Итак, в прошлый раз мы рассмотрели, почему нам интересен цифровой, а не аналоговый сигнал и какие вопросы нам нужно решить при проектировании АЦП.
Во первых, и это вопрос принципиальный - какая будет точность у нашего АЦП. Идеально точно преобразовать сигнал не получится чисто теоретически - ведь он непрерывный, соответственно числовое представление такого сигнала будет состоять из бесконечного количества цифр, что, во первых, невозможно, а во вторых и не нужно, так как наши расчеты всегда допускают определенную погрешность. Например, напряжение на аккумуляторе при измерении его заряженности достаточно измерить с точностью до одной десятой вольта, для исследований электролитов - до одной тысячной, для исследования квантовых эффектов на границах электродов - до одной миллиардной , но в любом случае никому не нужна бесконечная точность.
В большинстве случаев нам достаточно получить результат с 3-4 цифрами, в особо ответственных случаях - до 5-6 цифр. Переводя в двоичную систему (так как почти все современные вычислительные системы, включая микроконтроллеры измерительных приборов, работают в двоичной логике) получаем 11-20 двоичных разрядов (бит). Заметим, что "по чистой случайности" разрядность АЦП в составе массовых микроконтроллеров составляет чаще всего 10-12 бит.
Есть еще один момент. Предположим мы измеряем напряжение до 10 Вольт, АЦП у нас имеет 10 разрядов. Максимальное число, которое мы получаем на выходе АЦП при этом - 1024. Соответственно, на каждую нашу единицу приходится 10/1024= 9,8 милливольт. Эта величина называется "шаг дискретизации" и получаемое значение на выходе АЦП получается не в Вольтах, а в "шагах дискретизации". Это не имеет значение, если после АЦП у нас стоит вычислительная система, которая все равно все пересчитает и выведет на экран правильно. Если у нас простейший мультиметр, то для исключения каких-то сложных перерасчетов разрядность и максимальное напряжение выбирают так, чтобы шаг дискретизации совпадал с дольной или кратной единицей измерения - Вольтом, милливольтом, микроампером и т.д.
Теперь поговорим, каким образом мы можем преобразовать аналоговый сигнал в цифровой. Собственно единственный способ - посчитать наши шаги дискретизации. При этом, естественно, чем меньше шаг, тем выше точность измерения и тем больше времени нам нужно на подсчет. В реальности прямой счет - самый неэффективный метод, который только можно придумать и настоящие АЦП так не делаются . Однако общий принцип в любом случае сохраняется: "быстро, точно, просто - выберите любые два пункта" :)
По тому, какие Вы пункты выбрали, мы можем Вам предложить:
Быстро и точно, быстро и просто - параллельные АЦП. Самый быстрый тип АЦП, но его сложность увеличивается экспоненциально от точности. Условно говоря, если на один бит нам нужна одна деталь, то для 8 битного АЦП их нужно будет 256, а для 10 битного - 1024. Соответственно применяются там, где нужна скорость, а цена значения не имеет. Нужен, например, заказчику осциллограф реального времени на 70 ГГц, и не важно что он стоит несколько сот тысяч долларов США. Или наоборот, точность вообще не нужна, а нужна просто прикидка - 12 Вольт или все-таки 220 :)
Точно, просто - сигма-дельта АЦП и АЦП двойного интегрирования. Их особенность в том, что имея очень низкий уровень собственных шумов обладают практически неограниченной точностью. Лучшие из доступных экземпляров позволяют производить преобразование с разрядностью 24 бита за 0,1 секунду. Для мультиметра нормально, но даже сейсмометр с полой пропускания 9 Гц для данных АЦП недоступен.
Не очень быстро, но достаточно точно и относительно просто и вообще непонятно что хочу - АЦП последовательного приближения (существуют в нескольких вариантах). Универсальное решение, если нужно угодить всем, но не слишком требовательным по "предельным" значениям точности и скорости, по этой причине являются практически единственным типом АЦП, встраиваемым в микроконтроллеры.
Вообще хочу чего-то особенного - существует еще очень много типов АЦП, кроме того существуют несколько экзотических преобразователей, например преобразователь напряжение-частота, системы модулятор-демодулятор и прочие, которые чисто формально АЦП и не являются, но могут применяться для решения схожих задач - например для увеличения помехозащищенности канала передачи без необходимости потом "оцифровывать" сигнал.
О сигма-дельта АЦП и АЦП последовательного приближения мы поговорим в следующей публикации.
Ставьте лайки, делайте репосты и не забывайте заземлять!
Подписывайтесь на наш канал!
Всем читателям нашего блога - Скидка в нашем интернет-магазине на люксметры по промокоду ZENPROFIT