikt.
De bemonsteringsfrequentie van een digitaal-naar-analoog omzetter (ADC) is recht evenredig met het aantal metingen dat per seconde wordt verkregen en dus resulteert een verhoging van deze frequentie in een nauwkeurigere weergave van het ingangssignaal.
De resolutie van een analoog-digitaalomzetter (ADC) is een cruciale factor die de getrouwheid van de verkregen samples beïnvloedt. Een hoger aantal bits leidt tot fijnere gradaties en nauwkeurigere metingen. Verschillende typen ADC’s vertonen verschillende balansen tussen prestatiekenmerken zoals snelheid, nauwkeurigheid en energiezuinigheid.
Analoog-digitaalomzetters (ADC’s) spelen een cruciale rol bij het omzetten van continue fysieke verschijnselen in discrete digitale gegevens die geschikt zijn voor gebruik in rekentoepassingen. Het kan echter onduidelijk zijn hoe deze apparaten analoge signalen efficiënt omzetten in digitaal bruikbare representaties.
Waar worden ADC’s voor gebruikt?
ADC’s (Analog-to-Digital Converters) zijn alomtegenwoordig en zijn te vinden in verschillende apparaten zoals smartphones, die menselijke spraak omzetten in binaire code. Daarnaast worden ze gebruikt in auto’s om wielrotaties te controleren. Verder spelen deze converters een essentiële rol bij het opvangen van elektrische signalen met behulp van oscilloscopen, waardoor ze in digitale vorm kunnen worden weergegeven. Tot slot is het opmerkelijk dat mensen vaak ADC’s tegenkomen op het gebied van multimediatechnologie, waar het omzetten van analoge signalen in digitale formaten noodzakelijk is.
Wat is een Sample Rate? Hoe beïnvloedt Sample Rate een ADC?
Een van de belangrijkste prestatie-indicatoren voor een automatische differentiatiecomputer (ADC) is de bemonsteringssnelheid, die de frequentie meet waarmee de computer in een bepaald tijdsinterval metingen verricht.
Een geavanceerde oscilloscoop kan tot tien gigasamples per seconde opnemen, terwijl de vindingrijke MCP3008 ADC een meer bescheiden tweehonderdvijftigduizend samples kan verwerken. Op het gebied van audio wordt vaak een veelgebruikte samplefrequentie van vierenveertigduizend elf samples per seconde (44,1 kHz) gebruikt.
Het verhogen van het aantal genomen samples kan leiden tot een grotere nauwkeurigheid in het weergeven van een signaal, maar dit is niet altijd nodig, afhankelijk van de specifieke toepassing.Wanneer bijvoorbeeld een faderbank wordt gebouwd die wordt gebruikt om elektronische apparaten te bedienen, zoals die op een audio- of verlichtingsconsole, vereisen de waarden die worden gemeten geen hoogfrequente veranderingen omdat menselijke vingers niet met zulke snelheden kunnen bewegen. Het is belangrijk om voldoende bemonstering te hebben voor een vloeiend en responsief resultaat in plaats van te hoge bemonsteringsfrequenties.
Wat is bitsnelheid? Heeft bitsnelheid invloed op de kwaliteit van een ADC?
De kwaliteit van ons sample hangt af van de bitrate, die het aantal binaire toestanden dicteert dat kan worden gebruikt om het elektrische potentieel te kwantificeren. Een hogere bitrate zorgt voor een grotere variëteit aan waarden binnen elk sample, wat uiteindelijk een verfijndere en nauwkeurigere weergave oplevert.
Binair, dat verwijst naar een systeem van cijfers bestaande uit slechts twee symbolen, meestal weergegeven als “0” of “1”, speelt een essentiële rol in digitale communicatie. Om de functie en werking beter te begrijpen, kunnen we verwijzen naar onze eerdere discussies over dit onderwerp. Het aantal bits dat nodig is voor een bepaalde taak kan variëren afhankelijk van de specifieke toepassing. Bij het bepalen van de juiste bitdiepte moet ook rekening worden gehouden met factoren zoals de beperkingen die worden opgelegd door het gebruikte protocol of de beperkingen van de menselijke perceptie.
Hoe verbetert multiplexing de ADC-kwaliteit?
Populaire ADC-chips zoals de ADS1115 en de MCP3008 bieden veel ingangen. Maar onder de motorkap bevatten ze eigenlijk maar één ADC. Dit is mogelijk door de multiplexers die in deze apparaten zijn ingebouwd. Multiplexers zijn absoluut overal in de wereld van elektronica en telecommunicatie. Het zijn digitale schakelaars die fungeren als verkeersregelaar voor je ADC. De ADC kan een kanaal bemonsteren, en dan het volgende, en dan het volgende. Dus als je acht kanalen hebt en een bemonsteringsfrequentie van 200.000, dan kun je ze allemaal doorlopen en 25.000 samples per kanaal nemen.
