ADC дегеніміз не? Аналогтық-сандық түрлендіргіштер және олар қалай жұмыс істейді

Аналогтық-сандық түрлендіргіш (ADC) датчиктердің кернеулері, дыбыстық толқындар және өлшем сигналдары сияқты аналогтық сигналдарды микроконтроллер, процессор, FPGA немесе компьютер өңдей алатын сандық деректерге айналдырады. Бұл мақала ADC-нің қалай жұмыс істейтінін, негізгі ADC түрлерін, шешімді, үлгілеу жиілігін, негізгі техникалық сипаттамаларды, қолдану салаларын, таңдау факторларын және жалпы ақауларды жою мәселелерін түсіндіреді.

Каталог

Сурет 1: Аналогтық кірістен сандық шығысқа дейінгі ADC сигнал тізбегі

ADC дегеніміз не?

Аналогтық-сандық түрлендіргіш (ADC) үздіксіз аналогтық сигналды микроконтроллер, процессор, FPGA немесе компьютер оқып, өңдей алатын сандық мәнге айналдыратын электрондық схема.

ADC қалай жұмыс істейді?

ADC аналогтық сигналды сандық деректерге келесі жолмен түрлендіреді:

• Аналогтық кіріс: ADC-ге кіретін бастапқы кернеу немесе сигнал.

• Анти-алиасинг фильтрі: Үлгілеуден бұрын алиасингті тудыруы мүмкін жиіліктерді жояды.

• Үлгі мен сақтау: Кіріс кернеуін нақты сәтте ұстап, түрлендіру кезінде сақтайды.

• Квантизация: Үлгіленген кернеуді ең жақын қолжетімді сандық деңгейге тағайындайды.

• Кодтау: Квантизацияланған деңгейді бинарлық кодқа айналдырады.

• Сандық шығым: Соңғы сандық мәнді микроконтроллерге, процессорға, FPGA немесе басқа сандық жүйеге жібереді.

N-биттік ADC үшін:

Деңгейлердің саны = 2ᴺ

Идеал LSB өлшемі = Толық ауқым диапазоны ÷ 2ᴺ

Идеал квантизациялау қатесі = ±0.5 LSB

Мысалы, 12-биттік ADC-да:

2¹² = 4096 деңгейлер

0–3.3 В кіріс диапазонында:

3.3 В ÷ 4096 ≈ 0.806 мВ

Сондықтан әрбір идеал LSB шамамен 0.806 мВ-ны көрсетеді, идеал квантизациялау қатесі шамамен ±0.403 мВ.

Сурет 2: Бинарлық шығыс кодтарымен 0–3.3 В квантизациясының біржақты мысалы

ADC-нің негізгі түрлері қандай?

Әр түрлі ADC архитектуралары жылдамдықты, шешімді, қуат тұтынуды, кідірісті және дәлдікті әсер ететін әр түрлі түрлендіру әдістерін қолданады.

ADC түрі	Қалай жұмыс істейді	Негізгі артықшылық	Негізгі шектеу	Кең таралған қолданулар
SAR ADC	Ішкі DAC, компаратор және келесі жақындық регистрін пайдаланады. Есептеуді бинарлық іздестіру әдісімен жүргізеді, бір битті бір уақытта тексереді, ең жақын сандық кодты тапқанша.	Жылдамдық, шешім, төмен қуат және төмен кідіріс арасындағы жақсы тепе-теңдік	Ең жоғары жылдамдықты сигналдарға жарамсыз	Микроконтроллерлер, датчиктер, өнеркәсіптік басқару, деректерді алу
Sigma-Delta ADC	Кірісті жоғары ішкі жылдамдықта артық үлгілеуді жүргізеді. Шудың пішінін өзгерту квантизациялық шулардың көп бөлігін сигнал диапазонынан шығарады, ал сандық фильтрация мен декимация соңғы төмендетілген шығысты өндіреді.	Жоғары шешім мен төмен шум	Төмен өткізу қабілеті және жоғары сүзгі кешігуі	Дәлдетекті сенсорлар, аудио, салмақ өлшеу жүйелері
Flash ADC	Кіріс деңгейін анықтау үшін көптеген салыстырғыштарды бір уақытта пайдаланады. Идеалды N-биттік flash ADC 2ᴺ − 1 салыстырғышты қажет етеді.	Өте жылдам түрлендіру	Жоғары қуат шығыны, үлкен схема ауданы және күрделілік	Радиожиілік, радар, осциллоскоптар
Pipeline ADC	Кірісті бірнеше кезең арқылы түрлендіреді. Әр кезең сигналдың бір бөлігін шешеді, оның бағасын шегереді, қалған қалдықты күшейтеді де келесі кезеңге жібереді.	Жоғары үлгілеу жылдамдығы мен пайдалы ажыратымдылық	Түрлендіру кешігуін қосады	Қатынасу, кескіндеу, жоғары жылдамдықты деректерді жинау
Dual-Slope ADC	Белгісіз кірісті белгілі уақытқа интеграциялайды, содан соң интегратор бастапқы деңгейге оралатынша қарама-қарсы полярлы белгілі сілтемені интеграциялайды. Өлшенген уақыт цифрлық нәтижені анықтайды.	Жоғары дәлдік және жақсы шуды басу	Баяу түрлендіру	Цифрлық мультиметрлер және дәлдетекті құралдар

