Naarmate de technologie vordert, wordt het begrijpen van de onderliggende apparaten en technologieën om ons heen van cruciaal belang. In deze context zullen we het hebben over analoog-naar-digitaal-omzetters, bekend als ADC's, die een cruciale rol spelen bij het omzetten van analoge signalen in digitale representatie.
Analoog-naar-digitaal converters (ADC’s) zijn ongelooflijk handig voor het omzetten van fenomenen uit de echte wereld in waarden die we kunnen gebruiken bij programmeerprojecten. Maar hoe kan een ADC analoge signalen omzetten in digitale signalen die we overal kunnen verwerken en insluiten? Je kunt nu bekijken Audio afspelen via twee of meer hardware-uitgangen in Linux.
Wat zijn de toepassingen van ADC?
ADC's zijn essentiële apparaten in de elektronicawereld, die continue analoge signalen omzetten in een variabele digitale representatie. Begrijpen hoe ze werken is van fundamenteel belang voor het beheersen van signalen en gegevens in automatiserings- en besturingssystemen.
Je vindt ADC's bijna overal. Het staat op je telefoon en zet je stem om in een reeks binaire waarden. Ze zitten in je auto en meten de keren dat je wielen draaien. Ze worden aangetroffen in oscilloscopen, die helpen bij het oppikken en weergeven van signalen. De plaats waar de meeste mensen ze zullen gebruiken is echter in de wereld van video en audio, waar het brengen van licht en geluid in de digitale ruimte van cruciaal belang is.
Het conversieproces is gebaseerd op het verdelen van het analoge signaal in twee delen: kwantiteit (waarde) en resolutie (aantal bits). De uitdaging is om de nauwkeurigheid van de conversie te behouden om nauwkeurige gegevens te verkrijgen.
Wat is de samplefrequentie? Welke invloed heeft de samplefrequentie op ADC?
Een van de belangrijkste meetgegevens voor een ADC is de bemonsteringsfrequentie: het aantal metingen dat per seconde wordt uitgevoerd.
Een zeer geavanceerde oscilloscoop kan tien miljard monsters per seconde nemen. De kleine MCP3008 ADC kan een relatief bescheiden tweehonderdduizend monsters per seconde nemen. In de audiowereld wordt een bemonsteringssnelheid van 44.100 per seconde (44.1 kHz) als typisch beschouwd.
Hoe meer monsters we nemen, hoe nauwkeuriger we het signaal kunnen weergeven. Soms is dit nodig; Soms is dat niet het geval. Laten we zeggen dat we een equalizer bouwen (een digitaal besturingsapparaat dat is ontworpen om elektronica te besturen, zoals te zien op een verlichtings- of geluidsmontagetafel) met behulp van enkele tientallen potentiometers. In dit geval is het onwaarschijnlijk dat de waarden die we moeten meten miljoenen keren per seconde zullen veranderen, omdat onze vingers niet zo snel kunnen bewegen. We hebben alleen voldoende monsters nodig zodat het resultaat soepel en responsief is.
Wat is bitsnelheid? Heeft bitrate invloed op de ADC-kwaliteit?
We moeten ook rekening houden met de kwaliteit van het monster dat we verkrijgen. Het wordt grotendeels bepaald door de bitsnelheid, die ons vertelt hoeveel aan- en uit-toestanden we kunnen gebruiken om de spanning digitaal weer te geven. Hoe meer bits we hebben, hoe meer mogelijke waarden we in een bepaald monster kunnen opnemen, en hoe vloeiender en nauwkeuriger het eindresultaat wordt.
We schreven over Het binaire systeem en hoe het werktDus als u het niet zeker weet, is dit een goed beginpunt. Hoeveel bits hebben we nodig? Nogmaals, het hangt af van wat we proberen te bereiken. Soms worden we beperkt door het protocol dat we gebruiken. Het MIDI 1.0-protocol is bijvoorbeeld beperkt tot zeven-bits (soms veertien) waarden. In andere gevallen kan de bepalende factor de menselijke perceptie zijn. Als het verhogen van de kwaliteit van de prestaties niet tot een significante verbetering van de resultaten leidt, is het wellicht niet de moeite waard.
Hoe verbetert multiplexing de ADC-kwaliteit?
Populaire ADC-apparaten zoals ADVERTENTIES1115 و MCP3008 Veel ingangen. Maar onder de motorkap heeft hij eigenlijk maar één ADC. Dit is mogelijk dankzij de multiplexers die in deze apparaten zijn ingebouwd. Multiplexers zijn absoluut overal in de wereld van elektronica en communicatie te vinden. Het zijn digitale schakelaars die fungeren als controle over de gegevensverplaatsing voor uw ADC. Een ADC kan het ene kanaal proberen, dan het volgende en dan het volgende. Dus als je acht kanalen hebt en een bemonsteringsfrequentie van 200000, kun je ze allemaal doorlopen, waarbij je 25000 monsters per kanaal neemt.
