A medida que avanza la tecnología, comprender los dispositivos y tecnologías subyacentes que nos rodean se vuelve vital. En este contexto, hablaremos de los convertidores analógicos a digitales, conocidos como ADC, que desempeñan un papel vital en la conversión de señales analógicas en representación digital.
Los convertidores analógico-digital (ADC) son increíblemente útiles para convertir fenómenos del mundo real en valores que podemos utilizar en proyectos de programación. Pero, ¿cómo puede un ADC convertir señales analógicas en señales digitales que podamos manejar e integrar en cualquier lugar? Ahora puedes ver Cómo reproducir audio a través de dos o más salidas de hardware en Linux.
¿Cuáles son los usos del ADC?
Los ADC son dispositivos esenciales en el mundo de la electrónica, ya que convierten señales analógicas continuas en una representación digital variable. Comprender cómo funcionan es fundamental para controlar señales y datos en sistemas de control y automatización.
Encontrarás ADC en casi todas partes. Está en tu teléfono y convierte tu voz en una cadena de valores binarios. Están en tu auto, midiendo los tiempos que giran tus ruedas. Se encuentran en los osciloscopios, que ayudan a captar y representar señales. Sin embargo, el lugar donde la mayoría de la gente los utilizará es en el mundo del vídeo y el audio, donde llevar luz y sonido al espacio digital es clave.
El proceso de conversión se basa en dividir la señal analógica en dos partes: cantidad (valor) y resolución (número de bits). El desafío es mantener la precisión de la conversión para obtener datos precisos.
¿Cuál es la frecuencia de muestreo? ¿Cómo afecta la frecuencia de muestreo al ADC?
Una de las métricas clave más importantes para un ADC es la frecuencia de muestreo: la cantidad de lecturas tomadas cada segundo.
Un osciloscopio muy sofisticado podría tomar diez mil millones de muestras por segundo. El diminuto ADC MCP3008 puede tomar unas relativamente modestas doscientas mil muestras por segundo. En el mundo del audio, una frecuencia de muestreo de 44.100 por segundo (44.1 kHz) se considera típica.
Cuantas más muestras tomemos, con mayor precisión podremos representar la señal. A veces esto es necesario; A veces no lo es. Digamos que estamos construyendo un ecualizador (un dispositivo de control digital diseñado para controlar la electrónica, como se ve en una mesa de edición de iluminación o sonido) usando unas pocas docenas de potenciómetros. En este caso, es poco probable que los valores que necesitamos medir cambien millones de veces por segundo ya que nuestros dedos no pueden moverse tan rápido. Solo necesitamos suficientes muestras para que el resultado sea fluido y receptivo.
¿Qué es la tasa de bits? ¿La tasa de bits afecta la calidad del ADC?
También debemos considerar la calidad de la muestra que obtenemos. Está determinado en gran medida por la velocidad de bits, que nos dice cuántos estados de encendido y apagado podemos usar para representar digitalmente el voltaje. Cuantos más bits tengamos, más valores posibles podremos registrar en una muestra determinada y más fluido y preciso será el resultado final.
escribimos sobre El sistema binario y cómo funciona.Entonces, si no estás seguro, este es un buen lugar para comenzar. ¿Cuántos bits necesitamos? Nuevamente, depende de lo que estemos tratando de lograr. A veces, podemos estar limitados por el protocolo que utilizamos. Por ejemplo, el protocolo MIDI 1.0 está limitado a valores de siete bits (a veces catorce). En otros casos, el factor determinante puede ser la percepción humana. Si aumentar la calidad del desempeño no conduce a ninguna mejora significativa en el resultado, puede que no valga la pena.
¿Cómo mejora la multiplexación la calidad del ADC?
Dispositivos ADC populares como ADS1115 و MCP3008 Muchas entradas. Pero bajo el capó, en realidad sólo tiene un ADC. Esto es posible gracias a los multiplexores integrados en estos dispositivos. Los multiplexores se encuentran absolutamente en todas partes del mundo de la electrónica y las comunicaciones. Son interruptores digitales que actúan como control de movimiento de datos para su ADC. Un ADC podría probar un canal, luego el siguiente y luego el siguiente. Entonces, si tiene ocho canales y una frecuencia de muestreo de 200000, puede recorrerlos todos, tomando 25000 muestras por canal.
