Recomandări esențiale
- Convertoarele analog-digitale (ADC-uri) sunt frecvent utilizate pentru a transforma semnale analogice, cum ar fi sunetul și lumina, în valori numerice, esențiale în diverse aplicații.
- Frecvența de eșantionare a unui ADC specifică numărul de măsurători efectuate în fiecare secundă; frecvențele mai înalte permit o reprezentare mai exactă a semnalului.
- Rezoluția (rata de biți) unui ADC influențează calitatea eșantionului, mai mulți biți conducând la măsurători mai precise și mai detaliate. Diferite tipuri de ADC-uri oferă compromisuri variate între viteză, precizie și consum energetic.
Convertoarele analog-digitale (ADC) sunt fundamentale în transformarea fenomenelor din lumea reală în date utilizabile în proiecte digitale. Însă, cum reușește un ADC să transforme semnale analogice în date digitale?
Utilizările convertoarelor analog-digitale
ADC-urile sunt omniprezente. Le găsim în telefoane, transformând vocea în cod binar. Sunt prezente în automobile, monitorizând rotația roților și în osciloscoape, facilitând captarea și interpretarea semnalelor. Însă, domeniul audio și video este cel mai des întâlnit, unde transformarea luminii și a sunetului în date digitale este crucială.
Ce reprezintă frecvența de eșantionare? Cum influențează aceasta un ADC?
Un parametru crucial al unui ADC este frecvența de eșantionare, adică numărul de măsurători efectuate pe secundă.
Un osciloscop performant poate realiza până la zece miliarde de eșantioane pe secundă, în timp ce un ADC precum MCP3008 poate ajunge la două sute de mii. În domeniul audio, o rată de 44.100 de eșantioane pe secundă (44,1 kHz) este frecvent utilizată.
O frecvență de eșantionare mai mare permite o reprezentare mai exactă a semnalului. Totuși, nu este întotdeauna necesară o frecvență foarte mare. De exemplu, într-un sistem de control al electronicelor cu potențiometre, nu este nevoie de milioane de eșantioane pe secundă, deoarece mișcarea degetelor este mult mai lentă. În astfel de cazuri, un număr adecvat de eșantioane este suficient pentru a obține un rezultat uniform și receptiv.
Ce este rata de biți? Influențează calitatea unui ADC?
Calitatea eșantionului este, de asemenea, foarte importantă. Aceasta este determinată de rata de biți, care indică numărul de stări „pornit-oprit” folosite pentru a reprezenta digital tensiunea. Mai mulți biți permit înregistrarea mai multor valori posibile, rezultând un rezultat final mai neted și mai precis.
Conceptul de binar este fundamental, așadar, dacă nu ești familiarizat cu el, este un punct de plecare bun. Câți biți sunt necesari? Depinde de scopul aplicației. Uneori suntem limitați de protocolul utilizat, cum ar fi MIDI 1.0, care are o limită de șapte (sau ocazional paisprezece) biți. În alte situații, factorul limitativ este percepția umană: dacă o fidelitate mai mare nu aduce o îmbunătățire perceptibilă, nu este necesar să o folosim.
Cum contribuie multiplexarea la calitatea ADC-urilor?
Circuitele ADC precum ADS1115 și MCP3008 includ multiple intrări, dar în esență, ele utilizează un singur ADC. Aceasta este posibilă datorită multiplexoarelor integrate, care sunt comutatoare digitale ce controlează traficul de date către ADC. ADC-ul eșantionează un canal, apoi pe următorul, și așa mai departe. Așadar, cu opt canale și o frecvență de eșantionare de 200.000, fiecare canal va fi eșantionat cu o frecvență de 25.000 de eșantioane pe secundă.
Ce tipuri de ADC-uri există?
ADC-urile funcționează în moduri diferite, în funcție de costul și performanțele necesare.
Un ADC Flash funcționează prin intermediul unui divizor de tensiune complex. O serie de rezistențe împarte tensiunea de referință în trepte, care sunt testate cu intrarea printr-o serie de comparatoare. ADC-urile flash sunt foarte rapide, dar limitate în privința adâncimii de biți din cauza numărului mare de comparatoare necesare și sunt mari consumatoare de energie.
