что такое ацп датчика
Аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Основные типы и их параметры.
АЦП – устройство, преобразующее значение непрерывной аналоговой величины в эквивалентный ей цифровой код.
В полупроводниковых АЦП наибольшее распространение получили три известных принципа преобразования:
· последовательного счета;
· поразрядного кодирования (последовательного приближения);
· параллельного преобразования.
АЦП последовательного счета
Простейший АЦП данного типа и его временная диаграмма (для случая Uвх = Α = const) представлены на рисунке.
АЦП состоит из компаратора, ЦАП, двоичного счетчика, выходного буферного регистра. После команд СБРОС и ПУСК, подаваемых на АЦП, импульсы тактового генератора начинают увеличивать показания счетчика, а, следовательно, и выходной сигнал ЦАП Χ(t) ступеньками по Δx. Компаратор определяет разницу между Χ и Α. Если окажется, что Χ – Α > 0, компаратор вырабатывает сигнал СТОП, счетчик останавливается и индицирует двоичный код, эквивалентный входному сигналу Uвх = Α. Общее время преобразования сигнала зависит от его величины.
Недостатком такой схемы АЦП является ее низкое быстродействие.
АЦП последовательного приближения
Упрощенная схема АЦП последовательного приближения приведена на рисунке
После пуска схемы первым тактовым импульсом регистр памяти (РП) устанавливает старший разряд ЦАП в единицу. При этом, если Uвх > UЦАП, то компаратор подтверждает состояние РП и ЦАП. Следующим тактовым импульсом единица устанавливается в следующем за старшим разряде. Если окажется, что Uвх 
Статические параметры АЦП во многом по смыслу аналогичны статическим параметрам ЦАП и рассмотрены тут — www.drive2.ru/b/2558751/
Среди динамических параметров АЦП основными являются:
максимальная частота преобразования – частота дискретизации входного сигнала;
апертурное время – время, в течение которого сохраняется неопределенность между значением выборки и временем, к которому оно относится;
апертурная неопределенность – случайное изменение апертурного времени в конкретной точке характеристики преобразования;
время кодирования – время, в течение которого осуществляется непосредственное преобразование установившегося значения входного сигнала (время от начала импульса запуска до появления выходного кода).
Раскладываем по полочкам параметры АЦП
Привет, Хабр! Многие разработчики систем довольно часто сталкиваются с обработкой аналоговых сигналов. Не все манипуляции с сигналами можно осуществить в аналоговой форме, поэтому требуется переводить аналог в цифровой мир для дальнейшей постобработки. Возникает вопрос: на какие параметры стоит обратить внимание при выборе микроконтроллера или дискретного АЦП? Что все эти параметры означают? В этой статье постараемся детально рассмотреть основные характеристики АЦП и разобраться на что стоит обратить внимание при выборе преобразователя.
Введение
Рис. 1: Идеальная характеристика АЦП
Статические параметры
Рис. 4: Дифференциальная нелинейность
Рис. 5: Интегральная нелинейность
Динамические параметры
Наглядно данное выражение продемонстрированно на рисунке 7.
Рис. 7: Отношение сигнал/шум
Для оценки SNR АЦП при разработке системы можно воспользоваться следующей формулой:
Первые 2 слагаемых учитывают уровень сигнала и ошибку квантования (нужно понимать, что формула верна для сигнала размаха полной шкалы). Третье слагаемое учитывает эффект передискретизации (выигрыш по обработке или processing gain): если полоса обрабатываемого сигнала (BW Свойство переноса спектра при дискретизации
Рис 12: дискретизация непрерывного сигнала
По фильтрующему свойству дельта-функции:
После дискретизации 
:
где 
С помощью формулы Релея вычислим спектр:
Из этого выражения следует что спектр сигнала будет повторяться во всех зонах Найквиста.
Итак, если есть хороший антиэлайзинговый фильтр, то соблюдая критерий Найквиста, можно оцифровывать сигнал с частотой дискретизации намного ниже полосы АЦП. Но использовать субдискретизацию нужно осторожно. Следует учитывать, что динамические параметры АЦП деградируют (иногда очень сильно) с ростом частоты входного сигнала, поэтому оцифровать сигнал из 6-й зоны так же «чисто», как из 1-й не получится.
