كيف يمكن تحويل الإشارة التناظرية إلى الرقمية

في الإلكترونيات ، تنقسم الإشارات إلى: تمثيلية ، منفصلة ورقمية. بادئ ذي بدء ، كل ما نشعر به ونرى ونسمعه ، في معظمه ، هو إشارة تمثيلية ، وما يراه معالج الكمبيوتر هو إشارة رقمية. لا يبدو الأمر واضحًا للغاية ، لذلك دعونا نتعامل مع هذه التعريفات وكيف يتم تحويل نوع إشارة إلى نوع آخر.

أنواع الإشارة

في التمثيل الكهربائي ، تكون الإشارة التناظرية ، بناءً على اسمها ، بمثابة تناظرية ذات قيمة حقيقية. على سبيل المثال ، تشعر بدرجة حرارة البيئة باستمرار ، طوال حياتك. لا توجد فواصل. في الوقت نفسه ، لا تشعر فقط بمستويين من "الحارة" و "الباردة" ، ولكن أيضًا عدد لا حصر له من الأحاسيس التي تصف هذه القيمة.

بالنسبة للشخص ، يمكن أن يكون "البرد" مختلفًا ، فهو بارد في فصل الخريف والصقيع في فصل الشتاء ، والصقيع الفاتح ، ولكن ليس دائمًا "البرد" هو درجة حرارة سالبة ، تمامًا مثل "دافئ" ليس دائمًا درجة حرارة إيجابية.

يتبع ذلك أن الإشارة التناظرية لها ميزتان:

1. الاستمرارية في الوقت المناسب.

2. عدد قيم الإشارة يميل إلى ما لا نهاية ، أي لا يمكن تقسيم إشارة تمثيلية بدقة إلى أجزاء أو معايرتها عن طريق تقسيم المقياس إلى أقسام محددة. طرق القياس - استنادًا إلى وحدة القياس ، وتعتمد دقتها فقط على سعر تقسيم المقياس ، وكلما كان حجمها أصغر ، زاد دقة القياس.

إشارات منفصلة - هذه هي الإشارات التي هي سلسلة من التقارير أو قياسات من أي حجم. قياسات هذه الإشارات ليست مستمرة ، ولكن دورية.

سأحاول شرح. إذا قمت بتثبيت مقياس حرارة في مكان ما ، فإنه يقيس قيمة تمثيلية - وهذا يتبع من أعلاه. لكنك ، في الواقع بعد شهاداته ، تحصل على معلومات منفصلة. منفصلة يعني منفصلة.

على سبيل المثال ، استيقظت واكتشفت كم درجة درجة حرارة مقياس الحرارة ، في المرة التالية التي نظرت فيه إلى مقياس حرارة ظهرا ، والمرة الثالثة في المساء. أنت لا تعرف مدى سرعة تغير درجة الحرارة ، بالتساوي ، أو بواسطة قفزة حادة ، أنت تعرف فقط البيانات في تلك اللحظة التي لاحظتها.

إشارات رقمية هي مجموعة من المستويات ، الأنواع 1 و 0 ، مرتفعة ومنخفضة ، وإن كانت. يقتصر عمق انعكاس المعلومات في شكل رقمي على عمق البت لجهاز رقمي (مجموعة من المنطق ، متحكم ، معالج ، إلخ.) يتضح أنه مثالي لتخزين البيانات المنطقية. على سبيل المثال ، يمكننا الاستشهاد بما يلي ، لتخزين البيانات مثل "النهار" و "الليل" ، 1 بت من المعلومات كافية.

قطعة - هذه هي القيمة الدنيا لتمثيل المعلومات في شكل رقمي ، حيث يمكنها فقط تخزين نوعين من القيم: 1 (وحدة منطقية ، مستوى عالٍ) ، أو 0 (صفر منطقي ، مستوى منخفض).

في مجال الإلكترونيات ، يتم تمثيل القليل من المعلومات في شكل مستوى جهد كهربي منخفض (قريب من 0) ومستوى جهد كهربي مرتفع (اعتمادًا على الجهاز المعين ، وغالبًا ما يتزامن مع فولطية العرض لعقدة رقمية معينة ، والقيم النموذجية هي 1.7 ، 3.3. 5V ، 15V).

