Analóg-digitális átalakító

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2017. június 28-án áttekintett verziótól ; az ellenőrzések 73 szerkesztést igényelnek .

Analog-to-digital converter [1] [2] [3] ( ADC , angol  Analog-to-digital converter, ADC ) egy olyan eszköz, amely a bemeneti analóg jelet diszkrét kóddá ( digitális jel ) alakítja át.

A fordított átalakítás digitális-analóg átalakítóval (DAC, DAC) történik.

Az ADC általában egy elektronikus eszköz, amely a feszültséget bináris digitális kóddá alakítja. Néhány digitális kimenettel rendelkező nem elektronikus eszközt azonban szintén az ADC-k közé kell sorolni, például bizonyos típusú szög-kód konvertereket . A legegyszerűbb egybites bináris ADC a komparátor .

Felbontás

Az ADC felbontás - az analóg jel nagyságának minimális változása, amelyet egy adott ADC átalakíthat - a bitmélységéhez kapcsolódik. Egyetlen mérés esetén a zaj figyelembevétele nélkül a felbontást közvetlenül az ADC bitmélysége határozza meg.

Az ADC bitmélysége jellemzi, hogy a konverter hány diszkrét értéket tud előállítani a kimeneten. A bináris ADC-kben bitben , a hármas ADC-kben tritekben mérik . Például egy bináris 8 bites ADC 256 diszkrét értéket (0…255) képes kiadni, mert egy hármas 8 bites ADC 6561 diszkrét értéket képes kiadni, mivel .

A feszültségfelbontás egyenlő a maximális és minimális kimeneti kódnak megfelelő feszültségek különbségével, osztva a kimeneti diszkrét értékek számával. Például:

• 1. példa
  • Bemeneti tartomány = 0 és 10 volt között
  • A bináris ADC 12 bites bitmélysége: 2 12 = 4096 kvantálási szint
  • Bináris ADC feszültség felbontása: (10-0)/4096 = 0,00244 volt = 2,44 mV
  • Bitmélység hármas ADC 12 trit: 3 12 = 531 441 kvantálási szint
  • A hármas ADC feszültségfelbontása: (10-0)/531441 = 0,0188 mV = 18,8 µV
• 2. példa
  • Bemeneti tartomány = -10 és +10 volt között
  • A bináris ADC 14 bites bitmélysége: 2 14 = 16384 kvantálási szint
  • Bináris ADC feszültségfelbontás: (10-(-10))/16384 = 20/16384 = 0,00122 volt = 1,22 mV
  • Bitmélység hármas ADC 14 trit: 3 14 = 4 782 969 kvantálási szint
  • Terner ADC feszültségfelbontása: (10-(-10))/4782969 = 0,00418 mV = 4,18 µV

A gyakorlatban az ADC felbontását a bemeneti jel jel /zaj viszonya korlátozza. Az ADC bemenet magas zajintenzitása esetén lehetetlenné válik a bemeneti jel szomszédos szintjei megkülönböztetése, vagyis a felbontás romlik. Ebben az esetben a valóban elérhető felbontást az effektív bitszám ( ENOB ) írja le  , amely kisebb, mint a tényleges ADC bitmélység. Erősen zajos jel konvertálásakor a kimeneti kód alsó bitjei gyakorlatilag használhatatlanok, mivel zajt tartalmaznak. A megadott bitmélység eléréséhez a bemeneti jel jel-zaj viszonyának körülbelül 6 dB-nek kell lennie minden bitszélesség bitenként (6 dB a jelszint kétszeres változásának felel meg).

Konverziótípusok

Az alkalmazott algoritmusok módszere szerint az ADC-ket a következőkre osztják:

• Szekvenciális közvetlen átalakítás
• egymást követő közelítés
• Soros szigma-delta modulációval
• Párhuzamos egyfokozatú
• Párhuzamos két- és többfokozatú (szállítószalag)

Az első két típusú ADC-k összetételükben kötelező a sample and hold eszköz (SHA) használatát. Ez az eszköz a jel analóg értékének tárolására szolgál az átalakítás végrehajtásához szükséges ideig. Enélkül a soros típusú ADC átalakítás eredménye megbízhatatlan lesz. Integrált egymás utáni közelítésű ADC-k jönnek létre, mindkettő SHA-t tartalmaz, és külső SHA-t igényel .

Lineáris ADC-k

A legtöbb ADC lineárisnak tekinthető , bár az analóg-digitális átalakítás eleve nemlineáris folyamat (mivel a folytonos diszkrét térré konvertálás művelete nemlineáris művelet).

A lineáris kifejezés az ADC-vel kapcsolatban azt jelenti, hogy a kimeneti digitális értékre leképezett bemeneti értékek tartománya lineárisan kapcsolódik ehhez a kimeneti értékhez, vagyis a k kimeneti értéket a bemeneti érték tartományától kezdve érjük el.

m ( k + b )

előtt

m ( k + 1 + b ),

ahol m és b  néhány állandó. A b állandó értéke általában 0 vagy -0,5. Ha b = 0, akkor az ADC-t nem nulla lépésű kvantálónak nevezzük ( mid-rise ), de ha b = -0,5, akkor az ADC-t kvantálónak nevezzük , amelynek a kvantálási lépés közepén nulla áll ( középső futófelület). ).

Nemlineáris ADC-k

Ha a bemeneti jel amplitúdójának valószínűségi sűrűsége egyenletes eloszlású lenne, akkor a jel-zaj arány (a kvantálási zajra vonatkoztatva) a lehető legnagyobb lenne. Emiatt az amplitúdó kvantálás előtt a jelet általában inercia nélküli konverteren vezetik át, amelynek átviteli függvénye megismétli magának a jelnek az eloszlási függvényét . Ez javítja a jelátvitel hűségét, mivel a jelamplitúdó legfontosabb tartományai jobb felbontással vannak kvantálva. Ennek megfelelően a digitális-analóg átalakítás során a jelet olyan függvénnyel kell feldolgozni, amely inverz az eredeti jel eloszlási függvényével.

