مبدل آنالوگ به دیجیتال چیست و چه مدل هایی دارد؟

 

این مبدل ها در واقع با تبدیل مقادیر آنالوگ به یک سیگنال دیجیتال کمک می کنند تا سیستم های دیجیتال بتوانند با دنیای آنالوگ پیرامون ماارتباط برقرار کنند. به عبارت دیگر تا زمانی که سیگنال های آنالوگ به دیجیتال تبدیل نشوند،دستگاه ها و لوازم دیجیتالی قادر به پردازش اطلاعات و کارکرد نخواهند بود. به دلیل همین نقش بی بدیل و غیر قابل جایگزین مبدل های ADC در زندگی روزمره ما انسان ها، قصد داریم شیوه عملکرد و انواع آنها را بررسی کنیم.

مبدل آنالوگ به دیجیتال یا ADC چیست؟

از لحاظ فنی و علم الکترونیک، مبدل آنالوگ به دیجیتال یا به اختصار ADC به مبدل هایی می گویند که سیگنال آنالوگ (سیگنال های پیوسته و بی نهایت متغیر) را به سیگنال های دیجیتالی تبدیل می کنند که گسسته در دامنه و گسسته در زمان هستند. با ذکر یک مثال به روشنتر شدن موضوع کمک می کنیم.

فرض کنید میکروفونی در دست دارید و صحبت می کنید. برای اینکه این صدا پردازش شده و ذخیره گردد ابتدا صدای شما توسط میکروفون به شکل یک سیگنال آنالوگ تبدیل می‌شود و سپس این سیگنال آنالوگ در مبدل ADC تبدیل به یک سیگنال دیجیتال می‌گردد و در نهایت این سیگنال دیجیتال توسط پردازشگر، پردازش شده و در واحد حافظه ذخیره می‌گردد.

اما شاید سؤالی که مطرح کنید این است که این مبدل ها چگونه چنین کاری انجام می دهند؟ نحوه کار مبدل های آنالوگ به دیجیتال کمی پیچیده است و در مدل های مختلف با هم تفاوت دارد اما روال کلی آنها دارای دو مرحله و به این شکل است:

نمونه برداری و نگهداری(S/H)و کوانتیزاسیون و رمزنگاری(Q/E)

فرآیند ADC در شکل زیر نشان داده شده است:

نمونه برداری و نگهداری

یک سیگنال آنالوگ به طور پیوسته در طول  زمان تغییر می کند، برای اندازه گیری سیگنال باید آن را برای مدت کوتاهی ثابت نگه داریم تا بتوان از آن نمونه برداری کرد. برای این کار می‌توانیم سیگنال را به‌طور مکرر و بسیار سریع اندازه‌گیری کنیم و سپس مقیاس زمانی مناسب را پیدا کنیم. یا می‌توانیم سیگنال را در زمان‌های مختلف اندازه‌گیری کنیم و سپس آن را میانگین بگیریم. یا ترجیحا می توانیم سیگنال را برای مدت زمان مشخصی ثابت نگه داشته و از مقدار آن نمونه برداری کنیم. این کار توسط یک مدار نمونه گیر و نگهدارنده انجام می شود. این مدار مقدار سیگنال را در طول پروسه دیجیتالی کردن آن ثابت نگه می‌دارد.

سپس در قسمت بعد سطح ولتاژ مدار نمونه گیر کوانتیزه شده و پس از شناسایی نزدیکترین مقدار، یک مقدار عددی به آن اختصاص داده شده و به صورت یک عدد باینری کدگذاری می شود. اعداد کدگذاری شده باینری تولید شده توسط کوانتایزر با صورت n بیتی نمایش داده می شوند. وضوح یک ADC هم به همین تعداد بیت بستگی دارد.

نمی توان گفت که مقادیر به دست آمده پس از فرآیند کمی سازی و رمزگذاری کاملاً دقیق هستند. اینها فقط تقریبی از مقادیر آنالوگ دنیای واقعی هستند. دقت کوانتایزر به شدت به رزولوشن آن بستگی دارد، هر چه رزولوشن بیشتر باشد، مقادیر دقیق تر خواهند بود.

مقایسه انواع مبدل آنالوگ به دیجیتال یا ADC

تبدیل کننده های آنالوگ به دیجیتال انواع مختلفی دارند که در ادامه به معرفی و توضیح هر یک می پردازیم:

·      مبدل های Flash and Half:

سرعت این نوع مبدل ها که به عنوان مبدل تبدیل مستقیم هم شناخته می شوند بسیار بالاست و نمونه برداری را در محدوده گیگاهرتز انجام می دهند. این دسته از مبدل ها تعداد زیادی مقایسه گر با عملکرد موازی را اجرا می کنند که هر کدام مختص یک محدوده ولتاژ خاصی هستند و از این طریق سرعت بالایی در تبدیل سیگنال های آنالوگ به دیجیتال پیدا کرده اند. این نوع  ADC نسبت به سایر مبدل ها پیچیده تر بوده و قیمت بیشتری هم دارند. از این مبدل ها برای دیجیتال سازی سیگنال‌های ویدیویی و یا در تبدیل سیگنال های سریع استفاده می کنند.