Welke soorten ADC zijn er?
ADC's werken op verschillende manieren, afhankelijk van de vereiste kosten en mogelijkheden.
Werken Flash-ADC Via een zeer complexe spanningsdeler. Een reeks weerstanden verdeelt de referentiespanning in stappen, die vervolgens via een reeks comparatoren aan de ingang worden getest. Flash ADC's zijn erg snel, maar zijn beperkt als het gaat om bitdiepte vanwege het aantal benodigde comparatoren. Om dezelfde reden is het ook energie-intensief.
Zoeken ADC onderverdelen Ze compenseren deze zwakke punten door het werk over twee afzonderlijke eenheden te verdelen: één om de spanning grofweg te berekenen en vervolgens een tweede om er precies mee te werken. Door de zaken op te delen, kunnen we het aantal vergelijkingen verminderen. Sommige sub-ADC's verdelen het werk in drie fasen, waarbij foutcorrectie onderweg wordt inbegrepen.
SAR (Successive Approximation Register) ADC's doen hun werk via een soort binaire zoekopdracht. Stel dat we acht bits moeten vullen. De SAR begint bij 10000000, wat de middelste waarde is (00000000 is de onderste waarde en 11111111 is de bovenste waarde). Als de spanning dit middelpunt overschrijdt, behoudt de SAR het meest linkse getal op 1; Als dit niet het geval is, stelt SAR het meest linkse getal in op 0. We kunnen het proces herhaaldelijk herhalen met het volgende getal, enzovoort. Hierdoor zal de geschatte waarde geleidelijk in de richting van de werkelijke waarde verschuiven:
Op deze manier beperken we de zoekopdracht voortdurend, delen we de kansen in tweeën en vragen we ons af of de uitkomst boven of onder het middelpunt ligt. In dit geval ligt de waarde ergens tussen 0 en 255; Na verschillende iteraties komt de ADC tot de conclusie dat het aantal rond de 77 ligt.
Delta-sigma-converters zijn waarschijnlijk het moeilijkst te begrijpen. Ze worden gebruikt in muziektoepassingen en uiterst nauwkeurige signaalmeting. Ze werken door het signaal te overbemonsteren en het resultaat te verbeteren met behulp van zeer complexe filtering en wiskunde. Dit proces verlaagt effectief de bemonsteringssnelheid terwijl de resolutie wordt verhoogd. Deze ADC's zijn geweldig als geluid en nauwkeurigheid belangrijker zijn dan snelheid.
Ten slotte hebben we ADC-integratie, die zelfs langzamer is dan delta-sigma. Het werkt met behulp van een condensator waarvan de laadsnelheid kan worden gebruikt om de ingangsspanning te bepalen. De samplefrequentie wordt hierbij vaak gesynchroniseerd met de frequentie van de voeding, waardoor ruis tot een absoluut minimum kan worden beperkt.
Wat is de stelling van Nyquist-Shannon of digitale bemonsteringstheorie?
De Nyquist-Shannon-theorie biedt het theoretische raamwerk om te begrijpen hoe analoge signalen (zoals geluid of beeld) digitaal worden weergegeven. Het digitale bemonsterings- en coderingssysteem is fundamenteel voor deze theorie.
Een van de belangrijkste punten van de stelling van Nyquist-Shannon is dat elk analoog signaal kan worden weergegeven met behulp van een reeks digitale monsters. De kwaliteit van de representatie wordt bepaald door de bemonsteringsfrequentie (het aantal monsters per tijdseenheid), waarbij de helft van de bemonsteringsfrequentie verwijst naar het minimumaantal monsters dat nodig is om een signaal weer te geven.
Stel dat we een analoog signaal digitaal willen beschrijven. Hiervoor hebben we voor elk vak minimaal twee punten nodig: één bovenaan en één onderaan. Daarom moet onze bemonsteringsfrequentie minstens tweemaal de hoogste frequentie zijn die we verwachten te meten.
Dit staat bekend als de Nyquist-frequentie, genoemd naar de Zweeds-Amerikaanse natuurkundige Harry Nyquist. De theorie is vernoemd naar Nyquist en Claude Shannon (een vooraanstaand wiskundige en cryptograaf), maar niet naar Edmund Whittaker, die vóór een van hen op het idee kwam.
Aan wie we de theorie ook toeschrijven, er is een probleem mee. Het is onmogelijk om van tevoren te weten wanneer de boven- en onderkant van de golfvorm zullen worden bereikt. Wat als we in het midden zouden samplen richting de binnenkomende golfvorm? Merk op hoe een verschuiving in het binnenkomende signaal het gehele vastgelegde resultaat kan afvlakken:
Of zelfs hallucinaties van nieuwe golfvormen die voorheen niet bestonden:
Deze hallucinaties staan bekend als aliassen.
