По мере развития технологий понимание лежащих в основе устройств и технологий вокруг нас становится жизненно важным. В этом контексте мы поговорим об аналого-цифровых преобразователях, известных как АЦП, которые играют жизненно важную роль в преобразовании аналоговых сигналов в цифровое представление.
Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) невероятно полезны для преобразования явлений реального мира в значения, которые мы можем использовать в проектах программирования. Но как АЦП может преобразовывать аналоговые сигналы в цифровые, которые мы можем обрабатывать и внедрять где угодно? Вы можете просмотреть сейчас Как воспроизводить звук через два или более аппаратных выхода в Linux.
Каково использование АЦП?
АЦП являются важными устройствами в мире электроники, преобразующими непрерывные аналоговые сигналы в переменное цифровое представление. Понимание того, как они работают, имеет основополагающее значение для управления сигналами и данными в системах автоматизации и управления.
Вы найдете АЦП почти повсюду. Он находится на вашем телефоне и преобразует ваш голос в строку двоичных значений. Они находятся в вашей машине и измеряют время поворота ваших колес. Их можно найти в осциллографах, которые помогают улавливать и отображать сигналы. Однако большинство людей будут использовать их в мире видео и аудио, где ключевым моментом является привнесение света и звука в цифровое пространство.
Процесс преобразования основан на разделении аналогового сигнала на две части: количество (значение) и разрешение (количество битов). Задача состоит в том, чтобы обеспечить точность преобразования для получения точных данных.
Какова частота дискретизации? Как частота дискретизации влияет на АЦП?
Одним из наиболее важных ключевых показателей АЦП является частота дискретизации: количество показаний, выполняемых каждую секунду.
Очень сложный осциллограф мог бы снимать десять миллиардов выборок в секунду. Крошечный АЦП MCP3008 может принимать относительно скромные двести тысяч выборок в секунду. В мире аудио типичной считается частота дискретизации 44.100 44.1 в секунду (XNUMX кГц).
Чем больше выборок мы возьмем, тем точнее мы сможем представить сигнал. Иногда это необходимо; Иногда это не так. Допустим, мы создаем эквалайзер (цифровое устройство управления, предназначенное для управления электроникой, как показано на пульте для редактирования освещения или звука), используя несколько десятков потенциометров. В этом случае значения, которые нам нужно измерить, вряд ли будут меняться миллионы раз в секунду, поскольку наши пальцы не могут двигаться так быстро. Нам нужно только достаточное количество образцов, чтобы результат был плавным и отзывчивым.
Что такое битрейт? Влияет ли битрейт на качество АЦП?
Мы также должны учитывать качество полученной выборки. Это во многом определяется скоростью передачи данных, которая говорит нам, сколько состояний включения и выключения мы можем использовать для цифрового представления напряжения. Чем больше у нас битов, тем больше возможных значений мы можем записать в любой заданной выборке, и тем более плавным и точным становится конечный результат.
Мы писали о Двоичная система и как она работаетТак что, если вы не уверены, это хорошее место для начала. Сколько бит нам нужно? Опять же, это зависит от того, чего мы пытаемся достичь. Иногда мы можем быть ограничены используемым протоколом. Например, протокол MIDI 1.0 ограничен семью битами (иногда четырнадцатью) значениями. В других случаях определяющим фактором может быть человеческое восприятие. Если повышение качества работы не приводит к значительному улучшению результатов, возможно, оно не имеет смысла.
Как мультиплексирование улучшает качество АЦП?
Популярные устройства АЦП, такие как ADS1115 و MCP3008 Много входов. Но на самом деле у него только один АЦП. Это возможно благодаря встроенным в эти устройства мультиплексорам. Мультиплексоры встречаются абсолютно везде в мире электроники и связи. Это цифровые переключатели, которые выполняют функцию управления перемещением данных для вашего АЦП. АЦП может попробовать один канал, затем следующий, затем следующий. Итак, если у вас восемь каналов и частота дискретизации 200000 25000, вы можете циклически просмотреть их все, беря по XNUMX XNUMX выборок на канал.