Ez ugyanaz az elv, amelyet a magnókban és a különféle kommunikációs rendszerekben használt kompanderekben használnak, célja az entrópia maximalizálása . (Ne keverje össze a kompandert a kompresszorral !)

Például egy hangjelnek laplaci amplitúdó-eloszlása ​​van. Ez azt jelenti, hogy a nulla amplitúdójú környezete több információt hordoz, mint a nagyobb amplitúdójú területek. Emiatt a logaritmikus ADC-ket gyakran használják a hangátviteli rendszerekben az átvitt értékek dinamikus tartományának növelésére anélkül, hogy megváltoztatnák a jelátvitel minőségét az alacsony amplitúdójú régióban.

A 8 bites a-törvény vagy μ- törvényű logaritmikus ADC-k széles dinamikatartományt és nagy felbontást biztosítanak a legkritikusabb alacsony amplitúdójú tartományban; egy hasonló átviteli minőségű lineáris ADC-nek körülbelül 12 bit szélesnek kell lennie.

Jellemzők

Az ADC átviteli jellemzője a kimeneti bináris kód numerikus megfelelőjének a bemeneti analóg jel értékétől való függése. Beszéljen a lineáris és nemlineáris ADC-kről. Ez a felosztás feltételes. Mindkét átviteli jellemző lépcsőzetes. De a „lineáris” ADC-knél mindig lehet olyan egyenest húzni, hogy az átviteli karakterisztika minden pontja megfeleljen a bemeneti értékeknek (ahol  a mintavételi lépés, k a 0..N tartományba esik , ahol N  az ADC bitmélysége) egyenlő távolságra vannak tőle.

Pontosság

Az ADC hibának több forrása is lehet. A kvantálási hibák és (feltételezve, hogy az ADC-nek lineárisnak kell lennie) a nemlinearitások minden analóg-digitális átalakítás velejárói. Ezen kívül vannak úgynevezett apertúrahibák , amelyek az órajelgenerátor jitterének ( angol jitter ) következményei, a jel egészének (és nem egy minta) konvertálásakor jelennek meg. 

Ezeket a hibákat LSD (  Least Digit egységekben mérik A fenti 8 bites bináris ADC példában az 1 LSB hibája a jel teljes tartományának 1/256-a, azaz 0,4%, az 5-trit ternáris ADC-ben, az 1 LSB hibája a jel teljes tartományának 1/243-a. a jel teljes tartománya, azaz 0,412%, egy 8-trit háromszögű ADC-ben a hiba 1 MZR-ben 1/6561, azaz 0,015%.

Kvantálási hibák

A kvantálási hibák az ADC korlátozott felbontásának a következményei. Ezt a hiányosságot semmilyen típusú analóg-digitális átalakítással nem lehet kiküszöbölni. A kvantálási hiba abszolút értéke minden mintánál a nullától az LSM feléig terjedő tartományba esik.

Általános szabály, hogy a bemeneti jel amplitúdója sokkal nagyobb, mint az LSM. Ebben az esetben a kvantálási hiba nem korrelál a jellel, és egyenletes eloszlású . Négyzetes középértéke egybeesik az eloszlás szórásával , amely egyenlő -val . 8 bites ADC esetén ez a teljes jeltartomány 0,113%-a lesz.

Nemlinearitás

Minden ADC szenved nemlinearitási hibáktól, amelyek az ADC fizikai tökéletlenségének az eredménye. Emiatt az átviteli karakterisztika (a fenti értelemben) eltér a lineáristól (pontosabban a kívánt függvénytől, mivel nem feltétlenül lineáris). A hibák kalibrációval csökkenthetők [4] .

A nemlinearitást leíró fontos paraméter az integrál nemlinearitás (INL) és a differenciális nemlinearitás (DNL).

Rekesznyílás hiba (jitter)

Digitalizáljunk egy szinuszos jelet . Ideális esetben rendszeres időközönként leolvasásra kerül sor. A valóságban azonban a leolvasás pillanatának időpontja ingadozásoknak van kitéve az órajel elülső részének vibrálása ( clock jitter ) miatt. Feltételezve, hogy a sorrend leolvasásának időpontjának bizonytalansága , akkor azt kapjuk, hogy a jelenség által okozott hiba így becsülhető meg.

.

A hiba alacsony frekvenciákon viszonylag kicsi, de magas frekvenciákon jelentősen megnőhet.

A rekesznyílás-hiba hatása figyelmen kívül hagyható, ha annak értéke viszonylag kicsi a kvantálási hibához képest. Így a következő jitter-követelményeket állíthatja be az órajel szélére :

,

hol  van az ADC bitmélysége.

ADC bitmélység	Maximális bemeneti frekvencia
	44,1 kHz	192 kHz	1 MHz	10 MHz	100 MHz
nyolc	28,2 ns	6,48 ns	1,24 ns	124 ps	12,4 ps
tíz	7,05 ns	1,62 ns	311 ps	31,1 ps	3,11 ps
12	1,76 ns	405 ps	77,7 ps	7,77 ps	777 fs
tizennégy	441 ps	101 ps	19,4 ps	1,94 ps	194 fs
16	110 ps	25,3 ps	4,86 ps	486 fs	48,6 fs
tizennyolc	27,5 ps	6,32 ps	1,21 ps	121 fs	12,1 fs
24	430 fs	98,8 fs	19,0 fs	1,9 fs	190 ac

Ebből a táblázatból azt a következtetést vonhatjuk le, hogy célszerű egy bizonyos kapacitású ADC-t használni, figyelembe véve a szinkronizációs front jittere ( clock jitter ) által támasztott korlátokat. Például értelmetlen precíziós 24 bites ADC-t használni hangrögzítéshez, ha az óraelosztó rendszer nem tud ultraalacsony bizonytalanságot biztosítani.

