Καθώς η τεχνολογία προχωρά, η κατανόηση των υποκείμενων συσκευών και τεχνολογιών γύρω μας γίνεται ζωτικής σημασίας. Σε αυτό το πλαίσιο, θα μιλήσουμε για αναλογικούς σε ψηφιακούς μετατροπείς, γνωστούς ως ADC, οι οποίοι παίζουν ζωτικό ρόλο στη μετατροπή των αναλογικών σημάτων σε ψηφιακή αναπαράσταση.
Οι μετατροπείς αναλογικού σε ψηφιακό (ADC) είναι απίστευτα χρήσιμοι για τη μετατροπή φαινομένων του πραγματικού κόσμου σε τιμές που μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε σε έργα προγραμματισμού. Πώς όμως μπορεί ένα ADC να μετατρέψει αναλογικά σήματα σε ψηφιακά σήματα που μπορούμε να χειριστούμε και να ενσωματώσουμε οπουδήποτε; Τώρα μπορείτε να δείτε Πώς να παίξετε ήχο μέσω δύο ή περισσότερων εξόδων υλικού στο Linux.
Γρήγοροι σύνδεσμοι
Ποιες είναι οι χρήσεις του ADC;
Τα ADC είναι βασικές συσκευές στον κόσμο των ηλεκτρονικών, που μετατρέπουν τα συνεχή αναλογικά σήματα σε μεταβλητή ψηφιακή αναπαράσταση. Η κατανόηση του τρόπου λειτουργίας τους είναι θεμελιώδης για τον έλεγχο σημάτων και δεδομένων σε συστήματα αυτοματισμού και ελέγχου.
Θα βρείτε ADC σχεδόν παντού. Βρίσκεται στο τηλέφωνό σας και μετατρέπει τη φωνή σας σε μια σειρά από δυαδικές τιμές. Βρίσκονται στο αυτοκίνητό σας, μετρώντας τις φορές που γυρίζουν οι τροχοί σας. Βρίσκονται σε παλμογράφους, οι οποίοι βοηθούν στη λήψη και αναπαράσταση σημάτων. Ωστόσο, το μέρος που θα τα χρησιμοποιήσουν οι περισσότεροι είναι στον κόσμο του βίντεο και του ήχου, όπου η μεταφορά φωτός και ήχου στον ψηφιακό χώρο είναι το κλειδί.
Η διαδικασία μετατροπής βασίζεται στη διαίρεση του αναλογικού σήματος σε δύο μέρη: ποσότητα (τιμή) και ανάλυση (αριθμός bit). Η πρόκληση είναι να διατηρηθεί η ακρίβεια της μετατροπής για τη λήψη ακριβών δεδομένων.
Ποιο είναι το ποσοστό δειγματοληψίας; Πώς επηρεάζει το ποσοστό δειγματοληψίας το ADC;
Μία από τις πιο σημαντικές βασικές μετρήσεις για ένα ADC είναι ο ρυθμός δειγματοληψίας: ο αριθμός των μετρήσεων που λαμβάνονται κάθε δευτερόλεπτο.
Ένας πολύ εξελιγμένος παλμογράφος μπορεί να πάρει δέκα δισεκατομμύρια δείγματα ανά δευτερόλεπτο. Το μικροσκοπικό MCP3008 ADC μπορεί να πάρει σχετικά μέτρια διακόσιες χιλιάδες δείγματα ανά δευτερόλεπτο. Στον κόσμο του ήχου, ένας ρυθμός δειγματοληψίας 44.100 ανά δευτερόλεπτο (44.1 kHz) θεωρείται τυπικός.
Όσο περισσότερα δείγματα παίρνουμε, τόσο με μεγαλύτερη ακρίβεια μπορούμε να αναπαραστήσουμε το σήμα. Μερικές φορές, αυτό είναι απαραίτητο. Μερικές φορές, δεν είναι. Ας υποθέσουμε ότι κατασκευάζουμε έναν ισοσταθμιστή (μια ψηφιακή συσκευή ελέγχου σχεδιασμένη να ελέγχει τα ηλεκτρονικά, όπως φαίνεται σε ένα γραφείο επεξεργασίας φωτισμού ή ήχου) χρησιμοποιώντας μερικές δεκάδες ποτενσιόμετρα. Σε αυτήν την περίπτωση, οι τιμές που πρέπει να μετρήσουμε είναι απίθανο να αλλάζουν εκατομμύρια φορές το δευτερόλεπτο, καθώς τα δάχτυλά μας δεν μπορούν να κινηθούν τόσο γρήγορα. Χρειαζόμαστε μόνο αρκετά δείγματα ώστε το αποτέλεσμα να είναι ομαλό και να ανταποκρίνεται.
