Как происходит преобразование аналогового сигнала в цифровой

В элeктрoникe сигнaлы дeлят нa: aнaлoгoвыe, дискрeтныe и цифрoвыe. Нaчнeм с тoгo, чтo всe, чтo наш брат чувствуeм, видим, слышим в бoльшинствe свoeм являeтся aнaлoгoвым сигнaлoм, a тo, чтo видит прoцeссoр кoмпьютeрa – этo цифрoвoй сигнaл. Престижно нe сoвсeм пoнятнo, пoэтoму дaвaйтe рaзбирaться с этими oпрeдeлeниями и с тeм кaк oдин сорт сигнaлoв прeoбрaзoвывaeтся в другoй.

Сoдeржaниe стaтьи

• Типы сигнaлoв

• Aнaлoгoвo-цифрoвoe прeoбрaзoвaниe

• Кaк прoисxoдит прeoбрaзoвaниe?

• Aнaлoгoвo-цифрoвыe прeoбрaзoвaтeли

• Oбучeниe прoгрaммирoвaнию и сoздaнию устрoйств нa микрoкoнтрoллeрax AVR

Типы сигнaлoв

В элeктричeскoм прeдстaвлeнии aнaлoгoвый сигнaл, клеймящий пo eгo нaзвaнию, являeтся aнaлoгoм рeaльнoй вeличины. Нaпримeр, вас чувствуeтe тeмпeрaтуру oкружaющeй срeды пoстoяннo, нa прoтяжeнии всeй жизни. Нeт никaкиx пeрeрывoв. Возле этoм вы чувствуeтe нe тoлькo двa урoвня «гoрячo» и «xoлoднo», a бeскoнeчнoe числo oщущeний, кoтoрыe oписывaют эту вeличину.

С целью чeлoвeкa «xoлoднo» мoжeт бытовать пo рaзнoму, этo и oсeнняя прoxлaдa и зимний мoрoз, и лeгкиe зaмoрoзки, нo нe всeгдa «xoлoднo» этo oтрицaтeльнaя тeмпeрaтурa, кaк и «тeплo» — нe всeгдa пoлoжитeльнaя тeмпeрaтурa.

Oтсюдa подобает, что у аналогового сигнала двум особенности:

1. Непрерывность закачаешься времени.

2. Число величин сигнала стремится к бесконечности, т.е. аналоговый отбой нельзя точно разделить на части другими словами проградуировать, разбив шкалу возьми конкретные участки. Способы измерения – основаны в единице измерений, и их истина зависит лишь ото цены деления шкалы, нежели она меньше, тем конкретнее измерение.

Дискретные сигналы – сие сигналы, которые представляют на вывеску последовательность отчетов сиречь измерений какой-либо величины. Измерения таких сигналов невыгодный непрерывны, а периодичны.

Попытаюсь втолковать. Если вы установили термометр идеже-нибудь он измеряет аналоговую величину – сие следует из вышеописанного. Да вы, фактически следя ради его показаниями, получаете дискретную информацию. Разрывный – значит сепаратный.

Например, вы проснулись и узнали, сколь градусов на термометре, в будущий раз вы в него посмотрели держи градусник в полдень, и беспристрастный раз вечером. Ваш брат не знаете, с какой-нибудь скоростью изменялась жар, равномерно, или резким скачком, ваша милость знаете только талантливость в тот момент времени, каковой наблюдали.

Цифровые сигналы – сие набор уровней, подобно 1 и 0, высокий и циничный, есть или на гумне — ни снопа. Глубина отражения информации в цифровом виде ограничена разрядностью цифрового устройства (набора логики, микроконтроллера, процессора etc.) Стало что для хранения булевых данных возлюбленный подходит идеально. (наглядный), можно привести ближайший, для хранений данных в виде «День» и «Никта», достаточно 1 биток информации.

Бит – сие минимальная величина представления информации в цифровом виде, в нём может содержаться только два как значений 1 (логическая зерно, высокий уровень), река (логический ноль, грязный уровень).

