Bộ chuyển đổi ADC là gì

Chúng ta đang sống trong một thế giới tương tự, được bao quanh bởi các thiết bị kỹ thuật số. mọi thứ chúng ta nhìn thấy, cảm nhận hoặc đo lường đều có tính chất tương tự, chẳng hạn như ánh sáng, nhiệt độ, tốc độ, áp suất, … nhưng hầu hết các thiết bị điện tử xung quanh chúng ta, từ đồng hồ, từ kỹ thuật số đơn giản đến siêu máy tính, chúng tất cả các thiết bị kỹ thuật số. vì vậy rõ ràng chúng ta cần một cái gì đó có thể chuyển đổi các tham số tương tự này sang giá trị số để vi điều khiển hoặc vi xử lý hiểu được. được gọi là adc hoặc bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số và trong bài viết này thiết bị điện tử trong tương lai của bộ chuyển đổi adc là gì sẽ giúp bạn tìm hiểu thêm về nó.

Trình chuyển đổi adc là gì?

adc là từ viết tắt của bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số hoặc bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số là một mạch chuyển đổi giá trị điện áp trực tiếp (tương tự) thành giá trị nhị phân (kỹ thuật số) mà các con số có thể hình dung từ thiết bị kỹ thuật số sau đó có thể được sử dụng để tính toán kỹ thuật số. mạch adc này có thể là vi mạch adc hoặc được tích hợp vào vi điều khiển.

tại sao chuyển đổi từ tương tự sang kỹ thuật số

Các thiết bị điện tử ngày nay hoàn toàn là kỹ thuật số, đã qua rồi thời của máy tính tương tự. Thật không may cho các hệ thống kỹ thuật số, thế giới chúng ta đang sống vẫn là tương tự và đầy màu sắc chứ không chỉ có màu đen và trắng.

ví dụ, một cảm biến nhiệt độ như lm35 tạo ra điện áp phụ thuộc vào nhiệt độ; đối với một thiết bị cụ thể, nó sẽ tăng 10 mv khi nhiệt độ tăng trên mỗi độ. Nếu chúng tôi kết nối thiết bị này trực tiếp với đầu vào kỹ thuật số, nó sẽ ghi là cao hoặc thấp tùy thuộc vào ngưỡng đầu vào, điều này hoàn toàn vô ích.

Thay vào đó, chúng tôi sử dụng một adc để chuyển đổi đầu vào điện áp tương tự thành một dòng bit có thể được kết nối trực tiếp với bus dữ liệu của bộ vi xử lý và được sử dụng để tính toán.

cách hoạt động của adc

một cách rất hay để xem cách hoạt động của adc là hình dung nó như một đại lượng toán học. chia tỷ lệ về cơ bản là ánh xạ các giá trị từ phạm vi này sang phạm vi khác, vì vậy adc ánh xạ giá trị điện áp thành một số nhị phân.

những gì chúng ta cần là một thứ có thể chuyển đổi điện áp thành một loạt các mức logic, chẳng hạn như trong một thanh ghi. tất nhiên, các thanh ghi chỉ có thể chấp nhận mức logic làm đầu vào, vì vậy nếu bạn kết nối tín hiệu trực tiếp với đầu vào logic, kết quả sẽ không tốt. vì vậy phải có một giao diện giữa logic và điện áp đầu vào tương tự.

Dưới đây là một số tính năng quan trọng của adc, trong khi xem xét chúng, chúng tôi sẽ tìm hiểu cách hoạt động của nó.

1. điện áp tham chiếu

Tất nhiên, không có adc nào là tuyệt đối, vì vậy điện áp được gán cho giá trị nhị phân lớn nhất được gọi là điện áp tham chiếu. Ví dụ: trong bộ chuyển đổi 10 bit với 5V làm điện áp tham chiếu, 1111111111 (tất cả các bit một, số nhị phân 10 bit cao nhất có thể) tương ứng với 5V và 0000000000 (số thấp nhất tương ứng với 0V). vì vậy mỗi gia số nhị phân đại diện cho khoảng 4,9 mv, vì có thể có 1024 chữ số trong 10 bit. thước đo điện áp trên mỗi bit này được gọi là độ phân giải adc.

