アナログ-デジタルコンバータとは何ですか?

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ほとんどすべての環境測定可能なパラメータは、温度、音、圧力、光などのアナログ形式です。温度を考慮してください 監視システム ここで、センサーからの温度データの取得、分析、および処理は、デジタルコンピューターおよびプロセッサーでは不可能です。したがって、このシステムは、マイクロコントローラやマイクロプロセッサなどのデジタルプロセッサと通信するために、アナログ温度データをデジタルデータに変換するための中間デバイスを必要とします。アナログ-デジタルコンバータ(ADC)は、電圧などのアナログ信号を1と0で構成されるデジタル形式またはバイナリ形式に変換するために使用される電子集積回路です。ほとんどのADCは、0〜10V、-5V〜 + 5Vなどの電圧入力を受け取り、それに応じて、ある種の2進数としてデジタル出力を生成します。

アナログ-デジタルコンバーターとは何ですか?

アナログ信号をデジタルに変換するために使用されるコンバータは、アナログ-デジタルコンバータまたはADCコンバータとして知られています。このコンバータは、信号を連続形式から離散形式に直接変換する集積回路またはICの一種です。このコンバーターは、A / D、ADC、AからDで表すことができます。DACの逆関数はADCに他なりません。アナログ-デジタル変換器の記号を以下に示します。




アナログ信号をデジタルに変換するプロセスは、いくつかの方法で実行できます。 ADC08xxシリーズのようなさまざまなメーカーから市場で入手可能なさまざまなタイプのADCチップがあります。したがって、ディスクリートコンポーネントを使用して単純なADCを設計できます。

ADCの主な機能は、サンプルレートとビット分解能です。



  • ADCのサンプルレートは、ADCが信号をアナログからデジタルに変換できる速度に他なりません。
  • ビット分解能は、アナログ-デジタルコンバータが信号をアナログからデジタルに変換できる精度に他なりません。
アナログ-デジタルコンバーター

アナログ-デジタルコンバーター

ADCコンバータの主な利点の1つは、多重化された入力でも高いデータ収集速度です。多種多様なADCの発明により 集積回路 (IC)、さまざまなセンサーからのデータ収集がより正確かつ高速になります。高性能ADCの動的特性は、測定の再現性の向上、低消費電力、正確なスループット、高い直線性、優れた信号対雑音比(SNR)などです。

ADCのさまざまなアプリケーションは、測定および制御システム、産業用計装、通信システム、およびその他すべての感覚ベースのシステムです。パフォーマンス、ビットレート、電力、コストなどの要因に基づくADCの分類。


ADCのブロック図

サンプル、ホールド、クオンタイズ、エンコーダを含むADCのブロック図を以下に示します。 ADCのプロセスは次のように実行できます。

まず、アナログ信号は、正確なサンプリング周波数でサンプリングできる場所であればどこでも、最初のブロック、つまりサンプルに適用されます。アナログ値のようなサンプルの振幅値は、Holdのように2番目のブロック内に保持するだけでなく維持することもできます。ホールドサンプルは、量子化のように3番目のブロックを介して離散値に量子化できます。最後に、エンコーダのような最後のブロックは、離散振幅を2進数に変更します。

ADCでは、信号のアナログからデジタルへの変換は、上記のブロック図で説明できます。

サンプル

サンプルブロックでは、アナログ信号を正確な時間間隔でサンプリングできます。サンプルは連続振幅で使用され、実際の値を保持しますが、時間に関して離散的です。信号を変換する際、サンプリング周波数は重要な役割を果たします。したがって、正確な速度で維持できます。システム要件に基づいて、サンプリングレートを固定できます。

ホールド

ADCでは、HOLDは2番目のブロックであり、次のサンプルが取得されるまでサンプルの振幅を保持するだけなので、機能はありません。したがって、holdの値は、次のサンプルまで変更されません。

