À medida que a tecnologia avança, compreender os dispositivos e tecnologias subjacentes que nos rodeiam torna-se vital. Neste contexto, falaremos sobre conversores analógico-digitais, conhecidos como ADCs, que desempenham um papel vital na conversão de sinais analógicos em representação digital.
Os conversores analógico-digital (ADCs) são incrivelmente úteis para converter fenômenos do mundo real em valores que podemos usar em projetos de programação. Mas como um ADC pode converter sinais analógicos em sinais digitais que podemos manipular e incorporar em qualquer lugar? Você pode ver agora Como reproduzir áudio através de duas ou mais saídas de hardware no Linux.
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Quais são os usos do ADC?
Os ADCs são dispositivos essenciais no mundo da eletrônica, convertendo sinais analógicos contínuos em uma representação digital variável. Compreender como funcionam é fundamental para controlar sinais e dados em sistemas de automação e controle.
Você encontrará ADCs em quase todos os lugares. Está no seu telefone e converte sua voz em uma sequência de valores binários. Eles estão no seu carro, medindo o tempo de rotação das rodas. Eles são encontrados em osciloscópios, que ajudam a captar e representar sinais. No entanto, o local onde a maioria das pessoas os utilizará é no mundo do vídeo e do áudio, onde trazer luz e som para o espaço digital é fundamental.
O processo de conversão baseia-se na divisão do sinal analógico em duas partes: quantidade (valor) e resolução (número de bits). O desafio é manter a precisão da conversão para obter dados precisos.
Qual é a taxa de amostragem? Como a taxa de amostragem afeta o ADC?
Uma das principais métricas mais importantes para um ADC é a taxa de amostragem: o número de leituras feitas a cada segundo.
Um osciloscópio muito sofisticado pode coletar dez bilhões de amostras por segundo. O minúsculo ADC MCP3008 pode coletar relativamente modestas duzentas mil amostras por segundo. No mundo do áudio, uma taxa de amostragem de 44.100 por segundo (44.1 kHz) é considerada típica.
Quanto mais amostras coletarmos, mais precisamente poderemos representar o sinal. Às vezes, isso é necessário; Às vezes, não é. Digamos que estamos construindo um equalizador (um dispositivo de controle digital projetado para controlar a eletrônica, como visto em uma mesa de iluminação ou edição de som) usando algumas dezenas de potenciômetros. Nesse caso, é improvável que os valores que precisamos medir mudem milhões de vezes por segundo, já que nossos dedos não conseguem se mover tão rápido. Precisamos apenas de amostras suficientes para que o resultado seja suave e responsivo.
O que é taxa de bits? A taxa de bits afeta a qualidade do ADC?
Devemos também considerar a qualidade da amostra que obtemos. É amplamente determinado pela taxa de bits, que nos diz quantos estados ligados e desligados podemos usar para representar digitalmente a tensão. Quanto mais bits tivermos, mais valores possíveis podemos registrar em qualquer amostra e mais suave e preciso se tornará o resultado final.
Nós escrevemos sobre O sistema binário e como funcionaEntão, se você não tiver certeza, este é um bom lugar para começar. Quantos bits precisamos? Novamente, depende do que estamos tentando alcançar. Às vezes, podemos estar limitados pelo protocolo que usamos. Por exemplo, o protocolo MIDI 1.0 é limitado a valores de sete bits (às vezes quatorze). Em outros casos, o fator determinante pode ser a percepção humana. Se aumentar a qualidade do desempenho não levar a qualquer melhoria significativa no resultado, pode não valer a pena.
Como a multiplexação melhora a qualidade do ADC?
Dispositivos ADC populares, como ADS1115 و MCP3008 Muitas entradas. Mas nos bastidores, na verdade, ele possui apenas um ADC. Isto é possível devido aos multiplexadores incorporados nesses dispositivos. Os multiplexadores são encontrados em todo o mundo da eletrônica e das comunicações. Eles são switches digitais que atuam como controle de movimentação de dados para o seu ADC. Um ADC pode tentar um canal, depois o próximo e depois o próximo. Portanto, se você tiver oito canais e uma taxa de amostragem de 200000, poderá percorrer todos eles, obtendo 25000 amostras por canal.