جميع القيم الوسيطة بين المستويات المنخفضة والعالية المقبولة هي منطقة انتقالية وقد لا يكون لها قيمة محددة ، اعتمادًا على الدوائر ، قد يكون لكل من الجهاز ككل والدائرة الداخلية لجهاز التحكم الدقيق (أو أي جهاز رقمي آخر) مستوى انتقال مختلف ، على سبيل المثال ، لمدة 5 -منطق الفولت ، يمكن اعتبار قيم الجهد من 0 إلى 0.8 فولت صفرية ، ومن 2 فولت إلى 5 فولت كوحدة ، في حين أن الفجوة بين 0.8 و 2 فولت هي منطقة غير محددة ، فهي في الحقيقة تساعد على فصل الصفر عن الوحدة.

كلما كانت القيم التي تحتاج إلى تخزينها أكثر دقة وروعة ، كلما زاد عدد البتات التي تحتاجها ، نقدم مثالاً على جدول مع عرض رقمي بأربع قيم من الوقت في اليوم:

الليل - الصباح - المساء

لهذا نحتاج إلى 2 بت:

التناظرية إلى التحويل الرقمي

في الحالة العامة ، التحويل من التمثيلي إلى الرقمي هو عملية تحويل كمية مادية إلى قيمة رقمية. القيمة الرقمية هي مجموعة من الوحدات والأصفار التي يتصورها جهاز المعالجة.

مثل هذا التحول ضروري لتفاعل التكنولوجيا الرقمية مع البيئة.

نظرًا لأن الإشارة الكهربائية التماثلية تكرر إشارة الدخل في شكلها ، فلا يمكن تسجيلها رقميًا "كما هي" لأنها تحتوي على عدد لا حصر له من القيم. مثال على ذلك هو عملية تسجيل الصوت. يبدو في شكله الأصلي كما يلي:

إنه مجموع الأمواج بترددات مختلفة. والتي ، عند التحلل في الترددات (لمزيد من التفاصيل ، راجع تحويلات فورييه) ، بطريقة أو بأخرى ، يمكن تقريبها من صورة مماثلة:

حاول الآن تقديمه في شكل مجموعة من النوع "111100101010100" ، إنه أمر صعب إلى حد ما ، أليس كذلك؟

مثال آخر على الحاجة إلى تحويل كمية تمثيلية إلى كمية رقمية هو القياس: تتفاعل مقاييس الحرارة الإلكترونية ، الفولتميتر ، ومقاييس التيار الكهربائي وأجهزة القياس الأخرى مع الكميات التناظرية.

كيف يتم التحويل؟

أولاً ، انظر إلى الرسم البياني للتحويل النموذجي للإشارة التناظرية إلى الرقمية والعكس. في وقت لاحق سوف نعود لها.

في الواقع ، هذه عملية معقدة ، تتكون من مرحلتين رئيسيتين:

1. تقديرية للإشارة.

2. الكمي حسب المستوى.

تقديرية الإشارة هي تحديد الفواصل الزمنية التي يتم خلالها قياس الإشارة. كلما كانت هذه الفجوات أقصر ، كلما كان القياس أكثر دقة. فترة أخذ العينات (T) هي طول الفترة الزمنية من بداية قراءة البيانات إلى نهايتها. معدل أخذ العينات (و) هو المعادل:

fd = 1 / T

بعد قراءة الإشارة ، تتم معالجتها وتخزينها في الذاكرة.

اتضح أنه خلال الوقت الذي يتم فيه قراءة قراءات الإشارة ومعالجتها ، يمكن أن تتغير ، وبالتالي ، يتم تشويه القيمة المقاسة. هناك مثل هذه النظرية Kotelnikov والقاعدة التالية يتبع ذلك:

يجب أن يكون تردد أخذ العينات أكبر مرتين على الأقل من تردد إشارة العينة.

هذه لقطة من ويكيبيديا ، مع مقتطف من النظرية.

