Come funziona un convertitore analogico a digitale

Nel nostro post del blog www.progettosani.it vediamo: Come funziona un convertitore analogico a digitale.

Un convertitore da analogico a digitale, o anche chiamato Convertitore ADC o A/D, è un dispositivo elettronico attraverso il quale un segnale analogico (come una voce registrata) viene trasformato in digitale per facilitarne l’elaborazione e che il segnale digitale è privo di interferenze che influenzano i segnali analogici.

Come funziona un convertitore da analogico a digitale

I segnali analogici sono quelli che hanno ampiezza continua e continuità nel tempo. D’altra parte, i segnali digitali hanno ampiezza discreta e anche tempo discreto. Grazie al convertitore e attraverso un processo periodico che limita la larghezza di banda del segnale in ingresso, il segnale analogico viene trasformato in digitale in uscita.

La conversione da analogico a digitale, o digitalizzazione, misura periodicamente l’ampiezza o la tensione del segnale e poi converte questi valori in livelli di quantizzazione, cioè un insieme finito di livelli di tensione predefiniti registrato come numero intero in una memoria o supporto.

processi di conversione

Diversi processi sono coinvolti in questo meccanismo: campionamento, ritenzione, quantizzazione e codifica.

  1. Campionamento: È la misurazione periodica dell’ampiezza di un segnale per valutarne il livello. Tuttavia, questo processo non è contemplato da un punto di vista matematico, poiché è una risorsa tecnica senza un modello matematico e con limitazioni pratiche. Durante il campionamento e anche in standby, il segnale è ancora analogico in quanto può assumere qualsiasi valore. È dalla quantizzazione che il segnale acquista valori finiti e diventa digitale.
  2. Ritenzione: In questa fase i campioni vengono trattenuti da un circuito di ritenzione in modo che sia possibile valutarne il livello. Matematicamente, anche questo processo non viene preso in considerazione per gli stessi motivi del campionamento.
  3. Quantificazione: In questo processo, ciò che viene misurato è la tensione di ciascun campione, assegnando loro un margine di valore di un segnale analizzato in un singolo livello di uscita. Lo svantaggio è che il risultato porta sempre una distorsione chiamata “rumore di quantizzazione”.
  4. Codificazione: la codifica è l’azione mediante la quale i valori ottenuti nella quantizzazione vengono tradotti in un codice binario o altri tipi di codici simili.
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Tipi di convertitori da analogico a digitale

Esistono diversi processi per convertire i segnali di ingresso analogici in segnali di uscita digitali.

ADC flash

È un convertitore di tipo diretto ed è uno dei più veloci. Il convertitore flash ha un set di comparatori con terminali reversibili che si collegano a una scala del partitore di tensione, mentre i terminali non invertenti si collegano al segnale di ingresso analogico. I resistori ladder sono collegati a una tensione di riferimento utilizzata come comparatore. Poi arriva la fase di amplificazione, dopo la quale il codice appare come una serie di valori binari. L’amplificatore elimina anche l’offset del comparatore.

Questi convertitori hanno frequenze di campionamento elevate, che li rendono ideali per applicazioni come il rilevamento radar o le radio ad alta larghezza di banda. Inoltre hanno un’elevata velocità di funzionamento, hanno circuiti semplici ed eseguono la conversione immediatamente in una sola operazione, in quanto sono costituiti da una catena di divisori e comparatori di tensione. Il suo principale svantaggio è il suo alto valore.

Come funziona un convertitore analogico a digitale

Tipo di approccio successivo ADC

Questo tipo di convertitore utilizza anche il formato ricerca binaria livelli di quantificazione. La differenza sta dentro suddivisione dei processi che compongono la conversione: C’è un grande circuito latch che registra il segnale analogico in ingresso chiamato Vin; anche un comparatore incaricato di confrontare la tensione analogica con l’ADC interno e un registro ad approssimazioni successive (SAR), che registra i dati di ingresso e di confronto.