В электронике двоичный знак информации представляется в виде низкого уровня напряжения (близкое к 0) и высокого уровня напряжения (зависит через конкретного устройства, тысячекратно совпадает с напряжением питания данного цифрового узла, типовые значения – 1.7, 3.3. 5В, 15В).

До сего времени промежуточные значения средь принятыми низким и высоким уровнем являются переходной областью и могут безлюдный (=малолюдный) обладать конкретным значением, в зависимости ото схемотехники, как устройства в целом, просто так и внутренней схемы микроконтроллера (другими словами любого другого цифрового устройства) могут заключать разный переходный ординар, например для 5-тивольтовой логики вслед за ноль могут предпринимать. Ant. кончать значения напряжения ото до 0.8В, а вслед за единицу от 2В вплоть до 5В, при этом пробел между 0.8 и 2В – сие неопределенная зона, в конечном счете с ее помощью отделяется последняя спица в колеснице от единицы.

Нежели более точные и ёмкие значения нужно не терять, тем больше нужно двоичный знак, приведем таблицу-прототип с отображением в цифровом виде четырёх значений времени суток:

Ночка – Утро – Понедельник – Вечер

В целях этого нам нужно сейчас 2 бита:

Аналогово-цифровое перемена

В общем случае аналогово-цифровым преобразованием называется суд перевода физической величины в цифровое роль. Цифровым значением является после единиц и нолей воспринятых обрабатывающим устройством.

Такое приведение нужно для взаимодействия цифирный техники с окружающей средой.

Приближенно как аналоговый гальванический сигнал повторяет своей формой входной звонок, он не может (пре)бывать записан в цифровом виде «неведомо зачем как есть» ибо он имеет бесконечное чисел значений. Примером позволено привести процесс дневник звука. Он в первичном виде выглядит в) такой степени:

Он представляет на вывеску сумму волн с различными частотами. Которые, присутствие разложении по частотам (подробнее об этом как вам угодно преобразования Фурье), в среднем или иначе, позволительно приблизить к похожей картинке:

В (настоящее попробуйте это доставить в виде набора как «111100101010100», шабаш сложно, не беспричинно ли?

Другим примером необходимости преобразования аналоговой величины в цифровую, является её замер: электронные термометры, вольтметры, амперметры и другие измерительные приборы взаимодействую с аналоговыми величинами.

(то) есть происходит преобразование?

Первое дело посмотрите на схему типового преобразования аналогового сигнала в численный и обратно. Позже автор к ней вернемся.

Документально это сложный гибридизм, который состоит с двух основных этапов:

1. Дискретизация сигнала.

2. Квантование точно по уровню.

Дискретизация сигнала сие определения промежутков времени, получай которых измеряется фанфара. Чем короче сии промежутки – тем лучше измерение. Периодом дискретизации (Т) называется сегмент времени от основные положения считывания данных вплоть до его конца. Колебание дискретизации (f) – сие обратная величина:

fд=1/Т

Чрез (год) считывания сигнала происходит его обтачивание и сохранение в память.

Таким образом, что за час(ы), которое считываются и обрабатываются сведения сигнала, он может трансформироваться, таким образом, происходит искривление измеряемой величины. Унич такая теорема Котельникова и изо нее вытекает такое статут:

Частота дискретизации должны присутствовать как минимум в 2 раза чище чем частота дискретизируемого сигнала.

Сие скриншот из википедии, с выдержкой с теоремы.

Для определения численного вес необходимо квантование сообразно уровню. Квант – сие определенный промежуток измеряемых значений, усреднено наведенный к определенному числу.

X1…X2=Xy

Т.е. сигналы величиной ото X1 до X2, условно приравнивается к определенному значению Xy. Сие напоминает цену деления стрелочного измерительного прибора. Когда-никогда вы снимаете сведения, зачастую вы их равняете до ближайшей отметке для шкале прибора.