Que tipos de ADC existem?
Os ADCs funcionam de maneiras diferentes, dependendo do custo e dos recursos necessários.
Trabalho Flash ADC Através de um divisor de tensão muito complexo. Um conjunto de resistores divide a tensão de referência em incrementos, que são então testados na entrada por meio de um conjunto de comparadores. Os Flash ADCs são muito rápidos, mas são limitados no que diz respeito à profundidade de bits devido ao número de comparadores necessários. Também consome muita energia pelo mesmo motivo.
Procurar Subvariando ADC Eles compensam essas fraquezas dividindo o trabalho entre duas unidades separadas: uma para calcular aproximadamente a tensão e depois uma segunda para trabalhar nela com precisão. Ao dividir as coisas, podemos reduzir o número de comparações. Alguns sub-ADCs dividirão o trabalho em três fases, com a correcção de erros incluída ao longo do caminho.
SAR (Registro de Aproximação Sucessiva) Os ADCs realizam seu trabalho por meio de um tipo de pesquisa binária. Suponha que tenhamos oito bits para preencher. O SAR começará em 10000000, que é o valor intermediário (00000000 é o valor inferior e 11111111 é o valor superior). Se a tensão exceder este ponto médio, o SAR manterá o número mais à esquerda como 1; Caso contrário, o SAR definirá o número mais à esquerda como 0. Podemos repetir o processo com o próximo número e assim por diante repetidamente. Isso moverá gradualmente o valor estimado em direção ao valor real:
Desta forma, restringimos continuamente a pesquisa, dividindo as probabilidades ao meio e perguntando se o resultado está acima ou abaixo do ponto médio. Neste caso, o valor está entre 0 e 255; Após várias iterações, o ADC conclui que o número está em torno de 77.
Os conversores Delta-sigma são provavelmente os mais difíceis de entender. Eles são usados em aplicações musicais e medição de sinais de alta precisão. Eles funcionam superamostrando o sinal e melhorando o resultado usando filtragem e matemática muito complexas. Este processo reduz efetivamente a taxa de amostragem enquanto aumenta a resolução. Esses ADCs são ótimos quando o ruído e a precisão são mais importantes que a velocidade.
Finalmente, temos a integração ADC, que é ainda mais lenta que o delta-sigma. Funciona com a ajuda de um capacitor cuja taxa de carga pode ser usada para determinar a tensão de entrada. A taxa de amostragem aqui é frequentemente sincronizada com a frequência da fonte de alimentação, o que pode ser usado para reduzir o ruído ao mínimo absoluto.
O que é o teorema de Nyquist-Shannon ou teoria da amostragem digital?
A teoria de Nyquist-Shannon fornece a estrutura teórica para a compreensão de como os sinais analógicos (como som ou imagem) são representados digitalmente. O sistema digital de amostragem e codificação é fundamental para esta teoria.
Um dos pontos-chave do teorema de Nyquist-Shannon é que qualquer sinal analógico pode ser representado usando um conjunto de amostras digitais. A qualidade da representação é determinada pela taxa de amostragem (o número de amostras por unidade de tempo), onde metade da taxa de amostragem se refere ao número mínimo de amostras necessárias para representar um sinal.
Suponha que queiramos descrever digitalmente um sinal analógico. Para fazer isso, precisamos de pelo menos dois pontos para cada curso: um no topo e outro na parte inferior. Portanto, nossa frequência de amostragem deve ser pelo menos duas vezes a frequência mais alta que esperamos medir.
Isso é conhecido como frequência de Nyquist, em homenagem ao físico sueco-americano Harry Nyquist. A teoria recebeu o nome de Nyquist e Claude Shannon (um proeminente matemático e criptógrafo), mas não de Edmund Whittaker, que teve a ideia antes de qualquer um deles.
A quem quer que atribuamos a teoria, há um problema com ela. É impossível saber antecipadamente quando o topo e a base da forma de onda serão alcançados. E se amostrarmos no meio em direção à forma de onda de entrada? Observe como uma mudança no sinal de entrada pode nivelar todo o resultado capturado:
Ou mesmo alucinações de novas formas de onda que não existiam antes:
Essas alucinações são conhecidas como pseudônimos.
