انواع ADC ها

به نام خدا

 انواع ADC ها

(مبدل های آنالوگ به دیجیتال)

سیگنال هایی که در صنعت با آن ها سر و کار داریم سیگنال های آنالوگ هستند و چون کامپیوتر ها فقط قادر به تشخیص 0 و 1 هستند

باید با استفاده از IC هایی سیگنال های آنالوگ را به دیجیتال تبدیل کنیم و به کامپیوتر ارائه دهیم.

مبدل های آنالوگ به دیجیتال (Analog to Digital Converters) یا به اختصار ADC ها مدار های الکترونیکی هستند که سیگنال

های پیوسته آنالوگی را به سیگنال های دیجیتالی تبدیل میکنند.

سیگنال یک شتاب سنج یا خروجی یک میکروفون نمونه ای از مقادیر آنالوگ هستند که باید به سیگنال دیجیتال تبدیل شوند.

مبدل ADC فلش

مبدل آنالوگ به دیجیتال فلش که بعنوان مبدل تبدیل مستقیم نیز شناخته میشود یک نوع مبدل ADC  است که از یک نردبان ولتاژ

خطی با یک مقایسه گر در هر ستون نردبان برای مقایسه ولتاژ ورودی و ولتاژ مرجع استفاده میشود. در حالت ساده ورودی آنالوگ به

2^N-1 مقایسه گر اعمال میشود.ولتاژ مرجع مقایسه گرها مضربی از ولتاژ معادل کن ارزشترین بیت است. خروجی مقایسه گر ها با یک

مدار منطقی مناسب به کد باینری تبدیل میشود. تعداد مقایسه گر ها بطور نمایی با درجه تفکیک(در ادامه توضیح داده خواهد شد)

افزایش پیدا میکند در نتیجه این نوع ADC برای رزولویشن های کم و سرعت های بالا مناسب است. جهت کاهش تاثیر افست مقایسه گرها

در ورودی آنها تقویت کننده های تفاضلی با بهره کم و سرعت بالا قرار میدهند و بذرای کاهش نعداد این تقویت کننده ها از درونیابی

استفاده میکنند.

مبدل    SAR ADC

مبدل SAR ADC یا همان مبدل های تقریب متوالی از مبدل هایی هستند که برای کاربرد های نمونه برداری با سرعت بالا و قدرت تفکیک

بالا و توان مصرفی کم استفاده می شوند. در ساختار این مبدل ها تنها یک مقایسه گر آنالوگ بکار رفته است در نتیجه برای رزولویشن های

بالاتر ابعاد مداری کوچکی خواهد داشت. این نوع ADC ها با رزولویشن 8 تا 18 بیت و با نرخ نمونه برداری تا چند مگاهرتز در دسترس اند.

در میکروکنترلر ها هم بیشتر از این نوع مبدل استفاده میکنند. از این کاربردهای این نوع مبدل ها میتوان به سنسور دما ، سنسور های پل

مقاومتی و دیتالاگر ها اشاره نمود. مبدل SAR در پزشکی بشترین کاربرد  را دارد چرا که در کاربرد های پزشکی تقاضا برای طول عمر زیاد

وتوان مصرفی بسیار کم ، زیاد است. از این رو از SAR ADC در دستگاه تنظیم ضربان قلب و کاشت قطعات پزشکی در بدن استفاده میشود

در مبدل های SAR گاهی اوقات تفاوت زیادی در مقادبر خوانده شده از این مبدل وجود دارد. که علت آن به چگونگی چیدمان و نحوه

استفاده از مدار برمیگردد. این مبدل پهنای باند بزرگی داشته و سرعت واکنش آن به تغییرات بسیار بالا میباشد.

مبدل سیگما-دلتا  ∑-∆

این نوع مبدل ها برای کاربرد های با رزولویشن بالا و نرخ نمونه برداری تا چند صد هرتز مورد استفاده قرار میگیرند . از این نوع مبدل ها در

سنسور های میدان مغناطیسی ، سنسور های دما و … استفاده میشود و کاربردهای مختلفی ئر نمونه برداری های صوتی دارند. مبدل

دلتاسیگما تاخیر بزرگتری نسبت به SAR ADC در تحویل مقدار تبدیل شده دارد چون این مبدل چند بار از وزودی در یک محدوده زمانی

از پیش تعیین شده به سرعت نمونه برداری میکند و سپس مقدار میانگین بدست آمده را تحویل خروجی میدهد. این نوع ADC به علت

نرخ کلاک بالا مصرف ارژی بیشتری نسبت به SAR ADC دارد. تکنیک میان گیری در این مبدل یک روش دیجیتالی برای فیلتر کردن

میباشد در نتیجه مبدل فقط نیاز به یک فیلتر پایین گذر خارجی برای ورودی های آنالوگ میباشد. که این فیلتر بخوبی در مقابل نویز

مقاومت میکند.