Sono i convertitori analogico-digitali più utilizzati, in quanto possono essere utilizzati in applicazioni che non richiedono risoluzioni o velocità elevate; ulteriore hanno un costo contenuto che ne consente l’implementazione su un singolo chip per numerose applicazioni di controllo e fornisce i risultati più accurati. Il suo principale svantaggio è il lungo tempo necessario per eseguire la conversione. Va notato che esistono due tipi di ADC ad approssimazioni successive: contatore e tracciamento servo.

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Integrazione simile ad ADC

Questo tipo di ADC converte il segnale analogico di ingresso a tempo continuo e di ampiezza in un segnale digitale integrato nel tempo utilizzando un integratore insieme a un amplificatore operazionale. Per questa operazione, A tensione di ingresso analogica non identificata e può aumentare per un periodo di tempo, noto come “periodo di accelerazione”. Viene quindi applicata una tensione di riferimento prefissata di polarità opposta, che può anche aumentare fino a quando l’integratore genera zero. Questo periodo è noto come “esaurimento”.

Questo tipo di convertitori da non utilizzare nell’elaborazione del segnale digitale o nelle applicazioni di elaborazione audioSono invece preferiti per misuratori digitali come amperometri o voltmetri o altri strumenti in cui è richiesta un’elevata precisione perché velocità e risoluzione sono inversamente proporzionali. Questo tipo di ADC ha anche due tipi: bilanciamento del carico e doppia pendenza.

ADC di D. Wilkinson

È un convertitore sviluppato da DH Wilkinson nel 1950, che consiste in un condensatore che deve essere caricato, un comparatore che controlla questo, e un condensatore che si scarica linearmente producendo un segnale a rampa. Quando si verifica questo processo, l’impulso di gate si avvia e rimane attivo fino a quando il condensatore non si scarica, azionando contemporaneamente un gate lineare che riceve input dagli impulsi di clock dell’oscillatore ad alta frequenza che vengono conteggiati durante il processo.

Estensione del tempo convertitore analogico-digitale (TS – ADC)

È un tipo di ADC che combina diverse tecnologie e può digitalizzare un segnale con una larghezza di banda elevata e maggiore rispetto a quella normalmente letta dai normali ADC, per questo è chiamato anche “digitalizzatore fotonico time-stretch”. Oltre alla conversione digitale, viene utilizzato anche per apparecchiature in tempo reale ad alte prestazioni come l’imaging o la spettroscopia.

Convertitore analogico-digitale sigma-delta (ΣΔ).

modulazione Sigma-Delta (ΣΔ) o Delta-Sigma (ΔΣ) è un tipo di conversione da analogico a digitale o da digitale ad analogico, rispettivamente. I circuiti ADC che utilizzano questa tecnica possono essere realizzati con sistemi CMOS a basso costo, simili a quelli utilizzati per creare circuiti integrati digitali, motivo per cui, nonostante sia stato inventato negli anni ’60, il suo utilizzo si è diffuso solo di recente. Si tratta di un ADC con una bassa velocità massima di conservazione, ma compensata dal miglior rapporto segnale/suono.

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Altri tipi di convertitori da analogico a digitale:

  • L’ADC con codifica Delta
  • L’ADC convogliato,
  • ADC interlacciati nel tempo, ecc.

Applicazioni dell’ADC

Il convertitore analogico-digitale è uno dei dispositivi elettronici più importanti del nostro tempo poiché sebbene siamo nell’era digitale, il nostro tempo reale è ancora analogico, per cui questa conversione è essenziale. Alcune delle applicazioni più importanti degli ADC sono:

  • Elaborazione del segnale digitale: L’editing, la modifica, l’elaborazione, l’archiviazione e il trasporto di dati dal campo analogico a quello digitale è una delle principali applicazioni dei convertitori analogico-digitale. I dispositivi utilizzati da queste applicazioni includono microcontrollori, oscilloscopi digitali e software critico.
  • Strumenti scientifici: immagini digitali a scansione di pixel, tecnologie radar e molti sistemi di telerilevamento sono alcuni degli esempi più notevoli dell’utilità degli ADC negli strumenti e nei sistemi elettronici necessari per la medicina e la scienza.
  • Elaborazione audio: Gli ADC hanno anche applicazioni nel campo della musica. Ad esempio, le voci analogiche possono essere registrate e conservate su piattaforme digitali grazie ai convertitori.

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