Analoog-digitaalmuundur

Allikas: Vikipeedia
Näide analoog-digitaal muundurist

Analoog-digitaalmuundur (ADC) on seade, mis muudab analoogsignaali ehk pideva signaali digitaalsignaaliks ehk diskreetsesse vormi. Vastupidise funktsiooniga seadet kutsutakse digitaal-analoogmuunduriks (DAC).

Tavaliselt on ADC elektrooniline seade, mis muundab pinge või voolu kahendarvuks. Arvu väärtus kasvab vastavalt sisendpingele või –voolule.[1] Analoog-digitaalmuundurid on vajalikud selleks, et mikroprotsessoritel oleks võimalik aru saada, mis välismaailmas toimub, kuna mikroprotsessor suudab opereerida vaid digitaliseeritud signaalidega. Teisisõnu on ADC sild analoogandurite (näiteks mikrofon) ja digitaalse maailma vahel, kus toimub juba digitaalseks muundatud signaali töötlemine ja/või talletamine.[2]

Analoog-digitaalmuundamise protsess[muuda | redigeeri lähteteksti]

Enamus ADC tüüpidest toimib järgmiselt kirjeldatud viisil. Muundur võtab kindla aja tagant sisendsignaalist "proove" (ehk diskreedib ajaliselt signaali) ning registreerib need binaararvuna. Ühe proovi võtmine on aga eraldiseisev protsess, mis on eri liiki ADC’del erinev. Diskreetimise ehk säpmplimise tulemusel tekib digitaalsete arvude jada, mis ongi digitaalsignaal. Digitaalsignaal aga ei vasta üks-ühele analoogsignaalile, kuna diskreetimise protsessis tekib kadu.[2]

Analoog-digitaalmuunduri parameetrid[muuda | redigeeri lähteteksti]

ADC’d iseloomustavad tema ribalaius (mis ulatuses sagedusi saab mõõta) ja see, kui täpselt ta suudab eristada signaali mürast. Ribalaiuse paneb paika enamasti diskreetimis-sagedus ning vähemal määral ka see, kuidas suudetakse vältida vigu nagu näiteks sakkimine ehk aliasing. Dünaamilist ulatust iseloomustab resolutsioon (mitme erineva väärtuse vahel saab ADC valida signaali väärtust). Näiteks kui resolutsioon on 10 bitti, siis saab jagada signaali 1024 (210) osaks, ehk näiteks 0V – 10V saab esitada 10/1024V täpsusega. Dünaamilist ulatust iseloomustab ka värelus ehk jitter. Värelus tekib sellest, et ADC ei suuda mõõta aega täieliku täpsusega ehk tekivad ajamõõtmise vead, millal analoogväärtust mõõdeti. Kui analoog-digitaalmuunduri diskreetimis-sagedus on üle kahe korra suurem kui signaali ribalaius, siis on võimalik see signaal pärast analoogsignaaliks muundada ilma kaduteta, kui jätta kõrvale kvantimisviga. Kvantimisviga piirab ADC dünaamilist ulatust. Kui sisendsignaali ulatus jääb aga ADC dünaamilise ulatuse piiridesse, siis võib kvantimisvea jätta arvestamata ning tulemuseks on ideaalne ADC.[1]

ADC ajalugu[muuda | redigeeri lähteteksti]

Ei ole täpselt teada, millal esimene ADC tehti ja milline see oli. Kuid kõige varasem teadaolev andmete muundaja ei olnudki elektrooniline, vaid hoopis hüdrauliline. See asus Türgis 18. sajandil ning valmistati täpsemaks vee koguste mõõtmiseks. Kuni 1950. aastate keskpaigani kastutati andmete muundajaid ainult kindla funktsiooniga seadmetes, näiteks sõnumite dekrüpteerimisel Teise maailmasõja ajal, kuna kasutusel oli kohmakas ja kallis vaakumtoru tehnoloogia. Firma nimega Epsco Engineering tuli välja esimese avalikult kättesaadava Analoog-digitaal muunduriga aastal 1954. See oli 11-bitine, 500W võimas, suurte mõõtmetega (0,5m x 0,4m x 0,66m) ning maksis 9000 dollarit. Kui 1960. aastatel tuli kasutusele transistorloogika, siis hakkas elektroonika järk-järgult muutuma väiksemaks ja odavamaks, sealhulgas ka ADC’d.[3]

ADC tüübid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Välk-ADC[muuda | redigeeri lähteteksti]

Välk ADC skeem

Välk-ADC on teisisõnu otsekonverteerimisega analoog-digitaal muundur. Seda tüüpi ADC’del on paigutatud paralleelselt hulk komparaatoreid.[1] Komparaator on komponent, mis võrdleb kahte sisendit ning väljastab “1” või “0”, vastavalt sellele, kas üks sisend on teisest suurem või väiksem.[4] Seega antakse igale komparaatorile ette erinevad referentspinged ning neid võrreldakse sisendpingega. Saadud andmetest saab põhimõtteliselt hetkega kätte digitaalse info sisendpingest. Seda tüüpi ADC on kõige kiirem. Diskreetimis-sagedused võivad ulatuda gigahertsidesse. Samuti on välk-ADC oma ülesehituselt ja loogikalt kõige lihtsam. Kuid seda tüüpi ADC on ka kõige kallim, kuna vajab 2n-1 komparaatorit n-bitise muundamise kohta. Välk-ADC suurus, voolunõudlikkus ning hind muudavad nad ebapraktiliseks, kui on vaja üle 8-bitist täpsust (255 komparaatorit).[5]

