כיצד המרת האות האנלוגי לדיגיטלי

בתחום האלקטרוניקה האותות מחולקים ל: אנלוגי, דיסקרטי ודיגיטלי. ראשית, כל מה שאנחנו מרגישים, רואים, שומעים, לרוב, הוא אות אנלוגי, ומה שמעבד מחשבים רואה זה אות דיגיטלי. זה לא נשמע מאוד ברור, אז בואו נתמודד עם ההגדרות האלה ואיך סוג אחד של האות מומר למשנהו.

סוגי אותות

בייצוג חשמלי, אות אנלוגי, אם לשפוט לפי שמו, הוא אנלוגי של ערך אמיתי. לדוגמה, אתה מרגיש את הטמפרטורה של הסביבה ללא הפסקה, לאורך כל חייך. אין הפסקות. יחד עם זאת, אתה מרגיש לא רק שתי דרגות של "חם" ו"קור ", אלא מספר אינסופי של תחושות המתארות ערך זה.

עבור אדם, "קור" יכול להיות שונה, זה קרירות סתיו וכפור בחורף, וכפור קל, אך לא תמיד "קר" הוא טמפרטורה שלילית, בדיוק כמו "חם" הוא לא תמיד טמפרטורה חיובית.

מכאן עולה כי לאות האנלוגי שני תכונות:

1. המשכיות בזמן.

2. מספר ערכי האות נוטה לאינסוף, כלומר לא ניתן לחלק אות אנלוגי במדויק לחלקים או לכייל על ידי שבירת הסולם לקטעים ספציפיים. שיטות מדידה - בהתבסס על יחידת המדידה, ורמת הדיוק שלהן תלויה רק ​​במחיר חלוקת הסקאלה, ככל שהיא קטנה יותר כך המדידה מדויקת יותר.

אותות נפרדים - אלה הם אותות שהם רצף של דוחות או מדידות בסדר גודל כלשהו. המדידות של אותות כאלה אינם רציפים, אלא תקופתיים.

אנסה להסביר. אם התקנת מדחום איפשהו, הוא מודד ערך אנלוגי - זה נובע מהאמור לעיל. אבל אתה, בעצם בעקבות עדויותיו, מקבל מידע דיסקרטי. בדיד פירושו נפרד.

לדוגמה, התעוררת וגילית כמה מעלות היה במדחום, בפעם הבאה שאתה מסתכל עליו במדחום בצהריים, ובפעם השלישית בערב. אינך יודע כמה מהר הטמפרטורה השתנתה, באופן שווה, או בקפיצה חדה, אתה רק יודע את הנתונים באותו רגע בזמן בו צפית.

אותות דיגיטליים היא קבוצה של רמות, סוגים 1 ו -0, גבוהה ונמוכה, בין אם לא. עומק ההשתקפות של מידע בצורה דיגיטלית מוגבל על ידי עומק הסיביות של מכשיר דיגיטלי (סט של היגיון, בקר מיקרו, מעבד וכו '). מסתבר שהוא אידיאלי לאחסון נתונים בוליאניים. לדוגמה, אתה יכול לתת את הדברים הבאים, לאחסון נתונים כמו "יום" ו"לילה ", מספיק רק מעט מידע.

קצת - זהו הערך המינימלי לייצוג מידע בצורה דיגיטלית, הוא יכול לאחסן רק שני סוגים של ערכים: 1 (יחידה לוגית, רמה גבוהה), או 0 (אפס לוגי, רמה נמוכה).

באלקטרוניקה מיוצג מעט מידע בצורה של רמת מתח נמוכה (קרוב ל 0) ורמת מתח גבוהה (תלוי במכשיר הספציפי, לרוב עולה בקנה אחד עם מתח האספקה ​​של צומת דיגיטלי נתון, הערכים האופייניים הם 1.7, 3.3. 5V, 15V).

כל ערכי הביניים בין הרמות הנמוכות והגבוהות המקובלות הם אזור מעבר וייתכן כי אין להם ערך ספציפי, תלוי במעגלים, גם למכשיר בכללותו וגם למעגל הפנימי של בקר המיקרו (או כל מכשיר דיגיטלי אחר) עשויים להיות רמת מעבר שונה, למשל עבור 5 היגיון מתח, ניתן לקחת את ערכי המתח בין 0 ל -0.8 וולט כאפס, ומ -2 וולט ל -5 וולט כיחידה, בעוד שהפער בין 0.8 ל -2 וולט הוא אזור לא מוגדר, למעשה, זה עוזר להפריד בין אפס לאחדות.

ככל שאתה צריך לאחסן ערכים מדויקים וקיבוליים יותר, כך שאתה צריך יותר ביטים, אנו נותנים טבלה לדוגמא עם תצוגה דיגיטלית של ארבעה ערכים של השעה ביום:

לילה - בוקר - יום - ערב

לשם כך אנו זקוקים ל -2 ביטים:

המרה אנלוגית לדיגיטלית

במקרה הכללי, המרה אנלוגית-דיגיטלית היא תהליך המרת כמות פיזית לערך דיגיטלי. הערך הדיגיטלי הוא קבוצה של יחידות ואפסים הנתפסים על ידי מכשיר העיבוד.