Несмотря на это субдискритезация активно используется. Например, для обработки узкополосных сигналов, когда не хочется тратиться на дорогой широкополосный быстродействующий АЦП, который вдобавок имеет высокое потребление. Другой пример – выборка ПЧ (IF-sampling) в РЧ системах. Там благодаря undersampling можно исключить из радиоприемного тракта лишнее аналоговое звено — смеситель (который переносит сигнал на более низкую несущую или на 0).
Сравним архитектуры
На данный момент в мире существует множество различных архитектур АЦП. У каждой из них есть свои преимущества и недостатки. Не существует архитектуры, которая бы достигала максимальных значений всех, описанных выше параметров. Проанализируем какие максимальные параметры скорости и разрешения смогли достичь компании, выпускающие АЦП. Также оценим достоинства и недостатки каждой архитектуры (более подробно о различных архитектурах можно прочитать в статье на хабр).
| Тип архитектуры | Преимущества | Недостатки | Максимальное разрешение | Максимальная частота дискретизации |
| flash | Быстрый преобразователь. Преобразование осуществляется в один такт. | Высокое энергопотребление. Ограниченное разрешение. Требует большой площади кристалла (  компараторов). Трудно согласовать большое количество элементов (как следствие низкий выход годных). | 14 бит 128 КВыб/с AD679 | 3 бит 26 ГВыб/с HMCAD5831 |
| folding-interpolated | Быстрый преобразователь. Преобразование осуществляется в один такт. Требует меньшее число компараторов благодаря предварительной «свёртке» всего диапазона обработки в некоторый более узкий диапазон. Занимает меньше площади. | Ошибки, связанные с нелинейностью блока свёртки. Задержка на установление уровней в блоке свёртки, которая уменьшает максимальную fs. Среднее разрешение. | 12 бит 6.4 ГВыб/с ADC12DL3200 | 12 бит 6.4 ГВыб/с ADC12DL3200 |
| SAR | Высокая точность. Низкое энергопотребление. Легка в использовании. | Ограниченная скорость. | 32 бит 1 МВыб/с LTC2500 | 10 бит 40 МВыб/с XRD64L43 |
| pipeline | Быстрый преобразователь. Самая высокая точность среди быстрых АЦП. Не занимает большую площадь. Имеет меньшее потребления, среди аналогичных быстрых преобразователей. | Конвейерная задержка. | 24 бит 192 КВыб/с AK5386 | 12 бит 10.25 ГВыб/с AD9213 |
| dual-slope | Средняя точность преобразования. Простота конструкции. Низкое потребление. Устойчивость к изменениям факторов внешней среды. | Обрабатывает низкочастотные Сигналы (низкая fs). Посредственное разрешение. | 12+знаковый бит 10 Выб/с TC7109 | 5+знак бит 200 КВыб/с HI3-7159 |
| ∑-Δ | Самая высокая точность пре- Образования благодаря эффекту «Noise shaping» (специфическая фильтрация шума квантования) и передискретизации. | Не может работать с широкополосным сигналом. | 32 бита 769 КВыб/с AK5554 | 12 бит 200МВыб/с ADRV9009 |
Информацию для таблицы брал на сайте arrow, поэтому если что-то упустил поправляйте в комментариях.
Аналого-цифровое преобразование для начинающих
В этой статье рассмотрены основные вопросы, касающиеся принципа действия АЦП различных типов. При этом некоторые важные теоретические выкладки, касающиеся математического описания аналого-цифрового преобразования остались за рамками статьи, но приведены ссылки, по которым заинтересованный читатель сможет найти более глубокое рассмотрение теоретических аспектов работы АЦП. Таким образом, статья касается в большей степени понимания общих принципов функционирования АЦП, чем теоретического анализа их работы.
«
В качестве отправной точки дадим определение аналого-цифровому преобразованию. Аналого-цифровое преобразование – это процесс преобразования входной физической величины в ее числовое представление. Аналого-цифровой преобразователь – устройство, выполняющее такое преобразование. Формально, входной величиной АЦП может быть любая физическая величина – напряжение, ток, сопротивление, емкость, частота следования импульсов, угол поворота вала и т.п. Однако, для определенности, в дальнейшем под АЦП мы будем понимать исключительно преобразователи напряжение-код.