Általánosságban elmondható, hogy az órajel minősége nem csak ezért rendkívül fontos. Például az AD9218 chip leírásából (analóg eszközök):

Minden nagy sebességű ADC rendkívül érzékeny a felhasználó által biztosított mintavételi óra minőségére. A track-and-hold áramkör lényegében egy keverő. Bármilyen zaj, torzítás vagy időzítési jitter az órajelen kombinálódik a kívánt jellel az analóg-digitális kimeneten.

Vagyis minden nagy sebességű ADC rendkívül érzékeny a felhasználó által biztosított digitalizáló óra minőségére. A mintavételi és tartási áramkör lényegében egy keverő (szorzó). Bármilyen zaj, torzítás vagy órajel vibrálása keveredik a kívánt jellel, és a digitális kimenetre kerül.

Mintavételi frekvencia

Az analóg jel az idő folyamatos függvénye , és az ADC-ben digitális értékek sorozatává alakul át. Ezért meg kell határozni a digitális értékek mintavételezési gyakoriságát egy analóg jelből. A digitális értékek előállításának sebességét ADC mintavételi frekvenciának nevezik.

A folyamatosan változó sávszélességű, korlátozott jelet digitalizálják (vagyis a jelértékeket egy T időintervallumban mérik  - a mintavételi periódusban), és az eredeti jel az idő-diszkrét értékekből interpolálással pontosan rekonstruálható . A helyreállítás pontosságát a kvantálási hiba korlátozza. A Kotelnikov-Shannon tétel szerint azonban a pontos amplitúdó-rekonstrukció csak akkor lehetséges, ha a mintavételezési frekvencia nagyobb, mint a jelspektrum maximális frekvenciájának kétszerese.

Mivel a valódi ADC-k nem tudnak azonnal A/D konverziót végrehajtani, az analóg bemeneti értéket legalább az átalakítási folyamat elejétől a végéig állandónak kell tartani (ezt az időtartamot konverziós időnek nevezzük ). Ezt a problémát az ADC bemenetén lévő speciális áramkör – egy mintavételi és tartási eszköz (SHA) – segítségével oldják meg. Az SHA általában egy kondenzátoron tárolja a bemeneti feszültséget , amely egy analóg kapcsolón keresztül kapcsolódik a bemenethez: amikor a kapcsoló zárva van, a bemeneti jel mintavételezésre kerül (a kondenzátor a bemeneti feszültségre töltődik), amikor a kapcsoló kinyitják,  tárolják. Sok integrált áramkörök formájában készült ADC tartalmaz beépített SHA-t.

Spektrális aliasing (aliasing)

Minden ADC úgy működik, hogy rögzített időközönként mintavételezi a bemeneti értékeket. Ezért a kimeneti értékek nem teljes képet adnak arról, hogy mi történik a bemenettel. A kimeneti értékeket nézve nem lehet megmondani, hogyan viselkedett a bemeneti jel a minták között . Ha ismert, hogy a bemeneti jel elég lassan változik a mintavételi frekvenciához képest, akkor feltételezhető, hogy a minták közötti közbenső értékek valahol ezen minták értékei között vannak. Ha a bemeneti jel gyorsan változik, akkor nem lehet feltételezni a bemeneti jel közbenső értékeit, ezért nem lehet egyedileg visszaállítani az eredeti jel alakját.

Ha az ADC által előállított digitális értékek sorozatát valahol egy digitális-analóg átalakítóval analóg formára alakítják vissza , kívánatos, hogy a kapott analóg jel a lehető legközelebb legyen az eredeti jelhez. Ha a bemeneti jel gyorsabban változik, mint a mintavétel, akkor a jel nem állítható vissza pontosan, és hamis jel lesz jelen a DAC kimenetén. A jel hamis frekvenciájú összetevőit (az eredeti jel spektrumában hiányzó) aliasnak (hamis frekvencia, oldalsó alacsony frekvenciájú komponens) nevezzük. Az álnév gyakorisága a jelfrekvencia és a mintavételi sebesség közötti különbségtől függ. Például az 1,5 kHz-en vett 2 kHz-es szinuszhullám 500 Hz-es szinuszhullámként reprodukálódik. Ezt a problémát frekvencia aliasingnak nevezik .

Az aliasing elkerülése érdekében az ADC bemenetére adott jelet egy aluláteresztő szűrőn kell átvezetni, hogy elnyomja a mintavételi frekvencia felét meghaladó spektrális komponenseket. Ezt a szűrőt anti-aliasing (anti-aliasing) szűrőnek nevezik, használata rendkívül fontos valódi ADC-k építésekor.

Általánosságban elmondható, hogy az analóg bemeneti szűrő használata nem csak ezért érdekes. Úgy tűnik, hogy a digitális szűrő, amelyet általában a digitalizálás után alkalmaznak, összehasonlíthatatlanul jobb paraméterekkel rendelkezik. De ha a jel olyan komponenseket tartalmaz, amelyek sokkal erősebbek, mint a hasznos jel, és frekvenciája elég távol van tőle ahhoz, hogy az analóg szűrő hatékonyan elnyomja, akkor ez a megoldás lehetővé teszi az ADC dinamikatartományának megmentését: ha a zaj 10 dB-lel erősebb, mint a jel, akkor átlagosan három bit kapacitás megy kárba.

