Gairebé tots els paràmetres medibles ambientals tenen una forma analògica com la temperatura, el so, la pressió, la llum, etc. Tingueu en compte una temperatura sistema de control en què l’adquisició, l’anàlisi i el processament de dades de temperatura de sensors no són possibles amb ordinadors i processadors digitals. Per tant, aquest sistema necessita un dispositiu intermedi per convertir les dades de temperatura analògica en dades digitals per comunicar-se amb processadors digitals com microcontroladors i microprocessadors. El convertidor analògic a digital (ADC) és un circuit electrònic integrat que s’utilitza per convertir els senyals analògics com ara tensions a forma digital o binària que consta d’1s i 0s. La majoria dels ADC prenen una entrada de voltatge de 0 a 10V, -5V a + 5V, etc., i produeixen una sortida digital corresponent com una mena de número binari.

Què és el convertidor analògic a digital?

Un convertidor que s’utilitza per canviar el senyal analògic a digital es coneix com a convertidor analògic a digital o convertidor ADC. Aquest convertidor és un tipus de circuit integrat o CI que converteix el senyal directament de forma contínua a forma discreta. Aquest convertidor es pot expressar en A / D, ADC, A a D. La funció inversa de DAC no és res més que ADC. A continuació es mostra el símbol del convertidor analògic a digital.

El procés de conversió d’un senyal analògic a digital es pot fer de diverses maneres. Hi ha diferents tipus de xips ADC disponibles al mercat de diferents fabricants com la sèrie ADC08xx. Per tant, es pot dissenyar un ADC simple amb l'ajuda de components discrets.

Les principals característiques de l’ADC són la freqüència de mostreig i la resolució de bits.

La freqüència de mostreig d’un ADC no és altra cosa que la rapidesa amb què un ADC pot convertir el senyal d’analògic a digital.
La resolució de bits no és altra cosa que la precisió que un convertidor analògic-digital pot convertir el senyal d’analògic en digital.

Convertidor analògic a digital

Un dels avantatges principals del convertidor ADC és l’alta taxa d’adquisició de dades fins i tot en entrades multiplexades. Amb la invenció d’una àmplia varietat d’ADC circuits integrats (IC), l’adquisició de dades de diversos sensors es fa més precisa i ràpida. Les característiques dinàmiques dels ADC d’alt rendiment són una millor repetibilitat de la mesura, baix consum d’energia, rendiment precís, alta linealitat, una excel·lent relació senyal-soroll (SNR), etc.

Una varietat d’aplicacions dels ADC són sistemes de mesura i control, instrumentació industrial, sistemes de comunicació i tots els altres sistemes basats en els sensoris. Classificació dels ADC en funció de factors com el rendiment, les velocitats de bits, la potència, el cost, etc.

Diagrama de blocs ADC

A continuació es mostra el diagrama de blocs de l’ADC que inclou mostra, retenció, quantització i codificador. El procés d'ADC es pot fer com el següent.

En primer lloc, el senyal analògic s'aplica al primer bloc, és a dir, a una mostra allà on es pugui prendre el mostreig a una freqüència de mostreig exacta. El valor d'amplitud de la mostra, com un valor analògic, es pot mantenir així com mantenir-se dins del segon bloc com Hold. La mostra de retenció es pot quantificar en un valor discret a través del tercer bloc com quantitzar. Finalment, l'últim bloc com a codificador canvia l'amplitud discreta en un número binari.

A ADC, la conversió del senyal d’analògic a digital es pot explicar a través del diagrama de blocs anterior.

Mostra

Al bloc de mostra, el senyal analògic es pot mostrejar a un interval de temps exacte. Les mostres s’utilitzen en amplitud contínua i mantenen un valor real, tot i que són discretes respecte al temps. Mentre es converteix el senyal, la freqüència de mostreig té un paper essencial. Per tant, es pot mantenir a un ritme precís. Segons els requisits del sistema, es pot fixar la freqüència de mostreig.

Espera

A ADC, HOLD és el segon bloc i no té cap funció perquè simplement manté l’amplitud de la mostra fins que es pren la següent mostra. Per tant, el valor de retenció no canvia fins a la següent mostra.