Welke soorten ADC’s zijn er?
De functionaliteit van automatische detectietellers (ADC’s) kan variëren op basis van factoren zoals budgetbeperkingen en specifieke prestatievereisten.
Een flash analoog-digitaalomzetter (ADC) werkt via een ingewikkeld proces met een weerstandsarray die de referentiespanning in meerdere stappen verdeelt, waarbij elke stap wordt vergeleken met het ingangssignaal met behulp van een groep comparatoren. Het belangrijkste voordeel van flash ADC’s is hun snelle conversiesnelheid, hoewel hun precisie beperkt is door het eindige aantal comparatoren dat beschikbaar is.Bovendien verbruiken deze ADC’s veel stroom door de vele comparatoren die bij hun werking worden gebruikt.
De implementatie van een subrangerende analoog-digitaalomzetter (ADC) houdt in dat het conversieproces in twee verschillende fasen wordt verdeeld. De eerste fase is verantwoordelijk voor het bij benadering weergeven van de amplitude van het ingangssignaal, terwijl de tweede fase een nauwkeurigere bepaling van deze waarde uitvoert. Deze benadering helpt het aantal benodigde comparatoren te verminderen, die meestal geassocieerd worden met hogere kosten en complexiteit. In sommige gevallen kunnen subranging ADC’s extra fasen bevatten met foutcorrectiemechanismen om de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid verder te verbeteren.
De werking van SAR (Successive Approximation Register) ADC’s maakt gebruik van een vorm van binair zoeken. Ter illustratie een voorbeeld met acht bits die moeten worden geconverteerd. In zo’n scenario begint de SAR zijn berekeningen met het beschouwen van de middelste waarde, namelijk 10000000, die ligt tussen 00 (die de minimaal mogelijke waarde voorstelt) en 11111111 (die de maximaal mogelijke waarde voorstelt). Als de ingangsspanning hoger is dan de middelste waarde, behoudt de SAR het minst significante bit als 1, wat aangeeft dat de werkelijke waarde groter dan of gelijk aan de huidige schatting moet zijn. Omgekeerd, als de ingangsspanning kleiner is dan het middelpunt, zet de SAR het minst significante bit op
Door iteratief het bereik van mogelijke waarden te halveren, verfijnen we geleidelijk onze zoektocht totdat we uitkomen bij een schatting voor de uitgang van de analoog-digitaalconverter (ADC). Gegeven dat het ingangssignaal binnen het bereik van 0 tot 255 ligt, bepaalt de ADC uiteindelijk dat de uitgang ongeveer 77 is door een reeks berekeningen waarbij een vergelijking met een middelpunt wordt gemaakt.
Sigma-Delta omzetters vormen een geavanceerde klasse van analoog-digitaal omzettingstechnieken, die bijzonder moeilijk te begrijpen zijn vanwege hun zeer gespecialiseerde aard. Deze apparaten worden meestal gebruikt in veeleisende toepassingen waarbij het gaat om het nauwkeurig meten van signalen of muziek. Ze maken gebruik van oversampling en ingewikkelde wiskundige manipulaties naast geavanceerde filteralgoritmen om de resolutie te verhogen en tegelijkertijd de samplesnelheid te verlagen. Als zodanig zijn ze bij uitstek geschikt voor situaties waarin lage ruisniveaus en hoge nauwkeurigheid belangrijker zijn dan snelle data-acquisitiesnelheden.
Er bestaan inderdaad analoog-digitaalomzetters (ADC’s) die het conversieproces integreren. Deze converters werken langzamer dan de Sigma Delta-types en gebruiken een condensator voor het opladen, waaruit de uitgangsspanning kan worden bepaald.In veel gevallen wordt de bemonsteringsfrequentie van deze apparaten afgestemd op de frequentie van de voeding om het ruisniveau zo laag mogelijk te houden.
Wat is de Nyquist-Shannon theorie?
Om een analoog signaal te digitaliseren, is het nodig om minstens twee datapunten te verkrijgen die overeenkomen met elke oscillatie in het signaal. Specifiek moeten deze punten de piekamplitude van de golfvorm bij respectievelijk de boven- en ondergrens weergeven. Deze eis vereist een minimale bemonsteringsfrequentie die gelijk is aan of groter dan tweemaal de maximale frequentiecomponent die aanwezig is in het signaal dat gemeten wordt.