Понятие аналого-цифрового преобразования тесно связано с понятием измерения. Под измерением понимается процесс сравнения измеряемой величины с некоторым эталоном, при аналого-цифровом преобразовании происходит сравнение входной величины с некоторой опорной величиной (как правило, с опорным напряжением). Таким образом, аналого-цифровое преобразование может рассматриваться как измерение значения входного сигнала, и к нему применимы все понятия метрологии, такие, как погрешности измерения.
Основные характеристики АЦП
АЦП имеет множество характеристик, из которых основными можно назвать частоту преобразования и разрядность. Частота преобразования обычно выражается в отсчетах в секунду (samples per second, SPS), разрядность – в битах. Современные АЦП могут иметь разрядность до 24 бит и скорость преобразования до единиц GSPS (конечно, не одновременно). Чем выше скорость и разрядность, тем труднее получить требуемые характеристики, тем дороже и сложнее преобразователь. Скорость преобразования и разрядность связаны друг с другом определенным образом, и мы можем повысить эффективную разрядность преобразования, пожертвовав скоростью.
Существует множество типов АЦП, однако в рамках данной статьи мы ограничимся рассмотрением только следующих типов:
Наибольшим быстродействием и самой низкой разрядностью обладают АЦП прямого (параллельного) преобразования. Например, АЦП параллельного преобразования TLC5540 фирмы Texas Instruments обладает быстродействием 40MSPS при разрядности всего 8 бит. АЦП данного типа могут иметь скорость преобразования до 1 GSPS. Здесь можно отметить, что еще большим быстродействием обладают конвейерные АЦП (pipelined ADC), однако они являются комбинацией нескольких АЦП с меньшим быстродействием и их рассмотрение выходит за рамки данной статьи.
Среднюю нишу в ряду разрядность-скорость занимают АЦП последовательного приближения. Типичными значениями является разрядность 12-18 бит при частоте преобразования 100KSPS-1MSPS.
Наибольшей точности достигают сигма-дельта АЦП, имеющие разрядность до 24 бит включительно и скорость от единиц SPS до единиц KSPS.
Еще одним типом АЦП, который находил применение в недавнем прошлом, является интегрирующий АЦП. Интегрирующие АЦП в настоящее время практически полностью вытеснены другими типами АЦП, но могут встретиться в старых измерительных приборах.
АЦП прямого преобразования
АЦП прямого преобразования получили широкое распространение в 1960-1970 годах, и стали производиться в виде интегральных схем в 1980-х. Они часто используются в составе «конвейерных» АЦП (в данной статье не рассматриваются), и имеют разрядность 6-8 бит при скорости до 1 GSPS.
Архитектура АЦП прямого преобразования изображена на рис. 1
Рис. 1. Структурная схема АЦП прямого преобразования
Принцип действия АЦП предельно прост: входной сигнал поступает одновременно на все «плюсовые» входы компараторов, а на «минусовые» подается ряд напряжений, получаемых из опорного путем деления резисторами R. Для схемы на рис. 1 этот ряд будет таким: (1/16, 3/16, 5/16, 7/16, 9/16, 11/16, 13/16) Uref, где Uref – опорное напряжение АЦП.
Пусть на вход АЦП подается напряжение, равное 1/2 Uref. Тогда сработают первые 4 компаратора (если считать снизу), и на их выходах появятся логические единицы. Приоритетный шифратор (priority encoder) сформирует из «столбца» единиц двоичный код, который фиксируется выходным регистром.
Теперь становятся понятны достоинства и недостатки такого преобразователя. Все компараторы работают параллельно, время задержки схемы равно времени задержки в одном компараторе плюс время задержки в шифраторе. Компаратор и шифратор можно сделать очень быстрыми, в итоге вся схема имеет очень высокое быстродействие.
Но для получения N разрядов нужно 2^N компараторов (и сложность шифратора тоже растет как 2^N). Схема на рис. 1. содержит 8 компараторов и имеет 3 разряда, для получения 8 разрядов нужно уже 256 компараторов, для 10 разрядов – 1024 компаратора, для 24-битного АЦП их понадобилось бы свыше 16 млн. Однако таких высот техника еще не достигла.
