Metody Przetwarzania A/C

Przejście od sygnału analogowego do cyfrowego

Przetwornik analogowo-cyfrowy (A/C lub ADC) to układ elektroniczny, który przekształca ciągły sygnał analogowy, na przykład napięcie z mikrofonu, w dyskretną reprezentację cyfrową, czyli liczbę binarną. Ta postać danych pozwala systemom cyfrowym, w tym komputerom, przetwarzać, przechowywać i przesyłać sygnały ze świata rzeczywistego.

Metody konwersji A/C można podzielić na dwie główne rodziny, zależnie od sposobu realizacji tej transformacji:

• Metody przetwarzania bezpośredniego: Metody te porównują napięcie wejściowe bezpośrednio z serią napięć odniesienia, aby wyznaczyć wyjście cyfrowe. Zwykle skracają czas konwersji, lecz wymagają większej liczby elementów.
• Metody przetwarzania pośredniego: Metody te najpierw przekształcają napięcie analogowe w wielkość pośrednią, taką jak czas lub częstotliwość, a następnie mierzą tę wielkość i wyznaczają wynik cyfrowy. Zwykle działają wolniej, lecz mogą zapewnić wysoką dokładność.

Metoda bezpośrednia 1: przetwornik Flash (równoległy)

Przetwornik Flash należy do najszybszych architektur ADC. Wykonuje równolegle porównania napięcia wejściowego ze wszystkimi progami. Stąd jego druga nazwa to przetwornik równoległy.

Zasada działania

Architektura składa się z trzech kluczowych części:

1. Drabinka rezystorowa: Łańcuch $L_R = 2^N$ identycznych rezystorów tworzy zestaw precyzyjnych napięć odniesienia. Dla przetwornika o rozdzielczości $N$ bitów drabinka ta dostarcza $2^N-1$ wewnętrznych progów porównania.
2. Bank komparatorów: Rdzeniem przetwornika jest bank $L_K = 2^N-1$ komparatorów. Nieznane napięcie wejściowe $U_{we}$ jest podawane na jedno wejście każdego komparatora, podczas gdy drugie wejście każdego komparatora jest podłączone do unikalnego odczepu na drabince rezystorowej.
3. Dekoder: Wyjścia komparatorów tworzą tak zwany „kod termometrowy”. Komparatory z progami niższymi od napięcia wejściowego zwracają '1', a pozostałe '0'. Dekoder cyfrowy przekształca ten kod w standardowy $N$-bitowy kod binarny.

Metoda bezpośrednia 2: przetwornik z sukcesywną aproksymacją

Przetwornik z rejestrem kolejnych przybliżeń (SAR, Successive Approximation Register) jest często stosowaną architekturą, łączącą szybkość, rozdzielczość i koszt w jednym układzie. Wykorzystuje wyszukiwanie binarne, aby wyznaczyć kod odpowiadający napięciu wejściowemu.

Zasada działania

W idealizowanym przebiegu aproksymacji przetwornik o rozdzielczości $N$ bitów wykonuje jedno porównanie na bit, czyli $N$ cykli zegarowych:

1. Inicjalizacja: SAR ustawia najbardziej znaczący bit (MSB) na '1', a wszystkie pozostałe bity na '0'.
2. Konwersja na analog: Testowany kod cyfrowy jest podawany na wejście Przetwornika Cyfrowo-Analogowego (C/A), który dla unipolarnego zakresu wejściowego od 0 do $U_{REF}$ generuje napięcie analogowe równe połowie napięcia odniesienia ($U_{REF}/2$).
3. Porównanie: Komparator sprawdza, czy napięcie wejściowe $U_{we}$ jest wyższe czy niższe od napięcia wyjściowego z przetwornika C/A.
4. Decyzja i iteracja: Jeśli $U_{we}$ jest wyższe od napięcia z C/A, MSB pozostaje '1'. Jeśli jest niższe, MSB zostaje wyzerowany. Następnie SAR przechodzi do kolejnego bitu, ustawia go na '1', a C/A generuje nowy poziom testowy ($U_{REF}/2 \pm U_{REF}/4$), zależnie od wcześniejszej decyzji. Proces obejmuje wszystkie $N$ bitów, od najbardziej do najmniej znaczącego, i zawęża przedział poszukiwanej wartości.

Metoda pośrednia: przetwornik całkujący z podwójnym całkowaniem

Przetworniki całkujące zapewniają wysoką dokładność i ograniczają wpływ części zakłóceń, lecz wykonują konwersję wolniej. W architekturze z podwójnym całkowaniem pomiar składa się z całkowania napięcia wejściowego oraz sprowadzenia wyjścia integratora do poziomu początkowego za pomocą napięcia odniesienia.

Zasada działania

Konwersja odbywa się w dwóch odrębnych fazach:

1. Faza 1 (całkowanie sygnału wejściowego): Nieznane napięcie wejściowe $U_I$ jest podawane na wejście integratora przez stały okres czasu $T_1$. W tym czasie licznik zlicza stałą liczbę impulsów zegarowych ($N_{max}$). Napięcie wyjściowe integratora zmienia się liniowo, a jego wartość po czasie $T_1$ jest proporcjonalna do napięcia wejściowego.
2. Faza 2 (całkowanie napięcia odniesienia): Wejście integratora jest przełączane z $U_I$ na stabilne, znane napięcie odniesienia o polaryzacji ujemnej, $-U_R$. Symbol $U_R$ oznacza dodatnią wartość jego modułu. Wyjście integratora zmienia się w przeciwnym kierunku i wraca do zera. Licznik jest zerowany i zlicza impulsy do chwili wykrycia zera przez komparator. Czas powrotu, $T_2$, odpowiada liczbie impulsów zegarowych $N$.

Dla dodatniego napięcia wejściowego $U_I$ oraz $U_R > 0$ zachodzi proporcjonalność $N$ do $U_I$. Współczynniki wynikające z rezystora (R) i kondensatora (C) występują w obu fazach i skracają się w ilorazie czasów, dlatego tolerancja tych elementów ma mniejszy wpływ na wynik. Relacja ma postać: $N = N_{max} \cdot \frac{U_I}{U_R}$.