Nozioni di base sui convertitori analogico-digitali
I convertitori analogico-digitali (ADC) sono un componente importante quando si tratta di gestire sistemi digitali che comunicano con segnali in tempo reale. Con lo IoT che si sviluppa rapidamente per essere applicato nella vita quotidiana, i segnali del mondo reale/tempo devono essere letti da questi sistemi digitali per fornire accuratamente informazioni vitali. Approfondiremo il funzionamento degli ADC e la teoria che li sostiene.
Nel mondo reale, i segnali analogici sono segnali che hanno una sequenza continua con valori continui (ci sono alcuni casi in cui può essere finita). Questi tipi di segnali possono provenire da suoni, luce, temperatura e movimento. I segnali digitali sono rappresentati da una sequenza di valori discreti dove il segnale è suddiviso in sequenze che dipendono dalla serie temporale o dalla frequenza di campionamento (più avanti su questo). Il modo più semplice per spiegarlo è attraverso un'immagine! Figura 1 mostra un ottimo esempio di come appaiono i segnali analogici e digitali.
Come funziona un ADC?
Un segnale continuo (analogico) che si trasforma in un segnale digitale. (Fonte: Waqas Akram – Quantization in ADCs)
Figura 1
Microcontrollers non possono leggere valori a meno che non siano dati digitali. Questo perché i microcontrollori possono vedere solo i "livelli" della tensione, che dipendono dalla risoluzione dell'ADC e dalla tensione di sistema.
Gli ADC seguono una sequenza quando convertono segnali analogici in digitali. Prima campionano il segnale, poi lo quantificano per determinare la risoluzione del segnale, e infine impostano valori binari e li inviano al sistema per leggere il segnale digitale. Due aspetti importanti dell'ADC sono la sua frequenza di campionamento e la risoluzione.
Qual è la frequenza/velocità di campionamento dell'ADC?
La frequenza di campionamento dell’ADC, nota anche come frequenza di campionamento, può essere collegata alla velocità dell’ADC. La frequenza di campionamento è misurata in "campioni al secondo", dove le unità sono in SPS o S/s (o se si utilizza la frequenza di campionamento, sarebbe in Hz). Questo significa semplicemente quanti campioni o punti dati vengono raccolti in un secondo. Più campioni l'ADC raccoglie, maggiore sarà la frequenza che può gestire.
Un'importante equazione sulla frequenza di campionamento è:
fs = 1/T
Dove,
fs = Frequenza di campionamento
T = Periodo del campione o il tempo necessario prima di campionare di nuovo
Ad esempio, in Figura 1, sembra che fs sia 20 S/s (o 20 Hz), mentre T sia 50 ms. La frequenza di campionamento è molto lenta, ma il segnale è comunque simile al segnale analogico originale. Questo perché la frequenza del segnale originale è 1 Hz, il che significa che la frequenza era ancora sufficientemente buona per ricostruire un segnale simile.
"Cosa succede quando la frequenza di campionamento è considerevolmente più lenta?" potreste chiedere. È importante conoscere la frequenza di campionamento dell’ADC perché dovrete sapere se causerà aliasing. L'aliasing significa che quando un'immagine/segnale digitale viene ricostruito, differisce notevolmente dall'immagine/segnale originale a causa del campionamento.
Se la frequenza di campionamento è lenta e la frequenza del segnale è alta, l’ADC non sarà in grado di ricostruire il segnale analogico originale, il che causerà al sistema la lettura di dati errati. Un buon esempio è mostrato nella Figura 2.
Un esempio di come si verifica l'aliasing. (Fonte: Tony R. Kuphaldt - Lezioni sui circuiti elettrici)
Figura 2
In questo esempio, puoi vedere dove avviene il campionamento nel segnale di ingresso analogico. L'uscita del segnale digitale non è affatto vicino al segnale originale poiché la frequenza di campionamento non è abbastanza alta da tenere il passo con il segnale analogico. Questo causa aliasing e ora il sistema digitale mancherà del quadro completo del segnale analogico.
Una regola pratica per capire se si verificherà aliasing è utilizzare il Teorema di Nyquist. Secondo il teorema, la frequenza di campionamento deve essere almeno il doppio rispetto alla frequenza più alta nel segnale per ricreare il segnale analogico originale. La seguente equazione viene utilizzata per trovare la frequenza di Nyquist:
fNyquist = 2fMax
Dove,
fNyquist = frequenza di Nyquist
fMax = La frequenza massima che appare nel segnale
Ad esempio, se il segnale che inserisci nel sistema digitale ha una frequenza massima di 100 kHz, allora la frequenza di campionamento del tuo ADC deve essere uguale o superiore a 200 kS/s. Questo permetterà una ricostruzione efficace del segnale originale.
È anche bene notare che ci sono casi in cui il rumore esterno può introdurre frequenze inaspettatamente elevate nel segnale analogico, che possono disturbare il segnale perché la frequenza di campionamento non riesce a gestire la frequenza del rumore aggiunto. È sempre una buona idea aggiungere un filtro anti-aliasing (filtro passa-basso) prima che l'ADC e il campionamento inizino, poiché può prevenire che frequenze elevate inaspettate raggiungano il sistema.
Come si determina la risoluzione dell'ADC?