АЦП последовательного приближения
АЦП последовательного приближения реализует алгоритм «взвешивания», восходящий еще к Фибоначчи. В своей книге «Liber Abaci» (1202 г.) Фибоначчи рассмотрел «задачу о выборе наилучшей системы гирь», то есть о нахождении такого ряда весов гирь, который бы требовал для нахождения веса предмета минимального количества взвешиваний на рычажных весах. Решением этой задачи является «двоичный» набор гирь. Подробнее о задаче Фибоначчи можно прочитать, например, здесь: http://www.goldenmuseum.com/2015AMT_rus.html.
Аналого-цифровой преобразователь последовательного приближения (SAR, Successive Approximation Register) измеряет величину входного сигнала, осуществляя ряд последовательных «взвешиваний», то есть сравнений величины входного напряжения с рядом величин, генерируемых следующим образом:
1. на первом шаге на выходе встроенного цифро-аналогового преобразователя устанавливается величина, равная 1/2Uref (здесь и далее мы предполагаем, что сигнал находится в интервале (0 – Uref).
2. если сигнал больше этой величины, то он сравнивается с напряжением, лежащим посередине оставшегося интервала, т.е., в данном случае, 3/4Uref. Если сигнал меньше установленного уровня, то следующее сравнение будет производиться с меньшей половиной оставшегося интервала (т.е. с уровнем 1/4Uref).
3. Шаг 2 повторяется N раз. Таким образом, N сравнений («взвешиваний») порождает N бит результата.
Рис. 2. Структурная схема АЦП последовательного приближения.
Таким образом, АЦП последовательного приближения состоит из следующих узлов:
1. Компаратор. Он сравнивает входную величину и текущее значение «весового» напряжения (на рис. 2. обозначен треугольником).
2. Цифро-аналоговый преобразователь (Digital to Analog Converter, DAC). Он генерирует «весовое» значение напряжения на основе поступающего на вход цифрового кода.
3. Регистр последовательного приближения (Successive Approximation Register, SAR). Он осуществляет алгоритм последовательного приближения, генерируя текущее значение кода, подающегося на вход ЦАП. По его названию названа вся данная архитектура АЦП.
4. Схема выборки-хранения (Sample/Hold, S/H). Для работы данного АЦП принципиально важно, чтобы входное напряжение сохраняло неизменную величину в течение всего цикла преобразования. Однако «реальные» сигналы имеют свойство изменяться во времени. Схема выборки-хранения «запоминает» текущее значение аналогового сигнала, и сохраняет его неизменным на протяжении всего цикла работы устройства.
Достоинством устройства является относительно высокая скорость преобразования: время преобразования N-битного АЦП составляет N тактов. Точность преобразования ограничена точностью внутреннего ЦАП и может составлять 16-18 бит (сейчас стали появляться и 24-битные SAR ADC, например, AD7766 и AD7767).
И, наконец, самый интересный тип АЦП – сигма-дельта АЦП, иногда называемый в литературе АЦП с балансировкой заряда. Структурная схема сигма-дельта АЦП приведена на рис. 3.
Рис.3. Структурная схема сигма-дельта АЦП.
Принцип действия данного АЦП несколько более сложен, чем у других типов АЦП. Его суть в том, что входное напряжение сравнивается со значением напряжения, накопленным интегратором. На вход интегратора подаются импульсы положительной или отрицательной полярности, в зависимости от результата сравнения. Таким образом, данный АЦП представляет собой простую следящую систему: напряжение на выходе интегратора «отслеживает» входное напряжение (рис. 4). Результатом работы данной схемы является поток нулей и единиц на выходе компаратора, который затем пропускается через цифровой ФНЧ, в результате получается N-битный результат. ФНЧ на рис. 3. Объединен с «дециматором», устройством, снижающим частоту следования отсчетов путем их «прореживания».
Рис. 4. Сигма-дельта АЦП как следящая система
Ради строгости изложения, нужно сказать, что на рис. 3 изображена структурная схема сигма-дельта АЦП первого порядка. Сигма-дельта АЦП второго порядка имеет два интегратора и две петли обратной связи, но здесь рассматриваться не будет. Интересующиеся данной темой могут обратиться к [3].
На рис. 5 показаны сигналы в АЦП при нулевом уровне на входе (сверху) и при уровне Vref/2 (снизу).
Рис. 5. Сигналы в АЦП при разных уровнях сигнала на входе.