Где-то и с квантованием по уровню, нежели больше квантов, тем побольше точные измерения и тем в большей степени знаков после запятой (сотых, тысячных и что-то около далее значений) они могут заключать в себе.

Точнее сказать тысяча знаков после запятой поскорее определяется разрядностью АЦП.

Получай картинке изображен процедура квантования сигнала с через одного бита информации, сиречь я описывал выше, как-нибуд при превышении определенного предела принимается функция высокого уровня.

По правую руку показано квантование сигнала, и уравнение в виде двух двоичная единица информации данных. Как видите, данный фрагмент сигнала разбит уж на четыре значения. Из чего можно заключить, что в результате зализанный аналоговый сигнал превратился в нумерационный «ступенчатый» клаксон.

Количество уровней квантования определяется ровно по формуле:

Где n — величина разрядов, N — ярус квантования.

Вот иллюстрация сигнала разбитого для большее число квантов:

Отселе очень хорошо небось, что чем чаще снимаются значения сигнала (сильнее частота дискретизации), тем правильнее он измеряется.

Получай этой картинке изображено превращение аналогового сигнала в дигитальный вид, а слева через оси ординат (вертикальной оси) фанера в цифровом 8-битном виде.

Аналогово-цифровые преобразователи

АЦП иначе Аналогово-цифровой сканистор может выполняться в виде отдельного устройства иль быть встроенным в микроконтроллер.

Досель в микроконтроллеры, например семейства MCS-51, далеко не содержали в своем составе АЦП, использовалась в целях этого внешняя чип и возникала необходимость намарывать подпрограмму обработки значений внешней ИМС.

Вот-вот они есть в большинстве современных микроконтроллеров, а именно AVR AtMEGA328, некоторый является основой большинства популярных палица Ардуино, он встроен в самовольно МК. На языке Arduino прочитывание аналоговых данных осуществляется попросту – командой AnalogRead(). Добро бы в микропроцессоре, который установлен в праздник же не больше популярной Raspberry PI его в помине (заводе) нет, так что далеко не все так прямо.

Фактически существует большое мера вариантов аналогово-цифровых преобразователей, у каждого изо которых есть домашние недостатки и преимущества. Определять которые в пределах этой статьи безграмотный имеет особого смысла, скажем как это заметный объём материала. Рассмотрим не долее чем общую структуру некоторых с них.

Самым старым запатентованным вариантом АЦП, является документ Paul M. Rainey, «Facsimile Telegraph System,» U.S. Patent 1,608,527, Filed July 20, 1921, Issued November 30, 1926. Сие 5-ти битный АЦП прямого преобразования. С названия патента приходят мысли о фолиант, что использование сего прибора было связано с передачей данных вследствие телеграф.

Если барабанить о современных АЦП прямого преобразования имеют следующую схему:

Отселе видно, что сени представляет собой цепочку изо компараторов, которые получай выходе своем выдают клаксон при пересечении какого-в таком случае порогового сигнала. Сие и есть разрядность и квантование. Кто такой хоть немного силен в схемотехнике, увидел настоящий очевидный факт.

Кто именно не силен, так входная цепь работает таким образом:

Аналоговый аппель поступает на портал «+», в все сразу. Возьми выходы с обозначением «-» поступает опорное напряженная атмосфера, которое раскладывается с через цепочки резисторов (резистивного делителя) бери ряд опорных напряжений. К примеру, пробор для этой оковы выглядит наподобие такого соотношения:

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

В скобках вследствие запятую указано, какую верешок от общего опорного напряжения Uref подают в вход каждого входного напряжения.

Т.е. отдельный из элементов имеет чета входа, когда нака на входе со наслышан «+» превышает напряженная атмосфера на входе со наслышан «-», ведь на его выходе появляется логическая пример. Когда на положительном (неинвертирующем) входе тетанус меньше, чем держи отрицательно (инвертирующем), в таком случае на выходе – козявка.

Напряжение делиться таким образом, так чтоб входное напряжение поделить на нужное численность разрядов. При достижении напряжения для входе на выходе соответствующего элемента появляется тревога, схема обработки выводит «резонный» сигнал в цифровом виде.

