¿Cómo un sistema informático convierte un valor de voltaje en su representación digital?

Un ADC funciona al comparar dos voltajes, el que se debe convertir y el voltaje de su DAC interno.

La comparación se realiza por aproximación sucesiva desde el bit más significativo hasta el bit menos significativo.

Por ejemplo:

Supongamos que tenemos un ADC de 8 bits que tiene un rango de entrada de 0V a 5V. En este caso, 0V correspondería a 00000000 (0x00) y 5V (en realidad, 4.998046875V) correspondería a 11111111 (0xFF).

Si alimentamos 3V al ADC, lo convertiría en 8 pasos

1. 10000000 - > 2.5V (Por debajo del voltaje de entrada, el bit permanecerá establecido)
2. 11000000 - > 3.75V (voltaje de entrada arriba, el bit será 0)
3. 10100000 - > 3.125V (por encima del voltaje de entrada, el bit será 0)
4. 10010000 - > 2.8125V (Por debajo del voltaje de entrada, el bit permanecerá establecido)
5. 10011000 - > 2.96875V (Por debajo del voltaje de entrada, el bit permanecerá establecido)
6. 10011100 - > 3.046875V (Por encima del voltaje de entrada, el bit será 0)
7. 10011010 - > 3.0078125V (Por encima del voltaje de entrada, el bit será 0)
8. 10011001 - > 2.98828125V (Por debajo del voltaje de entrada, el bit permanecerá establecido)

El valor devuelto por el ADC será 10011001 (0xAA).

Todos los ADC usan comparadores de alguna manera, es decir, comparan dos voltajes analógicos y la salida es una señal digital que indica cuál es mayor.

Los ADC más comunes en microcontroladores utilizan aproximaciones sucesivas. Es decir, utilizan un DAC y comparan la salida con el voltaje de entrada analógica muestreado. Comienzan con el bit más alto usando el voltaje para 10 ... 0 (la mitad del voltaje de referencia), luego, dependiendo del resultado, use 010 ... 0 o 110..0 y así sucesivamente, continúe hasta el punto menos significativo. bit.

Probablemente uno de los ADC más simples es el ADC de rampa. Utiliza un DAC y compara su salida analógica con la entrada analógica desconocida con un comparador: -

UnDACpuedeconvertirunnúmerodigitalaunvoltajeanalógico.ElDACsepresentaconunnúmerodigitalquepasade(digamos)000ha3FFh(estoseríaunDACde10bits).Estopuedeorganizarseparaproducirunvoltajeanalógicoenelrangode0a10.23V.

Tendráunaresolucióndevoltajeanalógicade10mV,esdecir,cadaaumentodeunsolobitenelnúmerodigitalquesealimentaaumentarálasalidaDACen10mV.Como1023=3FFhposiblementepuedeverquehehechoapropósitoquemiDAC(enesteejemplo)funcioneengruposde10mVparavincularmeconlapregunta.

Laseñal"desconocida" se compara utilizando un comparador analógico con la señal DAC de aumento gradual. El comparador tiene una salida digital que permanece baja hasta que los dos voltajes ingresados se cruzan en amplitud y luego permanece alta.

Entonces, si usa un circuito digital para detener la rampa cuando la salida del comparador cambia, ha encontrado la amplitud de la señal desconocida: es el número digital que se presenta al DAC.

Hay otros tipos de ADC y la mayoría de ellos son más rápidos para "apuntar" al valor real de la señal analógica, pero creo que el método de rampa descrito anteriormente es el más simple de entender.

Conceptualmente, el circuito que se muestra arriba es lo mismo que un ADC de aproximación sucesiva. ¿Qué tan "inteligente" quiere ser la MCU para acercarse al análogo desconocido? ¿Cómo puede usar el comparador de manera más eficiente? Hay algunas opciones, por supuesto.

Básicamente, solo tiene divisores de resistencia en las entradas de los comparadores.

Con 4 comparadores, tiene una resolución de 2 bits (4 etapas de discretización de voltaje). Incluya eso en un decodificador de 4 a 2 y obtendrá una salida de 2 bits de 00,01,10,11 para baja a alta tensión.