Более наглядно работу сигма-дельта АЦП демонстрирует небольшая программа, находящаяся тут: http://designtools.analog.com/dt/sdtutorial/sdtutorial.html.
Теперь, не углубляясь в сложный математический анализ, попробуем понять, почему сигма-дельта АЦП обладают очень низким уровнем собственных шумов.
Рассмотрим структурную схему сигма-дельта модулятора, изображенную на рис. 3, и представим ее в таком виде (рис. 6):
Рис. 6. Структурная схема сигма-дельта модулятора
Здесь компаратор представлен как сумматор, который суммирует непрерывный полезный сигнал и шум квантования.
Пусть интегратор имеет передаточную функцию 1/s. Тогда, представив полезный сигнал как X(s), выход сигма-дельта модулятора как Y(s), а шум квантования как E(s), получаем передаточную функцию АЦП:
То есть, фактически сигма-дельта модулятор является фильтром низких частот (1/(s+1)) для полезного сигнала, и фильтром высоких частот (s/(s+1)) для шума, причем оба фильтра имеют одинаковую частоту среза. Шум, сосредоточенный в высокочастотной области спектра, легко удаляется цифровым ФНЧ, который стоит после модулятора.
Рис. 7. Явление «вытеснения» шума в высокочастотную часть спектра
Однако следует понимать, что это чрезвычайно упрощенное объяснение явления вытеснения шума (noise shaping) в сигма-дельта АЦП.
Итак, основным достоинством сигма-дельта АЦП является высокая точность, обусловленная крайне низким уровнем собственного шума. Однако для достижения высокой точности нужно, чтобы частота среза цифрового фильтра была как можно ниже, во много раз меньше частоты работы сигма-дельта модулятора. Поэтому сигма-дельта АЦП имеют низкую скорость преобразования.
Они могут использоваться в аудиотехнике, однако основное применение находят в промышленной автоматике для преобразования сигналов датчиков, в измерительных приборах, и в других приложениях, где требуется высокая точность. но не требуется высокой скорости.
Самым старым упоминанием АЦП в истории является, вероятно, патент Paul M. Rainey, «Facsimile Telegraph System,» U.S. Patent 1,608,527, Filed July 20, 1921, Issued November 30, 1926. Изображенное в патенте устройство фактически является 5-битным АЦП прямого преобразования.
Рис. 8. Первый патент на АЦП
Рис. 9. АЦП прямого преобразования (1975 г.)
Устройство, изображенное на рисунке, представляет собой АЦП прямого преобразования MOD-4100 производства Computer Labs, 1975 года выпуска, собранный на основе дискретных компараторов. Компараторов 16 штук (они расположены полукругом, для того, чтобы уравнять задержку распространения сигнала до каждого компаратора), следовательно, АЦП имеет разрядность всего 4 бита. Скорость преобразования 100 MSPS, потребляемая мощность 14 ватт.
На следующем рисунке изображена продвинутая версия АЦП прямого преобразования.
Рис. 10. АЦП прямого преобразования (1970 г.)
Устройство VHS-630 1970 года выпуска, произведенное фирмой Computer Labs, содержало 64 компаратора, имело разрядность 6 бит, скорость 30MSPS и потребляло 100 ватт (версия 1975 года VHS-675 имела скорость 75 MSPS и потребление 130 ватт).
Датчики и АЦП — для чайников-практиков (1/3) :: введение
Обещал я недавно моему знакомому — хорошему электрику и чайнику в электронике — сделать небольшое устройство с парочкой АЦП и счетчиком импульсов. И по ходу постановки задачи я увидел, что понятие «частота измерений», «допустимая погрешность» и «разрядность» для него — пустой звук. «Непорядок!» — подумал я и решил найти статьи, где это было бы описано. Кое-что нашлось (например, тут и тут), но это было отнюдь не для его познаний в этой области. Посему я решил написать сам такую статью (в результате вышла серия статей. ). А потом решил добавить ее сюда — может, кому-то она сэкономит время при изучении новой для себя темы? Результат — перед вами.
Эта статья для тех, кто действительно чайник в этой области! Ну, или же все-таки кофейник, но не для зубров в электронике. Тут почти нет теории, математика тоже в минимальном количестве. Цель статьи — помочь разобраться в базовых понятиях для того, чтобы можно было дать постановку задачи специалисту. Т. е. прочитав ее, вы сможете внятно ответить на вопрос про разрядность, диапазон измерений и частоту выборки.
