Como a conversão do sinal analógico para digital

Na eletrônica, os sinais são divididos em: analógico, discreto e digital. Para começar, tudo o que sentimos, vemos, ouvimos, na maior parte, é um sinal analógico, e o que o processador de um computador vê é um sinal digital. Não parece muito claro, então vamos lidar com essas definições e como um tipo de sinal é convertido em outro.

Tipos de sinal

Na representação elétrica, um sinal analógico, a julgar pelo nome, é um analógico de valor real. Por exemplo, você sente a temperatura do ambiente constantemente, durante toda a sua vida. Não há intervalos. Ao mesmo tempo, você sente não apenas dois níveis de "quente" e "frio", mas um número infinito de sensações que descrevem esse valor.

Para uma pessoa, “frio” pode ser diferente, é frescor de outono e geada de inverno e geadas leves, mas nem sempre “fria” é uma temperatura negativa, assim como “quente” nem sempre é uma temperatura positiva.

Daqui resulta que o sinal analógico possui dois recursos:

1. Continuidade no tempo.

2. O número de valores de sinal tende ao infinito, ou seja, Um sinal analógico não pode ser precisamente dividido em partes ou calibrado dividindo a balança em seções específicas. Métodos de medição - com base na unidade de medida, e sua precisão depende apenas do preço da divisão da balança, quanto menor for, mais precisa será a medida.

Sinais discretos - são sinais que são uma sequência de relatórios ou medições de qualquer magnitude. As medições desses sinais não são contínuas, mas periódicas.

Vou tentar explicar Se você instalou um termômetro em algum lugar, ele mede um valor analógico - isso segue acima. Mas você, na verdade, seguindo o testemunho dele, obtém informações discretas. Discreto significa separado.

Por exemplo, você acordou e descobriu quantos graus o termômetro tinha, na próxima vez em que olhou para um termômetro ao meio-dia e pela terceira vez à noite. Você não sabe a rapidez com que a temperatura mudou, uniformemente, ou com um salto acentuado, só conhece os dados naquele momento em que observou.

Sinais digitais - Este é um conjunto de níveis, tipos 1 e 0, alto e baixo, independentemente de ser ou não. A profundidade de reflexão das informações em formato digital é limitada pela profundidade de bits de um dispositivo digital (um conjunto de lógica, um microcontrolador, processador etc.). É ideal para armazenar dados booleanos. Um exemplo, você pode dar o seguinte, para armazenar dados como "Dia" e "Noite", basta apenas 1 bit de informação.

Bit - este é o valor mínimo para representar informações em formato digital, ele pode armazenar apenas dois tipos de valores: 1 (unidade lógica, nível alto) ou 0 (zero lógico, nível baixo).

Na eletrônica, um pouco de informação é representada na forma de um nível de baixa tensão (próximo a 0) e um nível de alta tensão (dependendo de um dispositivo específico, geralmente coincide com a tensão de alimentação de um determinado nó digital, os valores típicos são 1,7, 3,3. 5V, 15V).

Todos os valores intermediários entre os níveis baixo e alto aceitos são uma região de transição e podem não ter um valor específico, dependendo do circuito, tanto o dispositivo como um todo quanto o circuito interno do microcontrolador (ou qualquer outro dispositivo digital) podem ter um nível de transição diferente, por exemplo, para 5 Na lógica de tensão, o zero pode assumir valores de tensão de 0 a 0,8V e por unidade de 2V a 5V, enquanto o intervalo entre 0,8 e 2V é uma zona indefinida; na verdade, separa o zero da unidade.

Quanto mais precisos e amplos os valores que você precisa armazenar, mais bits você precisa, fornecemos uma tabela de exemplo com um display digital de quatro valores da hora do dia:

Noite - Manhã - Dia - Noite

Para isso, precisamos de 2 bits:

Conversão analógica para digital

No caso geral, a conversão de analógico para digital é o processo de converter uma quantidade física em um valor digital. O valor digital é um conjunto de unidades e zeros percebidos pelo dispositivo de processamento.

