Con l’avanzare della tecnologia, la comprensione dei dispositivi e delle tecnologie sottostanti che ci circondano diventa vitale. In questo contesto parleremo dei convertitori analogico-digitali, noti come ADC, che svolgono un ruolo fondamentale nella conversione dei segnali analogici in rappresentazione digitale.
I convertitori analogico-digitali (ADC) sono incredibilmente utili per convertire i fenomeni del mondo reale in valori che possiamo utilizzare nei progetti di programmazione. Ma come può un ADC convertire i segnali analogici in segnali digitali che possiamo gestire e incorporare ovunque? Puoi visualizzarlo ora Come riprodurre l'audio attraverso due o più uscite hardware in Linux.
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Quali sono gli usi dell'ADC?
Gli ADC sono dispositivi essenziali nel mondo dell'elettronica, poiché convertono segnali analogici continui in una rappresentazione digitale variabile. Comprendere come funzionano è fondamentale per controllare segnali e dati nei sistemi di automazione e controllo.
Troverai ADC quasi ovunque. È sul tuo telefono e converte la tua voce in una stringa di valori binari. Sono nella tua macchina e misurano il tempo in cui le tue ruote girano. Si trovano negli oscilloscopi e aiutano a captare e rappresentare i segnali. Tuttavia, il luogo in cui la maggior parte delle persone li utilizzerà è nel mondo del video e dell'audio, dove portare luce e suono nello spazio digitale è fondamentale.
Il processo di conversione si basa sulla divisione del segnale analogico in due parti: quantità (valore) e risoluzione (numero di bit). La sfida è mantenere l'accuratezza della conversione per ottenere dati accurati.
Qual è la frequenza di campionamento? In che modo la frequenza di campionamento influisce sull'ADC?
Uno dei parametri chiave più importanti per un ADC è la frequenza di campionamento: il numero di letture effettuate ogni secondo.
Un oscilloscopio molto sofisticato potrebbe acquisire dieci miliardi di campioni al secondo. Il minuscolo ADC MCP3008 può acquisire una quantità relativamente modesta di duecentomila campioni al secondo. Nel mondo dell'audio, una frequenza di campionamento di 44.100 al secondo (44.1 kHz) è considerata tipica.
Più campioni prendiamo, più accuratamente possiamo rappresentare il segnale. A volte questo è necessario; A volte non lo è. Diciamo che stiamo costruendo un equalizzatore (un dispositivo di controllo digitale progettato per controllare l'elettronica, come si vede su una scrivania per l'illuminazione o il montaggio del suono) utilizzando alcune dozzine di potenziometri. In questo caso, è improbabile che i valori che dobbiamo misurare cambino milioni di volte al secondo poiché le nostre dita non possono muoversi così velocemente. Abbiamo solo bisogno di un numero sufficiente di campioni affinché il risultato sia fluido e reattivo.
Cos'è il bit rate? Il bitrate influisce sulla qualità dell'ADC?
Dobbiamo considerare anche la qualità del campione che otteniamo. È in gran parte determinato dal bit rate, che ci dice quanti stati on e off possiamo utilizzare per rappresentare digitalmente la tensione. Più bit abbiamo, più valori possibili possiamo registrare in un dato campione e più fluido e accurato diventa il risultato finale.
Abbiamo scritto di Il sistema binario e come funzionaQuindi, se non sei sicuro, questo è un buon punto di partenza. Di quanti bit abbiamo bisogno? Ancora una volta, dipende da cosa stiamo cercando di ottenere. A volte, potremmo essere limitati dal protocollo che utilizziamo. Ad esempio, il protocollo MIDI 1.0 è limitato a valori a sette bit (a volte quattordici). In altri casi, il fattore determinante può essere la percezione umana. Se aumentare la qualità della prestazione non porta ad alcun miglioramento significativo dei risultati, potrebbe non valerne la pena.
In che modo il multiplexing migliora la qualità dell'ADC?
Dispositivi ADC popolari come ADS1115 و MCP3008 Molti input. Ma sotto il cofano, in realtà ha solo un ADC. Ciò è possibile grazie ai multiplexer integrati in questi dispositivi. I multiplexer si trovano assolutamente ovunque nel mondo dell'elettronica e delle comunicazioni. Sono interruttori digitali che fungono da controllo del movimento dei dati per il tuo ADC. Un ADC potrebbe provare un canale, poi quello successivo e poi quello successivo. Quindi, se disponi di otto canali e una frequenza di campionamento di 200000, puoi scorrerli tutti, prelevando 25000 campioni per canale.