Τι είναι το bitrate; Επηρεάζει το bitrate την ποιότητα του ADC;
Πρέπει επίσης να λάβουμε υπόψη την ποιότητα του δείγματος που λαμβάνουμε. Καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό από τον ρυθμό μετάδοσης bit, ο οποίος μας λέει πόσες καταστάσεις ενεργοποίησης και απενεργοποίησης μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε για να αναπαραστήσουμε ψηφιακά την τάση. Όσο περισσότερα bits έχουμε, τόσο περισσότερες πιθανές τιμές μπορούμε να καταγράψουμε σε οποιοδήποτε δεδομένο δείγμα και τόσο πιο ομαλό και ακριβές γίνεται το τελικό αποτέλεσμα.
Γράψαμε για Το δυαδικό σύστημα και πώς λειτουργείΕπομένως, εάν δεν είστε σίγουροι, αυτό είναι ένα καλό μέρος για να ξεκινήσετε. Πόσα bits χρειαζόμαστε; Και πάλι, εξαρτάται από το τι προσπαθούμε να πετύχουμε. Μερικές φορές, μπορεί να περιοριζόμαστε από το πρωτόκολλο που χρησιμοποιούμε. Για παράδειγμα, το πρωτόκολλο MIDI 1.0 περιορίζεται σε τιμές επτά bit (μερικές φορές δεκατέσσερα). Σε άλλες περιπτώσεις, ο καθοριστικός παράγοντας μπορεί να είναι η ανθρώπινη αντίληψη. Εάν η αύξηση της ποιότητας της απόδοσης δεν οδηγεί σε σημαντική βελτίωση του αποτελέσματος, μπορεί να μην αξίζει τον κόπο.
Πώς η πολυπλεξία βελτιώνει την ποιότητα του ADC;
Δημοφιλείς συσκευές ADC όπως ADS1115 و MCP3008 Πολλές εισροές. Αλλά κάτω από την κουκούλα, στην πραγματικότητα έχει μόνο ένα ADC. Αυτό είναι δυνατό λόγω των πολυπλέκτη που είναι ενσωματωμένοι σε αυτές τις συσκευές. Οι πολυπλέκτης βρίσκονται παντού στον κόσμο των ηλεκτρονικών και των επικοινωνιών. Είναι ψηφιακοί διακόπτες που λειτουργούν ως έλεγχος κίνησης δεδομένων για το ADC σας. Ένα ADC μπορεί να δοκιμάσει ένα κανάλι, μετά το επόμενο και μετά το επόμενο. Έτσι, εάν έχετε οκτώ κανάλια και ρυθμό δειγματοληψίας 200000, μπορείτε να κάνετε κύκλο σε όλα, λαμβάνοντας 25000 δείγματα ανά κανάλι.
Τι τύποι ADC υπάρχουν;
Τα ADC λειτουργούν με διαφορετικούς τρόπους, ανάλογα με το κόστος και τις δυνατότητες που απαιτούνται.
Εργα Flash ADC Μέσω ενός πολύ σύνθετου διαιρέτη τάσης. Ένα σύνολο αντιστάσεων διαιρεί την τάση αναφοράς σε αυξήσεις, οι οποίες στη συνέχεια ελέγχονται έναντι της εισόδου μέσω ενός συνόλου συγκριτών. Τα Flash ADC είναι πολύ γρήγορα, αλλά είναι περιορισμένα όσον αφορά το βάθος bit λόγω του αριθμού των απαιτούμενων συγκριτών. Είναι επίσης ενεργοβόρο για τον ίδιο λόγο.
Ψάχνω Υποκατηγορία ADC Αντισταθμίζουν αυτές τις αδυναμίες μοιράζοντας την εργασία σε δύο ξεχωριστές μονάδες: μία για τον χονδρικό υπολογισμό της τάσης και, στη συνέχεια, για την ακριβή εργασία σε αυτήν. Διαιρώντας τα πράγματα, μπορούμε να μειώσουμε τον αριθμό των συγκρίσεων. Ορισμένα δευτερεύοντα ADC θα χωρίσουν την εργασία σε τρία στάδια, με τη διόρθωση σφαλμάτων να περιλαμβάνεται στην πορεία.