لتحديد القيمة العددية ، يكون التقدير حسب المستوى ضروريًا. الكم هو نطاق معين من القيم المقاسة ، يتم حساب متوسطه إلى عدد معين.

X1 ... X2 = س ص

أي إشارات من X1 إلى X2 ، معادلة مشروطة بقيمة محددة من Xy. هذا يشبه سعر تقسيم متر المؤشر. عندما تأخذ قراءات ، فغالبًا ما تساويها بأقرب علامة على مقياس الأداة.

لذلك مع الكمي حسب المستوى ، والمزيد من الكميات ، والقياسات أكثر دقة وأكثر المنازل العشرية (المئات ، والألف ، وهلم جرا) يمكن أن تحتوي.

بتعبير أدق ، يتم تحديد عدد المنازل العشرية بدلاً من ذلك بواسطة دقة ADC.

تُظهر الصورة عملية تقدير كمية الإشارة باستخدام جزء واحد من المعلومات ، كما ذكرت أعلاه ، عندما يتم قبول قيمة عالية المستوى عند تجاوز حد معين.

على اليمين يوجد تقدير كمي للإشارة ، وسجل في شكل قطعتي بيانات. كما ترون ، يتم تقسيم جزء الإشارة هذا بالفعل إلى أربع قيم. اتضح أنه نتيجة لذلك ، تحولت الإشارة التناظرية السلس إلى إشارة رقمية "خطوة".

يتم تحديد عدد مستويات الكمي بواسطة الصيغة:

حيث n هو عدد البتات ، N هو مستوى القياس الكمي.

فيما يلي مثال لإشارة مقسمة إلى عدد أكبر من الكميات:

يوضح هذا بوضوح تام أنه كلما تم أخذ قيم الإشارة في كثير من الأحيان (كلما زاد تردد أخذ العينات) ، كلما تم قياسها بدقة أكبر.

تُظهر هذه الصورة تحويل إشارة تمثيلية إلى نموذج رقمي ، وعلى يسار المحور الإحداثي (المحور العمودي) هو تسجيل رقمي 8 بت.

التناظرية إلى المحولات الرقمية

يمكن تنفيذ ADC أو محول تمثيلي إلى رقمي كجهاز منفصل أو يمكن دمجه متحكم.

في السابق ، لم تحتوي المتحكمات الدقيقة ، على سبيل المثال ، عائلة MCS-51 ، على ADC ، وتم استخدام الدائرة الخارجية الدقيقة لذلك ، وأصبح من الضروري كتابة روتين فرعي لمعالجة قيم IC خارجي.

الآن هم في معظم ميكروكنترولر ، على سبيل المثال AVR AtMEGA328 ، والتي هي أساس الأكثر شعبية لوحة الدوائر اردوينو، بنيت في MK نفسه. في Arduino ، قراءة البيانات التمثيلية بسيطة باستخدام الأمر AnalogRead (). على الرغم من أن المعالج الدقيق ، الذي تم تثبيته في نفس الشيء لا يقل شعبية عن Raspberry PI ، لا يمتلكه ، لذلك ليس كل شيء بهذه البساطة.

في الواقع ، هناك عدد كبير من الخيارات للمحولات التناظرية إلى الرقمية ، لكل منها عيوبها ومزاياها الخاصة. وصف أي من هذه المقالة لا معنى له ، نظرًا لأن هذه كمية كبيرة من المواد. النظر فقط في الهيكل العام للبعض منهم.

أقدم خيار ADC حاصل على براءة اختراع هو براءة اختراع Paul M. Rainey ، "Facsimile Telegraph System" ، الولايات المتحدة الأمريكية براءة اختراع 1608277 ، المحفوظة 20 يوليو 1921 ، صدر 30 نوفمبر 1926. هذا هو ADC تحويل 5 بت المباشر. من اسم براءة الاختراع ، تأتي الأفكار إلى أن استخدام هذا الجهاز كان مرتبطًا بنقل البيانات عبر التلغراف.

