Czym są i jak działają przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC)?
Kluczowe wnioski
Przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC) odgrywają kluczową rolę w przekształcaniu sygnałów ciągłych, takich jak dźwięk i światło, w dyskretne wartości cyfrowe, które można następnie wykorzystać do różnych celów.
Częstotliwość próbkowania przetwornika cyfrowo-analogowego (ADC) jest wprost proporcjonalna do liczby pomiarów uzyskanych w każdej sekundzie, w związku z czym zwiększenie tej częstotliwości skutkuje bardziej precyzyjnym odwzorowaniem sygnału wejściowego.
Rozdzielczość przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) jest kluczowym czynnikiem wpływającym na wierność pozyskiwanych próbek. Większa liczba bitów przekłada się na drobniejszą gradację i dokładniejsze odczyty. Różne typy przetworników ADC wykazują różną równowagę między charakterystykami wydajności, takimi jak szybkość, dokładność i efektywność energetyczna.
Przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC) odgrywają kluczową rolę w przekształcaniu ciągłych zjawisk fizycznych w dyskretne dane cyfrowe, które nadają się do wykorzystania w aplikacjach obliczeniowych. Jednak może być niejasne, w jaki sposób te urządzenia skutecznie tłumaczą sygnały analogowe na cyfrowe reprezentacje.
Do czego służą przetworniki ADC?
Przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC) są wszechobecne i można je znaleźć w różnych urządzeniach, takich jak smartfony, które konwertują ludzką mowę na kod binarny. Ponadto są one wykorzystywane w samochodach do monitorowania obrotów kół. Co więcej, konwertery te odgrywają istotną rolę w przechwytywaniu sygnałów elektrycznych za pomocą oscyloskopów, umożliwiając ich reprezentację w formie cyfrowej. Wreszcie, warto zauważyć, że użytkownicy często spotykają się z przetwornikami ADC w dziedzinie technologii multimedialnych, gdzie konieczne jest przekształcanie sygnałów analogowych w formaty cyfrowe.
Co to jest częstotliwość próbkowania? Jak częstotliwość próbkowania wpływa na przetwornik ADC?
Jednym z kluczowych wskaźników wydajności automatycznego komputera różnicującego (ADC) jest jego częstotliwość próbkowania, która mierzy częstotliwość, z jaką dokonuje odczytów w danym przedziale czasu.
Najnowocześniejszy oscyloskop może pobierać do dziesięciu gigapróbek na sekundę, podczas gdy wydajny przetwornik ADC MCP3008 radzi sobie z bardziej umiarkowaną liczbą dwustu pięćdziesięciu tysięcy próbek. W dziedzinie audio często stosowana jest częstotliwość próbkowania wynosząca czterdzieści cztery tysiące jedenaście próbek na sekundę (44,1 kHz).
Zwiększenie liczby pobieranych próbek może prowadzić do większej dokładności w reprezentowaniu sygnału, jednak nie zawsze może to być konieczne w zależności od konkretnego zastosowania.Na przykład podczas konstruowania banku suwaków używanego do sterowania urządzeniami elektronicznymi, takimi jak te znajdujące się na konsoli audio lub oświetleniowej, mierzone wartości nie wymagają zmian o wysokiej częstotliwości, ponieważ ludzkie palce nie mogą poruszać się z takimi prędkościami. Ważne jest, aby mieć wystarczające próbkowanie, aby zapewnić płynny i responsywny wynik, a nie zbyt wysokie częstotliwości próbkowania.
Co to jest bitrate? Czy szybkość transmisji wpływa na jakość przetwornika ADC?
Jakość naszej próbki zależy od szybkości transmisji, która dyktuje liczbę stanów binarnych, które można wykorzystać do ilościowego określenia potencjału elektrycznego. Zwiększona szybkość transmisji bitów pozwala na większą różnorodność wartości w każdej próbce, ostatecznie dając bardziej wyrafinowaną i dokładną reprezentację.
Binarny, który odnosi się do systemu cyfr składającego się tylko z dwóch symboli, zwykle reprezentowanych jako “0” lub “1”, odgrywa istotną rolę w komunikacji cyfrowej. Aby lepiej zrozumieć jego funkcję i działanie, można odnieść się do naszych wcześniejszych dyskusji na ten temat. Liczba bitów wymaganych do określonego zadania może się różnić w zależności od konkretnego zastosowania. Czynniki takie jak ograniczenia nałożone przez używany protokół lub ograniczenia ludzkiej percepcji muszą być również brane pod uwagę przy określaniu odpowiedniej głębi bitowej.
Jak multipleksowanie poprawia jakość przetwornika ADC?
Popularne układy ADC, takie jak ADS1115 i MCP3008 , oferują wiele wejść. Jednak pod maską tak naprawdę zawierają tylko jeden przetwornik ADC. Jest to możliwe dzięki multiplekserom wbudowanym w te urządzenia. Multipleksery są absolutnie wszędzie w świecie elektroniki i telekomunikacji. Są to cyfrowe przełączniki, które działają jako kontrola ruchu dla przetwornika ADC. Przetwornik ADC może próbkować jeden kanał, a następnie następny, a następnie następny. Tak więc, jeśli masz osiem kanałów i częstotliwość próbkowania 200 000, możesz obracać się przez wszystkie z nich, pobierając 25 000 próbek na kanał.