điều gì sẽ xảy ra nếu điện áp thay đổi dưới 4,9 mv mỗi bước? sẽ đưa adc vào vùng chết, do đó kết quả chuyển đổi sẽ luôn có một sai số nhỏ. có thể tránh được lỗi này bằng cách sử dụng adc có độ phân giải cao hơn không, chẳng hạn như adc được thiết lập lên đến 24 bit, ngay cả khi tần số chuyển đổi thấp?

1. phí mẫu

Số lượng chuyển đổi từ tương tự sang kỹ thuật số mà bộ chuyển đổi có thể thực hiện mỗi giây được gọi là tỷ lệ mẫu. ví dụ: một bộ adc thực sự tốt có thể có tốc độ lấy mẫu là 300 ms / s. đơn vị này được đọc là megasamples trên giây, tức là một triệu mẫu mỗi giây. lưu ý rằng tiền tố áp dụng ở đây.

Tốc độ lấy mẫu phụ thuộc hoàn toàn vào loại đầu dò và độ chính xác cần thiết. nếu cần đọc rất chính xác, adc thường dành nhiều thời gian hơn để xem tín hiệu đầu vào (thường là mẫu và giữ hoặc đầu vào tích hợp), và nếu không cần độ chính xác cao, adc có thể đọc rất nhanh.

quy tắc chung là tốc độ và độ chính xác tỷ lệ nghịch, điều quan trọng là chọn adc theo ứng dụng.

loại adc

1. adcflash

đây là loại adc đơn giản nhất và nhanh nhất, nó bao gồm một loạt các bộ so sánh có đầu vào không nghịch đảo được kết nối với đầu vào tín hiệu và các chân đảo ngược được kết nối với bộ chia điện áp.

Tuy nhiên, nếu điện áp cao hơn một trong các mức bậc thang, tất cả các bit đầu ra mức thấp được đặt thành một, vì điện áp trên ngưỡng của các bộ so sánh thấp hơn. Để tránh điều này, các đầu ra được đưa vào thông qua một bộ mã hóa để chuyển đổi đầu ra thành nhị phân.

tốc độ chỉ bị giới hạn bởi độ trễ truyền của bộ so sánh và bộ mã hóa ưu tiên. tuy nhiên, độ chính xác vừa phải.

1. số lượng tích hợp hoặc quảng cáo chuyển màu

ở đây, trình tạo đoạn dốc được khởi động tại thời điểm chuyển đổi và bộ đếm nhị phân được khởi động cùng lúc. một bộ so sánh sẽ phát hiện khi đoạn đường nối vượt quá điện áp đầu vào và dừng bộ đếm nhị phân. bộ đếm nhị phân thu được tỷ lệ với mức điện áp đầu vào.

Độ chính xác tuyệt đối của công cụ chuyển đổi này là một vấn đề đáng nghi ngờ; tuy nhiên, nó đơn giản để thực hiện và cung cấp độ phân giải tốt, bao gồm cả khoảng cách giữa các bước nhị phân. không có chip, mạch này có thể được tạo riêng lẻ.

1. ước tính tiếp theo adc

bộ adc này có lẽ là chính xác nhất. Nó bao gồm một bộ so sánh, một đèn flash đơn giản và một thanh ghi bộ nhớ. thiết bị ban đầu giả định rằng tất cả các bit trong thanh ghi ngoại trừ bit quan trọng nhất (là một) bằng 0, sau đó thanh ghi này sẽ gửi nó đến dac chuyển nó thành điện áp tương tự, được so sánh với đầu vào thông qua bộ so sánh. nếu điện áp đầu vào cao hơn điện áp dac thì msb vẫn là một. Quá trình này lặp lại cho đến khi tất cả các bit được đặt thành 0 hoặc nói cách khác, cho đến khi giá trị của thanh ghi bằng với điện áp đầu vào.

adc đây là một trong những adc được sử dụng nhiều nhất trong đó độ chính xác và tốc độ không quá giới hạn, ví dụ như trong vi điều khiển. adc type sa có thể dễ dàng đạt được thời gian chuyển đổi vài micro giây.