مبدل Pipeline ADC

این مبدل برای کاربرد های با سرعت بالا استفاده میشود. نرخ نمونه برداری این مبدل ها به بیش از 500 مگاهرتز میرسد. این نوع مبدل ها

دارای کاربرد های خاص هستند و هزینه بالایی هم دارند. این مبدل ها در ارتباطات سیمی و بی سیم ،ابزار های اندازه گیری و تست ،

ابزار دقیق ،تصویر برداری های پزشکی، جمع آوری داده و سیستم های رادار  کاربرد دارند. مبدل Pipeline به N سیکل برای تبدیل

نمونه نیازمند میباشد که N تعداد بیت سخت افزاری مبدل است. این مبدل عملکرد عالی از لحاظ توان خروجی را ارائه میدهد.

Pipeline ADC یک معماری open-loop است که دارای تاخیر ذاتی کوچک (از جمله 4 تا 6 چرخه ساعت) و ارتباط مستقیم بین

سیگنال ورودی و کد خروجی است. این مبدل ها بیشتر در فرایند های CMOS اجرا میشوند.

مبدل های ADC در میکروکنترلر های آردوینو و AVR :

مبدل های آنالوگ به دیجیتال در میکرو کنترولر های مختلف بسیار متنوع هستند بعنوان مثال مبدلی که روی برد آردوینو قرار دارند یک

مبدل 10 بیتی است یعنی این مبدل میتواند 2¹⁰ نوع سیگنال دیجیتال را تشخیص دهد.

لازم بذکر است در برد های آردوینو پین هایی که با حرف A مشخص شدند میتوانند سیگنال های آنالوگ را بخوانند.

مبدل های ADC بر اساس ولتاژ سیستم کار میکنند و این مبدل یک مقدار نسبی را برمیگرداند.(عموما مبدل آردوینو 5 ولت را بعنوان

1023 در نظر میگیرد.)

از دیگر میکروکنترلر هایی که در آن مبدل ADC بکار رفته است، میکروکنترلر AVR است که  این میکرو کنترولر دارای مبدل آنالوگ به

دیجیتال داخلی میباشد و دارای دقت 10 بیت بوده است . روش تبدیل در میکروکنترلر AVR تقریب متوالی است ( در ادامه راجع به این

روش بحث خواهیم کرد).

درجه تفکیک معیاری برای دقت اندازه گیری مبدل ADC میباشد و از رابطه زیر تبعیت میکند:

که V_ref ولتاژ مرجع و N نعداد بیت تبدیل است.

در میکروکنترلر AVR درجه تفکیک 4.89 میلی ولت برای ولتاژ مرجع 5 ولت میباشد.سرعت نمونه برداری آن حداکثر 15 هزار نمونه در

ثانیه است. زمان تبدیل  بین 65 تا 250 میکروثانیه طول میکشد.

یکی از پرکاربردترین تکنیک کار با ADC که یک خازن داخلی را با استفاده از ولتاژ آنالوگ شارژ میکند سپس مدت زمانی که ولتاژ بین

مقاومت ها تخلیه می شود را اندازه گیری میکند.میکروکنترلر تعداد سیکل ساعتی را اندازه میگیرد که عمل تخلیه شارژ طول میکشد.

تعداد سیکل ساعتی عدد نهایی است  که پس از تبدیل آنالوگ به دیجیتال به مدار برمیگردد.

مراحل تبدیل سیگنال آنالوگ به دیجیتال:

1)     نمونه برداری (Sampling Rate)

برای اینکه سیگنال اصلی را بازسازی کنیم ، با استفاده از تبدیل فوریه میتوان نشان داد که اگر از یک سیگنال آنالوگ با فرکانس بیش از

دو برابر f_max (حداکثر فرکانس) موجود در آن نمونه برداری کنیم ، مقادیر بدست آمده میتواند این کار (بازسازی سیگنال اصلی) را انجام

دهد.نمونه برداری مشخص کننده دقت نمایش یک سطح بصورت تابع ناپیوسته زمانی میباشد.

مرحله ی نمونه برداری باید در یک فرکانس انجام شود.

فرکانس نمونه برداری ( Sampling Rate ) باید حداقل دو برابر ماکزیمم فرکانس موجود در طیف فرکانسی سیگنال آنالوگ مورد نظر

باشد. در عمل فرکانس نمونه برداری را 5 تا 10 برابر f_max میگیرند. هرچقدر این فرکانس بیشتر شود تصویر دیجیتال دقیق تری از سیگنال

آنالوگ بوجود میاید.