SAR ADC нәтижені ішкі ЦАП және салыстырғышты пайдаланып екілік іздеу процесі арқылы анықтайды. Сигма-дельта ADC жоғары ажыратымдылық өлшемдері үшін артық үлгілеу, шу формалау, сандық сүзгілеу және қысқартуды қолданады. Flash ADC өте жоғары жылдамдықты көптеген параллель салыстырғыштарды пайдаланып қамтамасыз етеді, ал pipeline ADC сигнал қалдығын бірнеше түрлендіру кезеңдері арқылы өңдейді. Dual-slope ADC интеграция мен уақытқа негізделген, сондықтан баяу, дәл өлшемдерге жақсы үйлеседі.

ADC Ажыратымдылығы, Үлгілеу Жылдамдығы және Дәлдігі

ADC өнімділігі негізінен ажыратымдылыққа, үлгілеу жылдамдығына және дәлдікке байланысты.

Параметр	Мәні	Неге маңызды
Ажыратымдылық	Әр түрлендіруге қолданылатын биттердің саны	ADC көрсете алатын ең кіші кіріс өзгерісін анықтайды
Үлгілеу жылдамдығы	Бір секундта алынатын үлгілер саны	Өзгермелі сигналды қаншалықты жылдам өлшеуге болатынын анықтайды
Дәлдік	Нәтиженің нақты кіріске қаншалықты жақын екені	Өлшеу дұрыстығына әсер етеді
ENOB	Тиімді Биттер Саны	Шудың және бұрмаланудың әсерінен кейінгі қолдануға жарамды ажыратымдылықты көрсетеді

ADC Ажыратымдылығы

Ажыратымдылық ADC шығара алатын сандық деңгейлер санын анықтайды.

8-бит = 256 деңгей

10-бит = 1,024 деңгей

12-бит = 4,096 деңгей

16-бит = 65,536 деңгей

Жоғары ажыратымдылық кішірек сигнал өзгерістерін көрсетуге мүмкіндік береді, бірақ шу мен схема қатесі қолдануға жарамды ажыратымдылықты төмендетуі мүмкін.

ADC Үлгілеу Жылдамдығы

Үлгілеу жылдамдығы – ADC секундына неше үлгі алуын көрсетеді және көбінесе SPS, kSPS немесе MSPS бірліктерінде берілген.

Белгіленген белдікпен базалық сигнал үшін үлгілеу жылдамдығы ең жоғары сигнал жиілігінің екі есесінен көп болуы керек:

fₛ > 2 × fmax

Мысалы, 10 кГц дейінгі жиіліктері бар базалық сигнал теориялық түрде мынаны талап етеді:

fₛ > 20 kSPS

Практикалық жобаларда үлгілеу жылдамдығы әдетте жоғарырақ болады, себебі нақты антиалиасинг сүзгісіне ең жоғары қажетті сигнал жиілігі мен fₛ/2 арасындағы өту белдеуі қажет.