Пару слов про систему управления
Немного теории для ответа на вопрос «а зачем нужны датчики. ».
Много ли знает электропила о том, что она режет — дерево, метал, веревку. И как она режет — прямо, криво? И режет ли вообще — может, она в воздухе крутится? И не сгорел ли у нее движок — напряжение-то подается, но уже ничего не крутится?
А стоит ей добавить глаза — и все сразу станет понятно! Хотя потом к глазам надо добавить мозги…
Ну ладно, решим вопрос попроще. По поводу «сгорел ли движок» самое простое решение — поставить датчик тока. Ток течет — значит, потребление есть. А если еще знать текущее потребление, то мы можем уже понять: 1) пилится ли оно? 2) крутится с превеликим трудом. А если еще поставить датчик оборотов, то мы четко сможем сказать про частоту вращения. А если еще в моторе разместить датчик температуры, то мы узнаем, когда мотор начинает перегреваться. А если еще…
Вот так вот банальная электропила превращается в весьма умное устройство и начинает понимать, что происходит кругом. Или, говоря более корректно, датчики позволяют узнать состояние окружающей среды. Под «окружающей средой» тут можно понимать то, что нам надо в данном случае. У этой умнеющей электропилы «окружающей средой» будет режим работы мотора.
А можно эту электропилу сделать не просто умнеющей, а и мудрой. Всего-то делов — задать ей нужные обороты двигателя.
Выставили отметку — 400 оборотов в минуту — и пошли пилять. Разумеется, пока зубья пилы не вгрызаются в плоть материал, частота будет более или менее удовлетворять заданной. Но вот, начинаем рвать дерево. Частота сразу падает. А если же пила начнет постоянно сверять текущие обороты с заданными, то она сможет увеличивать задание до тех пор, пока обороты не достигнут заданных (тут, конечно, надо знать меру, чтобы мотор не сгорел, но это уже другой вопрос).
Вот так и работаем — установили обороты — подсчитали текущие — поняли, как их надо подправить — установили — подсчитали — на что подправить — подправили… В итоге получили систему управления с обратной связью. Автоматическая ли она или автоматизированная — это уже зависит от алгоритма управления и кучи других вещей. 
Говоря более корректным языком, круг работы такой системы выглядит следующим образом: 1) производится расчет — какое нам надо подать воздействие на мотор электропилы (напряжение, импульсы или еще что-нибудь), чтобы выдержать установленное число оборотов? 2) если надо — советуемся с оператором; 3) подаем это воздействие; 4) смотрим результат — с помощью датчиков измеряем текущее состояние; 1) делаем следующий расчет.
Вот какое место занимают датчики в системах управления. Ни много ни мало — глаза и уши (да еще нос и язык).
Немного о терминах
Теперь небольшой передых перед погружением в тему. Тут я хочу перечислить некоторые фундаментальные истины и термины (и их, терминов, перевод на английский), а также единицы измерения, которые могут быть непривычны непосвященным и сбивать их с толку. Если вы четко себе представляете взаимосвязь миллисекунды и килогерца, знаете что такое «Absolute ratings» в документации, то можете смело пропускать этот раздел.
Итак, мы имеем некоторый процесс — какое-то периодически меняющееся напряжение. «Периодически» — значит, оно меняется, но строго одинаково. Период повторения (delay) составляет в данном случае 1/2 секунды.
Данный процесс состоит в том, что напряжение падает то в одно (нижнее) состояние, то поднимается в другое (верхнее). Нижнее условно обозначается «0», верхнее — «1».
Переход из «0» в «1» называется восходящим фронтом или передним фронтом или rising edge. Он в документации часто обозначается стрелкой вверх или эдакой зюкой — так, как красная линия на рисунке. Переход из «1» в «0» называется падающим фронтом или задним фронтом или falling edge, в документации обозначается, соответственно, стрелкой вниз.