¿Qué tipos de ADC existen?
Los ADC funcionan de diferentes maneras, según el costo y las capacidades requeridas.
Obras ADC flash A través de un divisor de voltaje muy complejo. Un conjunto de resistencias divide el voltaje de referencia en incrementos, que luego se prueban con la entrada mediante un conjunto de comparadores. Los ADC flash son muy rápidos, pero están limitados en cuanto a profundidad de bits debido a la cantidad de comparadores necesarios. También consume mucha energía por la misma razón.
Buscar ADC de subrango Compensan estas debilidades dividiendo el trabajo entre dos unidades separadas: una para calcular aproximadamente el voltaje y luego una segunda para trabajar con precisión. Al dividir las cosas, podemos reducir el número de comparaciones. Algunos sub-ADC dividirán el trabajo en tres etapas, e incluirán la corrección de errores a lo largo del camino.
SAR (Registro de Aproximaciones Sucesivas) Los ADC realizan su trabajo mediante un tipo de búsqueda binaria. Supongamos que tenemos ocho bits para llenar. El SAR comenzará en 10000000, que es el valor medio (00000000 es el valor inferior y 11111111 es el valor superior). Si el voltaje excede este punto medio, el SAR mantendrá el número más a la izquierda como 1; De lo contrario, SAR establecerá el número más a la izquierda en 0. Podemos repetir el proceso con el siguiente número y así sucesivamente. Esto moverá gradualmente el valor estimado hacia el valor real:
De esta manera, continuamente acotamos la búsqueda, dividiendo las probabilidades por la mitad y preguntando si el resultado está por encima o por debajo del punto medio. En este caso, el valor está entre 0 y 255; Después de varias iteraciones, el ADC encuentra que el número ronda los 77.
Los convertidores delta-sigma son probablemente los más difíciles de entender. Se utilizan en aplicaciones musicales y medición de señales de alta precisión. Funcionan sobremuestreando la señal y mejorando el resultado mediante filtrado y matemáticas muy complejos. Este proceso reduce efectivamente la frecuencia de muestreo al tiempo que aumenta la resolución. Estos ADC son excelentes cuando el ruido y la precisión son más importantes que la velocidad.
Finalmente, tenemos la integración ADC, que es incluso más lenta que delta-sigma. Funciona con la ayuda de un condensador cuya tasa de carga se puede utilizar para determinar el voltaje de entrada. La frecuencia de muestreo aquí suele estar sincronizada con la frecuencia de la fuente de alimentación, lo que puede utilizarse para reducir el ruido al mínimo absoluto.
¿Qué es el teorema de Nyquist-Shannon o teoría del muestreo digital?
La teoría de Nyquist-Shannon proporciona el marco teórico para comprender cómo se representan digitalmente las señales analógicas (como el sonido o la imagen). El sistema de codificación y muestreo digital es fundamental para esta teoría.
Uno de los puntos clave del teorema de Nyquist-Shannon es que cualquier señal analógica se puede representar mediante un conjunto de muestras digitales. La calidad de la representación está determinada por la frecuencia de muestreo (el número de muestras por unidad de tiempo), donde la mitad de la frecuencia de muestreo se refiere al número mínimo de muestras necesarias para representar una señal.
Supongamos que queremos describir una señal analógica de forma digital. Para hacer esto, necesitamos al menos dos puntos para cada curso dado: uno en la parte superior y otro en la parte inferior. Por lo tanto, nuestra frecuencia de muestreo debe ser al menos el doble de la frecuencia más alta que esperamos medir.
Esto se conoce como frecuencia de Nyquist, en honor al físico sueco-estadounidense Harry Nyquist. La teoría lleva el nombre de Nyquist y Claude Shannon (un destacado matemático y criptógrafo), pero no de Edmund Whittaker, a quien se le ocurrió la idea antes que cualquiera de ellos.
A quienquiera que le atribuyamos la teoría, hay un problema con ella. Es imposible saber de antemano cuándo se alcanzará la parte superior e inferior de la forma de onda. ¿Qué pasa si tomamos una muestra en el medio hacia la forma de onda entrante? Observe cómo un cambio en la señal entrante puede aplanar todo el resultado capturado:
O incluso alucinaciones de nuevas formas de onda que antes no existían:
Estas alucinaciones se conocen como alias.