Бұл терминдер әртүрлі:

Термин	Мәні
Үлгілеу жылдамдығы	Бір секундта алынатын үлгілер саны
Аналогтық кіріс өткізу қабілеті	ADC аналогтық алдыңғы бөлігі қабылдай алатын жиілік ауқымы
Түрлендіру өткізу қабілеті	Бір секундта аяқталатын максималды түрлендірулер саны
Каналдық үлгілеу жылдамдығы	Әрбір каналға қолжетімді тиімді үлгілеу жылдамдығы

Мультиплексті ADC үшін жалпы түрлендіру өткізу қабілеті каналдар арасында бөлінеді. Мысалы, төрт каналды тең өлшенетін 100 kSPS ADC әр каналға шамамен 25 kSPS бере алады, бұл алыну, канал ауыстыру және тұрақтану уақытын ескерместен.

ADC Дәлдігі, SINAD және ENOB

ADC дәлдігі сілтеме қатесі, ығысу қатесі, күшейту қатесі, сызықтықсыздық, шу, бұрмалау, жетіспейтін кодтар, апертура дірілі және басқа түрлендіру қателерінен әсер алады.

SINAD немесе Сигнал-шу және бұрмалану қатынасы, ADC шығысындағы қалаулы сигналды біріккен шу мен бұрмаланумен салыстырады.

ENOB немесе Тиімді Биттер Саны, шу мен бұрмалану ескерілгеннен кейінгі ADC пайдаланыла алатын динамикалық ажыратымдылығын көрсетеді.

ENOB = (SINAD − 1.76) ÷ 6.02

Мысалы, егер SINAD 68 дБ болса:

ENOB = (68 − 1.76) ÷ 6.02 ≈ 11.0 бит

Бұл теңдеу берілген кіріс жиілігі, кіріс амплитудасы және үлгілеу шарттарында синусоидалық тестілеуге қолданылады.

Басқа маңызды ADC дәлдік терминдері:

• Жалпы Жасалмаған Қате (TUE): Калибрлеусіз негізгі статикалық ADC қателерінің жиынтық әсері.

• Жоғалған кодтар: Конвертердің сызықсыздығынан пайда болмайтын сандық шығару кодтары.

• Апертураның өткіншігі: Өлшеу сәтіндегі уақытта белгісіздік, ол жоғары кіріс жиіліктерінде маңызды болады.

• Шуы жоқ шешім: Пиктен-пикке шу тудырған код өзгерістерінсіз тұрақты болып қалатын биттер саны.

ADC негізгі спецификациялары мен өнімділік факторлары

Спецификация	Тексерілетін нәрсе	Неге бұл маңызды
Кіріс диапазоны	Минимум және максимум кіріс кернеуі	Сигналдың ADC өлшеу диапазонында қалуын қамтамасыз етеді
Сілтеме кернеуі	Дәлдік, тұрақтылық, ауытқу және шу	Конверсия диапазонын орнатады және өлшеу дәлдігіне әсер етеді
Шешім	Қажетті биттер саны	Қол жетімді сандық деңгейлердің санын анықтайды
Үлгі алу жиілігі	Екілік секундағы үлгілер саны	Кіріс сигналын қаншалықты жиі үлгі алатынын анықтайды
Конверсия өткізу қабілеті	Екілік секундағы толыққанды конверсиялар	Үздіксіз және көп арналы өлшеулер үшін маңызды
ENOB	Негізгі биттер саны	Шуды және бұрмалануды ескергенде қолданылатын динамикалық шешімді көрсетеді
SINAD	Сигналдағы шудың және бұрмаланудың қатынасы	Біріктірілген шу және бұрмалану өнімділігін көрсетеді
SNR	Шу қатынасы	Шумен салыстырғанда сигнал сапасын көрсетеді
Жалпы түзетілмеген қате (TUE)	Біріктірілген статикалық конверсия қателігі	Калибрлеусіз жалпы DC өлшеу дәлдігін бағалауға көмектеседі
INL	Интегралды сызықсыздық	Идеал ADC трансферлік қисығынан ауытқуды көрсетеді
DNL	Айырма сызықсыздық	Жақын цифрлық код қадамдары арасындағы өзгерісті көрсетеді
Жоғалған кодтар	Барлық күтілетін шығыс кодтарының пайда болуын анықтайды	Жоғалған кодтар қолданылатын конверсия үздіксіздігін азайтады
Апертураның өткіншігі	Үлгі алу уақытының белгісіздігі	Жоғары кіріс жиіліктерінде дәлдік пен SNR-ды азайтуы мүмкін
Шуы жоқ шешім	Пиктен-пикке шу негізінде тұрақты шешім	Төмен шу DC және датчик өлшеулерінде маңызды
Офсет қатесі	Нөлдік кіріс жанындағы қате	Төмен деңгейлі өлшеулерге әсер етеді
Көбею қатесі	Толық ауқымды кіріс жанындағы қате	Кіріс диапазоны бойынша өлшеу ауқымына әсер етеді
Алдын ала алу уақыты	ADC кірісі сигналды алу үшін қажет уақыт	Жеткіліксіз алдын ала алу уақыты, әсіресе жоғары көз импедансымен қателер тудыруы мүмкін
Кіріс импедансы	Сигнал көзіндегі жүктеме	Сигналды орнықтыру мен өлшеу дәлдігіне әсер етуі мүмкін
Арналар саны	Аналогтық кірістер саны	Неғұрлым көп сигналдарды өлшеу мүмкіндігін анықтайды
Кіріс түрі	Бір жақты немесе айырмашылық	Датчик немесе сигнал көзімен сәйкес болуы керек
Интерфейс	SPI, I²C, параллель, LVDS немесе басқа интерфейс	Процессормен немесе FPGA-пен үйлесімді болуы керек
Электр қуатын consumption	Белсенді және күту токы	Портативті және төмен қуатты жүйелер үшін маңызды
Жұмыс температурасы	Қажетті температура диапазоны	Индустриалды және автокөлік қолданбалар үшін маңызды