إذا تحدثنا عن التحويلات المباشرة الحديثة للتحويل المباشر ، فسيكون لديهم المخطط التالي:

هذا يدل على أن المدخلات هي سلسلة من المقارنةالذي يخرج إشارة عند عبور بعض إشارة العتبة. هذا هو عمق بت والكمي. أي شخص حتى قوي قليلا في الدوائر ، ورأى هذه الحقيقة واضحة.

من ليس قويًا ، فإن دائرة الإدخال تعمل بهذه الطريقة:

إشارة التناظرية هي المدخلات إلى "+" المدخلات ، في وقت واحد. تستقبل المخرجات ذات التعيين "-" الجهد المرجعي ، والذي يتحلل باستخدام سلسلة من المقاومات (مقسم مقاوم) إلى عدد من الفولتية المرجعية. على سبيل المثال ، سلسلة لهذه السلسلة تبدو مثل هذه النسبة:

Urefi = (1/16 ، 3/16 ، 5/16 ، 7/16 ، 9/16 ، 11/16 ، 13/16) * Uref

في الأقواس ، تشير الفاصلة إلى أي جزء من إجمالي الجهد المرجعي المقدم من Uref إلى مدخلات كل جهد إدخال.

أي يحتوي كل عنصر من العناصر على مدخلات اثنين عند توقيع جهد الدخل «+» يتجاوز جهد الدخل بعلامة "-" ، تظهر وحدة منطقية في الإخراج. عندما يكون الجهد عند المدخل الموجب (غير المقلوب) أقل من المدخل السالب (المقلوب) ، يكون الناتج عند الصفر.

يتم تقسيم الجهد بحيث يتم تقسيم جهد الدخل إلى العدد المطلوب من الأرقام. عندما يصل الجهد عند الإدخال إلى خرج العنصر المقابل ، تظهر إشارة ، تقوم دائرة المعالجة بإخراج الإشارة "الصحيحة" في شكل رقمي.

هذه المقارنة جيدة في سرعة معالجة البيانات ، ويتم تشغيل جميع عناصر دائرة الإدخال بشكل متوازٍ ، ويتشكل التأخير الرئيسي لهذا النوع من ADC من تأخير مقارنة واحدة (يتم تشغيلها في وقت واحد) والتأخير هو تشفير.

ومع ذلك ، هناك عيب كبير من الدوائر المتوازية - وهذا هو الحاجة إلى عدد كبير من المقارنة للحصول على ADC عالية الدقة. للحصول على ، على سبيل المثال ، 8 أرقام ، تحتاج إلى مقارنات 2 ^ 8 ، وهذا ما يصل إلى 256 قطعة. للحصول على عشرة بت (في Arduino 10 بت ADC ، بالمناسبة ، ولكن من نوع مختلف) ، تحتاج إلى 1024 مقارنة. حدد لنفسك مدى ملاءمة خيار العلاج هذا ، وحيث قد تكون هناك حاجة إليه.

هناك أنواع أخرى من ADC:

• تقريب متتالي

• دلتا سيغما ADC.

استنتاج

يعد تحويل إشارة تمثيلية إلى رقمية أمرًا ضروريًا لقراءة المعلمات من أجهزة الاستشعار التمثيلية. هناك نوع منفصل من أجهزة الاستشعار الرقمية ، فهي إما دوائر متكاملة ، على سبيل المثال DS18b20 - عند إنتاجها هناك بالفعل إشارة رقمية ويمكن معالجتها بواسطة أي ميكروكنترولر أو معالجات دقيقة دون الحاجة إلى ADC ، أو جهاز استشعار تمثيلي على لوحة لديها بالفعل محول خاص بها. كل نوع من أجهزة الاستشعار له إيجابيات وسلبيات ، مثل مناعة الضوضاء وخطأ القياس.

معرفة مبادئ التحويل إلزامية لكل من يعمل مع المتحكمات الدقيقة ، لأنه حتى في كل نظام حديث يحتوي على مثل هذه المحولات ، يجب عليك استخدام الدوائر الدقيقة الخارجية. على سبيل المثال ، يمكننا الاستشهاد بمثل هذه اللوحة المصممة خصيصًا للموصل Raspberry PI GPIO بدقة ADC على ADS1256.