·      مبدل های Semi-Flash:

مدل های سِمی فلش، یکی دیگر از انواع مبدل آنالوگ به دیجیتال هستند که با 2 مبدل جداگانه Flash کار می کنند که رزولوشن هر کدام به نصف   تعداد بیت های دستگاه Semi-Flash می رسد و در محدوده اندازه خود عمل می‌کنند. یکی از این مبدل ها بررسی ارزشمندترین بیت ها(MSBs) و دیگری بررسی کم ارزش ترین بیت‌ها (LSBs)را بر عهده دارد. با اینکه مبدل های Semi-Flash سرعت بسیار بالایی دارند اما نسبت به مبدل های Flash کندتر بوده و مدت زمانی که طول می کشد تا کار خود را انجام دهند حدودا دو برابر زمان مبدل فلش است.

·      مبدل های SAR یا Successive Approximation:

این نوع مبدل آنالوگ به دیجیتال به مبدل های تقریب متوالی معروف است. این قطعات از یک مقایسه کننده برای ولتاژ ورودی و خروجی مبدل دیجیتال به آنالوگ داخلی استفاده می کنند. کار این مقایسه گر بررسی بالاتر یا پایینتر بودن میزان سیگنال ورودی نسبت به نقطه میانی یک بازه یا محدوده است.

مبدل های SAR نسبت به نوع Flash سرعت خیلی کمتر اما رزولوشن بیشتری دارند و قیمت و تعداد اجزای آنها نیز به مراتب کمتر است. از این مبدل ها در درون میکروکنترلرها، دیتالاگرها، سنسورهای دما و برای قرائت مقدار پل‌های  مقاومتی استفاده می‌کنند. از طرفی در صنایع پزشکی که همیشه تقاضا برای طول عمر زیاد و توان مصرفی کم، بالا بوده، از این مبدل ها برای دستگاه های تنظیم کننده ضربان قلب و قطعات کاشتنی در بدن استفاده می کنند.

·      مبدل های Sigma-Delta:

مبدل های ADC از نوع سیگما – دلتا نسل جدید انواع مبدل آنالوگ به دیجیتال هستند که سرعت کمتری نسبت به تمامی مدل های ADC دارند اما در مقابل دقت و رزولوشن بیشتری ارائه می کنند و نرخ نمونه برداری در آنها تا چند صد هرتز است. به همین دلیل از این نوع مبدل ها برای سیگنال‌های صوتی با کیفیت بسیار بالا استفاده می کنند با این حال برای ویدیوها که پهنای باند بیشتری نیاز دارند مناسب نیستند. مصرف انرژی این نوع مبدل ADC نسبت به مبدل های SAR بیشتر است چون نرخ کلاک بالاتری دارند.

·      مبدل های Piplelined:

از آنجایی که ADC های پایپ لاین دارای توازن بینظیری بین پارامترهای اندازه، سرعت، رزولوشن، اتلاف توان و سختی طراحی هستند، به طور فزاینده ای برای سازندگان و طراحان نیمه هادی جذاب شده اند. ADCهای خط لوله که به عنوان کوانتایزرهای زیر محدوده نیز شناخته می شوند، شامل مراحل متوالی متعددی هستند که هر کدام شامل یک نمونه گیر و نگهدارنده (S/H)، یک ADC و DAC با رزولوشن پایین و یک مدار جمع کننده هستند.

طرز کار این مبدل ها به این صورت است که سیگنال آنالوگ ورودی توسط یک مبدل فلش با رزولوشن پایین به دیجیتال تبدیل شده و سپس این مقدار دیجیتال توسط یک مبدل دیجیتال به آنالوگ به صورت آنالوگ تولید می‌گردد، سپس توسط مدار جمع کننده از مقدار ورودی کسر میگردد و پس از تقویت وارد مرحله بعد پایپ لاین می‌گردد و مقادیر هر مرحله برای حصول مقدار دیجیتال نهایی با هم جمع می‌گردد.از این مبدل ها در سیستم‌های ارتباطات بی سیم و سیمی، سیستم‌های ابزار دقیق، رادیولوژی، سیستم های رادار و جمع آوری داده و استفاده می‌کنند.

تبدیل کننده آنالوگ به دیجیتال ارتباط دنیای ما با دستگاه های دیجیتال

همانطور که متوجه شدید تبدیل کننده های آنالوگ به دیجیتال یا به طور ساده ADC ها، سیگنال های ورودی آنالوگ را به سیگنال های دیجیتال تبدیل می کنند تا دنیای ما به دستگاه های دیجیتال وصل شود و قابل بیان باشند. براساس نوع عملکرد، میزان سرعت، رزولوشن و سایر فاکتورهای مهم، انواع مبدل های ADC تولید شده اند که هر یک کاربردهای خاص خود را دارند. ما در این مطلب به چند نمونه بسیار معروف و پرکاربرد اشاره کردیم با این حال تنوع مبدل های ADC بیشتر از این تعداد است.

منابع:

1-    https://learn.sparkfun.com/tutorials/analog-to-digital-conversion/all

2-    https://www.techtarget.com/whatis/definition/analog-to-digital-conversion-ADC

3-    https://microcontrollerslab.com/analog-to-digital-adc-converter-working/