טרנספורמציה כזו הכרחית לאינטראקציה של טכנולוגיה דיגיטלית עם הסביבה.

מכיוון שהאות החשמלי האנלוגי חוזר על אות הקלט בצורתו, לא ניתן להקליט אותו באופן דיגיטלי "כמו שהוא" מכיוון שיש לו מספר אינסופי של ערכים. דוגמה לכך היא תהליך הקלטת הקול. זה בצורתו המקורית נראה כך:

זהו סכום הגלים עם תדרים שונים. אשר, בעת פירוק בתדרים (לפרטים נוספים, ראה טרנספורמציות פורייה), כך או אחרת, ניתן לקרב לתמונה דומה:

עכשיו נסה להציג זאת בצורה של סט מהסוג "111100101010100", זה די קשה, לא?

דוגמא נוספת לצורך להמיר כמות אנלוגית לסכום דיגיטלי היא מדידתה: מדי חום אלקטרוניים, מד מתח, אמטרים ומכשירי מדידה אחרים מתקשרים עם כמויות אנלוגיות.

איך ההמרה מתנהלת?

ראשית, התבוננו בתרשים של המרה טיפוסית של אות אנלוגי לדיגיטלי ולהיפך. בהמשך נחזור אליה.

למעשה זהו תהליך מורכב, המורכב משני שלבים עיקריים:

1. שיקול האות.

2. כימות לפי רמה.

שיקול האות הוא קביעת מרווחי הזמן עליהם נמדד האות. ככל שפערים אלה קצרים יותר, המדידה מדויקת יותר. תקופת הדגימה (T) היא משך הזמן מתחילת קריאת הנתונים ועד סופו. שיעור הדגימה (ו) הוא ההדדי של:

fd = 1 / T

לאחר קריאת האות הוא מעובד ונשמר בזיכרון.

מסתבר שבתקופה שקריאת האות נקראת ומעובדת, היא יכולה להשתנות, וכך הערך הנמדד מעוות. יש משפט כהלניקוב כזה והכלל הבא נובע ממנו:

תדר הדגימה צריך להיות גדול פי 2 לפחות מתדר האות שנדגם.

זהו צילום מסך מוויקיפדיה, עם קטע מתוך המשפט.

כדי לקבוע את הערך המספרי, יש צורך בכימות לפי רמה. קוונטית היא טווח מסוים של ערכים מדודים, הממוצעת מופחתת למספר מסוים.

X1 ... X2 = Xy

כלומר אותות מ- X1 ל- X2, המשווים תנאי לערך ספציפי של Xy. זה דומה למחיר החלוקה של מד מצביע. כשאתה מבצע קריאות, אתה משווה אותם לעתים קרובות לסימן הקרוב ביותר בסולם המכשיר.

אז עם הכימות לפי רמה, כך הם יכולים להכיל יותר קוונטה, מידות מדויקות יותר ויותר מקומות עשרוניים (מאיות, אלפים וכן הלאה).

ליתר דיוק, מספר המקומות העשרוניים נקבע למדי על ידי הרזולוציה של ה- ADC.

התמונה מציגה את תהליך הכימות של האות באמצעות פיסת מידע אחת, כפי שתיארתי לעיל, כאשר כאשר חורג מגבול מסוים מתקבל ערך ברמה גבוהה.

מימין נמצא הכימות של האות, ורשומה בצורה של שני סיביות נתונים. כפי שאתה יכול לראות, שבר האות הזה כבר מחולק לארבעה ערכים. מסתבר שכתוצאה מכך, אות אנלוגי חלק הפך לאות "צעד" דיגיטלי.

מספר רמות הכימות נקבע על ידי הנוסחה:

כאשר n הוא מספר הסיביות, N הוא רמת הכימות.

להלן דוגמא לאות שנפרץ למספר גדול יותר של קוונטה:

זה מראה בבירור כי ככל שלעתים קרובות נלקחים ערכי האות (ככל שתדירות הדגימה גבוהה יותר), כך נמדדים בצורה מדויקת יותר.

תמונה זו מציגה המרה של אות אנלוגי לצורה דיגיטלית, ומשמאל לציר הסדר (ציר אנכי) היא הקלטה דיגיטלית של 8 סיביות.

ממירים אנלוגיים לדיגיטליים

ניתן ליישם מכשיר ADC או ממיר אנלוגי-לדיגיטלי כמכשיר נפרד או לשלב אותו בקר מיקרו.

בעבר, בקרי מיקרו, למשל, משפחת MCS-51, לא הכילו ADC, לשם כך נעשה שימוש במיקרו-מעגל חיצוני, והיה צורך לכתוב תת-בסיס לעיבוד הערכים של IC חיצוני.