Het concept van de Nyquist-frequentie, dat verwijst naar de hoogste frequentie die nauwkeurig kan worden weergegeven in een digitaal signaal, werd voor het eerst voorgesteld door de Britse wiskundige Edmund Whittaker voordat het werd ontwikkeld door de Zweeds-Amerikaanse natuurkundige Harry Nyquist en de Amerikaanse wiskundige en cryptograaf Claude Shannon. De theorie wordt echter geassocieerd met Nyquist vanwege zijn bijdragen aan de verdere ontwikkeling en popularisatie van de theorie.
De geldigheid van elke theoretische stelling is inherent onzeker, omdat de precieze timing van pieken en dalen in een golfvorm niet van tevoren voorspeld kan worden. Bovendien kan het bemonsteren van het signaal op een tussenliggend punt in zijn traject de resulterende meting vervormen door verschuivingen in het ingangssignaal die anders duidelijk zouden zijn geweest, te verdoezelen.
Of misschien kan men geheel nieuwe elektromagnetische oscillaties waarnemen die voorheen onbekend waren voor de mensheid:
Deze hallucinaties staan bekend als aliassen.
Het probleem met aliassen
Een fenomeen dat bekend staat als de “wagenwiel” illusie kan herkenbaar voor je zijn. Deze optische illusie kan optreden wanneer een bewegend object wordt vastgelegd op film en ervoor zorgt dat de wielen van een voertuig zoals een auto of de rotorbladen van een helikopter in een langzaam tempo achteruit lijken te bewegen. In extreme gevallen kan de rotatie van de wieken zelfs abrupt tot stilstand komen, wat leidt tot ongewone visuele effecten die in de begeleidende video worden geïllustreerd.
Bij het najagen van ouderwets elektronisch vermaak is het niet ongewoon dat waarnemers abnormale vervormingen waarnemen in lineaire elementen zoals hekwerken, trappen of kledingstukken met horizontale banden.Op dezelfde manier kunnen luisteraars tijdens communicatie via digitale kanalen die niet aan de normen voldoen dissonante geluiden horen die gewoonlijk “fluitjes” worden genoemd. Deze auditieve afwijkingen kunnen worden toegeschreven aan een specifieke vorm van degradatie die aliasing wordt genoemd en die optreedt wanneer een signaal de bemonsteringsfrequentie overschrijdt waarmee de frequentiecomponenten nauwkeurig kunnen worden vastgelegd. Dit fenomeen wordt vooral duidelijk wanneer het wordt toegepast op complexe audiobronnen, zoals percussieve instrumenten, waarbij de hogere frequentiecomponenten worden versterkt vanwege hun beperkte vertegenwoordiging in de bemonsterde gegevens.
Begrip van een enkelvoudig fenomeen is essentieel om alle gelijksoortige gebeurtenissen te begrijpen. Met betrekking tot een wagenwiel belemmert een onveranderlijke weergavesnelheid een nauwkeurige weergave van beweging. Wanneer een object een rotatie van 350 graden maakt binnen elk frame, volgt hier logischerwijs uit dat het tien graden achteruit is gegaan. Bijgevolg zijn de verzamelde gegevens dissonant met de parameter die wordt beoordeeld. Kortom, de bemonsterde informatie is niet afgestemd op de bedoelde meting.
Het probleem in kwestie is niet exclusief voor het proces van analoog-naar-digitaal conversie; in feite gaat het vaak om het omzetten van het ene type digitaal signaal in een ander type.
Een mogelijke benadering om dit probleem aan te pakken is het gebruik van een specifieke filtertechniek die vaak gebruikt wordt door automatische differentiatiecomputers (ADC’s) om de aanwezigheid van dergelijke artefacten te verminderen. Een alternatieve strategie bestaat uit het verzamelen van aanzienlijk meer datapunten dan nodig is voor een nauwkeurige weergave van de signaalgolfvorm. Door het aantal bemonsterde datapunten te verhogen, kan de algehele nauwkeurigheid van de afgebeelde golfvorm aanzienlijk worden verbeterd.
Steekproeven met een hogere kwaliteit voor de beste resultaten
Voor degenen die dergelijke onderwerpen intrigerend vinden, is het de moeite waard op te merken dat we nog maar aan de oppervlakte zijn gekomen. De complexiteit van Automatic Duality Checkers (ADC’s) presenteert een enorm scala aan gebieden die nog volledig moeten worden onderzocht en begrepen.
Vanuit het perspectief van de eindgebruiker of de typische Arduino liefhebber, vertonen deze apparaten ook eenvoud. Ingangsspanningen worden ontvangen, gevolgd door overeenkomstige numerieke uitgangen. Ongeacht de meting waarnaar wordt gezocht - of het nu gaat om het vochtgehalte van een bepaald stuk land, de trillingsfrequentie van een stemband of de baan van lichtdeeltjes die buigen in een lens - is de kans groot dat een analoog-digitaalomzetter (ADC) dergelijke taken met gemak kan uitvoeren.