Что такое аналого-цифровые преобразователи? Понимание их важности в электронике

Основы электроники #27: АЦП (аналого-цифровой преобразователь)

Введение

Аналого-цифровые преобразователи являются устройствами, преобразующими аналоговые сигналы в дискретные цифровые сигналы. Такое преобразование необходимо, поскольку большинство электронных и компьютерных систем работают с использованием цифровых сигналов. Это также позволяет легко хранить, передавать и манипулировать данными.

The аналого-цифровой преобразователь (АЦП) теперь имеет множество применений благодаря своей работе. Ожидается, что он будет использоваться в сборе данных, научных приборах, обработке звука и многом другом.

Аналого-цифровое преобразование

Важность аналого-цифровых преобразователей

Будь то цифро-аналоговый аудио преобразователь или любой другой тип, они важны для функциональности многих устройств. Вот еще несколько причин, почему АЦП имеет решающее значение.

1. Соедините цифровой и аналоговый миры

Преобразование позволяет устройствам, работающим на разных уровнях, общаться. Таким образом, устройство может принимать аналоговые данные, обрабатывать их и отображать в формате, понятном современной электронике. Это касается различных устройств, таких как компьютеры, микроконтроллеры и смартфоны, которые работают с цифровыми сигналами.

2. Обеспечивает цифровую обработку сигнала

The аналого-цифровой преобразователь необходим для преобразования аналоговых сигналов в цифровые данные. Это делается с помощью цифровых алгоритмов для получения желаемого вывода. Как и ожидалось, вы можете найти множество применений для таких устройств. Это включает в себя шумоподавление, сжатие и фильтрацию сигналов.

3. Используется в различных областях

АЦП довольно универсальны, поэтому вы столкнетесь с ними в различных областях. Например, при записи и воспроизведении звука. В этом случае АЦП имеет решающее значение для системы оповещения, где аналоговые сигналы улавливаются микрофоном, а затем преобразуются в цифровые сигналы перед использованием в качестве выходных сигналов в динамиках.

Аналого-цифровые преобразователи также необходимы для телекоммуникационных систем. Здесь данные преобразуются из аналоговых голосовых сигналов в цифровой формат для передачи на приемник и наоборот.

На этом этапе мы видим, что АЦП жизненно важны в широком спектре приложений. Это позволяет легко интегрировать аналоговые сигналы в цифровой мир, где это необходимо. Результатом является наличие множества функций.

Как работают аналого-цифровые преобразователи

Процесс преобразования АЦП

В преобразовании аналогового сигнала в цифровой задействовано несколько этапов. Мы рассмотрим их ниже, чтобы помочь вам понять, как работает АЦП.

Отбор проб

Это первый шаг в работе АЦП. На этом этапе АЦП делает выборки периода входного аналогового сигнала. Процесс основан на частоте выборки.

Частота дискретизации обычно в два раза превышает максимальную частоту аналогового сигнала. Для заморозки аналогового сигнала во время дискретизации также используется схема выборки и хранения. Это гарантирует, что АЦП получает стабильное значение для преобразования.

Квантование

Это следующий шаг после выборки. Это важный шаг для определения разрешения АЦП или количества бит. Например, если у вас 8-битный АЦП, он представляет аналоговый сигнал с использованием 256 различных уровней.

Этот процесс вносит ошибку квантования, поскольку цифровое представление считается приближением аналогового сигнала.

Кодирование

Здесь цифровому образцу присваивается уникальный двоичный код, представляющий его амплитуду. Например, 8-битный АЦП будет иметь 8-значное двоичное число.

Общая точность цифрового сигнала зависит от разрешения АЦП. Более высокое разрешение означает, что АЦП может выдавать более высокую точность. Однако для этого требуются более сложные схемы.

Выход

После завершения преобразования цифровой сигнал передается на цифровое устройство обработки, например, компьютер или микроконтроллер, для отображения, хранения или дальнейшего анализа.

Параметры производительности аналого-цифровых преобразователей

Аналого-цифровые преобразователи характеризуются наличием нескольких параметров производительности. К ним относятся:

Разрешение

Это число бит, используемых при оцифровке сигнала. Они также помогают определить точность аналого-цифрового преобразования. Более высокое разрешение всегда лучше и обеспечивает большую точность.

Частота дискретизации

Это количество выборок, сделанных в секунду. Это напрямую влияет на скорость АЦП. Конечно, более высокая частота выборки означает, что устройство быстрее захватывает аналоговые сигналы.

Соотношение сигнал/шум

Это отношение мощности сигнала к мощности шума. Оно указывает на качество оцифрованного сигнала. Более высокое отношение сигнал/шум (SNR) означает, что в цифровом сигнале меньше шума. Это приводит к более точному представлению.

Динамический диапазон

Это диапазон амплитуд, которые может преобразовывать АЦП. Это влияет на его способность представлять большие и малые сигналы. Наличие более широкого динамического диапазона лучше, поскольку позволяет захватывать широкий диапазон входных уровней.