Bár az aliasing a legtöbb esetben nemkívánatos hatás, az Ön javára használható. Ez a hatás például kiküszöböli a lefelé átalakítás szükségességét egy keskeny sávú nagyfrekvenciás jel digitalizálása során (lásd a keverőt ). Ehhez azonban az ADC analóg bemeneti fokozatait lényegesen nagyobbra kell méretezni, mint ami a szabványos alapvető (videó vagy alacsony) ADC használatához szükséges. Ehhez szintén szükséges a sávon kívüli frekvenciák hatékony szűrése az ADC előtt, mivel digitalizálás után nincs mód a legtöbb azonosítására és/vagy kiszűrésére.

jel dithering szerkesztés

Az ADC néhány jellemzője javítható a dither technikával .  Ez abból áll, hogy kis amplitúdójú véletlenszerű zajt ( fehér zajt ) adunk a bemeneti analóg jelhez. A zaj amplitúdóját általában az LSM felének szintjén választják meg . Ennek az összeadásnak az a hatása, hogy az LSM állapot véletlenszerűen vált át a 0 és 1 állapotok között nagyon kis bemeneti jel mellett (zaj hozzáadása nélkül az LSM hosszú ideig 0 vagy 1 állapotban lenne). Vegyes zajú jeleknél ahelyett, hogy egyszerűen a legközelebbi bitre kerekítené a jelet, véletlenszerű felfelé vagy lefelé kerekítés történik, és az átlagos idő, ameddig a jel egy adott szintre kerekítésre kerül, attól függ, hogy a jel milyen közel van ehhez a szinthez. Így a digitalizált jel az LSM-nél jobb felbontású információt tartalmaz a jel amplitúdójáról, vagyis nő az ADC effektív bitmélysége. A technika negatív oldala a zaj növekedése a kimeneti jelben. Valójában a kvantálási hiba több szomszédos mintára is kiterjed. Ez a megközelítés kívánatosabb, mint a legközelebbi diszkrét szintre való egyszerű kerekítés. A pszeudo-véletlen jelek keverésének technikájának eredményeként a jel pontosabb időbeni reprodukálását kapjuk. A kis jelváltozások pszeudo-véletlen LSM ugrásokból szűréssel visszaállíthatók. Ezen túlmenően, ha a zaj determinisztikus (a hozzáadott zaj amplitúdója bármikor pontosan ismert), akkor a digitalizált jelből kivonható úgy, hogy először növeli a bitmélységét, ezzel szinte teljesen megszabadulva a hozzáadott zajtól.

A nagyon kis amplitúdójú, pszeudo-véletlen jel nélkül digitalizált hangjeleket a fül nagyon torznak és kellemetlennek érzékeli. Pszeudo-véletlen jel keverésekor a valódi jelszintet több egymást követő minta átlagértéke reprezentálja.

2009 óta azonban a 24 bites ADC-k olcsóbbá válása miatt, amelyek dinamikatartománya dither nélkül is meghaladja a 120 dB-t, ami több nagyságrenddel magasabb, mint a teljes emberi hallástartomány, ez a technológia elvesztette jelentőségét. hangtechnikában. Ugyanakkor az RF és mikrohullámú technológiában használják, ahol az ADC bitmélysége általában kicsi a magas mintavételezési sebesség miatt.

Hasonló eljárást, más néven dither vagy error diffúziót használnak a kép féltónusainak megjelenítésére a számítógépes grafikában alacsony bit/pixelnél. Ebben az esetben a kép zajossá válik, de vizuálisan valósághűbbnek tűnik, mint az egyszerű kvantálással kapott kép.

Újramintavétel

A jelek általában takarékossági okokból a minimálisan szükséges mintavételezési frekvencián kerülnek digitalizálásra, míg a kvantálási zaj fehér, azaz teljesítményspektrális sűrűsége egyenletesen oszlik el a teljes sávszélességen. Ha azonban egy jelet a Kotelnikov-Shannon-tételnél jóval nagyobb mintavételezési frekvenciával digitalizálnak , majd digitális szűrésnek vetik alá, hogy elnyomják az eredeti jel frekvenciasávján kívül eső spektrumot, akkor a jel/zaj arány jobb lesz, mint a teljes sáv használatakor. Így lehetséges az ADC bitmélységénél nagyobb effektív felbontás elérése.

A túlmintavételezés arra is használható, hogy lazítsa meg az élsimító szűrő áteresztősáv-leállítási sáv meredekségi követelményeit. Ehhez a jelet például kétszeres frekvencián digitalizálják, majd digitális szűrést hajtanak végre, elnyomva az eredeti jel sávján kívüli frekvenciakomponenseket, és végül a mintavételi frekvenciát tizedeléssel csökkentik .

Az ADC-k típusai

Az alábbiakban bemutatjuk az elektronikus ADC-k építésének fő módjait:

