Spis treści:
- 1 Co to jest przetwornik analogowo cyfrowy?
- 2 Częstotliwość próbkowania przetworników analogowo cyfrowych
- 3 W jaki sposób są zbudowane przetworniki analogowo-cyfrowe?
- 4 Parametry techniczne przetworników analogowo cyfrowych
- 5 Częstotliwość próbkowania, liczba kanałów i pozostałe parametry
- 6 Wielokanałowe przetworniki analogowo cyfrowe
Przetwornik analogowo cyfrowy jest urządzeniem zdolnym do przekształcania różnych sygnałów analogowych w sygnały cyfrowe przy użyciu różnych metod.
Co to jest przetwornik analogowo cyfrowy?
Przetwornik analogowo-cyfrowy jest wykorzystywany do konwersji sygnałów analogowych, często w formie napięcia, na dane cyfrowe. Ten proces może być realizowany zarówno w sposób pośredni, jak i bezpośredni. W metodzie pośredniej sygnał analogowy jest najpierw przekształcany na inną wielkość, taką jak czas lub częstotliwość.
W kolejnym kroku przekształcone wartości są porównywane z wartościami referencyjnymi. W zależności od rodzaju wykorzystanej wielkości pomocniczej stosuje się albo metodę częstotliwościową, albo czasową.
Metoda czasowa może być realizowana w dwóch wariantach: z pojedynczym lub podwójnym całkowaniem. Z kolei metoda częstotliwościowa polega na pomiarach częstotliwości sygnału, który jest następnie przekształcany na wartość cyfrową.
Bezpośrednia metoda przetwarzania sygnałów
Natomiast w metodzie bezpośredniej, sygnał analogowy jest porównywany bezpośrednio z wartością referencyjną. Ta technika jest charakterystyczna dla przetworników kompensacyjnych i bezpośrednich, w których proces konwersji odbywa się natychmiastowo (bez pośrednich etapów przekształceń).
Częstotliwość próbkowania przetworników analogowo cyfrowych
Kluczowym aspektem w procesie przetwarzania sygnału analogowego na cyfrowy jest częstotliwość próbkowania. Zgodnie z zasadą próbkowania, minimalna częstotliwość próbkowania jest niezbędna do wiernego odtworzenia sygnału analogowego w formie cyfrowej. Według tej zasady sygnał analogowy musi być próbkowany przynajmniej z częstotliwością dwukrotnie większą niż najwyższa częstotliwość składowa sygnału. Jest to wymagane ze względu na konieczność uniknięcia zniekształceń i utraty informacji w procesie cyfryzacji.
W jaki sposób są zbudowane przetworniki analogowo-cyfrowe?
Kluczową funkcję w przetworniku analogowo cyfrowym pełni układ sterowania, który ma za zadanie zarządzać całym procesem konwersji. Ponadto koordynuje pracę innych elementów takich jak multiplekser i przetwornik próbkująco-pamiętający.
Kolejną funkcją układu sterowania jest zapewnianie przepływu danych niezbędnych do wykonania operacji przetwarzania sygnału. Przetwornik analogowo-cyfrowy składa się również z bufora wyjściowego, czyli miejsca, w którym dane (w postaci cyfrowej) są przechowywane po konwersji. Bufor umożliwia transferowanie danych do mikroprocesorów oraz układów scalonych. Jest kluczowy dla wykorzystania i przetwarzania przekształconych danych. Z kolei interfejs cyfrowy w przetworniku analogowo cyfrowym pozwala na komunikację z innymi urządzeniami cyfrowymi. Dodatkowo w przetworniku znajdują się elementy odpowiadające za zasilanie.
Parametry techniczne przetworników analogowo cyfrowych
Każdy przetwornik analogowo cyfrowy ma określone parametry techniczne, które determinują jego zastosowanie. Nie ma jednego uniwersalnego urządzenia przeznaczonego do wszystkich zastosowań. Pierwszym parametrem jest rozdzielczość, którą należy rozumieć jako dokładność, z jaką dany przetwornik analogowo cyfrowy może generować sygnał analogowy w formie cyfrowej. Innymi słowy, jest to zdolność do rozróżniania poziomów sygnału analogowego i przekształcania ich na odpowiadające im sygnały (wartości) cyfrowe.
Dodatkowe informacje o rozdzielczości
Rozdzielczość przetwornika jest podawana w bitach. Określa ile różnych stopni, może być reprezentowanych przez konkretny model urządzenia. Przetwornik 8-bitowy może reprezentować 256, 12-bitowy 4 096, 16-bitowy 65 536, natomiast 24-bitowy 16 777 216 różnych poziomów. Im wyższa rozdzielczość, tym dokładniejsze reprezentowanie sygnału analogowego w formie cyfrowej. Dodatkowo wyższa rozdzielczość umożliwia osiągnięcie większej dokładności i mniejszych zniekształceń. Warto jednak wiedzieć, że wysoka precyzja wiąże się z większym zapotrzebowaniem na moc obliczeniową.
Częstotliwość próbkowania, liczba kanałów i pozostałe parametry
Następnym kluczowym parametrem przetworników analogowo cyfrowych jest wspomniana wcześniej częstotliwość próbkowania. Jest to nic innego jak zdolność do wykonania określonej liczby próbkowań (czyli mierzenia) sygnału analogowego w danej jednostce czasu, w celu przekształcenia go na sygnał binarny.
Częstotliwość próbkowania jest bezpośrednio powiązana z dokładnością i jakością sygnału cyfrowego. W przetwornikach analogowo cyfrowych audio częstotliwość próbkowania jest na poziomie 44 ksps i wyższej, natomiast profesjonalne urządzenia pomiarowe o takiej samej liczbie bitów mają zdecydowanie mniejszą prędkość próbkowania. W praktyce oznacza to minimalny poziom szumów i wysoką dokładność.
Dodatkowe informacje o parametrach
Kolejnym kluczowym parametrem jest zakres napięcia wejściowego obsługiwanego przez dany model przetwornika analogowo cyfrowego. Przeważnie to bardzo wąski zakres np. od 3,3 V do 5 V lub od 2,7 V do 5 V. Innym parametrem jest liczba kanałów, która określa zdolność urządzenia do przetworzenia określonej liczby (osobnych) sygnałów analogowych na cyfrowe. Pozostałe parametry to rodzaj interfejsu komunikacyjnego i ilość pamięć EEPROM.
Wielokanałowe przetworniki analogowo cyfrowe
Przetworniki wielokanałowe to urządzenia wykorzystywane do jednoczesnego konwertowania wielu (różnych) sygnałów analogowych na cyfrowe. Konstrukcja przetworników tego typu jest zaprojektowana w taki sposób, aby obsługiwać każdy sygnał analogowy w odrębny sposób.
Zastosowanie tych urządzeń obejmuje systemy, w których jest wymagane naprzemienne lub jednoczesne przetwarzanie sygnałów ciągłych. Dobrym przykładem są laboratoria, w których zachodzi potrzeba przetwarzania różnego rodzaju sygnałów analogowych na binarne. Ponadto przetworniki tego typu znajdują zastosowanie w przemyśle, a nawet w medycynie (m.in. w urządzeniach EKG i EEG).