定量化

ADCでは、これは主に量子化に使用される3番目のブロックです。これの主な機能は、振幅を連続(アナログ)から離散に変換することです。ホールドブロック内の連続振幅の値は、クオンタイズブロック全体を移動して、振幅が離散的になります。これで、信号には時間だけでなく離散的な振幅も含まれるため、信号はデジタル形式になります。

エンコーダー

ADCの最後のブロックは、信号をデジタル形式からバイナリに変換するエンコーダです。私たちは、デジタルデバイスがバイナリ信号を使用して機能することを知っています。そのため、エンコーダを使用して信号をデジタルからバイナリに変更する必要があります。つまり、これがADCを使用してアナログ信号をデジタルに変換する方法全体です。変換全体にかかる時間は、マイクロ秒以内に実行できます。

アナログからデジタルへの変換プロセス

アナログ信号をデジタル信号に変換する方法はたくさんあります。これらのコンバーターは、信号をアナログからデジタル形式に変換し、マイクロコントローラーを介してLCDに出力を表示するための中間デバイスとしてより多くのアプリケーションを見つけます。 A / Dコンバータの目的は、アナログ信号に対応する出力信号ワードを決定することです。ここで、0804のADCを確認します。これは、5V電源を備えた8ビットコンバータです。入力として使用できるアナログ信号は1つだけです。

信号用アナログ-デジタルコンバータ

信号用アナログ-デジタルコンバータ

デジタル出力は0〜255の範囲で変化します。 ADCが動作するにはクロックが必要です。アナログをデジタル値に変換するのにかかる時間は、クロックソースによって異なります。 CLKINピン4に外部クロックを与えることができます。内部クロックを使用するために、適切なRC回路がクロックINピンとクロックRピンの間に接続されています。ピン2は入力ピンです–ハイパルスからローパルスは、変換後に内部レジスタから出力ピンにデータをもたらします。ピン3は書き込みです–ローからハイへのパルスが外部クロックに与えられます。ピン11から18は、MSBからLSBまでのデータピンです。

アナログ-デジタルコンバータは、サンプルクロックの各立ち下がりエッジまたは立ち上がりエッジでアナログ信号をサンプリングします。各サイクルで、ADCはアナログ信号を取得して測定し、デジタル値に変換します。 ADCは、信号を固定精度で近似することにより、出力データを一連のデジタル値に変換します。

ADCでは、2つの要因が元のアナログ信号をキャプチャするデジタル値の精度を決定します。これらは、量子化レベルまたはビットレートとサンプリングレートです。次の図は、アナログからデジタルへの変換がどのように行われるかを示しています。ビットレートによってデジタル化された出力の解像度が決まります。下の図では、アナログ信号の変換に3ビットADCが使用されていることがわかります。

アナログからデジタルへの変換プロセス

アナログからデジタルへの変換プロセス

以下に示すように、1ボルトの信号を3ビットADCを使用してデジタルから変換する必要があると仮定します。したがって、1V出力を生成するために合計2 ^ 3 = 8分割が使用可能です。この結果、1/8 = 0.125Vは最小変化または量子化レベルと呼ばれ、各目盛りで0Vの場合は000、0.125の場合は001、1Vの場合は最大111として表されます。 6、8、12、14、16などのようにビットレートを上げると、信号の精度が向上します。したがって、ビットレートまたは量子化は、デジタル表現の変化に起因するアナログ信号値の最小の出力変化をもたらします。

信号が約0〜5Vで、8ビットADCを使用した場合、5Vのバイナリ出力は256です。3Vの場合、以下に示すように133になります。

ADCフォーミュラ

目的の周波数とは異なる周波数でサンプリングされた場合、出力側で入力信号が誤って表示される可能性が絶対にあります。したがって、ADCのもう1つの重要な考慮事項は、サンプリングレートです。ナイキストの定理は、図で観察できるように、信号の最大周波数成分の(最小)2倍のレートでサンプリングされない限り、取得された信号の再構成によって歪みが生じると述べています。ただし、このレートは実際には信号の最大周波数の5〜10倍です。

