انواع مبدل های آنالوگ به دیجیتال (ADC)

 

 ADC چیست ؟

سلام قصد داریم در این مقاله به معرفی مبدل های آنالوگ به دیجیتال (ADC)بپردازیم . همچنین فاکتورهای مهم در عملکرد و انواع متداول آنها را معرفی میکنیم. تبدیل سیگنال آنالوگ به دیجیتال اساس کار دیتالاگر ها و کارت های ADQ است.

 مبدل آنالوگ به دیجیتال (Analog to Digital convertor) که به اختصار ADC نامیده میشود، سیگنال های آنالوگ (پیوسته و بینهایت متغیر) را به سیگنال های دیجیتال(گسته در زمان، گسسته در دامنه) تبدیل میکند. به عبارتی کاربردی تر یک ADC سیگنال آنالوگ ورودی مانند صدای دریافت شده توسط میکروفون را به سیگنال دیجیتال تبدیل میکند. ADC این تبدیل را با نوعی مقدار دهی انجام میدهد. مجموعه ای از مقادیر پیوسته را به مجموعه ای از مقادیر کوچکتر و قابل شمارش(اغلب با رند کردن) تبدیل میکند. بنابراین، فرآیند تبدیل آنالوگ به دیجیتال همیشه شامل مقادیری هرچند اندک نویز و ارور است .انواع مختلفی از مبدل ها بسته به معماری آنها از راه های مختلفی به این کمیت سازی میرسند.

فاکتور های عملکرد یک ADC

میتوانیم عملکرد یک ADC را با فاکتورهای مختلف ارزیابی کنیم که مهم ترین آنها عبارت است از :

_ نسبت سیگنال به نویز ( ADC signal-to-noise ratio ) یا به اختصار SNR : SNR بیان کننده تعداد میانگین بیت های بدون نویز در هر نمونه خاص است .

_ پهنای باند ADC  : ما میتوانیم پهنای باند را با ارزیابی سرعت نمونه برداری تعیین کنیم ؛ یعنی تعداد دفعاتی که در هر ثانیه برای تولید مقادیر گسسته از منبع آنالوگ نمونه برداری میشود.

مقایسه ADC  – انواع متداول ADC

1) ( Flash and Half ( Direct type ADC :

این نوع ADC  ها بسیار سریع و قادر به نمونه برداری در محدوده گیگاهرتز هستند. آنها با اجرای یک بانک از مقایسه گر ها که به طور موازی کار میکنند و هر کدام برای یک محدوده مشخص ولتاژ هستند، به این سرعت میرسند. در نتیجه آنها در مقایسه با سایر ADC ها بزرگ تر و گران تر هستند. آنها نیاز به  2^N-1 مقایسه گر دارند که N  رزولوشن ADC است. مثلا برای یک مبدل 8 بیتی نیاز به 255 عدد مقایسه گر است. Flash ADCs را در دیجیتال سازی ویدئو یا سیگنال های سریع در حافظه های نوری پیدا میکنید.

Flash ADC چیست ؟

 

2) Semi-Flash ADC :

این دسته ADC ها با استفاده از دو مبدل جداگانه Flash ( هر کدام با رزولوشن نصف بیت های دستگاه semi-flash ) در محدوده اندازه خود کار میکنند. یکی از مبدل های flash پرارزش ترین بیت ها را کنترل میکند، در حالی که دیگری به کم اهمیت ترین بیت ها رسیدگی میکند. ( با کاهش دادن تعداد اجزای مبدل به 2^N+2/2-1 عدد در رزولوشن 8 بیت، تعداد مقایسه گر ها به 31 عدد میرسد. ) از طرف دیگر مبدل های semi-flash  دو برابر مبدل های flash به زمان نیاز دارند.(نسبت به مبدل های flash  کند تر هستند) با این حال همچنان میتوانیم بگوییم این ADC ها بسیار سریع هستند.

 

3) (Successive Approximation (SAR :

میتوانیم این مبدل ها را با رجیستر های تقریب متوالی آنها شناسایی کنیم که به آنها نام Successive Approximation Registers را میدهند. این ADC ها از یک مقایسه گر برای مقایسه ولتاژ ورودی و ولتاژ خروجی یک مبدل داخلی دیجیتال به آنالوگ، استفاده میکنند. آنها دائما مقایسه میکند که آیا ورودی بالاتر یا پایین تر از نقطه میانی یک بازه محدود هست یا نه .

برای مثال یک سیگنال 5 ولت بالاتر از نقطه میانی رنج 8-0 ولت(نقطه میانی 4 ولت میشود) است. در نتیجه ما سیگنال 5 ولت را با رنج 8-4 ولت مقایسه میکنیم تا کمتر از نقطه میانی این رنج باشد. این فرآیند را تا زمانی ادامه بدهید که به بیشترین میزان رزولوشن یا رزولوشن دلخواه خود برسید. مبدل های SAR به طور قابل ملاحظه ای سرعت پایین تری نسبت به Flash ADCs دارند اما رزولوشن بیشتری را ارائه میکنند بدون اینکه قیمت و تعداد اجزای مبدل های Flash  را داشته باشند .

Simplified N-bit SAR ADC architecture

 

 Sigma-Delta ADC (4:

سیگما دلتا یک طراحی نسبتا جدید از مبدل های آنالوگ به دیجیتال است. سیگما دلتاها در مقایسه با دیگر طراحی های ADC  بسیار کندتر هستند؛ اما در میان همه مبدل های آنالوگ به دیجیتال بیشترین رزولوشن را ارائه میکنند . بنابراین، آنها برای کاربردهای صوتی با کیفیت بالا بسیار مناسب هستند. اما برای مواردی که نیاز به پهنای باند بیشتری است مانند ویدئو، این دسته زیاد قابل استفاده نیست .

 

Pipelined ADC (5 :

این دسته مبدل ها که sub ranging quantizers  نیز خوانده میشوند، از نظر مفهوم شبیه SAR هستند؛  اما بیشتر شناخته شده اند. در حالی که مبدل های SAR در هر مرحله با رفتن به رقم با ارزش بعدی پیشرفت میکنند ( 16 به 8، 8 به 4 و الی آخر) Pipelined ADCs از فرآیند زیر استفاده میکنند :

1 . یک تبدیل بزرگ انجام میدهد.

2 . بعد تبدیل انجام شده را با سیگنال ورودی مقایسه میکند.

3 . ADC یک تبدیل دقیق تر انجام میدهد و امکان تبدیل موقت از رنجی از بیت ها را فراهم میکند.

میتوان گفت این دسته ADCs حد وسط میان مبدل های SAR  و Flash هستند؛ یعنی سرعت متعادل و اندازه و رزولوشن بالا.

 

خلاصه

انواع دیگری از مبدل های آنالوگ به دیجیتال وجود دارد مانند Ramp-Compare ، Wilkinson ،Integrating  و … . اما مواردی را در این مقاله بیان کردیم که بیشتر استفاده میشوند و در دسترس عموم مردم قرار میگیرند. بسته به نوع ممکن است مبدل های آنالوگ به دیجیتال را در تجهیزات تولید صدا، تنظیمات ضبط دیجیتال، تلویزیون ها، میکروکنترلر ها و… بیابید.