Essa transformação é necessária para a interação da tecnologia digital com o meio ambiente.

Como o sinal elétrico analógico repete o sinal de entrada em sua forma, ele não pode ser gravado digitalmente "como está", pois possui um número infinito de valores. Um exemplo é o processo de gravação de som. Na sua forma original, é assim:

É a soma das ondas com diferentes frequências. Que, ao decompor em frequências (para mais detalhes, consulte transformadas de Fourier), de uma maneira ou de outra, pode ser aproximado de uma imagem semelhante:

Agora, tente apresentar isso na forma de um conjunto do tipo "111100101010100", é bastante difícil, não é?

Outro exemplo da necessidade de converter uma quantidade analógica em digital é a sua medição: termômetros eletrônicos, voltímetros, amperímetros e outros dispositivos de medição interagem com quantidades analógicas.

Como está indo a conversão?

Primeiro, observe o diagrama de uma conversão típica de um sinal analógico em digital e vice-versa. Mais tarde retornaremos a ela.

De fato, este é um processo complexo, que consiste em duas etapas principais:

1. Discretização do sinal.

2. Quantização por nível.

Discretização de um sinal é a determinação dos intervalos de tempo nos quais o sinal é medido. Quanto mais curtas essas lacunas, mais precisa será a medição. O período de amostragem (T) é o período de tempo desde o início da leitura dos dados até o final. A taxa de amostragem (f) é recíproca de:

fd = 1 / T

Depois de ler o sinal, ele é processado e armazenado na memória.

Acontece que durante o tempo em que as leituras do sinal são lidas e processadas, ele pode mudar, assim, o valor medido é distorcido. Existe um teorema de Kotelnikov e a regra a seguir se segue:

A frequência de amostragem deve ser pelo menos 2 vezes maior que a frequência do sinal amostrado.

Esta é uma captura de tela da Wikipedia, com um trecho do teorema.

Para determinar o valor numérico, é necessária a quantização por nível. Quantum é uma certa faixa de valores medidos, em média reduzida a um determinado número.

X1 ... X2 = Xy

I.e. sinais de X1 a X2, condicionalmente igualados a um valor específico de Xy. Isso se assemelha ao preço de divisão de um medidor de ponteiro. Quando você faz leituras, geralmente as iguala à marca mais próxima na escala do instrumento.

Assim, com a quantização por nível, quanto mais quanta, mais medições precisas e mais casas decimais (centésimos, milésimos e assim por diante) elas puderem conter.

Mais precisamente, o número de casas decimais é determinado pela resolução do ADC.

A figura mostra o processo de quantização de um sinal com a ajuda de um bit de informação, como descrevi acima, quando quando um determinado limite é excedido, um valor alto é aceito.

À direita está a quantização do sinal e um registro na forma de dois bits de dados. Como você pode ver, esse fragmento de sinal já está dividido em quatro valores. Acontece que, como resultado, um sinal analógico suave se transformou em um sinal digital de "passo".

O número de níveis de quantização é determinado pela fórmula:

Onde n é o número de bits, N é o nível de quantização.

Aqui está um exemplo de um sinal dividido em um número maior de quanta:

Isso mostra muito claramente que quanto mais os valores do sinal são obtidos (quanto maior a frequência de amostragem), mais precisamente é medido.

Esta imagem mostra a conversão de um sinal analógico em um formato digital e, à esquerda do eixo das ordenadas (eixo vertical), há uma gravação digital de 8 bits.

Conversores analógico-digital

Um ADC ou um conversor analógico-digital pode ser implementado como um dispositivo separado ou ser integrado ao microcontrolador.

Anteriormente, os microcontroladores, por exemplo, a família MCS-51, não continham um ADC, um microcircuito externo era usado para isso e era necessário escrever uma sub-rotina para processar os valores de um CI externo.

