Prevodníky ADC

Analógovo-digitálny prevodník alebo analógovo- číslicový prevodník (ADC z anglického Analog-to-Digital Converter) je elektronické zariadenie na prevod analógového signálu na digitálny signál. Prevod analógového signálu na digitálny je využívaný pomerne často, keďže signály sa skoro výlučne analyzujú a spracovávajú číslicovo. Príkladom konkrétnych aplikácií analógovo-digitálneho prevodu sú elektronické diktafóny, mobilné telefóny, kamery s digitálnym záznamom, automatizované zberače dát v laboratóriách s následným digitálnym vyhodnotením a archiváciou nameraných dát, či plynový pedál v moderných automobiloch, ktorý už nie je spojený lankom s klapkou na prívod vzduchu, ale uhol jeho stlačenia je meraný potenciometrom, ďalej zdigitalizovaný - s následnou vypočítanou akciou klapky prívodu vzduchu, ktorá je ovládaná motorovým aktorom.

Druhy bežne používaných ADC:

• integračný, s dvojnásobnou integráciou - pomalý ale presný, používaný najmä v meracích prístrojoch
• s postupnou aproximáciou (kombinácia digitálno-analógového prevodníka, komparátora a príslušnej logiky) - stred v cene aj rýchlosti aj presnosti
• flash (najrýchlejší, sústava komparátorov a napäťových referencií)

Teória Analógovo-digitálnych prevodníkov

Pri digitalizácii analógovej informácie máme k dispozícii nespočetné množstvo metód. V nasledujúcom texte sú zhrnuté najjednoduchšie alebo naopak zložité, ale osvedčené.

Integračná metóda

Prevodníky postavené na dvojstupňovej integrácii sú najčastejšie využívané v digitálnych meracích prístrojoch. Dôvodom tohto použitia je ich presnosť a odolnosť voči starnutiu prvkov. Ich najchúlostivejšou časťou je integračný článok, ktorý však dnes dokážeme vyrobiť veľmi precízny.

Integračná metóda

Popis funkcie:

• v dobe T₁ ne pripojené V_x, táto doba je konštantná a je daná časom zaplnenia čítača, čiže načítanie 2ⁿ inpulzov
• potom sa integrátor pripojí k V_ref(má opačnú polaritu ako V_x), nastáva pokles a táto doba končí, keď výstupné napätie prechádza nulou a komparátor dá povel na ukončenie prevodu
• doba T₂ je merítkom veľkosti signálu V_x a meria sa počtom impulzov, ktoré čítač načíta v tejto dobe
• na začiatku konverzie je spínač S₁ krátko zopnutý a na výstupe integrátoru je nulové napätie, ako náhle sa otvorí na výstupe narastá napätie so strmosťou

[math]\left[\frac{dV_1}{dt}\right]_{behom T_1}=\frac{V_x}{RC}[/math]

• po načítaní 2ⁿ impulzov sa čítač nuluje, spínač S₁ sa prepne na V_ref a na výstupe integrátora bude napätie klesať so strmosťou

[math]\left[\frac{dV_1}{dt}\right]_{behom T_2}=-\frac{V_{ref}}{RC}[/math]

• pritom sa čítajú hodinové impulzy až do nulového napätia na výstupe integrátora, ich počet je daný vzťahom

[math]M=|-V_x|\frac{2^n}{V_{ref}}[/math]

Metóda využitia medziprevodu napätia na frekvenciu

Prevodníky pracujúce na princípe prevodu U na f sa skladajú zo štyroch základných častí:

• prevodník napätia na frekvenciu......jednoduchý napätím preladiteľný oscilátor, obvod s využívajúci integrátor
• generátor hodinového signál
• komparačné AND hradlo
• čítač frekvencie

Metóda využitia medziprevodu napätia na frekvenciu

Popis funkcie:

• najprv sa prevedie napätie na frekvenciu
• potom sa signál s frekvenciou závislou na vstupnom napätí privedie na porovnávacie AND hradlo
• na druhý vývod tohto hradla sa privedie hodinový signál
• na výstupe sa objaví výsledok, ktorý čítač navzorkuje a podá ďalej

Pozn. pri prevode U na f sa najčastejšie využívajú integrátory, preto by bolo možné zaradiť aj tento ADC medzi integračné;

Aproximačná metóda

Aproximačné prevodníky, v literatúre tiež ako kompenzačné alebo prevodníky s postupnou aproximáciou, sú v podstate spätno-väzbové systémy, ktoré autonómne generujú signál a ten následne porovnávajú so vstupným. Pohybujú sa v binárnom strome, odkiaľ čerpajú digitálne kombinácie potrebné kombinácie ako vzory pre generovanie analógového signálu.