SAR (Successive Approximation Register) Τα ADC κάνουν τη δουλειά τους μέσω ενός τύπου δυαδικής αναζήτησης. Ας υποθέσουμε ότι έχουμε οκτώ bits να συμπληρώσουμε. Το SAR θα ξεκινά από 10000000, που είναι η μεσαία τιμή (00000000 είναι η κάτω τιμή και 11111111 είναι η κορυφαία τιμή). Εάν η τάση υπερβεί αυτό το μέσο, το SAR θα διατηρήσει τον αριστερό αριθμό ως 1. Εάν όχι, το SAR θα ορίσει τον αριστερό αριθμό στο 0. Μπορούμε να επαναλάβουμε τη διαδικασία με τον επόμενο αριθμό και ούτω καθεξής επανειλημμένα. Αυτό θα μετακινήσει σταδιακά την εκτιμώμενη τιμή προς την πραγματική τιμή:
Με αυτόν τον τρόπο, περιορίζουμε συνεχώς την αναζήτηση, διαιρώντας τις πιθανότητες στο μισό και ρωτώντας αν το αποτέλεσμα είναι πάνω ή κάτω από το μέσο. Σε αυτήν την περίπτωση, η τιμή είναι κάπου μεταξύ 0 και 255. Μετά από αρκετές επαναλήψεις, το ADC βρίσκει τον αριθμό να είναι περίπου 77.
Οι μετατροπείς Delta-sigma είναι ίσως οι πιο δύσκολοι στην κατανόηση. Χρησιμοποιούνται σε μουσικές εφαρμογές και μέτρηση σήματος υψηλής ακρίβειας. Λειτουργούν με υπερβολική δειγματοληψία του σήματος και βελτιώνοντας το αποτέλεσμα χρησιμοποιώντας πολύ περίπλοκο φιλτράρισμα και μαθηματικά. Αυτή η διαδικασία μειώνει αποτελεσματικά τον ρυθμό δειγματοληψίας ενώ αυξάνει την ανάλυση. Αυτοί οι ADC είναι υπέροχοι όταν ο θόρυβος και η ακρίβεια είναι πιο σημαντικά από την ταχύτητα.
Τέλος, έχουμε ενσωμάτωση ADC, η οποία είναι ακόμη πιο αργή από το δέλτα-σίγμα. Λειτουργεί με τη βοήθεια ενός πυκνωτή του οποίου ο ρυθμός φόρτισης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό της τάσης εισόδου. Εδώ ο ρυθμός δειγματοληψίας συχνά συγχρονίζεται με τη συχνότητα του τροφοδοτικού, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μείωση του θορύβου στο απόλυτο ελάχιστο.
Τι είναι το θεώρημα Nyquist-Shannon ή η θεωρία ψηφιακής δειγματοληψίας;
Η θεωρία Nyquist-Shannon παρέχει το θεωρητικό πλαίσιο για την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο τα αναλογικά σήματα (όπως ο ήχος ή η εικόνα) αναπαρίστανται ψηφιακά. Το ψηφιακό σύστημα δειγματοληψίας και κωδικοποίησης είναι θεμελιώδες για αυτή τη θεωρία.
Ένα από τα βασικά σημεία του θεωρήματος Nyquist-Shannon είναι ότι οποιοδήποτε αναλογικό σήμα μπορεί να αναπαρασταθεί χρησιμοποιώντας ένα σύνολο ψηφιακών δειγμάτων. Η ποιότητα αναπαράστασης καθορίζεται από τον ρυθμό δειγματοληψίας (ο αριθμός των δειγμάτων ανά μονάδα χρόνου), όπου ο μισός ρυθμός δειγματοληψίας αναφέρεται στον ελάχιστο αριθμό δειγμάτων που απαιτούνται για την αναπαράσταση ενός σήματος.
Ας υποθέσουμε ότι θέλουμε να περιγράψουμε ένα αναλογικό σήμα ψηφιακά. Για να γίνει αυτό, χρειαζόμαστε τουλάχιστον δύο βαθμούς για κάθε δεδομένο μάθημα: έναν στην κορυφή και έναν στο κάτω μέρος. Επομένως, η συχνότητα δειγματοληψίας μας πρέπει να είναι τουλάχιστον διπλάσια από την υψηλότερη συχνότητα που αναμένουμε να μετρήσουμε.