Jakie są rodzaje przetworników ADC?
Funkcjonalność automatycznych liczników detekcji (ADC) może się różnić w zależności od takich czynników, jak ograniczenia budżetowe i określone wymagania dotyczące wydajności.
Przetwornik analogowo-cyfrowy typu flash (ADC) działa w oparciu o skomplikowany proces obejmujący układ rezystorów, który dzieli napięcie odniesienia na wiele kroków, przy czym każdy krok jest porównywany z sygnałem wejściowym za pomocą grupy komparatorów. Podstawową zaletą przetworników ADC typu flash jest szybkość konwersji, choć ich precyzja jest ograniczona ze względu na ograniczoną liczbę dostępnych komparatorów.Dodatkowo, te przetworniki ADC zużywają znaczną ilość energii ze względu na liczne komparatory zastosowane w ich działaniu.
Implementacja podzakresowego przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) polega na podzieleniu procesu konwersji na dwie odrębne fazy. Pierwsza faza jest odpowiedzialna za zapewnienie przybliżonej reprezentacji amplitudy sygnału wejściowego, podczas gdy druga faza wykonuje bardziej precyzyjne określenie tej wartości. Takie podejście pomaga zmniejszyć liczbę wymaganych komparatorów, które zazwyczaj wiążą się ze zwiększonym kosztem i złożonością. W niektórych przypadkach przetworniki ADC subranging mogą zawierać dodatkowe etapy, które obejmują mechanizmy korekcji błędów w celu dalszego zwiększenia ich dokładności i niezawodności.
Działanie przetworników ADC SAR (Successive Approximation Register) obejmuje wykorzystanie formy wyszukiwania binarnego. Aby to zilustrować, rozważmy przykład, w którym istnieje osiem bitów wymagających konwersji. W takim scenariuszu SAR rozpoczyna obliczenia od rozważenia wartości środkowej, a mianowicie 10000000, która leży między 00 (reprezentującą minimalną możliwą wartość) i 11111111 (oznaczającą maksymalną możliwą wartość). Jeśli napięcie wejściowe przekracza punkt środkowy, SAR zachowuje najmniej znaczący bit jako 1, wskazując, że prawdziwa wartość musi być większa lub równa bieżącemu oszacowaniu. I odwrotnie, jeśli napięcie wejściowe spadnie poniżej punktu środkowego, SAR ustawia najmniej
Iteracyjnie zmniejszając o połowę zakres możliwych wartości, stopniowo udoskonalamy nasze poszukiwania, aż dojdziemy do oszacowania wyjścia przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC). Biorąc pod uwagę, że sygnał wejściowy mieści się w zakresie od 0 do 255, przetwornik ADC ostatecznie określa, że wartość wyjściowa wynosi około 77 poprzez serię obliczeń obejmujących porównanie z punktem środkowym.
Przetworniki Sigma-Delta reprezentują zaawansowaną klasę technik konwersji analogowo-cyfrowej, które są szczególnie trudne do zrozumienia ze względu na ich wysoce wyspecjalizowany charakter. Zwykle stosowane w wymagających aplikacjach wymagających precyzyjnego pomiaru sygnałów lub muzyki, urządzenia te wykorzystują nadpróbkowanie i skomplikowane manipulacje matematyczne wraz z zaawansowanymi algorytmami filtrowania w celu zwiększenia rozdzielczości przy jednoczesnym zmniejszeniu częstotliwości próbkowania. W związku z tym idealnie nadają się do sytuacji, w których niski poziom szumów i podwyższona dokładność mają pierwszeństwo przed szybkim pozyskiwaniem danych.
Rzeczywiście, istnieją przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC), które integrują proces konwersji. Przetworniki te działają w wolniejszym tempie w porównaniu do typów Sigma Delta i wykorzystują kondensator do ładowania, z którego można określić napięcie wyjściowe.W wielu przypadkach częstotliwość próbkowania tych urządzeń jest skoordynowana z częstotliwością zasilania, aby w jak największym stopniu zminimalizować poziom hałasu.
Czym jest teoria Nyquista-Shannona?
Aby zdigitalizować sygnał analogowy, konieczne jest uzyskanie co najmniej dwóch punktów danych, które odpowiadają każdej oscylacji w sygnale. W szczególności punkty te powinny reprezentować szczytową amplitudę kształtu fali odpowiednio na jej górnej i dolnej granicy. Wymóg ten wymaga minimalnej częstotliwości próbkowania, która jest równa lub większa niż dwukrotność maksymalnej składowej częstotliwości obecnej w mierzonym sygnale.