közvetlen konverziós ADC

• A párhuzamos közvetlen konverziós ( Flash) ADC -k , amelyek teljesen párhuzamosak az ADC-kkel, egy komparátort tartalmaznak minden egyes diszkrét bemeneti jelszinthez. Egy adott időpontban csak a bemeneti jelszint alatti szinteknek megfelelő komparátorok adnak többletjelet a kimenetükön. Az összes komparátor jelei vagy közvetlenül a párhuzamos regiszterbe érkeznek, majd a kódfeldolgozás szoftveresen történik, vagy egy hardveres logikai kódolóba , amely a kódoló bemenetén lévő kódtól függően hardveresen generálja a szükséges digitális kódot. A kódolóból származó adatok egy párhuzamos regiszterben kerülnek rögzítésre. A párhuzamos ADC-k mintavételezési gyakorisága általában az analóg és logikai elemek hardverjellemzőitől, valamint a szükséges mintavételi frekvenciától függ. A párhuzamos közvetlen konverziós ADC-k a leggyorsabbak, de általában 8 bites vagy nagyobb felbontásúak, mint például a digitális oszcilloszkópok, mivel nagy hardverköltséggel járnak (összehasonlítók). Az ilyen típusú ADC-k nagyon nagy chipmérettel , nagy bemeneti kapacitással rendelkeznek, és rövid távú kimeneti hibákat okozhatnak. Gyakran használják videóhoz vagy más nagyfrekvenciás jelekhez, és széles körben használják az iparban a gyorsan változó folyamatok valós idejű nyomon követésére. A professzionális modellek felbontása legfeljebb 14 bit lehet [5] .
• Subranging Direct-conversion (Flash) ADC-k [6] részben soros ADC-k. R. Staffint és R. Lohman R.-t 1956-ban javasolták (Staffin és R. Lohman, "Signal Amplitude Quantizer", 2 869 079 számú amerikai egyesült államokbeli szabadalom, benyújtva 1956. december 19-én, kiadva 1959. január 13-án) [7] . A sebesség enyhe csökkentése jelentősen csökkentheti a műveleti erősítők számát -ra , ahol n a kimeneti kód bitjeinek száma, k pedig a párhuzamos közvetlen konverziós ADC-k száma. 8 bittel és 2 ADC-vel 31 műveleti erősítő szükséges. Két (k=2) vagy több részsáv lépést használnak. Ha k=2, az átalakítót Half-Flash (Subranging) ADC- nek nevezzük . A második, harmadik stb. ADC-k az első ADC kvantálási hibájának csökkentését szolgálják a hiba digitalizálásával. Az első lépés egy durva (alacsony felbontású) transzformáció. Ezután meghatározzuk a bemeneti jel és a durva átalakítás eredményének megfelelő analóg jel közötti különbséget (a segéd-DAC-ből, amelyre a durva kódot alkalmazzuk). A második lépésben a talált különbséget megszorozzuk és a következő transzformációnak vetjük alá. Az eredményül kapott kódot a durva kóddal kombináljuk, hogy megkapjuk a teljes kimeneti digitális értéket. Az ilyen típusú ADC-k lassabbak, mint a párhuzamos közvetlen konverziós ADC-k, nagy felbontásúak és kis csomagmérettel rendelkeznek. A párhuzamos-soros közvetlen konverziós ADC-kben a kimeneti digitalizált adatfolyam sebességének növelésére a párhuzamos ADC-k pipeline működését használják.
• ADC csővezetékes működés (Pipelined Subranging Direct-conversion (Flash) ADC) [8] párhuzamos soros direkt átalakító ADC-kben használatos, ellentétben a párhuzamos soros közvetlen átalakító ADC-k szokásos működési módjával, amelyben az adatok továbbítása történik. teljes átalakítás után, csővezetékkel Működés közben a részleges átalakítások adatai azonnal továbbításra kerülnek, amint azok készen állnak a teljes átalakítás befejezése előtt. 1966-ban Kinniment és munkatársai javasolták a Recirculating ADC Architecture-t [9] . Ez az architektúra egyetlen közvetlen konverziós altartományt használ párhuzamos ADC-vel.
• Soros közvetlen konverziós ADC -k (Subranging Direct-Conversion (Flash) ADC) , teljesen soros ADC-k (k=n), lassabbak, mint a párhuzamos közvetlen konverziós ADC-k és valamivel lassabbak, mint a párhuzamos-soros közvetlen konverziós ADC-k, de még több (akár , ahol n a kimeneti kód bitek száma, és k a párhuzamos közvetlen konverziós ADC-k száma) csökkenti a műveleti erősítők számát (8 bit esetén 15 műveleti erősítő szükséges: 8 komparátor műveleti erősítőnként és 7 kivonó- szorzók 2-vel műveleti erősítőnként) [10] . Az ilyen típusú hármas ADC-k hozzávetőleg 1,5-szer gyorsabbak, mint az azonos típusú bináris ADC-k, összehasonlítva a szintek számát és a hardverköltségeket [11] .

SAR ADC

• Egy egymást követő közelítő ADC vagy bitenkénti kiegyensúlyozó ADC egy komparátort, egy segéd-DAC-t és egy egymást követő közelítő regisztert tartalmaz. Az ADC N lépésben alakítja át az analóg jelet digitálissá, ahol N az ADC bitmélysége. Minden lépésben meghatározzák a kívánt digitális érték egy bitjét, kezdve az MSB-től (Most Significant Bit) és az LSB-ig (Least Significant Bit) bezárólag. A következő bit meghatározásához szükséges műveletsor a következő. A segéd-DAC az előző lépésekben már meghatározott bitekből képzett analóg értékre van beállítva; az ebben a lépésben meghatározandó bit 1-re, a legkisebb jelentőségű bitek 0-ra vannak állítva. A segéd-DAC-n kapott értéket összehasonlítja a bemeneti analóg értékkel. Ha a bemeneti jel értéke nagyobb, mint a segéd-DAC értéke, akkor a meghatározott bit értéke 1, ellenkező esetben 0. Így a végső digitális érték meghatározása bináris kereséshez hasonlít . Az ilyen típusú ADC-k nagy sebességgel és jó felbontással is rendelkeznek. Tároló mintavevő eszköz hiányában azonban a hiba sokkal nagyobb lesz (képzeljük el, hogy a legnagyobb bit digitalizálása után a jel megváltozott).

ADC differenciális kódolás

• A differenciális kódolású ADC -k ( magyar delta kódolású ADC )  tartalmaznak egy fordított számlálót , amelyből a kód a segéd-DAC-be kerül. A bemeneti jel és a kiegészítő DAC jele összehasonlításra kerül a komparátoron. A komparátortól a számláló felé küldött negatív visszacsatolás miatt a számlálón lévő kód folyamatosan változik, hogy a segéd-DAC jele a lehető legkevésbé térjen el a bemeneti jeltől. Egy idő után a jelkülönbség kisebb lesz, mint az LSM, miközben a számláló kódja az ADC kimeneti digitális jeleként kerül beolvasásra. Az ilyen típusú ADC-k igen nagy bemeneti tartománnyal és nagy felbontással rendelkeznek, de a konverziós idő a bemeneti jeltől függ, bár felülről korlátozott. A legrosszabb esetben az átalakítási idő T max =(2 q )/f s , ahol q  az ADC bitmélysége, f s a számláló órajelgenerátor  frekvenciája . A differenciális kódolású ADC-k általában jó választás a valós jelek digitalizálásához, mivel a fizikai rendszerekben a legtöbb jel nem hajlamos az ugrásra. Egyes ADC-k kombinált megközelítést alkalmaznak: differenciális kódolás és egymás utáni közelítés; ez különösen jól működik olyan esetekben, amikor a jelben lévő nagyfrekvenciás összetevőkről ismert, hogy viszonylag kicsik.