Quantificar

A ADC, aquest és el tercer bloc que s’utilitza principalment per a la quantització. La funció principal d’això és convertir l’amplitud de continu (analògic) en discret. El valor de l'amplitud contínua dins del bloc de retenció es mou al llarg del bloc de quantització per convertir-lo en amplitud discreta. Ara, el senyal estarà en format digital, ja que inclou amplitud discreta i temps.

Codificador

El bloc final en ADC és un codificador que converteix el senyal de forma digital en binari. Sabem que un dispositiu digital funciona utilitzant senyals binaris. Per tant, cal canviar el senyal de digital a binari amb l'ajut d'un codificador. Per tant, aquest és el mètode complet per canviar un senyal analògic a digital mitjançant un ADC. El temps necessari per a la conversió completa es pot fer en un microsegon.

Procés de conversió analògic a digital

Hi ha molts mètodes per convertir senyals analògics en senyals digitals. Aquests convertidors troben més aplicacions com a dispositiu intermedi per convertir els senyals de forma analògica a digital, mostrar la sortida en pantalla LCD mitjançant un microcontrolador. L'objectiu d'un convertidor A / D és determinar la paraula de senyal de sortida corresponent a un senyal analògic. Ara veurem un ADC de 0804. Es tracta d’un convertidor de 8 bits amb una font d’alimentació de 5V. Només pot prendre un senyal analògic com a entrada.

Convertidor analògic a digital per a senyal

La sortida digital varia de 0 a 255. ADC necessita un rellotge per funcionar. El temps que es triga a convertir el valor analògic a digital depèn de la font del rellotge. Es pot donar un rellotge extern al pin número 4 de CLK IN. Es connecta un circuit RC adequat entre els rellotges IN i els pins R del rellotge per utilitzar el rellotge intern. Pin2 és el pin d’entrada: el pols d’alt a baix porta les dades del registre intern als pins de sortida després de la conversió. Pin3 és una escriptura: es dóna un pols de baix a alt al rellotge extern. Els pins 11 a 18 són pins de dades de MSB a LSB.

El convertidor analògic a digital mostra el senyal analògic a cada vora descendent o ascendent del rellotge de mostra. En cada cicle, l'ADC obté el senyal analògic, el mesura i el converteix en un valor digital. L’ADC converteix les dades de sortida en una sèrie de valors digitals aproximant el senyal amb una precisió fixa.

Als ADC, dos factors determinen la precisió del valor digital que capta el senyal analògic original. Es tracta del nivell de quantització o taxa de bits i taxa de mostreig. La figura següent mostra com es produeix la conversió analògica a digital. La velocitat de bits decideix la resolució de la sortida digitalitzada i es pot observar a la figura següent on s’utilitza ADC de 3 bits per convertir el senyal analògic.

Procés de conversió analògic a digital

Suposem que s’ha de convertir el senyal d’un volt de digital mitjançant l’ADC de 3 bits tal com es mostra a continuació. Per tant, hi ha disponibles un total de 2 ^ 3 = 8 divisions per produir sortida d'1V. Com a resultat, 1/8 = 0,125V es denomina com a nivell mínim de canvi o quantització representat per a cada divisió com a 000 per a 0V, 001 per a 0,125 i, fins i tot, fins a 111 per a 1V. Si augmentem les velocitats de bits com 6, 8, 12, 14, 16, etc. obtindrem una millor precisió del senyal. Per tant, la velocitat de bits o quantització proporciona el canvi de sortida més petit en el valor del senyal analògic que resulta d’un canvi en la representació digital.

Suposem que si el senyal és d'aproximadament 0-5V i hem utilitzat ADC de 8 bits, la sortida binària de 5V és 256. I per a 3V és 133 com es mostra a continuació.

Fórmula ADC

Hi ha una probabilitat absoluta de tergiversar el senyal d'entrada al costat de sortida si es mostra a una freqüència diferent de la desitjada. Per tant, una altra consideració important de l’ADC és la freqüència de mostreig. El teorema de Nyquist afirma que la reconstrucció del senyal adquirida introdueix distorsió a menys que es mostregi a (mínim) el doble de la freqüència del contingut de freqüència més gran del senyal tal com es pot observar al diagrama. Però aquesta taxa és 5-10 vegades la freqüència màxima del senyal a la pràctica.

