テクノロジーが進歩するにつれて、私たちの周りの基盤となるデバイスやテクノロジーを理解することが重要になります。これに関連して、アナログ信号をデジタル表現に変換する際に重要な役割を果たす、ADC として知られるアナログ - デジタル コンバーターについて説明します。
アナログ - デジタル コンバーター (ADC) は、現実世界の現象をプログラミング プロジェクトで使用できる値に変換するのに非常に役立ちます。しかし、ADC はどのようにしてアナログ信号を、処理してどこにでも埋め込むことができるデジタル信号に変換できるのでしょうか?閲覧できるようになりました Linux で 2 つ以上のハードウェア出力を通じてオーディオを再生する方法.
クイックリンク
ADCの用途は何ですか?
ADC はエレクトロニクスの世界では不可欠なデバイスであり、連続アナログ信号を可変デジタル表現に変換します。それらがどのように機能するかを理解することは、オートメーションおよび制御システムで信号とデータを制御するための基礎です。
ADC はほぼどこでも見つけることができます。これは携帯電話上にあり、あなたの声をバイナリ値の文字列に変換します。それらはあなたの車の中にあり、車輪が回転する時間を測定します。これらはオシロスコープにあり、信号を拾って表現するのに役立ちます。ただし、ほとんどの人がこれらを使用するのはビデオとオーディオの世界であり、デジタル空間に光と音を取り込むことが重要です。
変換プロセスは、アナログ信号を量 (値) と解像度 (ビット数) の 2 つの部分に分割することに基づいています。課題は、変換の精度を維持して正確なデータを取得することです。
サンプルレートとは何ですか?サンプルレートはADCにどのような影響を与えますか?
ADC にとって最も重要な主要指標の 1 つはサンプル レート、つまり 1 秒ごとに取得される読み取り数です。
非常に高度なオシロスコープでは、3008 秒あたり 44.100 億個のサンプルを取得する可能性があります。小型の MCP44.1 ADC は、XNUMX 秒あたり比較的控えめな XNUMX 万サンプルを取得できます。オーディオの世界では、XNUMX 秒あたり XNUMX (XNUMX kHz) のサンプル レートが一般的と考えられています。
取得するサンプルが多いほど、信号をより正確に表現できます。場合によってはこれが必要です。そうでない場合もあります。数十個のポテンショメータを使用してイコライザー (照明やサウンドの編集デスクに見られる、電子機器を制御するために設計されたデジタル制御デバイス) を構築しているとします。この場合、指はそれほど速く動くことができないため、測定する必要がある値が 1 秒間に何百万回も変化する可能性は低いです。結果がスムーズで応答性が高くなるのに十分なサンプルだけが必要です。
ビットレートとは何ですか?ビットレートは ADC の品質に影響しますか?
取得するサンプルの品質も考慮する必要があります。これは主に、電圧をデジタルで表現するために使用できるオン状態とオフ状態の数を示すビット レートによって決まります。ビット数が多いほど、特定のサンプルで記録できる値が多くなり、最終結果がよりスムーズかつ正確になります。
について書きました バイナリ システムとその仕組みよくわからない場合は、ここから始めるのが良いでしょう。何ビット必要ですか?繰り返しますが、それは私たちが何を達成しようとしているかによって異なります。場合によっては、使用するプロトコルによって制限される場合があります。たとえば、MIDI 1.0 プロトコルは XNUMX ビット (場合によっては XNUMX) の値に制限されています。他の場合には、決定要因は人間の知覚である可能性があります。パフォーマンスの質を高めても結果が大幅に改善されない場合は、価値がない可能性があります。
多重化により ADC の品質はどのように向上しますか?
などの一般的な ADC デバイス ADS1115 و MCP3008 多くの入力。しかし、実際には内部には ADC が 200000 つしかありません。これは、これらのデバイスに組み込まれたマルチプレクサのおかげで可能になります。マルチプレクサは、エレクトロニクスと通信の世界のどこにでも存在します。これらは、ADC のデータ移動制御として機能するデジタル スイッチです。 ADC は 25000 つのチャネルを試行し、次に次のチャネルを試行し、さらにその次のチャネルを試行する場合があります。したがって、XNUMX つのチャネルがあり、サンプル レートが XNUMX の場合、すべてのチャネルを循環して、チャネルごとに XNUMX のサンプルを取得できます。
ADCにはどのような種類がありますか?