Koncepcja częstotliwości Nyquista, która odnosi się do najwyższej częstotliwości, która może być dokładnie reprezentowana w sygnale cyfrowym, została po raz pierwszy zaproponowana przez brytyjskiego matematyka Edmunda Whittakera przed jej opracowaniem przez szwedzko-amerykańskiego fizyka Harry’ego Nyquista oraz amerykańskiego matematyka i kryptografa Claude’a Shannona. Teoria ta jest jednak powszechnie kojarzona z Nyquistem ze względu na jego wkład w jej dalszy rozwój i popularyzację.
Ważność każdej teoretycznej propozycji jest z natury niepewna, ponieważ nie można z góry przewidzieć dokładnego czasu wystąpienia punktów szczytowych i dolnych w przebiegu fali. Co więcej, próbkowanie sygnału w punkcie pośrednim wzdłuż jego trajektorii może zniekształcić wynikowy pomiar, przesłaniając wszelkie zmiany w sygnale wejściowym, które w przeciwnym razie byłyby widoczne.
A może ktoś mógłby dostrzec zupełnie nowe oscylacje elektromagnetyczne, które wcześniej były nieznane ludzkości:
Te halucynacje są znane jako aliasy.
Problem z aliasingiem
Zjawisko znane jako iluzja “koła wagonowego” może być dla ciebie rozpoznawalne. To złudzenie optyczne może wystąpić, gdy poruszający się obiekt zostanie uchwycony na filmie i spowoduje, że koła pojazdu, takiego jak samochód lub łopaty wirnika helikoptera, będą pozornie poruszać się w odwrotnym kierunku w wolnym tempie. W skrajnych przypadkach obrót łopat może nawet ulec nagłemu zatrzymaniu, co prowadzi do niezwykłych efektów wizualnych, które zostały zilustrowane na załączonym filmie.
Podczas pościgu za przestarzałą elektroniczną rozrywką, obserwatorzy nierzadko dostrzegają anomalie w elementach liniowych, takich jak ogrodzenia, schody lub ubrania z poziomymi pasami.Podobnie, podczas komunikacji transmitowanej przez niespełniające norm kanały cyfrowe, słuchacze mogą napotkać dysonansowe dźwięki powszechnie określane jako “gwizdy”. Te aberracje słuchowe można przypisać określonej formie degradacji znanej jako aliasing, która występuje, gdy sygnał przekracza częstotliwość próbkowania zdolną do dokładnego przechwytywania jego składowych częstotliwościowych. Zjawisko to staje się szczególnie widoczne w przypadku złożonych źródeł dźwięku, takich jak instrumenty perkusyjne, w których składowe o wyższej częstotliwości są wzmacniane ze względu na ich ograniczoną reprezentację w próbkowanych danych.
Zrozumienie dowolnego pojedynczego zjawiska jest kluczowe dla uchwycenia wszystkich podobnych zjawisk. W odniesieniu do koła wagonowego, niezmienna szybkość wyświetlania utrudnia dokładne przedstawienie ruchu. Gdy obiekt wykonuje obrót o 350 stopni w każdej klatce, logiczne jest, że cofnął się o dziesięć stopni. W rezultacie zebrane dane są sprzeczne z ocenianym parametrem. Mówiąc zwięźle, próbkowane informacje nie są zgodne z zamierzonym pomiarem.
Omawiana kwestia nie dotyczy wyłącznie procesu konwersji analogowo-cyfrowej; w rzeczywistości często wiąże się z przekształceniem jednego rodzaju sygnału cyfrowego w inny.
Jedno z możliwych podejść do rozwiązania tego problemu polega na wykorzystaniu określonej techniki filtrowania, która jest powszechnie stosowana przez komputery z automatycznym różnicowaniem (ADC) w celu złagodzenia obecności takich artefaktów. Alternatywna strategia polega na zbieraniu znacznie większej liczby punktów danych niż jest to wymagane do dokładnego odwzorowania kształtu fali sygnału. Zwiększając liczbę próbkowanych punktów danych, można znacznie zwiększyć ogólną dokładność przedstawionego kształtu fali.
Sample With Greater Quality For the Best Results
Rzeczywiście, dla tych, którzy mogą uznać takie tematy za intrygujące, warto zauważyć, że zaledwie zarysowaliśmy powierzchnię w ich badaniu. Złożoność automatycznych kontrolerów dualności (ADC) przedstawia szeroki wachlarz obszarów, które nie zostały jeszcze w pełni zbadane i zrozumiane.
Z punktu widzenia użytkownika końcowego lub typowego miłośnika Arduino, urządzenia te również charakteryzują się prostotą. Odbierane są napięcia wejściowe, po których następują odpowiednie wyjścia numeryczne. W związku z tym, niezależnie od poszukiwanego pomiaru - niezależnie od tego, czy obejmuje on poziom wilgotności określonej działki, częstotliwość drgań struny głosowej, czy trajektorię cząstek światła zakrzywiających się w soczewce - istnieje duże prawdopodobieństwo, że przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) może z łatwością skutecznie wykonywać takie zadania.