Повторяющаяся комбинация выглядит как «0», на котором на 1/6 секунды поднимается положительный импульс. Длительность импульса (pulse duration) составляет 1/6 секунды. Соотношение периода повторения к длительности импульса называется скважностью импульса и в данном случае составляет 3. В западной литературе принята обратная величина, коэффициент заполнения (duty cycle), который (коэффициент) в данном случае равен 33%. Частный (но весьма важный) случай со скважностью 2 (duty cycle = 50%) называется меандром. Здесь длительность «0» равна длительности «1».
Как было сказано выше, период повторения = 1/2 секунды. Количество колебаний в секунду называется герцем. Тут будет 2 колебания (2 одинаковых процесса) за секунду — получаем 2 Герца. Это называется частотой (frequency) (не путать с «круговой частотой» — она тут нам не нужна). Как мы видим, частота-период — это взаимно обратные величины. Неплохо для себя составить и запомнить такую таблицу:
По поводу степеней в таблице. В данном редакторе нельзя грамотно написать «десять в минус девятой степени» — десяточку и сверху маленькую девяточку. Поэтому в таком случае принято писать как «10^-9». Такой тут редактор…
Документация
Прежде всего, выразим сочувствие тем, кто хочет разбираться в тематике и не владеет английским… Практически вся документация в мире дается на английском языке. Поэтому незнание английского тут сильно затруднит жизнь. Впрочем, достаточно знать основные термины, чтобы понимать о чем речь. У меня есть знакомый, который уже больше десятилетия занимается электроникой, у него серьезные заказчики и куча проектов, но в английском он ни бум-бум (поэтому, читая «eBay», он делает многозначительную паузу «е — бай», хотя на самом деле оно читается «и-бай»). Ему вполне хватает знания терминов и четкого представления что где искать.
Тут я хочу дать основное представление о такой документации, что где искать, и немного помочь с терминами.
Берем мы, например, описание такого славного АЦП как ADS8320 Техасского инструментального завода Texas Instruments. Скачиваем PDF-ку и видим в ней много красивого. Сверху крупными буквами — об чем речь. И там уже есть масса информации: это 16-битное АЦП, работает в диапазоне от 2.7 до 5В.
На той же первой странице, как правило, есть «Features» — особенности изделия, чего оно может. Тут же обычно есть «Applications» — то, для чего оно может использоваться. И «Description» — краткое описание.
Далее по тексту обязательно надо найти «Absolute maximum ratings» — это те условия, при которых изделие работать будет, но при их малейшем нарушении бобик сдох и реанимации уже не подлежит. Это — самый важный блок информации, он дает понятие о тех условиях, в которых можно эксплуатировать датчик. И по ним надо сразу оценить — попадает ли ваш диапазон измерений в эти требования.
Тоже важно, но во вторую очередь — «Electrical characteristics», «Specifications», «Timing specifications». Это (как правило, длиннющая таблица на несколько страниц) — все остальные характеристики работы модуля. Тут его задержки, интерпретация входных воздействий и т. п.
И вот тут вы столкнетесь с такой неожиданностью. Почти любой параметр дается в виде «Min» (минимальное значение), «Typ» (типичное) и «Max» (максимальное значение). Дело в том, что мир не идеален, и каждый новый кристалл, микросхема имеют небольшие расхождения в параметрах. Или же в разных схемах они могут вести себя немного по-разному. Но, если вы придерживаетесь Absolute maximum ratings, то у вас будет как правило типичное значение, но возможны расхождения в указанных пределах.
Где-то далее в тексте всегда есть «theory of operation» — описание принципа функционирования и всяких хитростей. Это надо для четкого понимания работы устройства. Всегда тут же есть «Digital interface» — как оно взаимодействует с вашим микроконтроллером.
В конце описания почти всегда есть (а если нет — то дается ссылка в каком документе есть) «Mechanical data». Это варианты размеров корпусов, их схема. Тоже важно при заказе датчика — где-то рядом есть «Package type», «Device» с названием элемента для заказа. Например, для этого модуля есть заказ ADS8320E/250 — корпус такой-то, количество в коробке такое-то (для больших партий). А есть ADS8320EB/2K5 — совсем другое дело. Иногда ошибка в одной букве приводит к необходимости заново разводить плату.
Специфика цифровой обработки информации с датчиков
Но, прежде чем перейти к датчикам, рассмотрим их «заказчика» — компьютер или же микроконтроллер.
