Принцип работы АЦП, сигма дельта АЦП

Что такое АЦП? Это аналого-цифровой преобразователь. Цель такого устройства преобразовать изменение электрических характеристик в цифровой сигнал. Проще говоря, именно благодаря АЦП, появилась возможность преобразовать физическую величину в математический двоичный код

Общая информация об устройстве

Принцип работы АЦП связан с постоянным изменением физических величин электрического тока. АЦП сравнивает базовое значение с отклонением и в ближайшем приближении переводит такое отклонение в двоичный код. Чаще всего работа АЦП связана с изменением напряжения. Это объясняется тем, что из прочих физических величин именно напряжение легко отследить с помощью вольтметра и изменить с помощью трансформатора.

Устройства характеризуются частотой изменения и разрядностью. Разрядность указывает на максимальный размер числа, которое в двоичный код может преобразовать аналоговое устройство. Частота изменений показывает сколько времени потребуется преобразователю для замера. Чем больше разрядность и скорость преобразования, тем дороже и сложнее прибор.

Излишнее усложнение прибора в свою очередь ведет к трудности эксплуатации и общему понижению надежности сети. Поэтому зачастую в целях повышения разрядности можно пожертвовать скоростью и наоборот.

Виды АЦП

Современность диктует необходимость использования самых разных модификаций аналого-цифрового преобразователя. Однако, в основе всех устройств лежит три схемы базовых вариаций аппарата:

  • С параллельным преобразованием
  • С последовательным приближением
  • С балансировкой заряда или дельта-сигма АЦП

АЦП прямого преобразования

Такие устройства имеют разрядность 6-8 бит. Одиночное использование АЦП прямого назначения большая редкость. Куда чаще встречаются в составе более сложных приборов.

Отдельно отметим, что такие преобразователи могут переводить сигнал не только в двоичную систему. Язык числа, который должен получится на выходе, определяется по опорному напряжению. Чаще всего используется половина от заводского значения опорного напряжения, что соответствует двоичному коду числа.

Входной сигнал поступает на плюсовые входы устройства. На минусовой вход в обязательном порядке подается постоянное напряжение. Напряжение плюсового входа постоянно сравнивается с минусовым входом. Любые расхождения выводятся в виде числа.

Большим преимуществом такого вида АЦП является конструкторская предрасположенность к созданию высокоскоростных сетей. Это значит, что само по себе АЦП не может похвалится скоростью, но при правильном расчете можно создать систему, которая позволит

Структурная схема АЦП прямого преобразования Структурная схема АЦП прямого преобразования

Основа всего устройства АЦП: компараторы. Они обозначены треугольником на схеме. Можно увидеть, что в один компаратор заходит минусовое и плюсовое напряжение. В устройстве происходит сравнение. Плюсовое отклонение соответствует значению 1, минусовое значению 0. Шифратор из столбца единиц и нулей выводит число.

В итоге получается, что скорость действия устройства зависит только от скорости действия компоратора. Но для того, чтобы вывести 24 битный сигнал потребуется более 16 миллионов компараторов, что невозможно чисто технически. Поэтому устройство и не является самым быстродействующим из АЦП.

АЦП последовательного приближения

Про АЦП последовательного приближения написано множество заумных статей. Но, если объяснять на пальцах, то АЦП последовательного приближения работает на основе принципа вилки. Так выглядит схема работы АЦП:

  1. Напряжение сигнала сравнивается с половиной напряжения базового сигнала. Это напряжение может быть больше или меньше.
  2. Если напряжение меньше, то его сравнивают с ¼ базового сигнала.
  3. Если значение больше, то оно сравнивается с ¾.

На каждом этапе сравнения, точка подаваемого сигнала попадает выше или ниже заданной базы. Если попадание происходит ниже, то сигнал сравнивают с половиной нижнего отрезки. Если попадание происходит выше – с половиной верхнего.

Так, чем больше сравнений, тем большей точности число мы получаем. Считается, что число сравнений равняется битам конечного результата

Структурная схема АЦП последовательного приближения. Структурная схема АЦП последовательного приближения.

Дельта-сигма АЦП

Дельта – сигма считается наиболее быстро действенным типом АЦП с наибольшим из существующих разрядом для одного устройство. Разрядность АЦП дельта-сигма может достигать 25 бит.

Структурная схема сигма-дельта АЦП. Структурная схема сигма-дельта АЦП.

Принцип работы дельта-сигма АЦП основан на интеграторе. Он накапливает или, проще говоря, запоминает выходное напряжение. Как видно на схеме, входное напряжение после прохождение шифратора отправляется в суммирующий модуль. Там напряжения складываются. При приближении суммирующего значения к 0, модуль выдает единицу и наоборот.

Предположим, что в суммирующем блоке получилось значение близкое к нулю. Тогда следующее значение может снова бросить точку в ноль, а может наоборот отдалить ее от нуля. Имеется в виду точка на графике зависимости напряжения от времени. То есть в устройстве равновероятны возникновение как нуля, так и единицы. Все зависит только от величины входного напряжения.

Помимо всего прочего, системы АЦП дельта-сигма позволяют отсекать выбивающиеся из общей картины отклонения. Прибор накапливает статистику замеров, автоматически выдавая усредненное значение. Это делает выходной шифр АЦП более точным. Кстати, на схеме представлена одноконтурная АЦП, хотя в современности чаще встречаются двухконтурные модули, которые значительно точнее. Вот как работает АЦП.

Немного истории

Самые старые АЦП являются одновременно и самыми первыми в нашей классификации. Это устройство с прямым преобразованием сигнала. В

Первый патент на АЦП Первый патент на АЦП

Наиболее мощный в истории АЦП прямого преобразования сигнала был разработан в 1975 году компанией Computer Labs. Это стоваттная машина, которая предоставляла преобразование системы в пределах 6 бит при скорости 30 MSPS

АЦП прямого преобразования (1975 г.) АЦП прямого преобразования (1975 г.)

Кстати, MSPS это единица измерения скорости передачи сигнала в информатике. Расшифровка звучит как миллион сигналов в секунду.

Позднее было признано нецелесообразным изготовление мощных преобразователей прямого сигнала. За мощностью гонятся в основном производители дельта-сигма преобразователей. Принцип работы первых АЦП позволяет создавать достаточно надежные машины с возможностью совмещения нескольких элементов АЦП для усиления мощности без понижения надежности системы.

Поэтому можно считать, что каждое устройство из перечисленных здесь используется в том или ином виде в современном мире. Однако, есть и такие подвиды АЦП, которые к настоящему моменту из употребления вышли. Наиболее ярким примером являются интегральные АЦП.

АЦП – это достаточно сложные устройства, которые можно считать началом эпохи персональных компьютеров. При этом шифрование электросигнала не устаревшая технология, а вполне себе современный аппарат, который используется повсеместно, например, в телевидении.

Понравилась статья? Расскажите друзьям:
Оцените статью, для нас это очень важно:
Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Оставить комментарий:

Отправить

Полезные сервисы:

Опрос: Насколько Вам помогла информация на нашем сайте? (Кол-во голосов: 159)
Сразу все понял
Не до конца понял
Пришлось перечитывать несколько раз
Вообще не понял
Как я сюда попал?
Чтобы проголосовать, кликните на нужный вариант ответа. Результаты