Такого рода компаратор хорош скоростью обработки данных, весь век элементы входной оковы срабатывают параллельно, основная промедление этого вида АЦП формируется изо задержки 1 компаратора (по сию пору же одновременно единовременно срабатывают) и задержки кодировщик.

Однако есть гигантский недостаток параллельных цепей – сие необходимость большого числа компараторов, исполнение) получения АЦП высокой разрядности. В надежде получить, например 8 разрядов, нужно 2^8 компараторов, а сие целых 256 стукко. Для десятиразрядного (в ардуино 10-разрядный АЦП, в нужный момент, но другого подобно) нужно 1024 компаратора. Судите самочки о целесообразности такого варианта обработки, и идеже он может оказаться нужным.

Есть и другие надежда АЦП:

• последовательного приближения;

• буква-сигма АЦП.

Конверсия аналогового сигнала в нумерационный нужно для считывания параметров с аналоговых датчиков. Глотать отдельный вид цифровых датчиков, они представляют собою либо интегральные микросхемы, возьмем DS18b20 – в его выходе уж цифровой сигнал и его (бог) велел обрабатывать любыми микроконтроллерами иначе микропроцессорами без необходимости применения АЦП, либо аналоговый датчик получай плате на которой сейчас размещен свой перестройщик. У каждого типа датчиков (у)потреблять свои плюсы и минусы, такие (как) будто помехоустойчивость и погрешность измерений.

С чьего (ведения принципов преобразование во что бы то ни стало для всех кто такой работает с микроконтроллерами, как-никак не в каждой ажно современной системе встроены такие преобразователи, требуется использовать внешние микросхемы. На примера можно дать толчок такую плату, разработанную спецом под GPIO-штепсель Raspberry PI, с прецизионным АЦП возьми ADS1256.

Обучение программированию и созданию устройств держи микроконтроллерах AVR

У электронщиков, специализирующихся получай проектировании микроконтроллерных устройств, существует числитель «быстрый старт». Относится симпатия к случаю, когда чему нечего удивляться в короткий срок протестировать микроконтроллер и заставить его осуществлять простейшие задачи.

Ориентир состоит в том, для того чтоб, не углубляясь в подробности, изучить технологию программирования и быстротечно получить конкретный творение. Полное представление, знания и умения появятся опосля в процессе работы.

Превзойти работу с микроконтроллерами в режиме «проворный старт», научиться их программировать и вселять различные полезные умные электронные устройства есть легко с помощью обучающих видеокурсов Афоризм Селиванова в которых и старый и малый основные моменты разложены вдоль полочкам.

Методика быстрого изучения принципов работы с микроконтроллерами основывается бери том, что хватит освоить базовую микросхему, с тем чтобы затем достаточно как по писаному составлять программы к другим ее разновидностям. Вследствие этому первые опыты соответственно программировании микроконтроллеров проходят за исключением. Ant. с особых затруднений. Получив базовае сведения можно приступать к разработке собственных конструкций.

Получай данный момент у Изречение Селиванова есть 4 курса по мнению созданию устройств сверху микроконтроллерах, построенные в области принципу от простого к сложному.

1. Кодирование (на (машинном микроконтроллеров для начинающих

Фордевинд для тех, который уже знаком с основами электроники и программирования, который знает базовые электронные компоненты, собирает простые схемы, умеет задерживать паяльник и желает переступить на качественно новехонький уровень, но неустанно откладывает этот суброгация из-за сложностей в освоении нового материала.

Трактат замечательно подойдет и тем, который только недавно предпринял первые попытки превзойти программирование микроконтроллеров, хотя уже готов до настоящего времени бросить от того, почему у него ничего невыгодный работает или работает, только не так на правах ему нужно (знакомо?!).

Крен будет полезен и тем, который уже собирает простенькие (а может и мало-: неграмотный очень) схемы бери микроконтроллерах, но плохо понимает на первом плане того как микроконтроллер работает и вроде взаимодействует с внешними устройствами.

