Что такое плата аналого-цифрового преобразователя?

Что такое плата аналого-цифрового преобразователя

Аналогово-цифровой преобразователь — это плата, которая имеет функцию преобразования различных аналоговых сигналов в цифровые. Они доступны с различными интерфейсами для встраиваемых приложений.

Доступны продукты с такими интерфейсами, как PCI-Express для встроенных ПК, FMC для подключения в качестве дочерней платы к другим платам и USB.

Применение платы аналого-цифрового преобразователя

Аналого-цифровые преобразовательные платы в основном используются для преобразования аналоговых сигналов, полученных различными датчиками, в цифровые сигналы для обработки микроконтроллерами и другими устройствами.

1. Измерение и мониторинг

Аналогово-цифровые преобразовательные платы используются для преобразования физических величин, таких как температура, давление, свет и звук, в цифровые сигналы. Это позволяет получать сигналы от датчиков для измерения и мониторинга. Примерами служат контроль качества продукции на заводах и мониторинг окружающей среды.

2. Сбор и обработка данных

Аналого-цифровые преобразовательные платы используются для получения и обработки данных путем преобразования аналоговых сигналов в цифровые. Примерами являются получение сигналов ЭКГ в медицинском оборудовании и обработка звука.

3. Обработка сигнала

Аналогово-цифровые преобразовательные платы используются для выполнения цифровой обработки сигнала. Примерами являются аудиофильтрация и анализ формы сигнала.

Принцип работы аналого-цифровых преобразовательных плат

Аналого-цифровое преобразование преобразует аналоговый сигнал в цифровой сигнал с помощью следующих шагов дискретизации, квантования и кодирования.

1. Дискретизация

Значение амплитуды аналогового сигнала, который является непрерывным сигналом, дискретизируется в дискретные периоды. Период в это время называется периодом дискретизации и в основном выражается символом Ts. Формула расчета выглядит следующим образом:

Период дискретизации: Ts = 1/Fs (Fs: частота дискретизации)

2. Квантование

Значение амплитуды, вырезаемое на дискретном периоде (периоде дискретизации) путем дискретизации, аппроксимируется до дискретного значения амплитуды, чтобы его можно было преобразовать в цифровой сигнал.

Ошибка, возникающая при квантовании, называется ошибкой квантования и выражается следующим уравнением:

Ошибка квантования = (выбранное значение) — (квантованное значение)

Квантование выполняется путем сравнения входного напряжения с опорным напряжением. В зависимости от метода сравнения существуют методы, которые обеспечивают высокоточное преобразование и высокоскоростную выборку.

3. Кодирование

Дискретное значение амплитуды, аппроксимированное квантованием, преобразуется в двоичный код 0 и 1.

Типы плат аналого-цифрового преобразователя

Типы плат аналого-цифрового преобразователя классифицируются в соответствии с методом преобразования АЦП. Три основных метода следующие:

1. Последовательное сравнение

Метод преобразования АЦП последовательного типа преобразует аналоговый сигнал в цифровой сигнал путем сравнения напряжений. Аналоговый сигнал сравнивается с напряжением, которое нужно сравнить, и биты определяются один за другим.

Максимальное разрешение составляет 18 бит, а максимальная частота дискретизации составляет около 10 МГц. Требуется внешний фильтр сглаживания.

2. Дельта-сигма

Метод преобразования АЦП типа дельта-сигма использует технологию модуляции дельта-сигма для преобразования аналоговых сигналов в цифровые сигналы. Это метод, который обеспечивает наивысшее разрешение с максимальным разрешением около 32 бит, но он медленный с максимальной частотой дискретизации около 1 МГц.

3. Конвейер

Метод конвейерного преобразования АЦП делит аналоговый сигнал на несколько этапов в структуре конвейера и обрабатывает их параллельно для достижения высокоскоростного преобразования. Каждый этап преобразует аналоговый сигнал в цифровой сигнал и передает его на следующий этап.

Максимальная частота дискретизации составляет 1 ГГц, а максимальное разрешение — около 16 бит. Стоимость высока из-за сложности схемы.

Как выбрать плату аналого-цифрового преобразователя

1. Разрешение

Выберите плату аналого-цифрового преобразователя с требуемым разрешением. Например, если плата будет использоваться для управления обратной связью, определите разрешение на основе требований к точности. 

2. Период дискретизации

Определите период выборки в соответствии с диапазоном частот целевого сигнала. Теоретически требуется период выборки, в два раза превышающий диапазон частот, но на практике говорят, что он составляет 10 раз.

3. Количество входных каналов

Платы аналого-цифрового преобразователя бывают разных типов: от одноканальных до с несколькими сотнями каналов. В зависимости от количества измеряемых сигналов следует выбирать необходимое количество входных каналов.

4. Интерфейс ввода/вывода

Платы аналого-цифрового преобразователя часто имеют такие интерфейсы, как USB, FMC и PCI Express. Соответствующий интерфейс следует выбирать в соответствии с используемым интерфейсом.

5. Программное обеспечение

Платы аналого-цифрового преобразователя могут поставляться с измерительным программным обеспечением. Это программное обеспечение обеспечивает такие функции, как сбор данных, обработка, отображение и хранение. В зависимости от цели использования необходимо проверить наличие программного обеспечения с требуемыми функциями.

6. Стоимость

В зависимости от требуемой точности, частоты дискретизации и количества входных каналов следует выбрать соответствующий ценовой диапазон.