El problema de la distorsión (Aliasing)
Probablemente esté familiarizado con la ilusión de la “rueda de carro” que a veces ocurre al fotografiar un objeto en rotación. Las ruedas del coche, o las aspas del helicóptero, parecen moverse hacia atrás, pero muy lentamente. En algunos casos, las palas pueden detenerse por completo (con resultados francamente extraños: ¡mira el vídeo a continuación!).
Mientras juegas un videojuego antiguo, es posible que también hayas notado que las líneas paralelas a veces producen artefactos extraños. Las vallas rayadas, las escaleras y los saltadores empezaban a parecer muy extraños. ¿O qué pasa con esos extraños pitidos que a veces escuchas cuando escuchas a alguien hablar a través de una conexión digital de mala calidad? Es distorsión, pero es un tipo especial de distorsión. ¿Qué pasa con todas esas feas frecuencias que salen del ruido? Si escuchas contenido rico en tonos, como una batería, el efecto será más pronunciado, especialmente en los agudos.
Si comprende el motivo de uno, estará en camino de comprenderlos todos. En el caso de la voltereta, una velocidad de fotogramas fija significa que no podemos capturar el movimiento correctamente. Si algo gira 350 grados en cada cuadro, es natural darse cuenta de que en realidad se ha movido hacia atrás 10 grados. En otras palabras, no hay suficiente información para representar con precisión lo que está sucediendo. Las muestras que tomamos no coinciden con lo que intentamos medir.
Este no es un problema limitado a la conversión de analógico a digital. En muchos de estos casos estamos convirtiendo un tipo de señal digital en otro.
¿Entonces, cuál es la solución? Hay muchos. Podemos aplicar un filtro especial para lidiar con estos artefactos, que es lo que muchos ADC hacen a medida. O podríamos probar mucho más de lo que necesitamos. Cuantas más muestras tomemos, más precisa será nuestra imagen de la onda:
La frecuencia de Nyquist es la mitad de la frecuencia de muestreo y es un límite que debe superarse para evitar interferencias conocidas como "aliasing". Si la frecuencia muestreada excede la mitad de la frecuencia de muestra, pueden producirse alias y artefactos no deseados en la señal convertida.
Por ejemplo, si tiene una señal que contiene una frecuencia alta y utiliza una frecuencia de muestreo baja, la parte alta de la señal puede representarse incorrectamente, produciendo otros artefactos en la señal convertida. Para evitar el aliasing, se debe utilizar una frecuencia de muestra que sea al menos la mitad de la frecuencia más alta de la señal. Verificar ¿Cómo funciona el alternador de tu coche?
preguntas comunes
P1. ¿Cuál es la función de los convertidores analógicos a digitales (ADC)?
Los convertidores de analógico a digital convierten señales analógicas continuas en una representación digital, lo que permite que los sistemas de automatización y la electrónica comprendan y procesen datos de manera eficiente.
P2. ¿Cómo se convierten las señales analógicas a digitales mediante ADC?
Esto se hace dividiendo la señal en dos partes: cantidad (valor) y resolución (número de bits). El desafío es mantener la precisión de la conversión para obtener datos precisos.
P3. ¿Existen diferentes tipos de convertidores analógicos a digitales?
Sí, existe una variedad de ADC según sus aplicaciones, como los ADC adecuados para aplicaciones de control de movimiento o audio.
P4. ¿Cuál es la importancia de los ADC en los sistemas digitales modernos?
Los ADC permiten que los dispositivos y aplicaciones interactúen con el mundo que los rodea y den sentido a los datos de manera efectiva en la era digital.
Muestra de mayor calidad para obtener mejores resultados
Si este tipo de cosas te parecen interesantes, la buena noticia es que no hemos profundizado demasiado en este tema. Hay muchos detalles avanzados que abordar aquí: los ADC son muy complejos.
Pero desde el punto de vista del usuario final o del entusiasta común de Arduino, también es muy simple. Entran tensiones, salen números. Entonces, independientemente de lo que esté buscando medir, ya sea el contenido de humedad de una porción de suelo, las oscilaciones de la laringe humana o el flujo de fotones refractados a través de una lente, es muy probable que haya un ADC que haga el trabajo. . Puedes ver ahora Los pros y los contras de usar un clon de Arduino en tus proyectos.