アナログ-デジタルコンバーターのサンプリングレート

アナログ-デジタルコンバーターのサンプリングレート

要因

ADCの性能は、さまざまな要因に基づく性能を通じて評価できます。それから、以下の2つの主な要因を以下に説明します。

SNR(信号対雑音比)

SNRは、特定のサンプルのノイズのない平均ビット数を反映します。

帯域幅

ADCの帯域幅は、サンプリングレートを推定することで決定できます。アナログソースを1秒ごとにサンプリングして、離散値を生成できます。

アナログ-デジタルコンバーターの種類

ADCは、さまざまなタイプと、アナログからデジタルへのいくつかのタイプで利用できます。 コンバーター 含める:

  • デュアルスロープA / Dコンバーター
  • フラッシュA / Dコンバーター
  • 連続 概算 A / Dコンバーター
  • セミフラッシュADC
  • シグマデルタADC
  • パイプラインADC

デュアルスロープA / Dコンバーター

このタイプのADCコンバータでは、比較電圧は、抵抗、コンデンサ、およびによって形成される積分回路を使用して生成されます。 オペアンプ 組み合わせ。この積分器は、Vrefの設定値により、出力にゼロから値Vrefまでのこぎり波を生成します。積分器の波形が開始されると、それに応じてカウンタは0から2 ^ n-1までカウントを開始します。ここで、nはADCのビット数です。

デュアルスロープアナログ-デジタルコンバータ

デュアルスロープアナログ-デジタルコンバータ

入力電圧Vinが波形の電圧と等しい場合、制御回路は対応するアナログ入力値のデジタル値であるカウンタ値をキャプチャします。このデュアルスロープADCは、比較的中程度のコストで低速のデバイスです。

フラッシュA / Dコンバーター

このADCコンバータICはパラレルADCとも呼ばれ、速度の点で最も広く使用されている効率的なADCです。このフラッシュアナログ-デジタルコンバータ回路は、一連のコンパレータで構成されており、各コンパレータが入力信号を固有の基準電圧と比較します。各コンパレータでは、アナログ入力電圧がリファレンス電圧を超えると、出力がハイ状態になります。この出力はさらに プライオリティエンコーダ 他のアクティブな入力を無視することにより、高次の入力アクティビティに基づいてバイナリコードを生成します。このフラッシュタイプは、高コストで高速なデバイスです。

フラッシュA / Dコンバーター

フラッシュA / Dコンバーター

逐次比較A / Dコンバータ

SAR ADCは、最新のADC ICであり、アナログ入力電圧を最も近い値に収束するデジタルロジックを使用しているため、デュアルスロープおよびフラッシュADCよりもはるかに高速です。この回路は、コンパレータ、出力ラッチ、逐次比較レジスタ(SAR)、およびD / Aコンバータで構成されています。

逐次比較A / Dコンバータ

逐次比較A / Dコンバータ

開始時にSARがリセットされ、LOWからHIGHへの遷移が導入されると、SARのMSBが設定されます。次に、この出力は、MSBと同等のアナログを生成するD / Aコンバーターに渡され、さらにアナログ入力Vinと比較されます。コンパレータ出力がLOWの場合、MSBはSARによってクリアされます。それ以外の場合、MSBは次の位置に設定されます。このプロセスは、すべてのビットが試行されるまで続き、Q0の後、SARは並列出力ラインに有効なデータを含めるようにします。

セミフラッシュADC

これらのタイプのアナログ-デジタル変換は、主に2つの別々のフラッシュコンバーターを介してほぼ制限サイズで動作します。各コンバーターの解像度は、セミフラッシュデバイスのビットの半分です。単一のフラッシュコンバーターの容量は、MSB(最上位ビット)を処理するのに対し、他のフラッシュコンバーターはLSB(最下位ビット)を処理します。

