Схемотехника · урок 18 из 18
АЦП и ЦАП: мост между мирами
Как микроконтроллер «видит» напряжение датчика и как цифра снова становится звуком.
Мир аналоговый: температура, звук, яркость — непрерывные величины. Процессор понимает только числа. На границе стоят АЦП (аналого-цифровой преобразователь) и ЦАП (цифро-аналоговый).
АЦП: дискретизация и квантование
АЦП с разрядностью N делит диапазон от 0 до опорного напряжения Uоп на 2N ступенек и сообщает номер ступеньки. 10-битный АЦП Arduino при 5 В различает 1024 уровня — шаг около 4,9 мВ. Меньше шаг — точнее, но дороже и медленнее.
Второй параметр — частота дискретизации: сколько раз в секунду берут отсчёт. Правило Котельникова: отсчётов должно быть хотя бы вдвое больше, чем наивысшая частота сигнала. Поэтому звук на CD — 44 100 отсчётов в секунду для слуха до 20 кГц. Перед АЦП ставят фильтр нижних частот (урок 5), чтобы убрать то, что выше половины частоты отсчётов.
ЦАП на резисторах R-2R
Каждый бит через лестницу вносит вдвое больший вклад, чем соседний справа налево — ровно как веса двоичных разрядов. Нужны резисторы всего двух номиналов. Выход обычно буферизуют повторителем на ОУ (урок 13).
Простейший «ЦАП» в каждом микроконтроллере — ШИМ (урок 12) плюс RC-фильтр нижних частот (урок 5): средняя доля «включено» становится постоянным напряжением.
Что дальше
Вы прошли путь от закона Ома до цифро-аналогового преобразования — это скелет всей электроники. Дальше лучше всего учиться руками: набор Arduino, макетная плата и проекты вроде термометра (датчик → АЦП → число на экране) или мини-синтезатора (555 → счётчик → ЦАП). А за подробностями — в саму книгу Хоровица и Хилла: теперь её можно читать.
Опыт на макетной плате
Нужно: Arduino Uno (или клон), потенциометр 10 кОм, кабель USB.
- Крайние выводы потенциометра — на 5V и GND, средний — на A0.
- Скетч:
Serial.println(analogRead(A0));вloop()и «Монитор порта». - Крутите ручку: числа от 0 до 1023. Умножьте на 5/1023 — получите вольты, сверьте с мультиметром.
Проверьте себя
1. Сколько уровней у 8-битного АЦП?
2⁸ = 256.
2. 12-битный АЦП, опорное 4,096 В. Шаг?
4,096 / 4096 = 1 мВ.
3. Сигнал до 5 кГц. Минимальная частота отсчётов?
Вдвое выше наивысшей частоты.
4. Как получить аналоговое напряжение из ШИМ?
По книге: П. Хоровиц, У. Хилл. «Искусство схемотехники» (М.: БИНОМ, 2014), гл. 9, с. 640–671. Текст урока — пересказ, схемы перерисованы.