Aproximačná metóda

Popis funkcie:

• na začiatku je register postupných aproximácií vynulovaný
• v prvom kroku je do neho zapísaná 1 ako najvyšší bit a ostatné sú nulové
• vygeneruje sa signál(zodpovedajúci 100...0) a ten sa porovná so vstupným
• podľa výsledku porovnania sa rozhodne o platnosti 1 alebo nahradení 0, ak je vstupný signál nižšej úrovne
• tento proces pokračuje pokiaľ sa nenavzorkuje daný počet bitov
• vzorkovanie sa v podstate stáva pohybom po binárnom strome úrovne rovnej rozlíšeniu aproximácie

Pozn. pohyb po binárnom strome možností je na nasledujúcom obrázku;

Aproximačná metóda - pohyb po bipolárnom strome

Pozn. výhoda tohto prevodníku je jeho rýchlosť, pretože na navzorkovanie N bitov potrebuje N hodinových inpulzov, čo je značné zníženie počtu voči integračnému, ktorý ich potreboval 2^N

Metóda založená na sledovaní vstupného signálu

Prevodníky založené na tejto technológii sú podobné aproximačným prevodníkom, avšak nepoužívajú zložitú pamäť. Pamäť je nahradená vratným čítačom.

Popis funkcie:

• prevodník sa skladá z troch častí: komparátor, vratný čítač, n-bit DA prevodník
• signál z DA prevodníka a vstup sú privedené na vstup komparátora
• výstup komparátora je pripojený na vratný čítač, ktorý sa podľa neho inkrementuje alebo dekrementuje
• jeho hodnota je výstupom a zároveň opravným signálom, ktorý vstupuje do DA a následne do komparátora

Pozn. jeho rýchlosť je značne obmedzená neschopnosťou vykonať náhle skoky, mnohým aplikáciám však plne vyhovuje, kvôli vyhladenému a spojitému výstupu

Metóda paralelného vzorkovania

Prevodníky využívajúce túto metódu sú najrýchlejšími prevodníkmi, pretože dokážu navzorkovať celé binárne slovo naraz. Ich funkcia je založená na rozložení úrovne vstupného signálu na rezistorovom rade. Napätie je snímané na každom spoji dvoch rezistorov a je vpodstate opakom paralelného A/D prevodníka. Z toho vyplýva aj jeho najväčšia nevýhoda, čo je konštrukčná zložitosť. Na n-bitov totiž treba 2ⁿ-1 komparátorov a 2ⁿ rezistorov. Aj napriek tomu sa kvôli svojej rýchlosti často používajú. Pozn. nasledujúci obrázok je hrubá schéma jeho stavby

Metóda paralelného vzorkovania

ADC prevodníky v PSoC

Poznáme 3 základné druhy ADC prevodníkov implementovaných v PSoC

• Postupná aproximácia registra (SAR - Successive Approximation Register)
• Prírastkový
• Delta Sigma

Postupná aproximácia registra (SAR)

SAR je tvorený z komparátora a DAC prevodníka, ako je znázornené na obr.

Na začiatku prevádzacieho cyklu, je DAC nastavený na polovičnú veľkosť a je vložený medzi VIN a výstupom DAC. S každým krokom je DAC aktualizovaný, ďalší vybraný bit, sa následne porovná s hodnotami DAC pomocou binárneho vyhľadávania. Tento typ prevodníka je rýchly, ale používa 100% PSoC CPU pri konverzii a vyžaduje mať stabilný vstup po celú dobu premeny. Vo vyhradených SAR ADC je toto robené s vzorkovacím obvodom, ktorý nie je k dispozícii a nie je ľahko vykonaný v PSOC.

prírastkový

Prírastkové meniče využívajú integrátor a komparátor a pár referencií, ako je znázornené na obrázku. Vstup je integrovaný na jednej fáze taktu. Odkaz je potom integrovaný v opačnom smere v druhej fáze taktu. Referenčný výber, je pozitívne alebo negatívne riadený komparátorom a vždy integrovaný späť k nule. Počet cyklov, v ktorých je porovnávaný výstup pozitívny sa započítava do digitálneho výsledku. To je algoritmus zodpovedajúci dvojakej stupnici ADC.

PSoC prírastkové prevodníky sú k dispozícii v niekoľkých variantoch:

Zdroje

http://sk.wikipedia.org/wiki/Anal%C3%B3govo-digit%C3%A1lny_prevodn%C3%ADk