ADC は、必要なコストと機能に応じて、さまざまな方法で動作します。
作品 フラッシュADC 非常に複雑な分圧器を経由します。一連の抵抗により基準電圧が増分に分割され、その後、一連のコンパレータを介して入力に対してテストされます。フラッシュ ADC は非常に高速ですが、必要なコンパレータの数によりビット深度が制限されます。同じ理由でエネルギーを大量に消費します。
求める サブレンジ化 ADC これらの弱点は、2 つの別々のユニット間で作業を分割することによって補われます。1 つは電圧を大まかに計算し、もう 1 つは電圧を正確に計算します。物事を分割することで、比較の回数を減らすことができます。一部のサブ ADC は、作業を 3 つの段階に分割し、途中でエラー修正が含まれます。
SAR (逐次比較レジスタ) ADC は、一種の二分探索を通じて作業を実行します。 10000000 ビットを埋める必要があるとします。 SAR は、中間値である 00000000 から始まります (11111111 が下限値、1 が上限値です)。電圧がこの中間点を超えると、SAR は左端の数値を 0 のままにします。そうでない場合、SAR は左端の数値を XNUMX に設定します。次の数値などでプロセスを繰り返すことができます。これにより、推定値が実際の値に向かって徐々に移動します。
このようにして、確率を半分に分割し、結果が中間点を上回るか下回るかを尋ねながら検索を継続的に絞り込みます。この場合、値は 0 ～ 255 の範囲になります。数回の反復の後、ADC はその数値が約 77 であることを検出します。
デルタシグマコンバーターはおそらく最も理解が難しいものです。音楽アプリケーションや高精度信号測定に使用されます。これらは、信号をオーバーサンプリングし、非常に複雑なフィルタリングと数学を使用して結果を改善することによって機能します。このプロセスでは、解像度を向上させながらサンプル レートを効果的に低下させます。これらの ADC は、速度よりもノイズと精度が重要な場合に最適です。
最後に、ADC の統合がありますが、これはデルタ シグマよりもさらに遅くなります。これは、充電率を使用して入力電圧を決定できるコンデンサの助けを借りて動作します。ここでのサンプル レートは電源の周波数と同期していることが多く、これを使用してノイズを最小限に抑えることができます。
ナイキスト・シャノンの定理またはデジタル サンプリング理論とは何ですか?
ナイキスト・シャノン理論は、アナログ信号 (音声や画像など) がデジタルでどのように表現されるかを理解するための理論的枠組みを提供します。デジタル サンプリングおよびコーディング システムは、この理論の基礎です。
ナイキスト・シャノンの定理の重要な点の 1 つは、デジタル サンプルのセットを使用してあらゆるアナログ信号を表現できることです。表現品質はサンプリング レート (単位時間あたりのサンプル数) によって決まります。サンプリング レートの半分とは、信号を表現するために必要なサンプルの最小数を指します。
アナログ信号をデジタルで表現したいとします。これを行うには、指定されたコースごとに少なくとも 2 つのポイント (上部に 1 つと下部に 1 つ) が必要です。したがって、サンプリング周波数は、測定が予想される最高周波数の少なくとも 2 倍である必要があります。
これはナイキスト周波数として知られており、スウェーデン系アメリカ人の物理学者ハリー ナイキストにちなんで名付けられました。この理論は、ナイキストとクロード シャノン (著名な数学者で暗号学者) にちなんで命名されましたが、二人より先にこのアイデアを思いついたエドモンド ウィテカーにちなんで命名されたものではありません。
この理論を誰のせいにしようと、それには問題があります。波形の最上部と最下部にいつ到達するかを事前に知ることは不可能です。入力波形の中央でサンプリングしたらどうなるでしょうか?受信信号のシフトにより、キャプチャされた結果全体がどのように平坦になるかに注目してください。
あるいは、以前には存在しなかった新しい波形の幻覚さえあります。
これらの幻覚は別名として知られています。
歪み（エイリアシング）の問題