Sawtooth Comparison ADC

• A fűrészfogas összehasonlító ADC (egyes ilyen típusú ADC-ket integráló ADC -nek hívják , soros számláló ADC-ket is tartalmaznak) tartalmaz egy fűrészfogú feszültséggenerátort (a soros számláló ADC-ben lépcsős feszültséggenerátor, amely egy számlálóból és egy DAC-ból áll), egy komparátort, ill. egy időszámláló. A fűrészfog hullámalakja lineárisan emelkedik alacsonyról magasra, majd gyorsan alacsonyra esik. A növekedés kezdetének pillanatában elindul az időszámláló. Amikor a fűrészfog jel eléri a bemeneti jelszintet, a komparátor begyújt és leállítja a számlálót; az értéket a számlálóról olvassa ki és az ADC kimenetére táplálja. Ez a típusú ADC a legegyszerűbb felépítésű, és a minimális számú elemet tartalmazza. Ugyanakkor az ilyen típusú legegyszerűbb ADC-k meglehetősen alacsony pontossággal rendelkeznek, és érzékenyek a hőmérsékletre és más külső paraméterekre. A pontosság növelése érdekében a fűrészfogú generátor egy számláló és egy segéd-DAC köré építhető, de ennek a struktúrának nincs más előnye az egymást követő közelítő és differenciális kódolású ADC -kkel szemben .

ADC töltéskiegyenlítéssel

• A töltéskiegyenlítéssel rendelkező ADC -k (ezek közé tartoznak a kétfokozatú integrációval rendelkező ADC-k, a többlépcsős integrációval rendelkező ADC-k és néhány más) tartalmaznak egy stabil áramgenerátort , egy komparátort , egy áramintegrátort , egy órajel-generátort és egy impulzusszámlálót. Az átalakítás két szakaszban történik ( kétlépcsős integráció ). Az első szakaszban a bemeneti feszültség értékét (a bemeneti feszültséggel arányos) árammá alakítják, amelyet az áramintegrátorba táplálnak, amelynek töltése kezdetben nulla. Ez a folyamat a TN ideig tart , ahol T  az órajelgenerátor periódusa, N  egy konstans (nagy egész szám, meghatározza a töltés felhalmozódási idejét). Ezen idő elteltével az integrátor bemenetét leválasztják az ADC bemenetről, és egy stabil áramgenerátorhoz csatlakoztatják. A generátor polaritása olyan, hogy csökkenti az integrátorban tárolt töltést. A kisütési folyamat addig tart, amíg a töltés az integrátorban nullára csökken. A kisülési időt úgy mérjük, hogy számoljuk az óra impulzusait a kisütés kezdetétől az integrátor nulla töltéséig. Az óraimpulzusok számlált száma lesz az ADC kimeneti kódja. Megmutatható, hogy a kisülési idő alatt számolt n impulzusok száma egyenlő: n = U in N ( RI 0 ) −1 , ahol U in  az ADC bemeneti feszültsége, N az ADC  impulzusainak száma. akkumulációs fokozat (fent definiálva), R  az ellenállás ellenállása, amely a bemeneti feszültséget árammá alakítja, I 0  a stabil áramgenerátor áramának értéke, amely a második fokozatban kisüti az integrátort. Így a rendszer potenciálisan instabil paraméterei (elsősorban az integrátor kondenzátorának kapacitása) nem szerepelnek a végső kifejezésben. Ez a kétlépcsős folyamat következménye: az első és a második szakaszban fellépő hibák kölcsönösen levonásra kerülnek. Még az órajelgenerátor hosszú távú stabilitására és a komparátor előfeszítő feszültségére sem vonatkoznak szigorú követelmények: ezek a paraméterek csak rövid ideig, azaz minden átalakítás során (legfeljebb 2TN ) legyenek stabilak. Valójában a kétfokozatú integráció elve lehetővé teszi két analóg érték (bemeneti és referenciaáram) arányának közvetlen konvertálását a numerikus kódok ( n és N a fent definiált kifejezések szerint) arányára, csekély vagy semmilyen további hibával. . Az ilyen típusú ADC tipikus bitmélysége 10 és 18 között van bináris számjegyek. További előny, hogy a bemeneti jel fix időintervallumon keresztül történő pontos integrálása miatt olyan konvertereket lehet létrehozni, amelyek nem érzékenyek az időszakos zavarokra (például a hálózati zavarokra). Az ilyen típusú ADC hátránya az alacsony konverziós arány. A töltéskiegyenlítéssel ellátott ADC-ket nagy pontosságú mérőműszerekben használják.

ADC köztes konverzióval impulzusismétlési frekvenciára

• ADC köztes konverzióval impulzusismétlési frekvenciára . Az érzékelő jele egy szintátalakítón, majd egy feszültség-frekvencia átalakítón halad át . Így közvetlenül a logikai áramkör bemenetére érkezik egy jel, melynek jellemzője csak az impulzusfrekvencia. A logikai számláló ezeket az impulzusokat fogadja be bemenetként a mintavételezési idő alatt, így annak végére kódkombinációt ad ki, amely számszerűen megegyezik a mintavételezési idő alatt a konverterhez érkezett impulzusok számával. Az ilyen ADC-k meglehetősen lassúak és nem túl pontosak, de ennek ellenére nagyon egyszerűen megvalósíthatók, ezért alacsonyak a költségek.

Sigma-Delta ADC

• A szigma-delta ADC (más néven "delta-szigma ADC") a szükséges mintavételezési gyakoriság sokszorosával analóg-digitális konverziót hajt végre, és a szűrés révén csak a kívánt spektrális sávot hagyja meg a jelben.

A nem elektronikus ADC-k általában ugyanazokra az elvekre épülnek.