La risoluzione dell'ADC può essere collegata alla precisione dell'ADC. La risoluzione dell'ADC può essere determinata dalla sua lunghezza in bit. Un rapido esempio di come aiuta il segnale digitale a produrre un segnale più accurato è mostrato in Figura 3. Qui puoi vedere che l'1-bit ha solo due "livelli". Aumentando la lunghezza in bit, i livelli aumentano, facendo sì che il segnale rappresenti più fedelmente il segnale analogico originale.
Esempio su come la risoluzione influisce sul segnale digitale. (Fonte: Apple Inc – Soundtrack Pro 3: Fondamenti audio)
Figura 3
Se hai bisogno di un livello di tensione preciso affinché il tuo sistema lo legga, allora la risoluzione in bit è importante da conoscere. La risoluzione dipende sia dalla lunghezza dei bit sia dalla tensione di riferimento. Queste equazioni ti aiutano a determinare la risoluzione totale del segnale che stai cercando di immettere in termini di tensione:
Formula di risoluzione ADC di esempio:
Dimensione del passo = VRef/N
Dove,
Dimensione del passo = La risoluzione di ciascun livello in termini di tensione
VRef = La tensione di riferimento (intervallo di tensioni)
N = Dimensione totale dei livelli dell'ADC
Per trovare la dimensione N, usa questa equazione:
N = 2n
Dove,
n = Dimensione in bit
Ad esempio, supponiamo di dover leggere un'onda sinusoidale con un intervallo di tensione di 5. L'ADC ha una dimensione in bit di 12 bit. Inserendo 12 in n nell'equazione 4, N sarà 4096. Con ciò noto e con la tensione di riferimento impostata a 5V, si avrà: Dimensione del passo = 5V/4096. Si troverà che la dimensione del passo sarà di circa 0,00122V (o 1,22mV). Questo è preciso poiché il sistema digitale sarà in grado di rilevare quando la tensione cambia con un'accuratezza di 1,22mV.
Se l'ADC aveva una lunghezza in bit molto piccola, supponiamo solo 2 bit, allora l'accuratezza si ridurrebbe a soli 1,25V, il che è molto scarso poiché sarà in grado di indicare al sistema solo quattro livelli di tensione (0V, 1,25V, 2,5V, 3,75V e 5V).
Figura 4 mostra le lunghezze in bit comuni e il loro numero di livelli. Mostra anche quale sarebbe la dimensione del passo per un riferimento di 5V. Puoi vedere quanto diventa preciso man mano che aumenta la lunghezza dei bit.
Lunghezza del bit e il loro numero di livelli e dimensione del passo per un intervallo di riferimento di 5V.
Figura 4
Comprendendo sia la risoluzione che i tassi di campionamento dell'ADC, puoi capire quanto sia importante conoscere questi valori e cosa aspettarsi dal tuo ADC.
Analog Devices da considerare
Analog Devices offre una vasta gamma di ADC di alta qualità e affidabilità, che possono essere convertitori generici o per scopi speciali. Eccone alcuni da considerare per il tuo prossimo progetto:
AD7175-2 (Risoluzione massima: 24 bit | Frequenza di campionamento massima: 250 kSPS)
L'AD7175-2 è un convertitore analogico-digitale Delta-Sigma per ingressi a bassa larghezza di banda. Ha basso rumore, rapida stabilizzazione, multiplexed, 2-/4-canali che hanno una velocità massima di scansione dei canali di 50 kSPS (20µs) per dati completamente stabilizzati. Le velocità dei dati in uscita possono variare da 5 SPS a 250 kSPS. È anche possibile configurare un'impostazione individuale per ciascun canale di ingresso analogico in uso e avere una risoluzione massima di 24 bit. Le applicazioni includono: controllo di processo (moduli PLC/DCS), misurazione di temperatura e pressione, strumentazione medica e scientifica multicanale, e cromatografia.
AD9680 (Risoluzione massima: 14-bit | Frequenza di campionamento massima: 1.25 GSPS)
Questo ADC ha una vasta larghezza di banda a piena potenza che supporta il campionamento IF di segnali fino a 2GHz. Dispone di quattro filtri di decimazione a banda larga integrati e i suoi blocchi oscillatori numericamente controllati (NCO) supportano ricevitori multibanda. Con i suoi ingressi bufferizzati con terminazione d'ingresso programmabile, facilita la progettazione e l'implementazione dei filtri. Le applicazioni includono: comunicazioni, radiocomunicazioni generiche, ricevitori satellitari a banda ultralarga, strumentazione, radar e molto altro.
AD7760 (Risoluzione massima: 24-bit | Frequenza di campionamento massima: 2.5 MSPS)
AD7760 è un ADC sigma-delta ad alte prestazioni che combina la larghezza di banda d'ingresso e l'alta velocità con i vantaggi di una conversione sigma-delta per ottenere una prestazione di 100 dB ANR a 2,5 MSPS, rendendolo ideale per l'acquisizione dati ad alta velocità. Può semplificare il processo di progettazione con la sua ampia gamma dinamica combinata con requisiti di antialiasing significativamente ridotti. Le applicazioni includono: sistema di acquisizione dati, analisi delle vibrazioni, e strumentazione.
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