ứng dụng

1. máy hiện sóng và vạn năng kỹ thuật số

Ưu điểm lớn nhất của máy hiện sóng tương tự là có rất ít mạch điện giữa giắc cắm đầu vào và màn hình; nói cách khác, bạn thấy chính xác những gì đang xảy ra trong mạch theo thời gian thực. tuy nhiên, bạn không thể lưu trữ các dạng sóng để sử dụng sau này hoặc thực hiện các phép đo trên tàu.

máy hiện sóng kỹ thuật số khắc phục được tất cả những vấn đề này và về cơ bản là một đơn vị adc rất mạnh và nhanh với độ phân giải 12 bit trở lên. adc chuyển đổi các dạng sóng thành các giá trị nhị phân có thể được lưu trữ trong bộ nhớ, vận hành và hiển thị trên màn hình.

1. vi điều khiển

Hầu hết tất cả các bộ vi điều khiển hiện đại đều có adc tích hợp, phổ biến nhất là atmega328p dựa trên arduino với độ phân giải 10 bit và stm32 với độ phân giải 12 bit.

arduino ide cung cấp hàm ‘analogread ()’ đọc điện áp tương tự trên một trong các chân tương tự và trả về giá trị số nguyên 10 bit, tức là phạm vi từ 0 đến 1023.

1. phông chữ kỹ thuật số

Hầu hết các bộ nguồn hiện tại đều được điều khiển bằng máy tính và máy tính cần có đơn vị adc để đo điện áp đầu ra.

cách sử dụng ic adc

Có rất nhiều ic adc trên thị trường có thể được sử dụng để đo điện áp tương tự. adc0804, adc0808, mcp3008, … là một số module adc được sử dụng nhiều nhất. Chúng thường được sử dụng cùng với Raspberry Pi và bộ xử lý hoặc mạch kỹ thuật số khác mà ADC tích hợp không khả dụng. ví dụ: hãy xem xét ic adc ads1115 từ các công cụ texas với độ phân giải cao và kiến ​​trúc hiện đại.

có trong gói qfn hoặc vssop, cho phép một hệ số dạng rất nhỏ. Nó hầu như không có dung lượng trên pcb. con chip nhỏ này làm được rất nhiều thứ, chúng ta sẽ xem xét một số tính năng của nó bên dưới.

1. tuân thủ i2c

Bất kỳ ai đã từng làm việc với bộ vi điều khiển đều biết bus spi và i2c hữu ích như thế nào trong việc giao tiếp với các thiết bị ngoại vi. tính năng này giúp bạn dễ dàng sử dụng ic này với bảng arduino vì các thư viện mở rộng đã được viết cho thiết bị.

1. tiêu thụ điện năng

Lợi thế của việc sử dụng bất kỳ vi mạch hiện đại nào là chúng tạo ra rất ít dòng điện và hoạt động trên một dải điện áp rộng, trong trường hợp này là 2,0 đến 5,5 vôn.

1. trình so sánh có thể lập trình

quảng cáo đi kèm với bộ so sánh mà tham chiếu có thể được lập trình thông qua bus i2c. tất nhiên để ứng dụng nhanh không có gì đánh bại được ic so sánh rời rạc.

1. đầu vào có thể định cấu hình

Bốn đầu vào có thể là hai cặp vi sai (chỉ xem xét sự khác biệt điện áp giữa các chân đó) hoặc bốn đầu vào một đầu.

giới hạn của adc

1. adc chậm, thường theo thứ tự vài micro giây hoặc nano giây.
1. các giá trị điện áp không đổi bị thiếu.
1. độ phức tạp của mạch tăng lên