Taxa de mostreig del convertidor analògic a digital

Factors

El rendiment de l'ADC es pot avaluar mitjançant el seu rendiment basat en diferents factors. A partir d’això, a continuació s’expliquen els dos principals factors següents.

SNR (relació senyal-soroll)

El SNR reflecteix el nombre mitjà de bits sense soroll en cap mostra en concret.

Ample de banda

L'amplada de banda d'un ADC es pot determinar estimant la freqüència de mostreig. La font analògica es pot mostrejar per segon per produir valors discrets.

Tipus de convertidors analògics a digitals

L’ADC està disponible en diferents tipus i alguns dels tipus d’analògic a digital convertidors incloure:

Convertidor A / D de doble pendent
Convertidor Flash A / D
Successives Aproximació Convertidor A / D
ADC semi-flaix
Sigma-Delta ADC
ADC canalitzat

Convertidor A / D de doble pendent

En aquest tipus de convertidor ADC, la tensió de comparació es genera mitjançant l’ús d’un circuit integrador format per una resistència, un condensador i amplificador operacional combinació. Pel valor establert de Vref, aquest integrador genera una forma d'ona de dents de serra en la seva sortida de zero al valor Vref. Quan s'inicia la forma d'ona integradora, el comptador corresponent comença a comptar de 0 a 2 ^ n-1, on n és el nombre de bits de l'ADC.

Convertidor analògic a digital de doble pendent

Quan el voltatge d’entrada Vin és igual al voltatge de la forma d’ona, el circuit de control capta el valor del comptador que és el valor digital del valor d’entrada analògic corresponent. Aquest ADC de doble vessant és un dispositiu de cost relativament mitjà i velocitat lenta.

Convertidor Flash A / D

Aquest IC convertidor ADC també s’anomena ADC paral·lel, que és l’ADC eficient més utilitzat pel que fa a la seva velocitat. Aquest circuit convertidor analògic a digital flash consisteix en una sèrie de comparadors on cadascun compara el senyal d’entrada amb un voltatge de referència únic. A cada comparador, la sortida serà un estat alt quan la tensió d'entrada analògica excedeixi la tensió de referència. Aquesta sortida es dóna a més a codificador de prioritat per generar codi binari basat en una activitat d’entrada d’ordre superior ignorant altres entrades actives. Aquest tipus de flaix és un dispositiu d'alta velocitat i cost.

Convertidor Flash A / D

Convertidor A / D d'aproximació successiva

L’ADC SAR és un IC ADC més modern i molt més ràpid que els ADC de doble pendent i flash ja que utilitza una lògica digital que convergeix la tensió d’entrada analògica al valor més proper. Aquest circuit consta d'un comparador, pestells de sortida, registre d'aproximació successiu (SAR) i convertidor D / A.

Convertidor A / D d'aproximació successiva

Al principi, es restableix el SAR i, a mesura que s’introdueix la transició BAIX a ALT, es defineix el MSB del SAR. Després, aquesta sortida es dóna al convertidor D / A que produeix un equivalent analògic del MSB, a més es compara amb l'entrada analògica Vin. Si la sortida del comparador és BAIX, el SAR esborra el MSB; en cas contrari, el MSB es posarà a la següent posició. Aquest procés continua fins que s’intenten tots els bits i després de Q0, el SAR fa que les línies de sortida paral·leles continguin dades vàlides.

ADC semi-flaix

Aquests tipus de conversions analògiques a digitals funcionen principalment aproximadament a la mida de la seva limitació mitjançant dos convertidors flash separats, on cada resolució del convertidor és la meitat dels bits del dispositiu semi-flush. La capacitat d’un convertidor de flaix únic és que maneja els MSB (bits més significatius) mentre que l’altre gestiona els LSB (bits menys significatius).

Sigma-Delta ADC

Sigma Delta ADC (ΣΔ) és un disseny bastant recent. Aquests són extremadament lents en comparació amb altres tipus de dissenys, però ofereixen la màxima resolució per a tot tipus d'ADC. Per tant, són extremadament compatibles amb aplicacions d’àudio basades en alta fidelitat, tot i que normalment no es poden utilitzar allà on es requereixi una amplada de banda alta (BW).