Αυτή είναι γνωστή ως συχνότητα Nyquist, που πήρε το όνομά της από τον Σουηδό-Αμερικανό φυσικό Harry Nyquist. Η θεωρία πήρε το όνομά της από τον Nyquist και τον Claude Shannon (διαφανή μαθηματικό και κρυπτογράφο) αλλά όχι από τον Edmund Whittaker, ο οποίος είχε την ιδέα πριν από τον έναν από τους δύο.
Σε όποιον και να αποδώσουμε τη θεωρία, υπάρχει πρόβλημα. Είναι αδύνατο να γνωρίζουμε εκ των προτέρων πότε θα φτάσουμε στην κορυφή και στο κάτω μέρος της κυματομορφής. Τι θα γινόταν αν κάναμε δείγμα στη μέση προς την εισερχόμενη κυματομορφή; Παρατηρήστε πώς μια μετατόπιση στο εισερχόμενο σήμα μπορεί να ισοπεδώσει ολόκληρο το αποτέλεσμα που καταγράφηκε:
Ή ακόμα και παραισθήσεις νέων κυματομορφών που δεν υπήρχαν πριν:
Αυτές οι παραισθήσεις είναι γνωστές ως ψευδώνυμα.
Το πρόβλημα με την παραμόρφωση (Aliasing)
Πιθανότατα γνωρίζετε την ψευδαίσθηση του «τροχού του καροτσιού» που εμφανίζεται μερικές φορές όταν φωτογραφίζετε ένα περιστρεφόμενο αντικείμενο. Οι τροχοί του αυτοκινήτου, ή οι λεπίδες του ελικοπτέρου, φαίνονται να κινούνται προς τα πίσω, αλλά πολύ αργά. Σε ορισμένες περιπτώσεις, οι λεπίδες μπορεί να σταματήσουν εντελώς (με ειλικρινά περίεργα αποτελέσματα — δείτε το παρακάτω βίντεο!).
Ενώ παίζετε ένα παλιό βιντεοπαιχνίδι, ίσως έχετε επίσης παρατηρήσει ότι οι παράλληλες γραμμές μερικές φορές παράγουν περίεργα αντικείμενα. Οι ριγέ φράχτες, οι σκάλες και τα άλματα άρχισαν να φαίνονται πολύ περίεργα. Ή τι γίνεται με αυτούς τους περίεργους ήχους που ακούτε μερικές φορές όταν ακούτε κάποιον να μιλάει μέσω μιας ψηφιακής σύνδεσης κακής ποιότητας; Είναι παραμόρφωση, αλλά είναι ένα ιδιαίτερο είδος παραμόρφωσης. Τι συμβαίνει με όλες αυτές τις άσχημες συχνότητες που βγαίνουν από τον θόρυβο; Εάν ακούτε πλούσιο σε τονικά περιεχόμενο, όπως ένα drum kit, το εφέ θα είναι πιο έντονο — ειδικά στο υψηλό επίπεδο.
Εάν καταλαβαίνετε τον λόγο για ένα, είστε καθ' οδόν για να τα κατανοήσετε όλα. Στην περίπτωση του τροχού, ένας σταθερός ρυθμός καρέ σημαίνει ότι δεν μπορούμε να αποτυπώσουμε σωστά την κίνηση. Αν κάτι περιστρέφεται 350 μοίρες κάθε καρέ, είναι φυσικό να συνειδητοποιήσουμε ότι στην πραγματικότητα έχει μετακινηθεί 10 μοίρες πίσω. Με άλλα λόγια, δεν υπάρχουν αρκετές πληροφορίες για να αναπαραστήσουν με ακρίβεια αυτό που συμβαίνει. Τα δείγματα που παίρνουμε είναι ασυνεπή με αυτά που προσπαθούμε να μετρήσουμε.
Αυτό δεν είναι ένα πρόβλημα που περιορίζεται στην αναλογική σε ψηφιακή μετατροπή. Σε πολλές από αυτές τις περιπτώσεις, μετατρέπουμε έναν τύπο ψηφιακού σήματος σε έναν άλλο.
