Skaitmeniniame įtaise, bet koks analoginis signalas, ar tai būtų matuojama įtampa multimetre, ar temperatūra skaitmeniniame termometre turi būti paverstas į skaitmeninį kodą. Skaitmeninį kodą yra nesunku apdoroti, išsaugoti ar perduoti įvairiais ryšio kanalais. Deja, bet kokį analoginį signalą verčiant į kodą ir apdorojant skaitmeniniu būdu, neišvengiamai atsiranda paklaidos, įtakojančios visų skaitmeninių schemų darbą. Kaip ir kodėl atsiranda šios paklaidos, kaip veikia pats keitiklis – visa tai trumpai aptarsime šiame straipsnyje.

Analoginio signalo vertimą į skaitmeninį kodą atlieka analogas-kodas keitikliai (angliškai jie gali būti žymimi ADC ar A/D – analog-to-digital converter). Šis procesas, kuomet analoginio signalo vertės tam tikrais laiko momentais paverčiamos skaičiais, tinkamais naudoti skaitmeninio signalo apdorojimo metu, vadinamas kvantavimu.

Kvantavimo proceso metu atsiranda kvantavimo paklaidos. Kas gi lemia šias paklaidas ir kokio jos dydžio?

Analoginis signalas yra tolydus, t.y. kisdamas nuo minimalios vertės iki maksimalios vertės jis gali įgyti be galo daug reikšmių. Tuo tarpu skaitmeniniai signalai apdorojami ir saugomi kompiuterio atmintyje tam tikro ilgio kodais, priklausančiais nuo skilčių skaičiaus. Pavyzdžiui, 8-ių skilčių dvejetainis skaičius gali įgyti tik 2⁸ = 256 reikšmes – skaičius nuo 0 iki 255.

Butent nuo skilčių skaičiaus priklausys analogas-kodas keitiklio skiriamoji geba:

Q=(Umax-Umin)/N.

Šioje formulėje Umax – maksimali įėjimo įtampos reikšmė (lygi teigiamai atraminei keitiklio įtampai); Umin – minimali įėjimo įtampos reikšmė (lygi neigiamai atraminei keitiklio įtampai); N – įtampos intervalų skaičius, priklausantis nuo skilčių skaičiaus M: N = 2^M – 1.

1 pavyzdys. Keitiklio minimali įėjimo įtampa 0 V, maksimali įėjimo įtampa 5 V, skilčių skaičius yra 10. Apskaičiuokime keitiklio skiriamąją gebą:

Įtampos intervalų (kvantų) skaičius: N = 2¹⁰ – 1 = 1023

Keitiklio skiriamoji geba: Q=(5V-0V)/1023≈0,00489V≈4,89mV

2 pavyzdys. Keitiklio minimali įėjimo įtampa 0 V, maksimali įėjimo įtampa 10 V, skilčių skaičius yra 12. Apskaičiuokime keitiklio skiriamąją gebą:

Įtampos intervalų (kvantų) skaičius: N = 2¹² – 1 = 4095

Keitiklio skiriamoji geba: Q=(10V-0V)/4095≈0,00244V≈2,44mV

Iš pateiktų pavyzdžių matome, kad keitiklio skiriamoji geba lemia minimalų įtampos pokytį, kurį „pastebės“ keitiklis. Kartu skiriamoje geba lemia ir kvantavimo paklaidą – jei kvantavimo metu analoginės įtampos reikšmė apvalinama iki artimiausio kvanto, tuomet kvantavimo paklaida yra lygi ½ keitiklio žingsnio.

Kitas svarbus analogas-kodas keitiklio parametras yra diskretizavimo dažnis (angliškai vadinamas sampling rate arba sampling frequency). Analoginio signalo reikšmės į skaitmeninį signalą yra keičiamos tam tikrais diskretiniais laiko momentais. Šių reikšmių nuskaitymo dažnis ir yra vadinamas diskretizavimo dažniu. Maksimalų diskretizavimo dažnį lemia keitiklio savybės – skilčių skaičius, veikimo sparta ir pan.

Nuo diskretizavimo dažnio priklauso ir maksimalus keičiamo analoginio signalo dažnis. Naikvisto (Nyquist) teorema teigia, kad originalus signalas gali būti rekonstruotas iš sekos išrinktų signalo verčių, jei diskretizavimo dažnis yra bent du kartus didesnis už maksimalų keičiamo signalo dažnį. Jei šios teoremos nesilaikysime ir signalo dažnis bus didesnis, keitiklis „nepastebės“ visų analoginio signalo pokyčių.

Analogas-kodas keitikliai yra gaminami kaip atskiri integriniai grandynai arba gali būti integruoti mikrovaldikliuose.

Atskirų analogas-kodas keitiklių skilčių skaičius gali siekti 20 ir daugiau, tačiau atitinkamai yra didesnė ir jų kaina. Vartotojams, kuriems nereikia didelio tikslumo, gaminami pigesni 8-12 skilčių keitikliai.

Mikrovaldikliuose paprastai yra integruoti 10 skilčių keitikliai, kurių skiriamosios gebos pakanka daugeliui sprendžiamų uždavinių. Integruotas keitiklis taip pat leidžia sumažinti ir projektuojamo įtaiso kaštus, kadangi nereikia pirkti atskiro integrinio grandyno.

Lentelėje pateikti keleto Microchip kompanijos 8-ių skilčių mikrovaldiklių su integruotais analogas-kodas keitikliais pavyzdžiai 

Sekančioje straipsnio dalyje aptarsime integruotų analogas-kodas keitiklių valdymą.

Komentarai (0)