כעת הם נמצאים ברוב בקרי המיקרו המודרניים, למשל AVR AtMEGA328, שהוא הבסיס לפופולרי ביותר מעגל ארדואינו, הוא מובנה בתוך חבר הכנסת עצמו. בארדואינו, קריאת נתונים אנלוגיים היא פשוטה עם הפקודה AnalogRead (). למרות שלמעבד המיקרו, המותקן באותו Raspberry PI פופולרי לא פחות, אין אותו, ולכן לא הכל כל כך פשוט.

למעשה, יש מספר רב של אפשרויות לממירים אנלוגיים-דיגיטליים, שלכל אחד מהם חסרונות ויתרונות משלו. התיאור שבתוך מאמר זה לא הגיוני במיוחד, מכיוון שמדובר בכמות גדולה של חומר. קחו בחשבון רק את המבנה הכללי של חלקם.

האופציה הוותיקה ביותר של ה- ADC הינה פטנט של פול מ. רייני, "מערכת פקסימיליה טלגרף", ארה"ב. פטנט 1,608,527, מוגש ב- 20 ביולי 1921, הונפק ב- 30 בנובמבר 1926. זהו ADC להמרה ישירה של 5 סיביות. משם הפטנט עולות מחשבות שהשימוש במכשיר זה קשור בהעברת נתונים באמצעות טלגרף.

אם אנו מדברים על ADCs מודרניים של המרה ישירה, יש להם את התוכנית הבאה:

זה מראה שהקלט הוא שרשרת ממושוויםשמפלטים את האות שלהם כאשר הם חוצים איזשהו סף. זהו עומק קצת וכימות. כל מי שהיה אפילו מעט חזק במעגלים, ראה עובדה מובנת מאליה.

מי לא חזק, אז מעגל הקלט עובד כך:

אות אנלוגי נכנס לקלט "+", בבת אחת. התפוקות עם הכינוי "-" מקבלות את מתח ההתייחסות, המפורק באמצעות שרשרת נגדים (מחלק התנגדות) למספר מתח מתייחס. לדוגמה, סדרה לשרשרת זו נראית כמו יחס זה:

אורפי = (1/16, 3/16, 5/16, 7/16, 9/16, 11/16, 13/16) * Uref

בסוגריים, פסיק מציין איזה חלק ממתח ההתייחסות הכולל Uref מסופק לכניסה של כל מתח כניסה.

כלומר לכל אחד מהאלמנטים יש שתי כניסות כאשר מתח הכניסה נחתם «+» עולה על מתח הכניסה עם סימן "-", מופיעה יחידה לוגית ביציאה. כאשר המתח בכניסה החיובית (הלא הפיכה) פחות מאשר בכניסה השלילית (ההפוכה), אז הפלט הוא אפס.

המתח מחולק כך שמתח הכניסה מחולק למספר הספרות הרצוי. כאשר המתח בכניסה מגיע לפלט של האלמנט המקביל, מופיע אות, מעגל העיבוד פלט את האות ה"נכון "בצורה דיגיטלית.

משווה כזה טוב במהירות עיבוד נתונים, כל האלמנטים במעגל הקלט מופעלים במקביל, העיכוב העיקרי של סוג ADC זה נוצר מעיכוב של משווה 1 (הם מופעלים בו זמנית במקביל) והעיכוב מקודד.

עם זאת, יש חסרון עצום של מעגלים מקבילים - זהו הצורך במספר גדול של משווים כדי להשיג ADCs ברזולוציה גבוהה. כדי לקבל, למשל, 8 ספרות, אתה צריך 2 ^ 8 משווים וזה 256 חלקים. עבור עשרה סיביות (בארדואינו ADC של 10 סיביות, אגב, אבל מסוג אחר), אתה צריך 1024 משווים. תשפטו בעצמכם את מידת ההתאמה של אפשרות טיפול שכזו, והיכן שתידרש אותה.

ישנם סוגים אחרים של ADC:

• קירוב רצוף;

• דלתא sigma ADC.

מסקנה

המרת אות אנלוגי לדיגיטלי נחוצה לקריאת פרמטרים מחיישנים אנלוגיים. יש סוג נפרד של חיישנים דיגיטליים, הם או מעגלים משולבים, למשל DS18b20 - בפלט שלו יש כבר אות דיגיטלי והוא יכול להיות מעובד על ידי כל בקרי מיקרו ומעבדים ללא צורך ב- ADC, או חיישן אנלוגי בלוח שיש לו כבר ממיר משלו. לכל סוג חיישן היתרונות והחסרונות שלו, כמו חסינות רעש ושגיאת מדידה.

הכרת עקרונות ההמרה היא חובה לכל מי שעובד עם בקרי מיקרו, כי אפילו לא לכל מערכת מודרנית יש ממירים כאלה מובנים, אתה צריך להשתמש במעגלי מיקרו חיצוניים. לדוגמה, אנו יכולים לצטט לוח כזה שעוצב במיוחד עבור מחבר Raspberry PI GPIO עם ADC מדויק ב- ADS1256.