Agora eles estão nos microcontroladores mais modernos, por exemplo, o AVR AtMEGA328, que é a base da maioria dos placa de circuito Arduino, é incorporado ao próprio MK. No Arduino, a leitura de dados analógicos é simples com o comando AnalogRead (). Embora o microprocessador, instalado no mesmo Raspberry PI, não menos popular, não o possua, portanto nem tudo é tão simples.

De fato, há um grande número de opções para conversores analógico-digitais, cada um com suas próprias desvantagens e vantagens. Descrever o que neste artigo não faz muito sentido, pois essa é uma grande quantidade de material. Considere apenas a estrutura geral de alguns deles.

A opção ADC patenteada mais antiga é a patente de Paul M. Rainey, "Facsimile Telegraph System", EUA Patente 1.608.527, apresentada em 20 de julho de 1921, emitida em 30 de novembro de 1926. Esta é uma ADC de conversão direta de 5 bits. A partir do nome da patente, pensa-se que o uso deste dispositivo esteja conectado à transmissão de dados via telégrafo.

Se falamos dos ADCs modernos de conversão direta, eles têm o seguinte esquema:

Isso mostra que a entrada é uma cadeia dos comparadoresque emitem seu sinal quando cruzam algum sinal de limite. Isso é profundidade e quantização de bits. Qualquer um que tenha um pouco de força no circuito viu esse fato óbvio.

Quem não é forte, o circuito de entrada funciona assim:

Um sinal analógico é inserido na entrada “+”, de uma só vez. As saídas com a designação “-” recebem a tensão de referência, que é decomposta usando uma cadeia de resistores (divisor resistivo) em várias tensões de referência. Por exemplo, uma série para essa cadeia se parece com essa proporção:

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

Entre parênteses, uma vírgula indica qual parte da tensão de referência total Uref é fornecida à entrada de cada tensão de entrada.

I.e. cada um dos elementos possui duas entradas quando a tensão de entrada é assinada «+» excede a tensão de entrada com um sinal "-", uma unidade lógica aparece em sua saída. Quando a tensão na entrada positiva (sem inversão) é menor do que na entrada negativa (inversão), a saída é zero.

A tensão é dividida para que a tensão de entrada seja dividida no número desejado de dígitos. Quando a tensão na entrada atinge a saída do elemento correspondente, um sinal aparece, o circuito de processamento emite o sinal “correto” em formato digital.

Esse comparador é bom na velocidade de processamento de dados, todos os elementos do circuito de entrada são acionados em paralelo, o principal atraso desse tipo de ADC é formado a partir do atraso de 1 comparador (eles são disparados simultaneamente simultaneamente) e o atraso é codificador.

No entanto, há uma enorme desvantagem de circuitos paralelos - essa é a necessidade de um grande número de comparadores para obter ADCs de alta resolução. Para obter, por exemplo, 8 dígitos, você precisa de 2 ^ 8 comparadores, e são 256 peças. Para um dez-bit (no ADC de 10 bits do Arduino, a propósito, mas de um tipo diferente), você precisa de 1024 comparadores. Julgue por si mesmo a adequação de tal opção de tratamento e onde ela pode ser necessária.

Existem outros tipos de ADCs:

• aproximação consecutiva;

• delta sigma ADC.

Conclusão

A conversão de um sinal analógico em digital é necessária para a leitura de parâmetros de sensores analógicos. Existe um tipo separado de sensores digitais, ou são circuitos integrados, por exemplo DS18b20 - na saída já existe um sinal digital e pode ser processado por qualquer microcontrolador ou microprocessador sem a necessidade de um ADC ou um sensor analógico em uma placa que já possui seu próprio conversor. Cada tipo de sensor tem seus prós e contras, como imunidade a ruídos e erro de medição.

O conhecimento dos princípios de conversão é obrigatório para todos que trabalham com microcontroladores, porque nem todos os sistemas modernos possuem esses conversores embutidos; é necessário usar microcircuitos externos. Por exemplo, podemos citar uma placa projetada especificamente para o conector Raspberry PI GPIO com ADC de precisão no ADS1256.