Эффективное число бит или ENOB

Это мера фактического количества бит, которые приводят к полезной информации после преобразования. При этом учитываются искажения и шум. ENOB имеет решающее значение для определения качества работы АЦП.

Диапазон входных данных

Это представляет собой минимальный и максимальный уровни напряжения, которые АЦП может эффективно обрабатывать. Этот параметр необходим для обеспечения того, чтобы входной сигнал оставался в пределах рабочего диапазона АЦП.

Коэффициент гармонических искажений (THD)

Это величина нежелательных гармонических искажений, вносимых АЦП. Они могут быть источником шума и в конечном итоге влиять на качество сигнала АЦП.

Типы аналого-цифровых преобразователей

Вы, вероятно, столкнетесь с различными типами аналого-цифровых преобразователей. Все зависит от того, как они работают и как их применяют. Вот несколько примеров.

Флэш-АЦП

Они работают с использованием сети компараторов и опорного напряжения, которое применяется для сравнения с входным сигналом на нескольких уровнях.
Они быстрые и могут преобразовывать аналоговый сигнал в цифровой за один тактовый цикл. Благодаря своей скорости они обычно используются в цифровых запоминающих осциллографах и высокочастотных системах, где скорость имеет решающее значение.

АЦП с последовательным приближением (SAR)

Эти АЦП используют подход бинарного поиска, который жизненно важен для нахождения цифрового значения, наиболее близкого к аналоговому входу. Они предлагают хороший баланс между энергопотреблением, разрешением и скоростью.

Эти АЦП обычно используются в микроконтроллерах, системах сбора данных и многих других смежных приложениях.

Сигма-дельта АЦП

Рабочий механизм этих АЦП включает в себя передискретизацию входного сигнала и последующее использование цифрового фильтра для получения высокочастотного выходного цифрового сигнала. Этот механизм обеспечивает высокое разрешение и отличную производительность против шума.

Если вам нужен АЦП для точных измерений, например, обработки звука, то это будет хорошим выбором.

АЦП двойного наклона

Этот тип АЦП интегрирует входной сигнал в течение фиксированного периода, а затем выполняет измерение счетчика во время фазы деинтеграции. Результатом является высокое разрешение и низкий уровень шума. Однако этот процесс делает их медленнее по сравнению с другими типами.

АЦП лучше всего подходит для приложений, требующих низкого уровня шума и высокого разрешения. Сюда входят мониторинг аккумуляторов и цифровые мультиметры.

Конвейерные АЦП

Эти АЦП работают, разбивая процесс преобразования на несколько этапов. Это позволяет достичь более высокой скорости. Благодаря этому вы получаете высокое разрешение и высокую пропускную способность, которые важны для различных приложений.

Мы рекомендуем такие устройства для приложений, которым нужна высокая скорость и высокое разрешение. Это включает в себя беспроводные системы связи и обработку видео.

Применение аналого-цифровых преобразователей

Вы можете ожидать, что столкнетесь со многими вариантами использования аналого-цифровые преобразователи. Они включают в себя:

• Обработка аудио и видео
• Сбор и контроль данных
• Телекоммуникации
• Цифровой запоминающий осциллограф
• Научное и промышленное приборостроение
• Медицинская визуализация
• Цифровые аудио рабочие станции
• Смартфоны и т.д.

Как правильно выбрать аналого-цифровые преобразователи

Теперь, когда вы знаете больше о аналого-цифровых преобразователях, пришло время выбрать тот, который подходит именно вам. Ниже приведено руководство по покупке, которое следует иметь в виду.

1. Помните о разрешении АЦП. Обычно оно указывается в битах и определяет общее качество конечного цифрового сигнала. Наличие большего разрешения жизненно важно для обнаружения мельчайших изменений во входном сигнале.
2. Частота дискретизации также важна. Важно, чтобы частота дискретизации была в два раза выше самой высокой частоты входного сигнала. Если частота дискретизации слишком низкая, сигнал может искажаться.
3. Точность — еще один важный аспект, который следует учитывать. Она определяет, насколько близок цифровой сигнал к входному аналоговому сигналу. Такие факторы, как дифференциальная нелинейность, интегральная нелинейность и квантование eros, определяют точность сигнала.
4. Потребляемая мощность также важна для рассмотрения. Это связано с тем, что АЦП иногда могут потреблять много энергии. Вам нужна модель, которая потребляет минимальное количество энергии, но при этом должна выдавать высококачественный выходной сигнал.
5. Стоимость — еще один критический фактор. Вам нужен АЦП, который обеспечивает хороший баланс между стоимостью и производительностью. Ожидайте, что АЦП с высокой пропускной способностью и разрешением будут стоить дороже по сравнению с другими типами.

Заключение

Аналого-цифровой преобразователь необходим во многих отношениях, как мы видели выше. Поэтому крайне важно всегда получать правильный АЦП для работы. Изучите его характеристики производительности, чтобы определить, подходит ли он для ваших нужд. Кроме того, покупайте у ведущих брендов, если вам нужно его купить, чтобы цифровой выходной сигнал имел правильные параметры производительности, которые вы ищете в устройстве.