И тот и другой — электрическое устройство. И тот и другой… стоп, все-таки давайте для определенности остановимся уже на микроконтроллере!
Так вот, микроконтроллер «общается» с внешним миром языком напряжений. У него есть понятие «0» — как правило, электрическая земля. И еще есть понятие «1» — как правило уровень питания. Если разделения на 0 и 1 недостаточно, то используется параллельная или последовательная передача битов. Нам тут не так важно, какое это питание — 1.1В или 5В. Важно лишь то, что это некоторый диапазон электрического напряжения.
ВременнОй режим микроконтроллеров существенно отличается от человеческого. Для него 1 секунда — это бесконечно долго. 1 миллисекунда — это тоже много (но для компьютера ввиду его монструозных Windows-ов и включенной MP3-музыки при обработке информации — это уже маловато). 1 микросекунда — это уже нижний порог для массовых недорогих микроконтроллеров, но тоже не предел. 1 наносекунда — это уже, пожалуй, предел для общедоступной цифровой логики, DSP-контроллеров. Поэтому, когда мы будем говорить о периоде какого-нибудь импульса в 10 микросекунд — это будет вполне доступно для обработки любым микроконтроллером.
Какие датчики и зачем
Смысл любого датчика — перевести некоторую физическую величину в понятную для головы нашего устройства. Голова же — не забываем — это микроконтроллер или компьютер. И в том и в другом случае требуется цифровая форма передачи информации. Это мы можем взглянуть на ртутный термометр, повертеть его перед глазами, углядеть рядом шкалу и… э-э… 36,8 градусов Цельсия. Микроконтроллеру же вынь и подай число («цифру» в жаргоне)- «36.82». Ему этого может быть мало — ему нужно знать до 3-его или 4-го знака после запятой! Вот всеми этими вопросами — измерить в данной единице измерения, перевести в числовой вид — датчик и занимается.
Все датчики можно разделить на два принципиально разных вида — датчики событий (и всевозможные счетчики) и аналоговые датчики. Первый отвечает «да» или «нет» (или «сколько раз да»), второй — «какое значение».
Деление, конечно же, условное — в Википедии все гораздо сложнее. Но для практики начинающего электронщика этого вполне сойдет.
Датчики событий.
— Машина проехала? Да. А сейчас? Нет. А теперь? Да. А после.
— Сколько частиц пролетело в сцинтилляционной камере?
— На кнопку нажали?
Это все вопросы для датчика событий. Прежде всего он определяет — произошло какое-нибудь событие или нет? Ему не важно — насколько однозначно оно произошло, когда и как. Все просто — да или нет. Если ваш параметр можно описать таким вот простым способом — это датчик события.
Правда, часто приходится отвечать на вопрос «сколько раз произошло событие?» — например, для всевозможных датчиков радиации. Но все равно — вначале идет сам факт наличия или отсутствия события. Подсчитать же их — событий — количество несложно.
Еще один очень принципиальный момент — счетчики событий считают неделимые величины. Когда мы считаем количество проезжающих машин, мы всегда четко можем сказать — 5 или 6. 5 с половиной — это уже не сюда.
… и аналоговые датчики
Тут же всегда стоит вопрос «сколько в таких-то единицах?» В отличие от предыдущих датчиков, аналоговые датчики дают числовой ответ в пределах заданной (не бесконечной) точности. Сколько голубей на крыше? — ответ будет всегда предельно четок (если мы четко уверены в том, что такое «голубь» и является ли голубем оный без крыла и ноги). Сколько литров в ведре? — тут уже ответ будет всегда нечеткий.
А компьютеру и микроконтроллеру надо дать четкое число (мы ограничиваемся цифровым вычислительным устройством). 10 литров ли, 10.1 литра или 9.9997 литра — это не годится. Всегда оговаривается желаемая точность — допустим, с точностью до 0.1 литра (тут сразу же возникает проблема округления, когда 10.198 литра — это все-таки не 10.2 литра. А, может, 10.2. ).
Если от вашего параметра требуется результат его измерения в таких-то физических единицах — то для этого нужен аналоговый датчик (сейчас все больше появляется «цифровых датчиков», но это по сути тот же аналоговый датчик с цифровым выходом — подробности будут далее).
Читаем дальше!
P. S.Хочу поучаствовать в конкурсе, поэтому добавляю: 