Analógovo-digitálny prevodník

Analógovo-digitálny prevodník alebo analógovo-číslicový prevodník (skratky A/D, ADC z angl. analog-to-digital converter) je elektronické zariadenie na prevod analógového signálu na digitálny signál. Vykonáva opačný prevod ako digitálno-analógový prevodník.

Využitie

Prevod analógového signálu na digitálny je využívaný pomerne často, keďže signály sa skoro výlučne analyzujú a spracovávajú číslicovo. Príkladom konkrétnych aplikácií analógovo-digitálneho prevodu sú elektronické diktafóny, mobilné telefóny, kamery s digitálnym záznamom, automatizované zberače dát v laboratóriách s následným digitálnym vyhodnotením a archiváciou nameraných dát, či plynový pedál v moderných automobiloch, ktorý už nie je spojený lankom s klapkou na prívod vzduchu, ale uhol jeho stlačenia je meraný potenciometrom, ďalej zdigitalizovaný – s následnou vypočítanou akciou klapky prívodu vzduchu, ktorá je ovládaná motorovým aktorom.

Druhy bežne používaných ADC

• integračný, s dvojnásobnou integráciou – pomalý ale presný, používaný najmä v meracích prístrojoch
• s postupnou aproximáciou (kombinácia digitálno-analógového prevodníka, komparátora a príslušnej logiky) – stred v cene, rýchlosti aj presnosti
• flash (najrýchlejší, sústava komparátorov a napäťových referencií)

Teória Analógovo-digitálnych prevodníkov

Pri digitalizácii analógovej informácie existuje nespočetné množstvo metód. V nasledujúcom texte sú zhrnuté najjednoduchšie alebo naopak zložité, ale osvedčené.

Integračná metóda

Prevodníky postavené na dvojstupňovej integrácii sú najčastejšie využívané v digitálnych meracích prístrojoch. Dôvodom je ich presnosť a odolnosť voči starnutiu prvkov. Ich najchúlostivejšou časťou je integračný článok, ktorý sa však dnes dá vyrobiť veľmi presne.

Opis funkcie

• v dobe T1 je pripojené Vx, táto doba je konštantná a je daná časom zaplnenia čítača, čiže načítanie 2ⁿ impulzov
• potom sa integrátor pripojí k Vref (má opačnú polaritu ako Vx), nastáva pokles a táto doba končí, keď výstupné napätie prechádza nulou a komparátor dá povel na ukončenie prevodu
• doba T2 je mierou veľkosti signálu Vx a meria sa počtom impulzov, ktoré čítač načíta v tejto dobe
• na začiatku konverzie je spínač S1 krátko zopnutý a na výstupe integrátoru je nulové napätie, hneď ako sa otvorí na výstupe narastá napätie so strmosťou $\left[{\frac {dV_{1}}{dt}}\right]_{behomT_{1}}={\frac {V_{x}}{RC}}$
• po načítaní 2ⁿ impulzov sa čítač nuluje, spínač S1 sa prepne na Vref a na výstupe integrátora bude napätie klesať so strmosťou $\left[{\frac {dV_{1}}{dt}}\right]_{behomT_{2}}=-{\frac {V_{ref}}{RC}}$
• pritom sa čítajú hodinové impulzy až do nulového napätia na výstupe integrátora, ich počet je daný vzťahom

$M=|-V_{x}|{\frac {2^{n}}{V_{ref}}}$

Metóda využitia medziprevodu napätia na frekvenciu

Prevodníky pracujúce na princípe prevodu U na f sa skladajú zo štyroch základných častí:

• prevodník napätia na frekvenciu - jednoduchý napätím preladiteľný oscilátor, obvod s využívajúci integrátor
• generátor hodinového signálu
• komparačné AND hradlo
• čítač frekvencie

Opis funkcie

• najprv sa prevedie napätie na frekvenciu
• potom sa signál s frekvenciou závislou na vstupnom napätí privedie na porovnávacie AND hradlo
• na druhý vývod tohto hradla sa privedie hodinový signál
• na výstupe sa objaví výsledok, ktorý čítač navzorkuje a podá ďalej

Pozn.: Pri prevode U na f sa najčastejšie využívajú integrátory, preto by bolo možné zaradiť aj tento ADC medzi integračné.

Aproximačná metóda

Aproximačné prevodníky, v literatúre tiež ako kompenzačné alebo prevodníky s postupnou aproximáciou, sú v podstate spätnoväzbové systémy, ktoré autonómne generujú signál a ten následne porovnávajú so vstupným. Pohybujú sa v binárnom strome, odkiaľ čerpajú digitálne kombinácie potrebné kombinácie ako vzory pre generovanie analógového signálu.

Opis funkcie

• na začiatku je register postupných aproximácií vynulovaný
• v prvom kroku je do neho zapísaná 1 ako najvyšší bit a ostatné sú nulové
• vygeneruje sa signál (zodpovedajúci 100 – 0) a ten sa porovná so vstupným
• podľa výsledku porovnania sa rozhodne o platnosti 1 alebo nahradení 0, ak je vstupný signál nižšej úrovne
• tento proces pokračuje pokiaľ sa nenavzorkuje daný počet bitov
• vzorkovanie sa v podstate stáva pohybom po binárnom strome úrovne rovnej rozlíšeniu aproximácie

Pozn.: Pohyb po binárnom strome možností je na nasledujúcom obrázku:

Pozn.: Výhoda tohto prevodníka je jeho rýchlosť, pretože na navzorkovanie N bitov potrebuje N hodinových impulzov, čo je značné zníženie počtu voči integračnému, ktorý ich potreboval 2^N

Metóda založená na sledovaní vstupného signálu

Prevodníky založené na tejto technológii sú podobné aproximačným prevodníkom, ale nepoužívajú zložitú pamäť. Pamäť je nahradená vratným čítačom.

Opis funkcie

• prevodník sa skladá z troch častí: komparátor, vratný čítač, n-bit D/A prevodník
• signál z D/A prevodníka a vstup sú privedené na vstup komparátora
• výstup komparátora je pripojený na vratný čítač, ktorý sa podľa neho inkrementuje alebo dekrementuje
• jeho hodnota je výstupom a zároveň opravným signálom, ktorý vstupuje do D/A a následne do komparátora

Pozn.: Jeho rýchlosť je značne obmedzená neschopnosťou vykonať náhle skoky, mnohým aplikáciám však plne vyhovuje, kvôli vyhladenému a spojitému výstupu

Metóda paralelného vzorkovania

Prevodníky využívajúce túto metódu sú najrýchlejšími prevodníkmi, pretože dokážu navzorkovať celé binárne slovo naraz. Ich funkcia je založená na rozložení úrovne vstupného signálu na rezistorovom rade. Napätie je snímané na každom spoji dvoch rezistorov. Z toho vyplýva aj jeho najväčšia nevýhoda, čo je konštrukčná zložitosť. Na n-bitov totiž treba 2ⁿ-1 komparátorov a 2ⁿ rezistorov. Aj napriek tomu sa kvôli svojej rýchlosti často používajú. Pozn.: Nasledujúci obrázok je hrubá schéma jeho stavby:

Pozri aj

• Digitálno-analógový prevodník.