シグマデルタADC

シグマデルタADC(ΣΔ)はかなり最近の設計です。これらは他の種類の設計と比較して非常に遅いですが、すべての種類のADCに最大の分解能を提供します。したがって、これらはハイファイベースのオーディオアプリケーションと非常に互換性がありますが、通常、高い帯域幅(帯域幅)が必要な場所では使用できません。

パイプラインADC

パイプライン化されたADCは、サブレンジング量子化器としても知られており、より洗練されていても、概念的には連続近似に関連付けられています。連続する近似は次のMSBに進むことによってすべてのステップで成長しますが、このADCは次のプロセスを使用します。

  • 粗い変換に使用されます。その後、入力信号に対するその変化を評価します。
  • このコンバーターは、ビット範囲で一時的な変換を可能にすることにより、より優れた変換として機能します。
  • 通常、パイプライン設計は、そのサイズ、速度、および高解像度のバランスをとることにより、SARおよびフラッシュアナログ-デジタルコンバーターの中心的な基盤を提供します。

アナログ-デジタルコンバータの例

アナログ-デジタルコンバータの例を以下に説明します。

ADC0808

ADC0808は、8つのアナログ入力と8つのデジタル出力を備えたコンバータです。 ADC0808を使用すると、1つのチップのみを使用して最大8つの異なるトランスデューサーを監視できます。これにより、外部のゼロおよびフルスケール調整が不要になります。

ADC0808 IC

ADC0808 IC

ADC0808はモノリシックCMOSデバイスであり、高速、高精度、最小限の温度依存性、優れた長期精度と再現性を提供し、最小限の電力を消費します。これらの機能により、このデバイスは、プロセスおよび機械制御から民生用および自動車用アプリケーションまでのアプリケーションに最適です。 ADC0808のピン配列を次の図に示します。

特徴

ADC0808の主な機能は次のとおりです。

  • すべてのマイクロプロセッサへの簡単なインターフェース
  • ゼロまたはフルスケールの調整は必要ありません
  • アドレスロジックを備えた8チャネルマルチプレクサ
  • 単一の5V電源で0V〜5Vの入力範囲
  • 出力はTTL電圧レベル仕様を満たしています
  • 28ピンのキャリアチップパッケージ

仕様

ADC0808の仕様は次のとおりです。

  • 解像度:8ビット
  • 未調整エラーの合計:±½LSBおよび±1LSB
  • 単電源:5 VDC
  • 低電力:15 mW
  • 変換時間:100μs

一般に、デジタル形式に切り替えられるADC0808入力は、ピン23、24、および25である3つのアドレスラインA、B、Cを使用して選択できます。ステップサイズは、設定された基準値に応じて選択されます。ステップサイズは、ADCの出力の単位変化を引き起こすアナログ入力の変化です。 ADC0808は、内部クロックを備えたADC0804とは異なり、動作するために外部クロックを必要とします。

アナログ入力の瞬時値に対応する連続8ビットデジタル出力。入力電圧の最も極端なレベルは、+ 5Vに比例して下げる必要があります。

ADC 0808 ICは、通常550 kHzのクロック信号を必要とします。ADC0808は、データをマイクロコントローラーに必要なデジタル形式に変換するために使用されます。

ADC0808のアプリケーション

ADC0808には多くのアプリケーションがあり、ADCでいくつかのアプリケーションを提供しています。

以下の回路から、クロック、スタート、およびEOCピンがマイクロコントローラーに接続されています。通常、ここでは8つの入力があり、操作には4つの入力のみを使用しています。

ADC0808回路

ADC0808回路

  • アナログ-デジタルコンバータICの最初の4つの入力に接続されているLM35温度センサーが使用されています。センサーが加熱すると、センサーは3つのピン、つまりVCC、GND、および出力ピンを持ち、出力の電圧が上昇します。
  • アドレスラインA、B、Cは、コマンド用にマイクロコントローラに接続されています。この場合、割り込みはローからハイへの動作に続きます。
  • スタートピンがハイに保持されている場合、変換は開始されませんが、スタートピンがローにある場合、変換は8クロック周期内に開始されます。
  • 変換が完了すると、EOCピンがローになり、変換が終了し、データを取得する準備ができたことを示します。
  • 次に、出力イネーブル(OE)がハイに上げられます。これにより、TRI-STATE出力が有効になり、データの読み取りが可能になります。