ADC canalitzat

Els ADC canalitzats també es coneixen com a quantificadors subintervals que estan relacionats en concepte amb aproximacions successives, encara que siguin més sofisticats. Tot i que les aproximacions successives creixen a través de cada pas anant al següent MSB, aquest ADC utilitza el següent procés.

S'utilitza per a una conversió aproximada. Després d'això, avalua aquest canvi cap al senyal d'entrada.
Aquest convertidor actua com una millor conversió en permetre una conversió temporal amb un rang de bits.
Normalment, els dissenys canalitzats ofereixen una base central entre els SAR, així com els convertidors flash analògics a digitals, equilibrant la seva mida, velocitat i alta resolució.

Exemples de convertidors analògics a digitals

A continuació es descriuen els exemples del convertidor analògic a digital.

ADC0808

ADC0808 és un convertidor que té 8 entrades analògiques i 8 sortides digitals. ADC0808 ens permet controlar fins a 8 transductors diferents utilitzant només un sol xip. Això elimina la necessitat d’ajustos externs de zero i de gran escala.

ADC0808 IC

ADC0808 és un dispositiu CMOS monolític, que ofereix alta velocitat, alta precisió, mínima dependència de la temperatura, excel·lent precisió i repetibilitat a llarg termini i consumeix una energia mínima. Aquestes característiques fan que aquest dispositiu sigui ideal per a aplicacions des del control de processos i màquines fins a aplicacions de consum i automoció. El diagrama de pins de l'ADC0808 es mostra a la figura següent:

Característiques

Les principals característiques de l'ADC0808 inclouen les següents.

Interfície fàcil per a tots els microprocessadors
No cal ajustar a zero ni a escala completa
Multiplexor de 8 canals amb lògica d’adreces
Gamma d'entrada de 0V a 5V amb una única font d'alimentació de 5V
Les sortides compleixen les especificacions de nivell de tensió TTL
Paquet de xips de transport amb 28 pins

Especificacions

Les especificacions de l'ADC0808 inclouen el següent.

Resolució: 8 bits
Error total no ajustat: ± ½ LSB i ± 1 LSB
Subministrament únic: 5 VDC
Baixa potència: 15 mW
Temps de conversió: 100 μs

Generalment, l’entrada ADC0808 que es vol canviar a forma digital es pot seleccionar utilitzant tres línies d’adreces A, B, C que són els pins 23, 24 i 25. La mida del pas es tria en funció del valor de referència establert. La mida del pas és el canvi d’entrada analògica que provoca un canvi d’unitat a la sortida de l’ADC. L’ADC0808 necessita un rellotge extern per funcionar, a diferència de l’ADC0804 que té un rellotge intern.

La sortida digital contínua de 8 bits corresponent al valor instantani de l'entrada analògica. El nivell més extrem de la tensió d'entrada s'ha de reduir proporcionalment a + 5V.

L'ADC 0808 IC requereix un senyal de rellotge normalment de 550 kHz, l'ADC0808 s'utilitza per convertir les dades en forma digital necessària per al microcontrolador.

Aplicació de l'ADC0808

L'ADC0808 té moltes aplicacions aquí. Hem donat alguna aplicació a ADC:

Des del circuit inferior es connecten els pins de rellotge, arrencada i EOC a un microcontrolador. En general, tenim 8 entrades aquí, només utilitzem 4 entrades per a l'operació.

Circuit ADC0808

S'utilitza el sensor de temperatura LM35 que està connectat a les 4 primeres entrades del convertidor analògic a digital IC. El sensor té 3 pins, és a dir, VCC, GND i pins de sortida quan el sensor escalfa el voltatge a la sortida.
Les línies d’adreces A, B, C estan connectades al microcontrolador per a les ordres. En això, la interrupció segueix l'operació de menor a major.
Quan el pin d'inici es manté alt no comença cap conversió, però quan el pin d'inici és baix, la conversió s'iniciarà en un termini de vuit rellotges.
En el moment en què es completa la conversió, el pin EOC baixa per indicar el final de la conversió i les dades a punt per recollir-les.
La sortida habilitada (OE) augmenta llavors. Això permet les sortides TRI-STATE, cosa que permet llegir les dades.

