Przetwornik analogowo-cyfrowy - przeznaczenie, klasyfikacja i zasada działania

Urządzenie elektroniczne zwane przetwornikiem analogowo-cyfrowym (ADC) służy do konwersji sygnału analogowego na sygnał cyfrowy (w czytelnej sekwencji kodu binarnego). W procesie konwersji sygnału analogowego na cyfrowy realizowane są: próbkowanie, kwantyzacja i kodowanie.

Próbkowanie rozumiane jest jako pobieranie próbek z ciągłego w czasie sygnału analogowego o pojedynczych (dyskretnych) wartościach przypadających w momentach czasu związanych z określonymi interwałami i czasami trwania następujących po sobie sygnałów zegarowych.

Kwantyzacja polega na zaokrągleniu wartości wybranego podczas próbkowania sygnału analogowego do najbliższego poziomu kwantyzacji, przy czym poziomy kwantyzacji mają swój numer kolejny i poziomy te różnią się od siebie stałą wartością delty, która jest niczym innym jak krokiem kwantyzacji.

Ściśle mówiąc, próbkowanie to proces przedstawiania funkcji ciągłej jako szeregu dyskretnych wartości, a kwantyzacja to podział sygnału (wartości) na poziomy. Jeśli chodzi o kodowanie, tutaj kodowanie rozumiane jest jako porównanie elementów uzyskanych w wyniku kwantyzacji z zadaną kombinacją kodów.

Istnieje wiele metod konwersji napięcia na kod. Ponadto każda z metod ma indywidualne cechy: dokładność, szybkość, złożoność. Zgodnie z rodzajem metody konwersji, przetworniki ADC dzielą się na trzy

• równolegle

• spójny,

• szeregowo-równoległy.

Dla każdej metody proces przekształcania sygnału w czasie przebiega na swój własny sposób, stąd nazwa. Różnice polegają na sposobie przeprowadzania kwantyzacji i kodowania: procedura szeregowa, równoległa lub szeregowo-równoległa w celu przybliżenia wyniku cyfrowego do przekonwertowanego sygnału.

Schemat równoległego przetwornika analogowo-cyfrowego pokazano na rysunku. Równoległe przetworniki ADC to najszybsze przetworniki analogowo-cyfrowe.

Liczba elektronicznych urządzeń porównujących (całkowita liczba komparatorów DA) odpowiada pojemności ADC: trzy komparatory wystarczą na dwa bity, siedem na trzy, 15 na cztery itd. Rezystorowy dzielnik napięcia służy do ustawiania zakresu stałych napięć odniesienia.

Napięcie wejściowe (tutaj mierzona jest wartość tego napięcia wejściowego) jest podawane jednocześnie na wejścia wszystkich komparatorów i porównywane ze wszystkimi napięciami odniesienia tych, które ten dzielnik rezystancyjny pozwala uzyskać.

Te komparatory, których wejścia nieodwracające są zasilane napięciem większym od odniesienia (przyłożonym przez dzielnik do wejścia odwracającego) dadzą na wyjściu jedynkę logiczną, reszta (gdzie napięcie wejściowe jest mniejsze od odniesienia lub równe zero) da zero.

Następnie podłączany jest enkoder, którego zadaniem jest przekształcenie kombinacji zer i jedynek w standardowy, odpowiednio zrozumiały kod binarny.

Obwody ADC do konwersji szeregowej są mniej szybkie niż obwody konwerterów równoległych, ale mają prostszą elementarną konstrukcję.Wykorzystują komparator, logikę AND, zegar, licznik i przetwornik cyfrowo-analogowy.

Rysunek przedstawia schemat takiego ADC. Na przykład, gdy zmierzone napięcie przyłożone do wejścia układu komparatora jest wyższe niż sygnał rampy drugiego wejścia (odniesienia), licznik zlicza impulsy generatora zegara. Okazuje się, że zmierzone napięcie jest proporcjonalne do liczby zliczonych impulsów.

Istnieją również przetworniki ADC szeregowo-równoległe, w których proces konwersji sygnału analogowego na sygnał cyfrowy jest odseparowany w przestrzeni, więc okazuje się, że maksymalna prędkość kompromisu jest osiągana przy minimalnej złożoności.