Ποια είναι λοιπόν η λύση; Υπάρχουν πολλά. Μπορούμε να εφαρμόσουμε ένα ειδικό φίλτρο για να αντιμετωπίσουμε αυτά τα τεχνουργήματα, κάτι που κάνουν πολλά ADC custom-made. Ή θα μπορούσαμε να δοκιμάσουμε πολύ περισσότερα από όσα χρειαζόμαστε. Όσο περισσότερα δείγματα παίρνουμε, τόσο πιο ακριβής γίνεται η εικόνα μας για το κύμα:
Η συχνότητα Nyquist είναι το ήμισυ της συχνότητας δείγματος και είναι ένα όριο που πρέπει να ξεπεραστεί για να αποφευχθεί η παρεμβολή που είναι γνωστή ως "aliasing". Εάν η συχνότητα δειγματοληψίας υπερβαίνει τη μισή συχνότητα δείγματος, μπορεί να προκύψουν ψευδώνυμα και ανεπιθύμητα τεχνουργήματα στο σήμα που έχει μετατραπεί.
Για παράδειγμα, εάν έχετε ένα σήμα που περιέχει υψηλή συχνότητα και χρησιμοποιεί χαμηλή συχνότητα δείγματος, το υψηλό τμήμα του σήματος ενδέχεται να αναπαρίσταται εσφαλμένα, δημιουργώντας άλλα τεχνουργήματα στο σήμα που μετατράπηκε. Για να αποφευχθεί το ψευδώνυμο, θα πρέπει να χρησιμοποιείται μια συχνότητα δείγματος που είναι τουλάχιστον το ήμισυ της υψηλότερης συχνότητας στο σήμα. Επαληθεύω Πώς λειτουργεί το δυναμό στο αυτοκίνητό σας;
κοινές ερωτήσεις
Q1. Ποια είναι η λειτουργία των μετατροπέων αναλογικού σε ψηφιακό (ADC);
Οι μετατροπείς αναλογικού σε ψηφιακό μετατρέπουν τα συνεχή αναλογικά σήματα σε ψηφιακή αναπαράσταση, επιτρέποντας στα συστήματα αυτοματισμού και τα ηλεκτρονικά να κατανοούν και να επεξεργάζονται τα δεδομένα αποτελεσματικά.
Ε2. Πώς μετατρέπονται τα αναλογικά σήματα σε ψηφιακά χρησιμοποιώντας ADC;
Αυτό γίνεται με διαίρεση του σήματος σε δύο μέρη: ποσότητα (τιμή) και ανάλυση (αριθμός bit). Η πρόκληση είναι να διατηρηθεί η ακρίβεια της μετατροπής για τη λήψη ακριβών δεδομένων.
Ε3. Υπάρχουν διαφορετικοί τύποι μετατροπέων αναλογικού σε ψηφιακό;
Ναι, υπάρχει μια ποικιλία ADC με βάση τις εφαρμογές τους, όπως ADC κατάλληλα για εφαρμογές ελέγχου ήχου ή κίνησης.
Q4. Ποια είναι η σημασία των ADC στα σύγχρονα ψηφιακά συστήματα;
Τα ADC επιτρέπουν στις συσκευές και τις εφαρμογές να αλληλεπιδρούν με τον κόσμο γύρω τους και να κατανοούν αποτελεσματικά τα δεδομένα στην ψηφιακή εποχή.
Δείγμα υψηλότερης ποιότητας για καλύτερα αποτελέσματα
Εάν βρίσκετε αυτό το είδος ενδιαφέροντος, τα καλά νέα είναι ότι δεν έχουμε εμβαθύνει πολύ σε αυτό το θέμα. Υπάρχουν πολλές προηγμένες λεπτομέρειες για να μπείτε εδώ: τα ADC είναι πολύ περίπλοκα.
Αλλά από τη σκοπιά του τελικού χρήστη ή του απλού λάτρη του Arduino, είναι επίσης πολύ απλό. Οι τάσεις μπαίνουν, οι αριθμοί βγαίνουν. Έτσι, ό,τι κι αν θέλετε να μετρήσετε — είτε είναι η περιεκτικότητα σε υγρασία ενός τμήματος εδάφους, οι ταλαντώσεις ενός ανθρώπινου φωνητικού κουτιού ή η ροή των διαθλασμένων φωτονίων μέσω ενός φακού — οι πιθανότητες είναι καλές ότι υπάρχει ένα ADC που θα κάνει τη δουλειά . Τώρα μπορείτε να δείτε Τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της χρήσης ενός κλώνου Arduino στα έργα σας.