2)    کوانتیده سازی ( Quantization)

اگر از یک سیگنال آنالوگ نمونه برداری کنیم به آن سیگنال گسسته می گویند. برای اینکه سیگنال گسسته را بخواهیم دیجیتال سازی

کنیم باید به مقادیر خاصی محدود کرد که به این عملیات کوانتیده سازی میگویند که دلیل انجام این عملیات این است که دستگاه های

امروزی نمیتوانند صد در صد یک سیگنال را تشخیص دهند و آن را ذخیره سازی کنند.

تعداد خطوط دیجیتالی خروجی ADC را وضوح (Resolution) میگویند که هر چقدر این خطوط بیشتر باشد به ازای تغییرات کوچک

سیکنال آنالوگ میتواند داده دیجیتالی جدیدی ارائه نماید که این نشان از دقت بالای ADC به شمار میرود و  خطای کوانتیده سازی

کمتری را ایجاد میکند.

3)    دیجیتال سازی یا کدگزاری ( Coding )

نهایتا سیگنالی که کوانتیده شده را میتوان به صورت های مختلف صفر و یک ( دیجیتال) کرد.

مراحل تبدیل سیگنال آنالوگ به دیجیتال در شمای زیر قابل مشاهده است:

همانطور که مشاهده میکنیم convert صفر میشود،ADC از سیگنال آنالوگ نمونه برداری میکند ، این نمونه را به نزدیکترین عدد صحیح

تقریب میزد ( مرحله کوانتیده سازی) وسپس عدد دیجیتال معادل را در خروجی قرار داده و خط conversion complete را صفر

میکند برای اینکه نشان دهد عملیات تبدیل به پایان رسیده است.

مشخصات فنی مبدل های آنالوگ به دیجیتال

1- رزولویشن( Resolution )                                   2- زمان تبدیل( Conversion Time )

3- دقت مبدل ( Accuracy )                                   4- نرخ خروجی مبدل( Throughput Output )

زمان تبدیل و نرخ تبدیل مبدل

وقتی که به یک مبدل ADC دستور داده شود یک زمان محدود نیاز دارد تا بتواند داده معتبری در خروجی ایجاد کند که به این زمان

محدود ، زمان تبدیل t_c  میگویند.

دقت مبدل

تفاضل بین ولتاژ ورودی واقعی و ولتاژ معادل کد خروجی را دقت مبدل میگویند.

رزولویشن( Resolution )

کمترین میزان تغییرات در ورودی آنالوگ که باعث یک سطح تغییر کد خروجی میگردد.

مقایسه کننده ( Comprator)

در ساخت مبدل های ADC جند بیتی از مقایسه کننده بعنوان یک عنصر استفاده میکنند که در واقع این مبدل که دارای خطای زیادی

است،یک تقویت کننده عملیاتی (Op-amp) بدون فیدبک است.

روش های تبدیل آنالوگ به دیجیتال

زمان تبدیل و قابلیت تمایز مورد نیاز برای ADC و چگونگی پیکربندی سیستم برای انتخاب نوع  ADC مورد استفاده کافی است. برای

تبدیل آنالوگ به دیجیتال روش های مختلفی وجود دارد از جمله:

1- نوع تقریب متوالی   2- نوع موازی   3- نوع انتگرال گیرنده   4 – نوع شمارنده   5- نوع VF

در تمامی روش های بالا میتوان یک مبدل ADC ساخت بطور مثال در ADC به روش تقریب متوالی از یک مدل ADC داخلی استفاده

میشود. زمان تبدیل در این روش به مقدار زیادی کاهش می یابد و این زمان به سطح ورودی وابسته نیست و سرعت تبدیل پایینی دارد.

این روش بر پایه ی تقریب سطح ورودی با یک کد دودویی است. بعد از آن این تقریب را برای هر بیت این کد انجام میدهد تا به بهترین

تقریب برسد. مزین این روش نسبت به روش های دیگر مصرف توان کم آن است.

فاکتور های انتخاب یک مدل ADC

نوع روش تبدیل و پیکربندی سیستم آن ، مشخصات مهم ADC از جمله سرعت ، قیمت و قابلیت تمایز آن را مشخص میکند.

در انتخاب ADC مناسب باید به مشخصات سیستم طرح شده توجه کرد تا استفاده از آن برای یک کاربرد مشخص تحقق یابد از جمله ی

این مشخصات میتوان به دقت تبدیل ، قیمت سیستم ، تعداد کانال های آنالوگ ، حداکثر نرخ خروجی داده ، محل مبدلها و … توجه کرد.

ADC های نوع یکپارچه از سایر انواع ارزانتر هستند.