Het probleem met vervorming (aliasing)
U bent waarschijnlijk bekend met de ‘karrenwiel’-illusie die soms optreedt bij het fotograferen van een roterend object. De wielen van de auto, of de bladen van de helikopter, lijken achteruit te bewegen, maar heel langzaam. In sommige gevallen stoppen de messen volledig (met ronduit bizarre resultaten – bekijk de video hieronder!).
Tijdens het spelen van een oud videogame is het je misschien ook opgevallen dat parallelle lijnen soms vreemde artefacten produceren. De gestreepte hekken, ladders en springers begonnen er inderdaad heel vreemd uit te zien. Of hoe zit het met die rare piepgeluiden die je soms hoort als je naar iemand luistert die via een digitale verbinding van slechte kwaliteit praat? Het is vervorming, maar het is een speciaal soort vervorming. Hoe zit het met al die lelijke frequenties die uit het geluid komen? Als je naar tonaal rijke inhoud luistert, zoals een drumstel, zal het effect meer uitgesproken zijn — vooral in de hoge tonen.
Als je de reden voor één ervan begrijpt, ben je op weg om ze allemaal te begrijpen. In het geval van het rad betekent een vaste framesnelheid dat we de beweging niet goed kunnen vastleggen. Als iets per frame 350 graden draait, is het normaal om te beseffen dat het feitelijk 10 graden terug is verplaatst. Met andere woorden: er is niet genoeg informatie om accuraat weer te geven wat er gebeurt. De monsters die we nemen, komen niet overeen met wat we proberen te meten.
Dit is geen probleem dat beperkt is tot de conversie van analoog naar digitaal. In veel van deze gevallen zetten we het ene type digitaal signaal om in het andere.
Dus wat is de oplossing? Er zijn veel. We kunnen een speciaal filter toepassen om met deze artefacten om te gaan, wat veel ADC's op maat doen. Of we kunnen veel meer proeven dan we nodig hebben. Hoe meer monsters we nemen, hoe nauwkeuriger ons beeld van de golf wordt:
De Nyquist-frequentie is de helft van de bemonsteringsfrequentie en is een limiet die moet worden overschreden om interferentie te voorkomen die bekend staat als 'aliasing'. Als de bemonsterde frequentie de helft van de bemonsteringsfrequentie overschrijdt, kunnen aliasing en ongewenste artefacten in het geconverteerde signaal optreden.
Als u bijvoorbeeld een signaal heeft dat een hoge frequentie bevat en een lage bemonsteringsfrequentie gebruikt, kan het hoge gedeelte van het signaal onjuist worden weergegeven, waardoor er andere artefacten op het geconverteerde signaal ontstaan. Om aliasing te voorkomen, moet een bemonsteringsfrequentie worden gebruikt die ten minste de helft is van de hogere frequentie in het signaal. Verifiëren Hoe werkt de dynamo in uw auto?
veelgestelde vragen
Q1. Wat is de functie van analoog-digitaalomzetters (ADC's)?
Analoog-naar-digitaal-converters zetten continue analoge signalen om in een digitale representatie, waardoor automatiseringssystemen en elektronica gegevens efficiënt kunnen begrijpen en verwerken.
Vraag 2. Hoe worden analoge signalen omgezet naar digitaal met behulp van ADC's?
Dit wordt gedaan door het signaal in twee delen te verdelen: kwantiteit (waarde) en resolutie (aantal bits). De uitdaging is om de nauwkeurigheid van de conversie te behouden om nauwkeurige gegevens te verkrijgen.
Q3. Zijn er verschillende soorten analoog-digitaal-converters?
Ja, er zijn verschillende ADC's op basis van hun toepassingen, zoals ADC's die geschikt zijn voor audio- of motion control-toepassingen.
Q4. Wat is het belang van ADC’s in moderne digitale systemen?
Met ADC's kunnen apparaten en applicaties communiceren met de wereld om hen heen en gegevens effectief begrijpen in het digitale tijdperk.
Monster van hogere kwaliteit voor de beste resultaten
Als je dit soort dingen interessant vindt, is het goede nieuws dat we niet al te diep in dit onderwerp zijn verdiept. Er zijn veel geavanceerde details waar we hier op in kunnen gaan: ADC's zijn erg complex.
Maar vanuit het oogpunt van de eindgebruiker of gewone Arduino-liefhebber is het ook heel eenvoudig. Spanningen komen binnen, cijfers verdwijnen. Dus wat je ook wilt meten – of het nu gaat om het vochtgehalte van een stukje grond, de trillingen van een menselijke stembox, of de stroom van gebroken fotonen door een lens – de kans is groot dat er een ADC is die het werk zal doen. . Je kunt nu bekijken De voor- en nadelen van het gebruik van een Arduino-kloon in uw projecten.