ADC0804

アナログ-デジタル(ADC)コンバーターは、マイクロコントローラーが簡単に読み取れるようにアナログ信号をデジタル数値に変換するための情報保護に最も広く使用されているデバイスであることはすでに知っています。 ADC0801、ADC0802、ADC0803、ADC0804、ADC080のような多くのADCコンバータがあります。この記事では、ADC0804コンバーターについて説明します。

ADC0804

ADC0804

ADC0804は、非常に一般的に使用されている8ビットのアナログ-デジタルコンバータです。 0V〜5Vのアナログ入力電圧で動作します。単一のアナログ入力と8つのデジタル出力を備えています。変換時間はADCを判断するもう1つの主要な要素です。ADC0804では、変換時間はCLKRピンとCLKINピンに適用されるクロック信号によって異なりますが、110μsより速くすることはできません。

ADC804のピンの説明

ピン1 :これはチップセレクトピンであり、ADCをアクティブにします。アクティブロー

ピン2: これは入力ピンのハイからローへのパルスであり、変換後に内部レジスタから出力ピンにデータをもたらします。

ピン3: 変換を開始するためにローからハイへのパルスが与えられる入力ピンです

ピン4: 外部クロックを与えるためのクロック入力ピンです。

ピン5: これは出力ピンであり、変換が完了するとローになります

ピン6: アナログ非反転入力

ピン7: アナログ反転入力、通常はグランド

ピン8: グラウンド(0V)

ピン9: これは入力ピンであり、アナログ入力の基準電圧を設定します

ピン10: グラウンド(0V)

ピン11–ピン18: 8ビットのデジタル出力ピンです

ピン19: 内部クロックソースを使用する場合、ClockINピンとともに使用されます

ピン20: 供給電圧5V

ADC0804の特徴

ADC0804の主な機能は次のとおりです。

  • 単一の5V電源で0V〜5Vのアナログ入力電圧範囲
  • マイクロコントローラと互換性があり、アクセス時間は135nsです
  • すべてのマイクロプロセッサへの簡単なインターフェース
  • ロジック入力と出力は、MOSとTTLの両方の電圧レベル仕様を満たしています
  • 2.5V(LM336)電圧リファレンスで動作します
  • オンチップクロックジェネレータ
  • ゼロ調整は必要ありません
  • 0.3 [プライム]標準幅20ピンDIPパッケージ
  • 比を計量的に、または5 VDC、2.5 VDC、またはアナログスパン調整済み電圧リファレンスで動作します
  • 差動アナログ電圧入力

5V電源の8ビットコンバータです。入力として使用できるアナログ信号は1つだけです。デジタル出力は0〜255の範囲で変化します。 ADCが動作するにはクロックが必要です。アナログをデジタル値に変換するのにかかる時間は、クロックソースによって異なります。 CLKINに外部クロックを与えることができます。ピン2は入力ピンです–ハイパルスからローパルスは、変換後に内部レジスタから出力ピンにデータをもたらします。ピン3は書き込みです–ローからハイへのパルスが外部クロックに与えられます。

応用

単純な回路から、ADCのピン1はGNDに接続され、ピン4はコンデンサを介してGNDに接続されます。ADCのピン2、3、および5はマイクロコントローラの13、14、および15ピンに接続されます。ピン8と10は短絡され、GNDに接続されています。ADCの19ピンは抵抗10kを介して4番目のピンに接続されています。 ADCのピン11〜18は、ポート1に属するマイクロコントローラの1〜8ピンに接続されています。