Какие типы АЦП существуют?
АЦП работают по-разному, в зависимости от стоимости и требуемых возможностей.
Работает Флэш-АЦП Через очень сложный делитель напряжения. Набор резисторов делит опорное напряжение на приращения, которые затем сравниваются с входным сигналом через набор компараторов. Флэш-АЦП очень быстры, но ограничены по разрядности из-за количества требуемых компараторов. По той же причине это энергозатратно.
Искать Поддиапазон АЦП Они компенсируют эти недостатки, разделив работу между двумя отдельными блоками: один для грубого расчета напряжения, а второй для точной работы с ним. Разделив вещи, мы можем уменьшить количество сравнений. Некоторые суб-АЦП делят работу на три этапа, включая коррекцию ошибок.
SAR (Регистр последовательного приближения) АЦП выполняют свою работу посредством двоичного поиска. Предположим, нам нужно заполнить восемь битов. SAR начинается с 10000000, что является средним значением (00000000 — нижнее значение, а 11111111 — верхнее значение). Если напряжение превышает эту среднюю точку, SAR сохранит крайнее левое число равным 1; Если нет, SAR установит для крайнего левого числа значение 0. Мы можем повторить процесс со следующим числом и так далее. Это постепенно сдвинет оценочное значение к фактическому значению:
Таким образом, мы постоянно сужаем поиск, деля вероятности пополам и спрашивая, находится ли результат выше или ниже средней точки. В данном случае значение находится где-то между 0 и 255; После нескольких итераций АЦП обнаруживает, что это число составляет около 77.
Преобразователи дельта-сигма, вероятно, самые трудные для понимания. Они используются в музыкальных приложениях и высокоточном измерении сигналов. Они работают путем передискретизации сигнала и улучшения результата с помощью очень сложной фильтрации и математических вычислений. Этот процесс эффективно снижает частоту дискретизации при одновременном повышении разрешения. Эти АЦП отлично подходят, когда шум и точность важнее скорости.
Наконец, у нас есть интеграция АЦП, которая даже медленнее, чем дельта-сигма. Он работает с помощью конденсатора, скорость заряда которого можно использовать для определения входного напряжения. Частота дискретизации здесь часто синхронизируется с частотой источника питания, что позволяет снизить шум до абсолютного минимума.
Что такое теорема Найквиста-Шеннона или теория цифровой выборки?
Теория Найквиста-Шеннона обеспечивает теоретическую основу для понимания того, как аналоговые сигналы (например, звук или изображение) представляются в цифровом виде. Система цифровой выборки и кодирования имеет основополагающее значение для этой теории.
Одним из ключевых моментов теоремы Найквиста-Шеннона является то, что любой аналоговый сигнал можно представить с помощью набора цифровых отсчетов. Качество представления определяется частотой дискретизации (количеством выборок в единицу времени), где половина частоты дискретизации соответствует минимальному количеству выборок, необходимых для представления сигнала.
Предположим, мы хотим описать аналоговый сигнал в цифровом виде. Для этого нам нужно как минимум две точки для каждого данного курса: одна вверху и одна внизу. Следовательно, наша частота дискретизации должна быть как минимум в два раза выше самой высокой частоты, которую мы ожидаем измерить.
Это известно как частота Найквиста, названная в честь шведско-американского физика Гарри Найквиста. Теория названа в честь Найквиста и Клода Шеннона (выдающихся математиков и криптографов), а не в честь Эдмунда Уиттакера, который придумал эту идею раньше любого из них.
Кому бы мы ни приписывали эту теорию, с ней есть проблема. Невозможно заранее знать, когда будет достигнута вершина и основание сигнала. Что, если мы произведем выборку в середине входящего сигнала? Обратите внимание, как сдвиг входящего сигнала может сгладить весь захваченный результат:
Или даже галлюцинации новых волновых форм, которых раньше не было:
Эти галлюцинации известны как псевдонимы.