ADC0804

Ja sabem que els convertidors analògics a digitals (ADC) són els dispositius més utilitzats per assegurar la informació per traduir els senyals analògics a números digitals de manera que el microcontrolador pugui llegir-los fàcilment. Hi ha molts convertidors ADC com ADC0801, ADC0802, ADC0803, ADC0804 i ADC080. En aquest article, parlarem del convertidor ADC0804.

ADC0804

ADC0804 és un convertidor analògic a digital de 8 bits molt utilitzat. Funciona amb voltatge d'entrada analògic de 0V a 5V. Té una entrada analògica única i 8 sortides digitals. El temps de conversió és un altre factor important per jutjar un ADC, a ADC0804 el temps de conversió varia en funció dels senyals de rellotge aplicats als pins CLK R i CLK IN, però no pot ser més ràpid que 110 μs.

Pin Descripció de l'ADC804

Pin 1 : És un pin de selecció de xip i activa ADC, actiu baix

Pin 2: Es tracta d'un pin d'entrada de pols alt a baix que porta les dades dels registres interns als pins de sortida després de la conversió

Pin 3: Es tracta d'un pin d'entrada de baix a pols alt que s'inicia per iniciar la conversió

Pin 4: És un pin d’entrada de rellotge, per donar el rellotge extern

Pin 5: És un pin de sortida, baixa quan es completa la conversió

Pin 6: Entrada analògica sense inversió

Pin 7: Entrada inversa analògica, normalment està connectada a terra

Pin 8: Terra (0V)

Pin 9: És un pin d'entrada, estableix el voltatge de referència per a l'entrada analògica

Pin 10: Terra (0V)

Pin 11 - Pin 18: És un pin de sortida digital de 8 bits

Pin 19: S’utilitza amb el pin Clock IN quan s’utilitza la font de rellotge interna

Pin 20: Tensió d'alimentació 5V

Característiques de l'ADC0804

Les principals característiques de l'ADC0804 inclouen les següents.

Gamma de voltatge d'entrada analògica de 0V a 5V amb alimentació única de 5V
Compatible amb microcontroladors, el temps d’accés és de 135 ns
Interfície fàcil per a tots els microprocessadors
Les entrades i sortides lògiques compleixen les especificacions de nivell de voltatge MOS i TTL
Funciona amb referència de voltatge de 2,5 V (LM336)
Generador de rellotge on-chip
No cal ajustar el zero
Paquet DIP d’amplària estàndard de 0,3 [Prime] de 20 pines
Funciona amb una relació mètrica o amb una referència de tensió ajustada a 5 VDC, 2,5 VDC o analògica
Entrades de tensió analògica diferencial

És un convertidor de 8 bits amb una font d'alimentació de 5V. Només pot prendre un senyal analògic com a entrada. La sortida digital varia de 0 a 255. ADC necessita un rellotge per funcionar. El temps que es triga a convertir el valor analògic a digital depèn de la font del rellotge. Es pot donar un rellotge extern a CLK IN. Pin2 és el pin d’entrada: el pols d’alt a baix porta les dades del registre intern als pins de sortida després de la conversió. Pin3 és una escriptura: es dóna un pols de baix a alt al rellotge extern.

Aplicació

Des del circuit senzill, el pin 1 d'ADC es connecta a GND on el pin4 està connectat a GND mitjançant un condensador pin 2, 3 i 5 d'ADC es connecta a 13, 14 i 15 pins del microcontrolador. Els pins 8 i 10 estan en curtcircuit i es connecten a GND, 19 pins d'ADC són al 4t pin mitjançant la resistència 10k. Els pins 11 a 18 de l'ADC estan connectats a 1 a 8 pins del microcontrolador que pertany al port1.

Circuit ADC0804

Quan s'aplica la màxima lògica a CS i RD, l'entrada s'ha registrat a través del registre de desplaçament de 8 bits, completant la cerca de taxa d'absorció específica (SAR), al següent pols de rellotge la paraula digital es transfereix a la sortida de tres estats. La sortida de la interrupció s'inverteix per proporcionar una sortida INTR que és alta durant la conversió i baixa quan la conversió s'ha completat. Quan un mínim es troba tant a CS com a RD, s'aplica una sortida al DB0 mitjançant les sortides de DB7 i es restableix la interrupció. Quan les entrades CS o RD tornen a un estat alt, les sortides DB0 a través de DB7 estan desactivades (es tornen a l'estat d'alta impedància). Així, depenent de la lògica, la tensió varia de 0 a 5 V que es transforma en un valor digital de resolució de 8 bits, alimentant-se com a entrada al port 1 del microcontrolador.