Динамикалық ADC өнімділігі үшін, SINAD және ENOB белгіленген кіріс жиілігінде, кіріс амплитудасында және үлгі алу жиілігінде тексерілуі керек, өйткені бұл мәндер жұмыс жағдайлары өзгергенде өзгеруі мүмкін. Апертураның өткіншігі кіріс жиілігі артқанда маңызды болады, ал шуы жоқ шешім дәлдік DC және төмен жиілікті өлшеулер үшін өте пайдалы.

Жалпы ADC қолданулары мен пайдалану жағдайлары

ADC-лер сандық жүйе аналогтық сигналды өлшеуі керек жерде пайдаланылады.

Қолдану	Өлшенген сигнал	Негізгі ADC талаптары
Температураны сезу	Терморезистор, RTD немесе датчик кернеуі	Дәлдік және төмен шу
Батарея мониторингі	Батарея немесе қуат көзі кернеуі	Кіріс диапазоны және дәлдік
Аудио жазу	Микрофон немесе аудио толқыны	Үлгі алу жиілігі және төмен бұрмалану
Индустриалды бақылау	Қысым, ағын, позиция және ток	Сенімділік және шу өнімділігі
Автокөлік электроникасы	Температура, қысым, кернеу және ток	Кең температура диапазоны және беріктік
Медициналық құралдар	Төмен деңгейлі датчик сигналдары	Жоғары шешім және төмен шу
Деректерді алу	Көптеген өлшеу арналарын	Дәлдік, арна саны және таңдау жиілігі
Осциллографтар	Жоғары жылдамдықты вольтты толқындар	Жоғары таңдау жиілігі және өткізу қабілеті

ADC түрі сигналға сәйкес болу керек. Баяу дәлдік датчиктері әдетте дәлдік пен төмен шу қажет, ал жылдам толқындар жоғары таңдаулық жылдамдығы мен жеткілікті өткізу қабілетін талап етеді.

Дұрыс ADC таңдау: Жұмыс мысалы

Мысал жүйе талаптары: 0–3.3 V кіріс диапазоны, 1 мВ минималды сигнал өзгерісі, 1 кГц максималды сигнал жиілігі және 4 арна.

Таңдау кезеңі	Есептеу / Талап	Нәтиже
Қажет резолюция	3.3 V ÷ 0.001 V = 3,300 деңгей	12-биттік ADC кемінде себебі 2¹² = 4,096 деңгей
LSB көлемі	3.3 V ÷ 4096	≈ 0.806 мВ/LSB
Минималды таңдау жиілігі	> 2 × 1 кГц	> 2 кSPS әр арнаға
Практикалық таңдау жиілігі	Анти-алиасинг фильтрі өтпелі жолағына қосымша маржа қосыңыз	5 кSPS әр арнаға
Арналық өткізу	Әр арна үшін қажет таңдау жиілігі	5 кSPS/арна
Жалпы өткізу	4 арна × 5 кSPS	20 кSPS минималды жалпы өткізу
Кіріс диапазоны	Датчик шығуы = 0–3.3 V	ADC 0–3.3 V қолдауы керек немесе сигналды шарттауды пайдалану керек
Сілтеме дәлдігі	0.5 LSB = 0.403 мВ; 0.403 мВ ÷ 3.3 V × 100	≈ 0.0122% немесе 122 ppm максималды бастапқы қате бөлу
Конверсия кезеңі	1 ÷ 20,000	50 мкс
Алу терезесі	50 мкс − 10 мкс болжамды конверсия/интерфейс қосымша шығыны	40 мкс
Тұрақтандыру талаптары	ADC кірісі 40 мкс алу терезесінде ±0.5 LSB-ге дейін тұрақтануы керек. 12 биттік дәлдікпен бірінші тәртіпті жүйе үшін tsettle ≈ 9τ.	τ ≤ 40 мкс ÷ 9 ≈ 4.4 мкс
SAR ADC	Қажет резолюция, өткізу, төмен жүктеме және көпарналы таңдау үшін қолайлы	Ең жақсы сәйкестік
Сигма-Дельта ADC	Жақсы дәлдік және төмен шу, бірақ жүктеме мен арналық ауысулар тексерілуі керек	Мүмкін
Pipeline ADC	Қажеттен әлдеқайда жылдам	Әдетте қажетсіз
Flash ADC	Жоғары жылдамдық, қуат және күрделілік қажетсіз	Нашар сәйкестік
Dual-Slope ADC	Жақсы дәлдік, бірақ әдетте тым баяу	Нашар сәйкестік
Ұсынылған ADC	Барлық есептелген талаптарға сай болуы керек	12-бит немесе жоғары SAR ADC, ≥4 арна және >20 кSPS жалпы өткізу

10 мкс қосымша шығын мысал болжамы болып табылады. Конверсия уақыты, алу уақыты, кіріс сыйымдылығы және дереккөздің кедергісі үшін таңдалған ADC деректер парағы мәндерін пайдаланыңыз.

Жалпы ADC мәселелері мен шешу жолдары

Мәселе	Мүмкін себеп	Ұсынылған тексеру
Шулы ADC өлшеулері	Шулы қуат көзі, сілтеме, жер немесе датчик	Декуплинг, фильтрация, жерлеу және сілтеме тұрақтылығын тексеріңіз
Оқу нөлде тұрады	Кіріс сигналы жоқ, қате арна немесе конфигурация қатесі	Кіріс кернеуіңізді өлшеп, ADC параметрлерін растаңыз
Оқу максималды мәнге жақын тұрады	Кіріс ADC диапазонынан асып кетті	Кіріс кернеуін және сигналды шарттау схемасын тексеріңіз
Оқу дәл емес	Сілтеме қатесі, ауытқу, күшейту қатесі немесе резистордың шыдамдылығы	Сілтемені өлшеп, масштабтау компоненттерін растаңыз
Оқу арналар арасында өзгереді	Жоғары көздің кедергісі немесе жеткіліксіз тұрақтандыру уақыты	Алу уақытын ұлғайтыңыз немесе кірісті буферлеңіз
Жылдам сигнал дұрыс емес сияқты көрінеді	Таңдау жиілігі тым төмен	Таңдау жиілігін ұлғайтып, анти-алиасинг фильтрін қолданыңыз
Төмен биттер құбылып тұрады	Электрлік шу	Жерлеуді, фильтрацияны, экрандауды немесе орташа алуды жақсартыңыз
Оқу температураға байланысты өзгереді	Сілтеме немесе компоненттің ауытқуы	Төмен ауытқуға ие компоненттерді немесе калибрлеуді пайдаланыңыз

Қорытынды

ADC аналогтық сигналдарды өңдеу және өлшеу үшін цифрлық мәндерге түрлендіреді. Дұрыс ADC резолюция, таңдау жиілігі, дәлдік, кіріс диапазоны, шу, сілтеме сапасы, интерфейс және қуат талаптарына байланысты. SAR ADC-лар көптеген енгізілген жүйелерге сай келеді, сигма-дельта ADC-лар дәл өлшеулерге сәйкес келеді, ал pipeline немесе flash ADC-лар жылдам сигналдар үшін жақсы. Жақсы сигналды шарттау, жерлеу, фильтрация және сілтеме дизайны сенімді конверсия үшін де маңызды.