おそらく、回転する物体を撮影するときに時々発生する「カートの車輪」錯覚をご存知でしょう。車の車輪やヘリコプターのブレードが後方に動いているように見えますが、その速度は非常にゆっくりです。場合によっては、ブレードが完全に停止することがあります (率直に言って奇妙な結果が生じます - 下のビデオをご覧ください!)。
古いビデオ ゲームをプレイしているときに、平行線が時々奇妙なアーティファクトを生成することに気づいたかもしれません。縞模様のフェンス、はしご、ジャンパーは、実に奇妙に見え始めていました。あるいは、低品質のデジタル接続で誰かの会話を聞いているときに時々聞こえる奇妙なビープ音についてはどうでしょうか?それはディストーションですが、特別な種類のディストーションです。ノイズの中から出てくるあの醜い周波数は一体何なのでしょうか？ドラムキットなどの豊かな音色のコンテンツを聴いている場合、特にハイエンドでその効果がより顕著になります。
350 つの理由を理解できれば、すべてを理解できるようになります。側転の場合、フレーム レートが固定であるため、モーションを適切にキャプチャできません。フレームごとに何かが 10 度回転した場合、実際には XNUMX 度後ろに移動していることに気づくのは自然なことです。言い換えれば、何が起こっているかを正確に表現するのに十分な情報がありません。私たちが採取したサンプルは、測定しようとしているものと一致しません。
これはアナログからデジタルへの変換に限定された問題ではありません。これらのケースの多くでは、あるタイプのデジタル信号を別のタイプのデジタル信号に変換します。
それで、解決策は何でしょうか？沢山あります。これらのアーティファクトに対処するために特別なフィルターを適用することができます。これは、多くの ADC がカスタムメイドで行っていることです。あるいは、必要以上に多くのサンプルをサンプリングすることもできます。より多くのサンプルを取得するほど、波の画像がより正確になります。
ナイキスト周波数はサンプル周波数の半分であり、「エイリアシング」として知られる干渉を避けるために超える必要がある制限です。サンプリング周波数がサンプル周波数の半分を超える場合、変換された信号にエイリアシングや不要なアーティファクトが発生する可能性があります。
たとえば、高い周波数を含み、低いサンプル周波数を使用する信号がある場合、信号の高い部分が正しく表現されず、変換された信号に他のアーティファクトが生じる可能性があります。エイリアシングを回避するには、信号内の高い周波数の少なくとも半分のサンプル周波数を使用する必要があります。確認する 車のオルタネーターはどのように機能しますか?
よくある質問
Q1.アナログ - デジタル コンバーター (ADC) の機能は何ですか?
アナログ - デジタル コンバータは、連続アナログ信号をデジタル表現に変換し、オートメーション システムや電子機器がデータを効率的に理解して処理できるようにします。
Q2. ADC を使用してアナログ信号をデジタルに変換するにはどうすればよいですか?
これは、信号を量 (値) と解像度 (ビット数) の 2 つの部分に分割することによって行われます。課題は、変換の精度を維持して正確なデータを取得することです。
Q3.アナログ - デジタル コンバーターにはさまざまな種類がありますか?
はい、オーディオやモーション コントロール アプリケーションに適した ADC など、アプリケーションに基づいてさまざまな ADC があります。
Q4.最新のデジタル システムにおける ADC の重要性は何ですか?
ADC により、デバイスやアプリケーションは周囲の世界と対話し、デジタル時代にデータを効果的に理解できるようになります。
最良の結果を得るために高品質のサンプル
このようなことに興味を持っていただければ、幸いなことに、このトピックについてはあまり深く掘り下げていないということです。ここで詳しく説明する必要があるのは、ADC が非常に複雑であることです。
しかし、エンドユーザーや一般の Arduino 愛好家の観点から見ると、それは非常に簡単でもあります。電圧が入力され、数値が出力されます。したがって、土壌の水分含有量、人間の発声器の振動、レンズを通る屈折光子の流れなど、測定したいものは何でも、その仕事を行う ADC が存在する可能性が高くなります。 。閲覧できるようになりました プロジェクトで Arduino クローンを使用することの長所と短所.