Optikai ADC-k

Vannak optikai módszerek elektromos jel kóddá alakítása. Egyes anyagok azon képességén alapulnak, hogy elektromos tér hatására megváltoztatják a törésmutatót . Ebben az esetben az anyagon áthaladó fénysugár a törésmutató változásának megfelelően megváltoztatja sebességét vagy elhajlási szögét az anyag határán. Számos módja van a változások regisztrálásának. Például egy fotodetektorsor regisztrálja a sugár eltérését, és azt diszkrét kódba fordítja le. Különféle interferencia-sémák, amelyek késleltetett nyalábot tartalmaznak, lehetővé teszik a jelváltozások kiértékelését vagy az elektromos mennyiségek komparátorainak felépítését.

Az optikai ADC-k nagyon gyorsak lehetnek.

ADC chipek

A legtöbb ADC esetében a bitmélység 6 és 24 bit között van, a mintavételezési frekvencia pedig legfeljebb 1 MHz. Mega- és GHz-es ADC-k is kaphatók (az AD9234 12 bites 2-csatornás 1 GSPS ADC ára 238 dollár volt 2015 decemberében). Megahertz ADC-kre van szükség a digitális videokamerákban , videorögzítő eszközökben és digitális TV -tunerekben az összetett videojel digitalizálásához. A kereskedelmi forgalomban kapható ADC-k kimeneti hibája általában ±0,5–±1,5 LSM.

A mikroáramkörök költségét növelő egyik tényező a tűk száma , mivel ezek arra kényszerítik a chipcsomagot, hogy nagyobb legyen, és minden érintkezőt egy chiphez kell csatlakoztatni. A lábak számának csökkentése érdekében az alacsony mintavételezési sebességgel működő ADC-k gyakran rendelkeznek soros interfésszel . A soros interfésszel rendelkező ADC használata gyakran lehetővé teszi a szerelési sűrűség növelését és egy kisebb területű kártya létrehozását.

Az ADC chipek gyakran több analóg bemenettel rendelkeznek, amelyek egy analóg multiplexeren keresztül egyetlen ADC-hez vannak csatlakoztatva . Az ADC-k különböző modelljei tartalmazhatnak mintatartó eszközöket, műszererősítőket vagy nagyfeszültségű differenciál bemenetet és más hasonló áramköröket.

Az ADC használata hangrögzítésben

Az ADC-ket a legtöbb modern felvevő berendezésbe építik be, mivel a hangfeldolgozás általában számítógépeken történik; analóg rögzítés esetén is szükség van egy ADC-re, hogy a jelet PCM adatfolyammá alakítsa, amely az információhordozóra kerül rögzítésre.

A hangrögzítéshez használt modern ADC-k akár 192 kHz -es mintavételi frekvencián is működhetnek . Sokan ezen a területen úgy vélik, hogy ez a mutató redundáns, és pusztán marketing okokból használják (ezt bizonyítja a Kotelnikov-Shannon tétel ). Elmondható, hogy egy analóg audiojel nem tartalmaz annyi információt, amennyit egy digitális jel ilyen magas mintavételezési gyakoriság mellett tárolhat, és gyakran a hifi audioberendezések 44,1 kHz-es mintavételezési frekvenciát használnak (a CD-k szabványa), ill. 48 kHz (jellemző a hangok számítógépes megjelenítésére). A széles sávszélesség azonban hasznos a következőkben, és minél szélesebb (nagyobb a minimálisan szükséges) sávszélesség, annál erősebb a megfelelő hatás:

• leegyszerűsíti és csökkenti az élsimító szűrők megvalósításának költségeit, lehetővé téve, hogy kisebb számú kapcsolattal vagy kisebb meredekséggel készüljenek a leállítási sávban, ami pozitív hatással van a szűrő fázisválaszára az áteresztősávban;
• leegyszerűsíti a pontosságra és különösen az élsimító szűrőt alkotó passzív elektronikai alkatrészek parazita paramétereire vonatkozó követelményeket , például az induktorok minőségi tényezőjének hatása kisebb;

A hangrögzítéshez használható analóg-digitális konverterek ára 5000 USD és 10 000 USD vagy több között van egy kétcsatornás ADC esetében.

A számítógépekben használt hangrögzítésre szolgáló ADC-k belső és külsőek. Van egy ingyenes PulseAudio szoftvercsomag Linuxhoz is, amely lehetővé teszi a kiegészítő számítógépek külső DAC/ADC-k használatát a fő számítógéphez, garantált késleltetéssel.

Egyéb felhasználások

Az A/D konverziót mindenhol használják, ahol analóg jelet kell venni és digitálisan kell feldolgozni.

• Az ADC a digitális voltmérő és multiméter szerves része .
• Speciális videó ADC-ket használnak a számítógépes TV tunerekben , video bemeneti kártyákban és videokamerákban a videojel digitalizálására. A számítógépek mikrofon- és vonali audio bemenetei egy audio ADC-hez csatlakoznak.
• Az ADC-k az adatgyűjtő rendszerek szerves részét képezik .
• A 8-12 bites SAR ADC-k és a 16-24 bites kapacitású szigma-delta ADC-k egylapkás mikrokontrollerekbe vannak beépítve .
• Nagyon gyors ADC-kre van szükség a digitális oszcilloszkópokban (párhuzamos és csővezetékes ADC-ket használnak)
• A modern mérlegek legfeljebb 24 bites kapacitású ADC-ket használnak, amelyek közvetlenül a nyúlásmérőről (szigma-delta ADC) alakítják át a jelet.
• Az ADC-k a rádiómodemek és más adatrádió-eszközök részét képezik, ahol a DSP processzorral együtt használják őket demodulátorként .
• Az ultragyors ADC-ket digitális antennatömbökben (SMART antennák) használják cellás bázisállomásokban és radarokban.