“Com puc provar un condensador? ”

ADC0804 Projectes utilitzats de components

Localitzador de distància de fallada del cable subterrani

ADC0808 Components Projectes utilitzats

Scada (Control de supervisió i adquisició de dades) per a plantes industrials remotes

Proves ADC

La prova del convertidor analògic a digital necessita principalment una font d’entrada analògica, així com maquinari per transmetre els senyals de control i capturar dades digitals o / p. Alguns tipus d’ADC necessiten una font de senyal de referència precisa. L'ADC es pot provar mitjançant els següents paràmetres clau

Error de compensació de CC
Dissipació de potència
Error de guany de CC
Gamma dinàmic lliure espuri
SNR (relació senyal / soroll)
INL o no linealitat integral
DNL o no linealitat diferencial
THD o distorsió harmònica total

La prova d'ADC o convertidors analògics a digitals es fa principalment per diversos motius. A part de la raó, la societat IEEE Instrumentation & Measurement, el comitè de generació i anàlisi de formes d'ona, va desenvolupar l'estàndard IEEE per ADC per a terminologia i mètodes de prova. Hi ha diferents configuracions de proves generals que inclouen ona sinusoïdal, forma d'ona arbitrària, forma d'ona de pas i bucle de retroalimentació. Per determinar el rendiment estable dels convertidors analògics a digitals, s’utilitzen diferents mètodes com el servo, basat en rampa, la tècnica de l’histograma de corrent altern, la tècnica de l’histograma del triangle i la tècnica física. L'única tècnica que s'utilitza per a proves dinàmiques és la prova d'ona sinusoïdal.

Aplicacions del convertidor analògic a digital

Les aplicacions d’ADC inclouen el següent.

Actualment, l’ús de dispositius digitals està augmentant. Aquests dispositius funcionen en funció del senyal digital. Un convertidor analògic a digital té un paper clau en aquest tipus de dispositius per convertir el senyal d’analògic a digital. Les aplicacions dels convertidors analògics a digitals són il·limitades, que es descriuen a continuació.
El CA (aire condicionat) inclou sensors de temperatura per mantenir la temperatura a l’habitació. Per tant, aquesta conversió de temperatura es pot fer d’analògic a digital amb l’ajut d’ADC.
També s’utilitza en un oscil·loscopi digital per convertir el senyal d’analògic en digital en pantalla.
L’ADC s’utilitza per convertir el senyal de veu analògica a digital en telèfons mòbils perquè els telèfons mòbils utilitzen senyals de veu digitals, però en realitat el senyal de veu té la forma d’analògic. Per tant, l’ADC s’utilitza per convertir el senyal abans d’enviar el senyal cap al transmissor del telèfon mòbil.
L’ADC s’utilitza en dispositius mèdics com la ressonància magnètica i els raigs X per convertir les imatges d’analògic a digital abans d’alterar-les.
La càmera del mòbil s'utilitza principalment per capturar imatges i vídeos. Aquests s’emmagatzemen al dispositiu digital, de manera que es converteixen en forma digital mitjançant ADC.
La música del casset també es pot canviar a un format digital, com ara les unitats CDS i polzades que utilitzen ADC.
Actualment, l'ADC s'utilitza en tots els dispositius perquè gairebé tots els dispositius disponibles al mercat estan en versió digital. Per tant, aquests dispositius utilitzen ADC.

Per tant, es tracta d’això una visió general del convertidor analògic a digital o convertidor ADC i els seus tipus. Per facilitar-ne la comprensió, en aquest article només es discuteixen alguns convertidors ADC. Esperem que aquest contingut proporcionat sigui més informatiu per als lectors. A continuació, podeu comentar qualsevol dubte, dubte i ajuda tècnica sobre aquest tema.

Crèdits fotogràfics: