Mit fortschreitender Technologie wird es immer wichtiger, die zugrunde liegenden Geräte und Technologien um uns herum zu verstehen. In diesem Zusammenhang werden wir über Analog-Digital-Wandler, sogenannte ADCs, sprechen, die eine entscheidende Rolle bei der Umwandlung analoger Signale in digitale Darstellung spielen.
Analog-Digital-Wandler (ADCs) sind unglaublich nützlich, um reale Phänomene in Werte umzuwandeln, die wir in Programmierprojekten verwenden können. Aber wie kann ein ADC analoge Signale in digitale Signale umwandeln, die wir überall verarbeiten und einbetten können? Sie können es jetzt ansehen So spielen Sie Audio über zwei oder mehr Hardwareausgänge unter Linux ab.
Schnelle Links
Was sind die Einsatzmöglichkeiten von ADC?
ADCs sind unverzichtbare Geräte in der Welt der Elektronik und wandeln kontinuierliche analoge Signale in eine variable digitale Darstellung um. Das Verständnis ihrer Funktionsweise ist für die Steuerung von Signalen und Daten in Automatisierungs- und Steuerungssystemen von grundlegender Bedeutung.
ADCs finden Sie fast überall. Es befindet sich auf Ihrem Telefon und wandelt Ihre Stimme in eine Folge binärer Werte um. Sie sind in Ihrem Auto und messen die Zeiten, in denen sich Ihre Räder drehen. Man findet sie in Oszilloskopen, die dabei helfen, Signale aufzunehmen und darzustellen. Die meisten Menschen werden sie jedoch in der Video- und Audiowelt einsetzen, wo es entscheidend ist, Licht und Ton in den digitalen Raum zu bringen.
Der Umwandlungsprozess basiert auf der Aufteilung des analogen Signals in zwei Teile: Menge (Wert) und Auflösung (Anzahl der Bits). Die Herausforderung besteht darin, die Genauigkeit der Konvertierung aufrechtzuerhalten, um genaue Daten zu erhalten.
Wie hoch ist die Samplerate? Wie wirkt sich die Abtastrate auf den ADC aus?
Eine der wichtigsten Kennzahlen für einen ADC ist die Abtastrate: die Anzahl der Messwerte pro Sekunde.
Ein hochentwickeltes Oszilloskop könnte zehn Milliarden Abtastwerte pro Sekunde erfassen. Der winzige ADC MCP3008 kann relativ bescheidene zweihunderttausend Abtastwerte pro Sekunde erfassen. In der Audiowelt gilt eine Abtastrate von 44.100 pro Sekunde (44.1 kHz) als typisch.
Je mehr Proben wir nehmen, desto genauer können wir das Signal darstellen. Manchmal ist dies notwendig; Manchmal ist es das nicht. Nehmen wir an, wir bauen einen Equalizer (ein digitales Steuergerät zur Steuerung der Elektronik, wie man es auf einem Licht- oder Tonbearbeitungspult sieht) mit ein paar Dutzend Potentiometern. In diesem Fall ist es unwahrscheinlich, dass sich die Werte, die wir messen müssen, millionenfach pro Sekunde ändern, da sich unsere Finger nicht so schnell bewegen können. Wir benötigen nur genügend Samples, damit das Ergebnis reibungslos und reaktionsschnell ist.
Was ist Bitrate? Beeinflusst die Bitrate die ADC-Qualität?
Wir müssen auch die Qualität der Probe berücksichtigen, die wir erhalten. Sie wird größtenteils durch die Bitrate bestimmt, die uns sagt, wie viele Ein- und Aus-Zustände wir zur digitalen Darstellung der Spannung verwenden können. Je mehr Bits wir haben, desto mehr mögliche Werte können wir in einer bestimmten Stichprobe aufzeichnen und desto glatter und genauer wird das Endergebnis.
Wir haben darüber geschrieben Das Binärsystem und seine FunktionsweiseWenn Sie sich also nicht sicher sind, ist dies ein guter Anfang. Wie viele Bits brauchen wir? Auch hier kommt es darauf an, was wir erreichen wollen. Manchmal sind wir möglicherweise durch das von uns verwendete Protokoll eingeschränkt. Beispielsweise ist das MIDI 1.0-Protokoll auf Sieben-Bit-Werte (manchmal vierzehn) beschränkt. In anderen Fällen kann die menschliche Wahrnehmung der entscheidende Faktor sein. Wenn eine Steigerung der Leistungsqualität nicht zu einer signifikanten Verbesserung des Ergebnisses führt, lohnt es sich möglicherweise nicht.
Wie verbessert Multiplexing die ADC-Qualität?
Beliebte ADC-Geräte wie ADS1115 و MCP3008 Viele Eingaben. Aber unter der Haube steckt tatsächlich nur ein ADC. Dies ist aufgrund der in diesen Geräten integrierten Multiplexer möglich. Multiplexer sind in der Welt der Elektronik und Kommunikation absolut überall zu finden. Dabei handelt es sich um digitale Schalter, die als Datenbewegungssteuerung für Ihren ADC dienen. Ein ADC könnte einen Kanal ausprobieren, dann den nächsten und dann den nächsten. Wenn Sie also acht Kanäle und eine Abtastrate von 200000 haben, können Sie alle durchlaufen und dabei 25000 Abtastungen pro Kanal vornehmen.
Welche Arten von ADC gibt es?
ADCs funktionieren je nach Kosten und erforderlichen Fähigkeiten auf unterschiedliche Weise.
Arbeiten Flash-ADC Über einen sehr komplexen Spannungsteiler. Ein Satz Widerstände teilt die Referenzspannung in Inkremente, die dann über einen Satz Komparatoren mit dem Eingang verglichen werden. Flash-ADCs sind sehr schnell, haben jedoch aufgrund der Anzahl der erforderlichen Komparatoren eine begrenzte Bittiefe. Aus dem gleichen Grund ist es auch energieintensiv.
Suchen Subrangierender ADC Sie kompensieren diese Schwächen, indem sie die Arbeit auf zwei separate Einheiten aufteilen: eine für die grobe Berechnung der Spannung und eine zweite für die genaue Bearbeitung. Durch die Aufteilung können wir die Anzahl der Vergleiche reduzieren. Einige Sub-ADCs unterteilen die Arbeit in drei Phasen, wobei nebenbei auch eine Fehlerkorrektur enthalten ist.
SAR (Successive Approximation Register) ADCs erledigen ihre Arbeit durch eine Art binäre Suche. Angenommen, wir müssen acht Bits füllen. Der SAR beginnt bei 10000000, dem Mittelwert (00000000 ist der unterste Wert und 11111111 der obere Wert). Wenn die Spannung diesen Mittelpunkt überschreitet, behält der SAR die Zahl ganz links bei 1; Wenn nicht, setzt SAR die Zahl ganz links auf 0. Wir können den Vorgang mit der nächsten Zahl usw. wiederholen. Dadurch nähert sich der geschätzte Wert schrittweise dem tatsächlichen Wert an:
Auf diese Weise grenzen wir die Suche kontinuierlich ein, indem wir die Wahrscheinlichkeiten in zwei Hälften teilen und fragen, ob das Ergebnis über oder unter dem Mittelpunkt liegt. In diesem Fall liegt der Wert irgendwo zwischen 0 und 255; Nach mehreren Iterationen stellt der ADC fest, dass die Zahl bei etwa 77 liegt.
Delta-Sigma-Wandler sind wahrscheinlich am schwierigsten zu verstehen. Sie werden in Musikanwendungen und hochpräzisen Signalmessungen eingesetzt. Sie funktionieren, indem sie das Signal überabtasten und das Ergebnis mithilfe sehr komplexer Filterung und Mathematik verbessern. Dieser Prozess reduziert effektiv die Abtastrate und erhöht gleichzeitig die Auflösung. Diese ADCs eignen sich hervorragend, wenn Rauschen und Genauigkeit wichtiger sind als Geschwindigkeit.
Schließlich haben wir die ADC-Integration, die noch langsamer als Delta-Sigma ist. Es funktioniert mit Hilfe eines Kondensators, aus dessen Ladegeschwindigkeit sich die Eingangsspannung bestimmen lässt. Dabei wird die Abtastrate häufig mit der Frequenz des Netzteils synchronisiert, wodurch das Rauschen auf ein absolutes Minimum reduziert werden kann.
Was ist das Nyquist-Shannon-Theorem oder die digitale Sampling-Theorie?
Die Nyquist-Shannon-Theorie liefert den theoretischen Rahmen für das Verständnis, wie analoge Signale (wie Ton oder Bild) digital dargestellt werden. Das digitale Abtast- und Kodierungssystem ist für diese Theorie von grundlegender Bedeutung.
Einer der Kernpunkte des Nyquist-Shannon-Theorems ist, dass jedes analoge Signal mithilfe einer Reihe digitaler Abtastwerte dargestellt werden kann. Die Darstellungsqualität wird durch die Abtastrate (die Anzahl der Abtastwerte pro Zeiteinheit) bestimmt, wobei sich die halbe Abtastrate auf die Mindestanzahl der Abtastwerte bezieht, die zur Darstellung eines Signals erforderlich sind.
Angenommen, wir wollen ein analoges Signal digital beschreiben. Dazu benötigen wir für jeden vorgegebenen Kurs mindestens zwei Punkte: einen oben und einen unten. Daher muss unsere Abtastfrequenz mindestens doppelt so hoch sein wie die höchste Frequenz, die wir voraussichtlich messen werden.
Dies ist als Nyquist-Frequenz bekannt, benannt nach dem schwedisch-amerikanischen Physiker Harry Nyquist. Die Theorie ist nach Nyquist und Claude Shannon (einem bekannten Mathematiker und Kryptographen) benannt, nicht jedoch nach Edmund Whittaker, der vor ihnen auf die Idee kam.
Wem auch immer wir die Theorie zuschreiben, es gibt ein Problem damit. Es ist unmöglich, im Voraus zu wissen, wann das obere und untere Ende der Wellenform erreicht wird. Was wäre, wenn wir in der Mitte der eingehenden Wellenform abtasten würden? Beachten Sie, wie eine Verschiebung des eingehenden Signals das gesamte erfasste Ergebnis abflachen kann:
Oder sogar Halluzinationen neuer Wellenformen, die es vorher nicht gab:
Diese Halluzinationen werden Aliase genannt.
Das Problem der Verzerrung (Aliasing)
Sie kennen wahrscheinlich die „Wagenrad“-Illusion, die manchmal beim Fotografieren eines rotierenden Objekts auftritt. Die Räder des Autos oder die Rotorblätter des Hubschraubers scheinen sich rückwärts zu bewegen, aber sehr langsam. In einigen Fällen können die Klingen vollständig zum Stillstand kommen (mit ehrlich gesagt bizarren Ergebnissen – sehen Sie sich das Video unten an!).
Beim Spielen eines alten Videospiels ist Ihnen vielleicht auch aufgefallen, dass parallele Linien manchmal seltsame Artefakte erzeugen. Die gestreiften Zäune, Leitern und Brücken sahen tatsächlich sehr seltsam aus. Oder was ist mit den seltsamen Piepgeräuschen, die Sie manchmal hören, wenn Sie jemandem zuhören, der über eine digitale Verbindung mit schlechter Qualität spricht? Es ist eine Verzerrung, aber es ist eine besondere Art von Verzerrung. Was hat es mit all den hässlichen Frequenzen auf sich, die aus dem Lärm entstehen? Wenn Sie klangstarke Inhalte wie ein Schlagzeug hören, ist der Effekt ausgeprägter – insbesondere im oberen Bereich.
Wenn Sie den Grund für einen verstehen, sind Sie auf dem besten Weg, sie alle zu verstehen. Im Fall des Radschlags bedeutet eine feste Bildrate, dass wir die Bewegung nicht richtig erfassen können. Wenn sich etwas in jedem Bild um 350 Grad dreht, erkennt man natürlich, dass es tatsächlich um 10 Grad nach hinten verschoben wurde. Mit anderen Worten: Es liegen nicht genügend Informationen vor, um das Geschehen genau darzustellen. Die von uns entnommenen Proben stimmen nicht mit dem überein, was wir messen möchten.
Dies ist kein auf die Analog-Digital-Umwandlung beschränktes Problem. In vielen dieser Fälle wandeln wir einen digitalen Signaltyp in einen anderen um.
Was ist also die Lösung? Da sind viele. Wir können einen speziellen Filter anwenden, um mit diesen Artefakten umzugehen, was viele ADCs nach Maß tun. Oder wir könnten viel mehr probieren, als wir brauchen. Je mehr Proben wir nehmen, desto genauer wird unser Bild der Welle:
Die Nyquist-Frequenz beträgt die Hälfte der Abtastfrequenz und stellt einen Grenzwert dar, der überschritten werden muss, um Störungen zu vermeiden, die als „Aliasing“ bekannt sind. Wenn die abgetastete Frequenz die Hälfte der Abtastfrequenz überschreitet, kann es zu Aliasing und unerwünschten Artefakten im umgewandelten Signal kommen.
Wenn Sie beispielsweise ein Signal haben, das eine hohe Frequenz enthält und eine niedrige Abtastfrequenz verwendet, wird der hohe Teil des Signals möglicherweise falsch dargestellt, was zu anderen Artefakten im konvertierten Signal führt. Um Aliasing zu vermeiden, sollte eine Abtastfrequenz verwendet werden, die mindestens der Hälfte der höheren Frequenz im Signal entspricht. Verifizieren Wie funktioniert die Lichtmaschine Ihres Autos?
häufige Fragen
Q1. Welche Funktion haben Analog-Digital-Wandler (ADCs)?
Analog-Digital-Wandler wandeln kontinuierliche analoge Signale in eine digitale Darstellung um und ermöglichen es Automatisierungssystemen und Elektronik, Daten effizient zu verstehen und zu verarbeiten.
Q2. Wie werden analoge Signale mithilfe von ADCs in digitale umgewandelt?
Dies geschieht durch die Aufteilung des Signals in zwei Teile: Menge (Wert) und Auflösung (Anzahl der Bits). Die Herausforderung besteht darin, die Genauigkeit der Konvertierung aufrechtzuerhalten, um genaue Daten zu erhalten.
Q3. Gibt es verschiedene Arten von Analog-Digital-Wandlern?
Ja, es gibt eine Vielzahl von ADCs basierend auf ihren Anwendungen, beispielsweise ADCs, die für Audio- oder Bewegungssteuerungsanwendungen geeignet sind.
Q4. Welche Bedeutung haben ADCs in modernen digitalen Systemen?
ADCs ermöglichen es Geräten und Anwendungen, mit der Welt um sie herum zu interagieren und Daten im digitalen Zeitalter effektiv zu interpretieren.
Höhere Probenqualität für beste Ergebnisse
Wenn Sie so etwas interessant finden, ist die gute Nachricht, dass wir uns nicht zu sehr mit diesem Thema befasst haben. Hier gilt es, auf viele fortgeschrittene Details einzugehen: ADCs sind sehr komplex.
Aber aus der Sicht des Endbenutzers oder gewöhnlichen Arduino-Enthusiasten ist es auch sehr einfach. Spannungen kommen rein, Zahlen raus. Was auch immer Sie also messen möchten – ob es sich um den Feuchtigkeitsgehalt eines Stücks Erde, die Schwingungen eines menschlichen Stimmgeräts oder den Fluss gebrochener Photonen durch eine Linse handelt – die Chancen stehen gut, dass es einen ADC gibt, der diese Aufgabe erledigt . Sie können es jetzt ansehen Vor- und Nachteile der Verwendung eines Arduino-Klons in Ihren Projekten.