O problema com distorção (Aliasing)
Você provavelmente está familiarizado com a ilusão da “roda de carrinho” que às vezes ocorre ao fotografar um objeto em rotação. As rodas do carro, ou as hélices do helicóptero, parecem se mover para trás, mas muito lentamente. Em alguns casos, as lâminas podem parar completamente (com resultados francamente bizarros – assista ao vídeo abaixo!).
Ao jogar um videogame antigo, você também deve ter notado que linhas paralelas às vezes produzem artefatos estranhos. As cercas listradas, as escadas e os saltadores começavam a parecer realmente muito estranhos. Ou que tal aqueles bipes estranhos que você às vezes ouve quando ouve alguém falando em uma conexão digital de baixa qualidade? É distorção, mas é um tipo especial de distorção. O que há com todas aquelas frequências feias saindo do ruído? Se você estiver ouvindo um conteúdo rico em tons, como uma bateria, o efeito será mais pronunciado - especialmente nos agudos.
Se você entender o motivo de um deles, estará no caminho certo para entender todos eles. No caso da estrela, uma taxa de quadros fixa significa que não podemos capturar o movimento adequadamente. Se algo girar 350 graus em cada quadro, é natural perceber que na verdade foi movido 10 graus para trás. Em outras palavras, não há informações suficientes para representar com precisão o que está acontecendo. As amostras que coletamos são inconsistentes com o que estamos tentando medir.
Este não é um problema limitado à conversão de analógico para digital. Em muitos destes casos, estamos convertendo um tipo de sinal digital em outro.
Então qual é a solução? Existem muitos. Podemos aplicar um filtro especial para lidar com esses artefatos, que é o que muitos ADCs fazem de forma personalizada. Ou poderíamos provar muito mais do que precisamos. Quanto mais amostras coletamos, mais precisa se torna a imagem da onda:
A frequência de Nyquist é metade da frequência de amostragem e é um limite que deve ser excedido para evitar interferência conhecida como “aliasing”. Se a frequência amostrada exceder a metade da frequência amostrada, poderão ocorrer alias e artefatos indesejados no sinal convertido.
Por exemplo, se você tiver um sinal que contenha uma frequência alta e use uma frequência de amostragem baixa, a parte alta do sinal poderá ser representada incorretamente, produzindo outros artefatos no sinal convertido. Para evitar o Aliasing, uma frequência de amostra que seja pelo menos metade da frequência mais alta do sinal deve ser usada. Verificar Como funciona o alternador no seu carro?
perguntas comuns
Q1. Qual é a função dos conversores analógico-digitais (ADCs)?
Os conversores analógico-digital convertem sinais analógicos contínuos em uma representação digital, permitindo que sistemas de automação e eletrônicos compreendam e processem dados com eficiência.
Q2. Como os sinais analógicos são convertidos em digitais usando ADCs?
Isso é feito dividindo o sinal em duas partes: quantidade (valor) e resolução (número de bits). O desafio é manter a precisão da conversão para obter dados precisos.
Q3. Existem diferentes tipos de conversores analógicos para digitais?
Sim, há uma variedade de ADCs com base em suas aplicações, como ADCs adequados para aplicações de áudio ou controle de movimento.
Q4. Qual é a importância dos ADCs nos sistemas digitais modernos?
Os ADCs permitem que dispositivos e aplicativos interajam com o mundo ao seu redor e dêem sentido aos dados de maneira eficaz na era digital.
Amostra de maior qualidade para melhores resultados
Se você acha esse tipo de coisa interessante, a boa notícia é que não nos aprofundamos muito nesse tema. Há muitos detalhes avançados a serem abordados aqui: Os ADCs são muito complexos.
Mas do ponto de vista do usuário final ou entusiasta comum do Arduino, também é muito simples. As tensões entram, os números saem. Portanto, seja o que for que você queira medir - seja o teor de umidade de um pedaço de solo, as oscilações de uma caixa de voz humana ou o fluxo de fótons refratados através de uma lente - há boas chances de que haja um ADC que fará o trabalho . Agora você pode visualizar Os prós e contras de usar um clone do Arduino em seus projetos.