Проблема с искажениями (Алиасинг)
Вы наверняка знакомы с иллюзией «колеса телеги», которая иногда возникает при фотографировании вращающегося объекта. Колеса автомобиля или лопасти вертолета кажутся движущимися назад, но очень медленно. В некоторых случаях лезвия могут полностью остановиться (с откровенно странными результатами — посмотрите видео ниже!).
Играя в старую видеоигру, вы также могли заметить, что параллельные линии иногда создают странные артефакты. Полосатые заборы, лестницы и перемычки действительно начинали выглядеть очень странно. А как насчет тех странных звуковых сигналов, которые вы иногда слышите, слушая кого-то, говорящего по некачественному цифровому соединению? Это искажение, но это особый вид искажения. Что за все эти уродливые частоты, выходящие из шума? Если вы слушаете богатый по тональности контент, например ударную установку, эффект будет более выраженным, особенно на высоких частотах.
Если вы поймете причину одного, вы на пути к пониманию их всех. В случае с колесом фиксированная частота кадров означает, что мы не можем правильно запечатлеть движение. Если что-то поворачивается на 350 градусов в каждом кадре, естественно осознавать, что на самом деле оно было сдвинуто на 10 градусов назад. Другими словами, недостаточно информации, чтобы точно представить происходящее. Образцы, которые мы берем, не соответствуют тому, что мы пытаемся измерить.
Эта проблема не ограничивается аналого-цифровым преобразованием. Во многих из этих случаев мы преобразуем один тип цифрового сигнала в другой.
Так в чем же решение? Есть много. Для борьбы с этими артефактами мы можем применить специальный фильтр, что многие АЦП делают по индивидуальному заказу. Или мы могли бы попробовать гораздо больше, чем нам нужно. Чем больше образцов мы возьмем, тем точнее станет наша картина волны:
Частота Найквиста составляет половину частоты выборки и представляет собой предел, который необходимо превышать, чтобы избежать помех, известных как «наложение спектров». Если частота дискретизации превышает половину частоты дискретизации, в преобразованном сигнале могут возникнуть искажения и нежелательные артефакты.
Например, если у вас есть сигнал, который содержит высокую частоту и использует низкую частоту дискретизации, верхняя часть сигнала может быть представлена неправильно, создавая другие артефакты в преобразованном сигнале. Чтобы избежать псевдонимов, следует использовать частоту дискретизации, которая составляет как минимум половину более высокой частоты сигнала. Проверять Как работает генератор в вашем автомобиле?
Общие вопросы
Вопрос 1. Какова функция аналого-цифровых преобразователей (АЦП)?
Аналого-цифровые преобразователи преобразуют непрерывные аналоговые сигналы в цифровое представление, позволяя системам автоматизации и электронике эффективно понимать и обрабатывать данные.
В2. Как аналоговые сигналы преобразуются в цифровые с помощью АЦП?
Это делается путем разделения сигнала на две части: количество (значение) и разрешение (количество битов). Задача состоит в том, чтобы обеспечить точность преобразования для получения точных данных.
Вопрос 3. Существуют ли различные типы аналого-цифровых преобразователей?
Да, существует множество АЦП в зависимости от их применения, например АЦП, подходящие для приложений аудио или управления движением.
Вопрос 4. Каково значение АЦП в современных цифровых системах?
АЦП позволяют устройствам и приложениям взаимодействовать с окружающим миром и эффективно обрабатывать данные в эпоху цифровых технологий.
Образец более высокого качества для достижения наилучших результатов
Если вам кажутся подобные вещи интересными, хорошая новость в том, что мы не слишком глубоко углублялись в эту тему. Здесь нужно разобраться со многими дополнительными деталями: АЦП очень сложны.
Но с точки зрения конечного пользователя или рядового энтузиаста Arduino это тоже очень просто. Напряжения входят, цифры выходят. Итак, что бы вы ни хотели измерить — будь то влажность участка почвы, колебания человеческого голосового аппарата или поток преломленных фотонов через линзу — велика вероятность, что найдется АЦП, который выполнит эту работу. . Теперь вы можете просмотреть Плюсы и минусы использования клона Arduino в ваших проектах.