Quali tipi di ADC esistono?
Gli ADC funzionano in modi diversi, a seconda del costo e delle capacità richieste.
Lavori ADC flash Tramite un partitore di tensione molto complesso. Una serie di resistori divide la tensione di riferimento in incrementi, che vengono poi testati rispetto all'ingresso tramite una serie di comparatori. Gli ADC flash sono molto veloci, ma sono limitati in termini di profondità di bit a causa del numero di comparatori richiesti. Inoltre consuma molta energia per lo stesso motivo.
Cercare Sottointervallo dell'ADC Compensano queste debolezze dividendo il lavoro tra due unità separate: una per calcolare approssimativamente la tensione e poi una seconda per lavorarci con precisione. Dividendo le cose, possiamo ridurre il numero di confronti. Alcuni sub-ADC divideranno il lavoro in tre fasi, con la correzione degli errori inclusa lungo il percorso.
SAR (Registro di approssimazione successiva) Gli ADC svolgono il loro lavoro attraverso un tipo di ricerca binaria. Supponiamo di avere otto bit da riempire. Il SAR inizierà da 10000000, che è il valore medio (00000000 è il valore inferiore e 11111111 è il valore superiore). Se la tensione supera questo punto medio, il SAR manterrà il numero più a sinistra come 1; In caso contrario, SAR imposterà il numero più a sinistra su 0. Possiamo ripetere il processo con il numero successivo e così via ripetutamente. Ciò sposterà gradualmente il valore stimato verso il valore reale:
In questo modo, restringiamo continuamente la ricerca, dividendo le probabilità a metà e chiedendoci se il risultato è al di sopra o al di sotto del punto medio. In questo caso, il valore è compreso tra 0 e 255; Dopo diverse iterazioni, l'ADC rileva che il numero è intorno a 77.
I convertitori delta-sigma sono probabilmente i più difficili da capire. Sono utilizzati in applicazioni musicali e nella misurazione del segnale ad alta precisione. Funzionano sovracampionando il segnale e migliorando il risultato utilizzando filtraggi e calcoli matematici molto complessi. Questo processo riduce efficacemente la frequenza di campionamento aumentando la risoluzione. Questi ADC sono ottimi quando il rumore e la precisione sono più importanti della velocità.
Infine, abbiamo l'integrazione ADC, che è ancora più lenta di quella delta-sigma. Funziona con l'aiuto di un condensatore la cui velocità di carica può essere utilizzata per determinare la tensione di ingresso. La frequenza di campionamento qui è spesso sincronizzata con la frequenza dell'alimentazione, che può essere utilizzata per ridurre il rumore al minimo assoluto.
Cos'è il teorema di Nyquist-Shannon o la teoria del campionamento digitale?
La teoria di Nyquist-Shannon fornisce il quadro teorico per comprendere come i segnali analogici (come il suono o l'immagine) sono rappresentati digitalmente. Il sistema di campionamento e codifica digitale è fondamentale per questa teoria.
Uno dei punti chiave del teorema di Nyquist-Shannon è che qualsiasi segnale analogico può essere rappresentato utilizzando un insieme di campioni digitali. La qualità della rappresentazione è determinata dalla frequenza di campionamento (il numero di campioni per unità di tempo), dove metà della frequenza di campionamento si riferisce al numero minimo di campioni necessari per rappresentare un segnale.
Supponiamo di voler descrivere digitalmente un segnale analogico. Per fare ciò, abbiamo bisogno di almeno due punti per ogni corso: uno in alto e uno in basso. Pertanto, la nostra frequenza di campionamento deve essere almeno il doppio della frequenza più alta che ci aspettiamo di misurare.
Questa è nota come frequenza di Nyquist, dal nome del fisico svedese-americano Harry Nyquist. La teoria prende il nome da Nyquist e Claude Shannon (un eminente matematico e crittografo) ma non da Edmund Whittaker, che ebbe l'idea prima di entrambi.
A chiunque attribuiamo la teoria, c'è un problema con essa. È impossibile sapere in anticipo quando verranno raggiunti il limite superiore e inferiore della forma d'onda. E se campionassimo al centro verso la forma d'onda in ingresso? Nota come uno spostamento nel segnale in ingresso può appiattire l'intero risultato catturato:
O anche allucinazioni di nuove forme d'onda che prima non esistevano:
Queste allucinazioni sono conosciute come alias.