Un ADC subranging încearcă să compenseze aceste dezavantaje, distribuind munca între două unități: una calculează o aproximație a tensiunii și a doua o rafinează. Prin această divizare, numărul de comparatoare este redus. Unele ADC-uri subranging utilizează trei etape, cu corectarea erorilor integrată pe parcurs.
ADC-urile SAR (Registrul de Aproximare Succesivă) funcționează printr-un proces de căutare binară. Dacă avem opt biți de completat, SAR va începe cu valoarea de mijloc (10000000). Dacă tensiunea depășește acest punct, bitul din stânga rămâne 1; altfel, devine 0. Procesul se repetă pentru următorii biți, iar valoarea estimată se apropie treptat de valoarea reală:
În acest mod, ADC-ul restrânge căutarea, întrebând succesiv dacă valoarea se află deasupra sau dedesubtul punctului de mijloc. Astfel, în câteva iterații, ADC-ul stabilește că valoarea reală este aproximativ 77 dintr-un interval de 0 la 255.
Convertoarele Sigma-delta sunt printre cele mai complexe. Folosite în aplicații muzicale și de măsurare de înaltă precizie, ele supraeșantionează semnalul și utilizează filtrare și calcule avansate pentru a rafina rezultatul. Acest proces reduce frecvența de eșantionare, dar crește precizia. Aceste ADC-uri sunt preferate în situațiile în care precizia este mai importantă decât viteza.
În final, avem ADC-uri integratoare, care sunt mai lente decât cele sigma-delta. Acestea utilizează un condensator a cărui rată de încărcare determină tensiunea de intrare. Frecvența de eșantionare este adesea sincronizată cu frecvența sursei de alimentare, minimizând zgomotul.
Ce este teorema Nyquist-Shannon?
Pentru a reprezenta corect un semnal analogic în format digital, este nevoie de cel puțin două puncte pentru fiecare ciclu al semnalului: unul în vârf și unul la baza curbei. Astfel, frecvența de eșantionare trebuie să fie cel puțin dublă față de frecvența maximă a semnalului măsurat.
Aceasta este cunoscută ca frecvența Nyquist, după fizicianul suedez-american Harry Nyquist. Teoria poartă numele lui Nyquist și a lui Claude Shannon, matematician și criptograf, deși ideea a fost sugerată mai devreme de Edmund Whittaker.
Teoria are o limitare: este dificil să știi cu precizie când vor fi atinse vârfurile și bazele unei forme de undă. Dacă eșantionăm semnalul la mijlocul curbei, rezultatul final va fi incomplet sau chiar fals:
În plus, putem obține forme de undă care nu existau inițial, așa-numitele pseudonime:
Problema alias-ului
Un exemplu cunoscut este iluzia „roții de trăsură”, unde roțile unui vehicul par să se rotească în sens invers în timpul filmării. În jocurile video vechi, liniile paralele pot genera artefacte deformatoare, iar în transmisiile audio digitale de calitate slabă, putem auzi sunete neplăcute. Aceste distorsiuni sunt efectul lipsei de informații pentru a reprezenta fidel semnalul.
În cazul roții de trăsură, rata fixă de cadre împiedică captarea corectă a mișcării. Dacă o roată se rotește cu 350° la fiecare cadru, este normal să percepem că se rotește cu 10° înapoi. Aceste probleme apar și în conversia analog-digitală, dar și când transformăm un semnal digital într-altul.
Soluțiile includ utilizarea filtrelor speciale pentru a elimina artefactele, lucru pe care multe ADC-uri îl fac intern. Alternativ, se pot face mai multe eșantioane decât este necesar. Cu cât avem mai multe eșantioane, cu atât este mai precisă imaginea undei:
Eșantionare de înaltă calitate pentru rezultate optime
Subiectul ADC-urilor este profund și complex, cu multe detalii de analizat. Cu toate acestea, din punctul de vedere al unui utilizator final sau al unui pasionat de Arduino, acestea sunt destul de simple: tensiuni intră și numere ies. Așadar, indiferent de ceea ce dorești să măsori, de la umiditatea solului, vibrațiile vocale umane sau fluxul de fotoni, există un ADC care îți va servi nevoile.