Lásd még

• D/A konverter
• Kvantálás (jelfeldolgozás)
• Mintavétel
• Delta moduláció
• Kotelnyikov tétele
• Kapcsolt kondenzátor áramkörök
• Hangkódolás
• 1108PV1

Jegyzetek

1. ↑ Számítástechnika. Terminológia: kézikönyv. 1. szám / Lektor Ph.D. tech. Tudományok Yu. P. Selivanov. - M . : Szabványok Kiadója, 1989. - 168 p. - 55.000 példány.  — ISBN 5-7050-0155-X .
2. ↑ Számítástechnikai rendszerek szótára = Dictionary of Computing / Szerk. V. Illingworth és mások: Per. angolról. A. K. Belotsky és mások; Szerk. E. K. Maszlovszkij. - M . : Mashinostroenie, 1990. - 560 p. - 70 000 (további) példány.  - ISBN 5-217-00617-X (Szovjetunió), ISBN 0-19-853913-4 (Egyesült Királyság).
3. ↑ Borkovsky A. B. Angol-orosz programozási és informatikai szótár (értelmezésekkel). - M . : Orosz nyelv, 1990. - 335 p. - 50 050 (további) példány.  — ISBN 5-200-01169-3 .
4. ↑ Például a filmellenállások értékeinek lézeres beállításával hajtják végre (a lézeres expozíció helyileg elpárologtatja az ellenállás anyagát, csökkentve annak keresztmetszetét), amelyek egy hibrid integrált áramkör részét képezik .
5. ↑ CAEN ADC gyártó oldala . Letöltve: 2022. május 29. Az eredetiből archiválva : 2022. május 24. (határozatlan)
6. ↑ Soros-párhuzamos ADC-k . Hozzáférés dátuma: 2011. május 20. Az eredetiből archiválva : 2010. november 20. (határozatlan)
7. ↑ Analóg eszközök. ADC Architectures V: Pipelined Subranging ADC, Walt Kester. 1. ábra . Hozzáférés időpontja: 2018. január 17. Az eredetiből archiválva : 2018. január 27. (határozatlan)
8. ↑ Analóg eszközök. ADC Architectures V: Pipelined Subranging ADC, Walt Kester. 9. ábra . Hozzáférés időpontja: 2018. január 17. Az eredetiből archiválva : 2018. január 27. (határozatlan)
9. ↑ Analóg eszközök. ADC Architectures V: Pipelined Subranging ADC, Walt Kester. 12. ábra . Hozzáférés időpontja: 2018. január 17. Az eredetiből archiválva : 2018. január 27. (határozatlan)
10. ↑ Közvetlen konverziós ADC, soros, 3 bites Archiválva : 2018. január 18. a Wayback Machine -nél .
11. ↑ Trinity 4-trit aszinkron bipoláris közvetlen konverziós soros ADC. 6. verzió (elérhetetlen link) . Letöltve: 2018. május 23. Az eredetiből archiválva : 2011. július 21. (határozatlan) 

Irodalom

• Horowitz P, Hill W. Az áramkörök művészete . 3 kötetben: T. 2. Per. angolról. - 4. kiadás, átdolgozva. és add. - M .: Mir, 1993. - 371 p. ISBN 5-03-002338-0 .
• S. Norsworthy, R. Schreier, G. Temes. Delta-Sigma adatkonverterek. ISBN 0-7803-1045-4 .
• Mingliang Liu. A kapcsolt kondenzátor áramkörök megfejtése”. ISBN 0-7506-7907-7 .
• Behzad Razavi. Az adatkonverziós rendszer tervezésének alapelvei. ISBN 0-7803-1093-4 .
• David Johns, Ken Martin. Analóg integrált áramkör tervezés. ISBN 0-471-14448-7 .
• Phillip E. Allen, Douglas R. Holberg. CMOS analóg áramkör tervezés. ISBN 0-19-511644-5 .
• Hanzel G. E. Kézikönyv a szűrők számításához. USA, 1969. / Per. angolból, szerk. A. E. Znamensky. M.: Szov. Rádió, 1974. - 288 p. UDC 621.372.541.061

Linkek

• Wolfgang Reis. Különféle típusú analóg-digitális konverterek készüléke és működési elvei WBC GmbH Journal "Components and Technologies" 2005. 3. sz.
• Tanulás szimulációkkal A mintavételezési frekvencia és az ADC felbontás hatásait bemutató szimuláció.
• "Az analóg-digitális átalakító specifikációinak megértése"  (nem elérhető link) Len Staller cikke, 2005. február 24..
• A Flash ADC-k megismerése oktatóanyag a flash analóg-digitális konverterek (ADC) működéséről.

Szótárak és enciklopédiák	nagy kínai Nagy orosz Britannica (online)
Bibliográfiai katalógusokban	GND : 4128359-4 J9U : 987007294738705171 LCCN : sh85004773

Mikrokontrollerek
Építészet	8 bites MCS-51 MCS-48 PIC AVR Z8 H8 COP8 68HC08 68HC11 16 bites MSP430 MCS-96 MCS-296 PIC24 MAXQ Nios 68HC12 68HC16 CR16/C 32 bites RISC-V KAR MIPS AVR32 PIC32 683XX M32R szuperh Nios II Am29000 LatticeMico32 MPC5xx PowerQUICC Parallax propeller
Gyártók	Analóg eszközök Atmel Silabs Freescale Fujitsu Holtek Hynix Infineon Intel Mikrochip Alapelv Nuvoton NXP félvezetők Parallaxis Renesas STMicroelectronics Texas Instruments Toshiba Ubicom Zilog Ciprus Integrál Milandr
Alkatrészek	Regisztráció processzor SRAM EEPROM Flashmemória Kvarc rezonátor Kristály oszcillátor RC generátor Keret
Periféria	Időzítő ADC DAC összehasonlító PWM vezérlő Számláló LCD hőmérséklet szenzor Watchdog Timer
Interfészek	TUD UART USB SPI I²C Ethernet 1 vezeték
OS	FreeRTOS μClinux BeRTOS ChibiOS/RT eCos RTEMS Unison MicroC/OS-II Sejtmag Contiki
Programozás	JTAG C2 programozó MPLAB AVR Stúdió MCStudio