ADC0804回路

ADC0804回路

ロジックハイがCSとRDに適用されると、入力は8ビットシフトレジスタを介してクロックされ、比吸収率(SAR)検索が完了し、次のクロックパルスでデジタルワードがトライステート出力に転送されます。割り込みの出力は反転され、変換中はハイ、変換が完了するとローになるINTR出力を提供します。 CSとRDの両方でローが発生すると、出力がDB0からDB7の出力に適用され、割り込みがリセットされます。 CSまたはRD入力のいずれかがハイ状態に戻ると、DB0〜DB7出力は無効になります(ハイインピーダンス状態に戻ります)。したがって、ロジックに応じて、0〜5Vのさまざまな電圧が、8ビット分解能のデジタル値に変換され、マイクロコントローラのポート1への入力として供給されます。

ADC0804コンポーネント使用プロジェクト
ADC0808コンポーネント使用プロジェクト

ADCテスト

アナログ-デジタルコンバータのテストには、主にアナログ入力ソースと、制御信号を送信し、デジタルデータをo / pでキャプチャするためのハードウェアが必要です。一部の種類のADCには、正確な基準信号源が必要です。 ADCは、次の主要なパラメータを使用してテストできます

  • DCオフセットエラー
  • 電力損失
  • DCゲインエラー
  • スプリアスフリーダイナミックレンジ
  • SNR(信号対雑音比)
  • INLまたは積分非直線性
  • DNLまたは微分非直線性
  • THDまたは全高調波歪み

ADCまたはアナログ-デジタルコンバーターのテストは、主にいくつかの理由で行われます。その理由とは別に、IEEE Instrumentation&Measurementの学会、波形生成および分析委員会は、用語およびテスト方法のためのADCのIEEE標準を開発しました。正弦波、任意波形、ステップ波形、フィードバックループなど、さまざまな一般的なテスト設定があります。アナログ-デジタルコンバータの安定した性能を決定するために、サーボベース、ランプベース、ACヒストグラム手法、三角ヒストグラム手法、物理手法などのさまざまな方法が使用されます。動的テストに使用される1つの手法は、正弦波テストです。

アナログ-デジタルコンバータのアプリケーション

ADCのアプリケーションは次のとおりです。

  • 現在、デジタル機器の利用が増えています。これらのデバイスは、デジタル信号に基づいて動作します。アナログ-デジタルコンバーターは、信号をアナログからデジタルに変換するこの種のデバイスで重要な役割を果たします。アナログ-デジタルコンバータのアプリケーションは無限であり、以下で説明します。
  • AC(エアコン)には、室内の温度を維持するための温度センサーが含まれています。したがって、この温度変換は、ADCの助けを借りてアナログからデジタルに行うことができます。
  • また、デジタルオシロスコープで信号をアナログからデジタルに変換して表示するためにも使用されます。
  • 携帯電話はデジタル音声信号を使用するため、ADCはアナログ音声信号をデジタルに変換するために使用されますが、実際には音声信号はアナログの形式です。そのため、ADCを使用して信号を変換してから、携帯電話の送信機に信号を送信します。
  • ADCは、MRIやX線などの医療機器で使用され、変更前に画像をアナログからデジタルに変換します。
  • 主に画像や動画の撮影に使用される携帯電話のカメラ。これらはデジタルデバイスに保存されるため、ADCを使用してデジタル形式に変換されます。
  • カセットミュージックは、CDSやサムドライブがADCを使用するようにデジタルに変更することもできます。
  • 現在、市場で入手可能なほとんどすべてのデバイスがデジタルバージョンであるため、ADCはすべてのデバイスで使用されています。したがって、これらのデバイスはADCを使用します。

したがって、これは約 アナログ-デジタルコンバーターの概要 またはADCコンバータとそのタイプ。理解を容易にするために、この記事ではいくつかのADCコンバータについてのみ説明します。この提供されたコンテンツが読者にとってより有益であることを願っています。このトピックに関するその他の質問、疑問、技術的なヘルプについては、以下にコメントしてください。

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