Võrdlemismeetodiga ADC[muuda | redigeeri lähteteksti]

Võrdlemismeetodiga ADC koosneb põhiliselt kahendloendurist, digitaal-analoog muundurist ja komparaatorist. Konverteerimisprotsess on järgmine:

  • Loendurisse tuleb impulss-signaal, iga impulssiga kasvab loenduri väärtus.
  • Loendurist lähevad andmed D/A muundurisse, kust liiguvad edasi komparaatorisse.
  • Komparaator võrdleb D/A’st tulnud pinget ja sisendpinget.
  • Loendur pannakse seisma, kui D/A muundurist tulnud pinge saab suuremaks kui analoogpinge ning see registreeritakse.

Selle komparaatori puhul tuleb halvimal juhul lugeda 2n impulssi, enne kui mingi väärtus registreeritakse, ning see muudab konverteerimise ajakulukaks. Samuti lisanduvad ka D/A muunduri vead. Sellise komparaatori eelisteks on lihtne ülesehitus, kuna vajab vaid ühte komparaatorit, ning see on mõõtmetelt väikene ning odav.[6]

Võrdlemismeetodiga ADC (järgiva muunduriga)[muuda | redigeeri lähteteksti]

Järgiv adc

Loogika selle ADC puhul on väga sarnane tavalise võrdlemismeetodiga ADC’ga. Ainsaks erinevuseks on see, et loendur loeb kas üles või alla vastavalt sellele, kas digitaal-analoog muunduri signaal on suurem või väiksem kui registreeritav signaal. See ADC on kuni kaks korda kiirem kui tavaline võrdlemismeetodiga ADC, kuna loendur jõuab õige pingeni tõenäoliselt kiiremini. See on nii vaid aeglaselt muutuva signaali puhul, kiirema signaali puhul tulevad sisse suuremad vead.[6]

Seda tüüpi A/D muunduri põhilisteks komponentideks on komparaator, D/A muundur ja kontroll-loogika. Ka selle ADC puhul võrdleb komparaator sisendpinget ja D/A muundurist tulnud väärtust. DAC’sse tulevad väärtused aga kontroll-loogikast. Kontroll-loogika annab D/A muundurile kahendarve järgmise loogikaga (eeldades, et sisendpinge on 7,2V ja muundur on 4-bitine):

  • Kõige tähtsam bitt (MSB) seatakse kõrgeks ehk kahendväärtuseks on 1000 (kümnendsüsteemis 8).
  • Kontroll-loogika saab tagasi vastuse, et sisendväärtus on väiksem.
  • MSB pannakse tagasi madalaks ning kõrgeks tehakse järgmine bitt ja kahendväärtuseks, mis D/A muundurini jõuab, on nüüd 0100 (kümnendsüsteemis 4).
  • Kontroll-loogika saab komparaatorilt vastuse, et 4 on väiksem ning see jäetakse kõrgeks.
  • Niimoodi võrreldakse läbi väärtused kõigi bittidega.
  • Lõpuks arv registreeritakse.

Selle ADC töötamise eelduseks on, et kella töösagedus peab olema N korda suurem kui diskreetimis-sagedus. Järjestikuse lähenemise meetod võimaldab teha üsna suure resolutsiooniga ja laia tööpiirkonnaga muundureid. ADC diskreetimis-sageduse saab viia üsna kõrgeks, kuna maksimaalne võrdlemiste arv ühe väärtuse registreerimise kohta on võrdne A/D muunduri resolutsiooniga. Puuduseks on keerukus, kuna muundur vajab eraldi kontroll-loogikat.[6]

Kasutusalad[muuda | redigeeri lähteteksti]

Muusika salvestamine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Analoog-digitaal muundurid on lahutamatu osa tänapäeva muusikatööstuse juures. Enamik modernset muusikat toodetakse just arvuteid ja analoog-salvestamist kasutades. Kuna muusikat on vaja töödelda ning CD-plaadile kirjutada, on vaja see muuta digitaalseks. Praeguste muusika tegemiseks kasutatavate analoog-digitaal muundurite diskreetimis-sagedus küündib kuni 192 kilohertsini, see on 192 muundamist sekundis. Enamik stuudioid salvestab muusikat 24-bitise ja 192-176,4 kilohertsise ADC’ga ning hiljem konverteeritakse see 44,1 kHZ’iks CD’de jaoks või 48 kHZ’iks raadio ja televisooni jaoks.[1]

Digitaalne signaalitöötlus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Et ükskõik millist signaali töödelda, hoiustada või transportida, tuleb see kõigepealt muundada digitaalsesse vormi. A/D muundur on televiisori sees, et muundada teleantenni kinnipeetav analoogsignaal digitaalvormi. Mikrokontrollerites, mida kasutatakse tänapäeval põhimõtteliselt iga elektroonikaseadme sees, on suhteliselt aeglased 8-, 10-, 12- või 16-bitised muundurid.[1]

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]