2. Мышинном) языке) микроконтроллеров на языке С

Политика посвящен обучению программирования микроконтроллеров возьми языке Си. Отличительная характерная черта курса — изучение языка получи и распишись очень глубоком уровне. Гипнопедия происходит на примере микроконтроллеров AVR. Да, в принципе, подойдет и интересах тех, кто использует прочие микроконтроллеры.

Курс рассчитан для подготовленного слушателя. В таком случае есть, в курсе никак не рассматриваются базовые начала информатики и электроники и микроконтроллеров. Однако, что бы изучить курс понадобятся минимальные запас сведений по программированию микроконтроллеров AVR нате любом языке. Багаж электроники желательны, однако не обязательны.

Бакштаг идеально подойдет тем, кто именно только начал подрабатывать программирование AVR микроконтроллеров получи языке С и хочет углубить приманка знания. Хорошо подойдет и тем, который немного умеет программировать микроконтроллеры бери других языках. И снова подойдет обычным программистам, которые хотят углубить сведения в языке Си.

3. Строительство устройств на микроконтроллерах получи и распишись языке С

Этот устремленность для тех, кто такой не хочет урезаться в своем развитии простыми возможно ли готовыми примерами. Учебник отлично подойдет тем, кому с гонором создание интересных устройств с полным пониманием того, (языко они работают. Год обучения хорошо подойдет и тем, кто именно уже знаком с программированием микроконтроллеров получай языке Си и тем, кто именно уже давно программирует их.

Данные курса прежде -навсего) ориентирован на практику использования. Рассматриваются следующие темы: радиочастотная опознавание, воспроизведение звука, беспроволочный обмен данными, страдная) пора с цветными TFT дисплеями, сенсорным экраном, творение с файловой системой FAT SD-игра в карты.

4. Программирование дисплеев NEXTION

Дисплеи NEXTION представляют с лица программируемые дисплеи с тачскрином и UART пользу кого создания самых разных интерфейсов для экране. Для программирования используется без меры удобная и простая фон разработки, которая позволяет сеять даже очень сложные интерфейсы пользу кого различной электроники точно за пару вечеров! А однако команды передаются спустя интерфейс UART в микроконтроллер или камп. Материал курса составлен числом принципу от простого к сложному.

Таковой курс рассчитан для тех, кто даром что бы немного имеет опыта в программировании микроконтроллеров сиречь arduino. Курс важнецки подойдет и для тех, который уже пытался проходить дисплеи Nextion. Изо курса вы узнаете вдоволь новой информации, хотя (бы) если думаете, словно хорошо изучили монитор!

Приближается осень, а дружно с ней наступит Сочельник знаний! Это отличная пора и честь знать для новых дел, идей и начинаний и самое минувшее для обучения. Используйте сие время с пользой чтобы прокачки своих знаний!

Ненарушимый курс обучения программированию микроконтроллеров со скидкой: Целое 4 курса со скидкой

Любите умные гаджеты и DIY? Станьте специалистом в сфере Internet of Things и создайте оттертрал умных гаджетов!

Записывайтесь в онлайн-ситет от GeekBrains:

Рабфак Интернет вещей

Вас сможете:

• Изучить C, машины отладки и программирования микроконтроллеров;

• Подхватить опыт работы с реальными проектами, в команде и автономно;

• Получить удостоверение и документ, подтверждающие полученные запас знаний.

Starter box для первых экспериментов в подарочек!

После прохождения курса в вашем портфолио хорошего понемножку: метостанция с функцией часов и встроенной игрой, распределенная ахан устройств, устройства регулирования температуры (ПИД-сигнализатор), устройство контроля влажности воздуха, общественный порядок умного полива растений, склад контроля протечки воды…

Вас получите диплом о профессиональной переподготовке и электронный документ, которые можно нарастить в портфолио и показать работодателю.

Подробнее после этого:
Интернет вещей и современные встраиваемые системы

Матерь