Il problema della distorsione (Aliasing)
Probabilmente hai familiarità con l'illusione della "ruota del carro" che a volte si verifica quando si fotografa un oggetto rotante. Le ruote dell'auto, o le pale dell'elicottero, sembrano muoversi all'indietro, ma molto lentamente. In alcuni casi, le lame potrebbero fermarsi completamente (con risultati francamente bizzarri: guarda il video qui sotto!).
Giocando a un vecchio videogioco, potresti anche aver notato che le linee parallele a volte producono strani artefatti. Le recinzioni a strisce, le scale e i ponticelli cominciavano a sembrare davvero molto strani. E che dire di quegli strani segnali acustici che a volte senti quando ascolti qualcuno parlare tramite una connessione digitale di scarsa qualità? È una distorsione, ma è un tipo speciale di distorsione. Cosa significano tutte quelle brutte frequenze che escono dal rumore? Se stai ascoltando contenuti timbricamente ricchi, come una batteria, l'effetto sarà più pronunciato, soprattutto nella fascia alta.
Se ne capisci il motivo, sei sulla buona strada per capirli tutti. Nel caso della ruota, un frame rate fisso significa che non possiamo catturare correttamente il movimento. Se qualcosa ruota di 350 gradi per ogni fotogramma, è naturale rendersi conto che in realtà è stato spostato indietro di 10 gradi. In altre parole, non ci sono abbastanza informazioni per rappresentare con precisione ciò che sta accadendo. I campioni che prendiamo non sono coerenti con ciò che stiamo cercando di misurare.
Questo non è un problema limitato alla conversione da analogico a digitale. In molti di questi casi, stiamo convertendo un tipo di segnale digitale in un altro.
Allora qual è la soluzione? Ci sono molti. Possiamo applicare un filtro speciale per gestire questi artefatti, che è ciò che molti ADC fanno su misura. Oppure potremmo assaggiare molto più del necessario. Più campioni prendiamo, più accurata diventa la nostra immagine dell'onda:
La frequenza di Nyquist è la metà della frequenza di campionamento ed è un limite che deve essere superato per evitare interferenze note come “aliasing”. Se la frequenza campionata supera la metà della frequenza campione, possono verificarsi aliasing e artefatti indesiderati nel segnale convertito.
Ad esempio, se si dispone di un segnale che contiene un'alta frequenza e utilizza una bassa frequenza di campionamento, la parte alta del segnale potrebbe essere rappresentata in modo errato, producendo altri artefatti sul segnale convertito. Per evitare l'aliasing, è necessario utilizzare una frequenza di campionamento che sia almeno la metà della frequenza più alta del segnale. Verificare Come funziona l'alternatore nella tua auto?
domande comuni
Q1. Qual è la funzione dei convertitori analogico-digitali (ADC)?
I convertitori analogico-digitali convertono segnali analogici continui in una rappresentazione digitale, consentendo ai sistemi di automazione e all'elettronica di comprendere ed elaborare i dati in modo efficiente.
Q2. Come vengono convertiti i segnali analogici in digitali utilizzando gli ADC?
Questo viene fatto dividendo il segnale in due parti: quantità (valore) e risoluzione (numero di bit). La sfida è mantenere l'accuratezza della conversione per ottenere dati accurati.
Q3. Esistono diversi tipi di convertitori da analogico a digitale?
Sì, esiste una varietà di ADC in base alle loro applicazioni, ad esempio ADC adatti ad applicazioni di controllo del movimento o audio.
Q4. Qual è l'importanza degli ADC nei moderni sistemi digitali?
Gli ADC consentono ai dispositivi e alle applicazioni di interagire con il mondo che li circonda e di dare un senso ai dati in modo efficace nell'era digitale.
Campione di qualità superiore per i migliori risultati
Se trovi questo genere di cose interessante, la buona notizia è che non abbiamo approfondito troppo l'argomento. Ci sono molti dettagli avanzati da approfondire qui: gli ADC sono molto complessi.
Ma anche dal punto di vista dell’utente finale o del normale appassionato di Arduino è molto semplice. Entrano le tensioni, escono i numeri. Quindi, qualunque cosa tu voglia misurare, che si tratti del contenuto di umidità di un pezzo di terreno, delle oscillazioni di una scatola vocale umana o del flusso di fotoni rifratti attraverso una lente, è probabile che ci sia un ADC che farà il lavoro . Puoi visualizzarlo ora I pro e i contro dell'utilizzo di un clone di Arduino nei tuoi progetti.
