دانلود مقاله مبدلهای آنالوگ به دیجیتال

ازسال 1960 با توجه به توسعه نیمه هادی ها ، پردازش اطلاعات به صورت دیجیتال اهمیت بیشتری پیدا کرد و ساخت و استفاده از مدارهای آنالوگ روبه افول گذاشت .

با پیدایش میکروپروسسورها انقلابی در زمینه پردازش دیجیتال به وقوع پیوست که تا ده سال پیش از آن حتی قابل تصور نبود .

تقریباََ تمام اطلاعات مورد پردازش پارامترهای فیزیکی ای هستند که در اصل ماهیت آنالوگ دارند ، مانند : فشار، دما ، سرعت ، شتاب ، شدت نور ، ...

بنابراین درهرمورد این اطلاعات آنالوگ با استفاده از مبدلهایADC به معادل دیجیتالشان تبدیل شوند .

تبدیل آنالوگ به دیجیتال در سیستم های پردازش سیگنال :
بطور کلی فرایند تبدیلA/D یک سیگنال آنالوگ نمونه برداری شده و نگهداشته شده را به یک کلمه دیجیتال که نماینده سیگنال آنالوگ است تبدیل می کند .

تاکنون چندین مبدل آنالوگ به دیجیتال ساخته شده که هریک مشخصات مربوط به خود را دارند .
مهمترین این مشخصات عبارتند از : سرعت ، صحت ، هزینه .

قبل از هر چیز باید متذکر شویم که عمل تبدیل آنالوگ به دیجیتال احتیاج به صرف زمان بیشتری از تاخیر مبدلهای D/A دارد ؛ تا وقتی که تمامی بیتهای مقدار دیجیتال به دست نیامده اند ، مقدار آنالوگ (ورودی ) نباید تغییر کند .

ولی ، می دانیم که تغییرمی کند ؛ چاره این است که در فواصل زمانی معین نمونه هایی از دامنه سیگنال آنالوگ بگیریم و بدون تغییر ذخیره نماییم و پس از ارزیابی کامل نمونه را حذف و نمونه جدیدی را تهیه و ذخیره کنیم .

این عمل توسط مداری به نام مدار نمونه گیر و نگهدارنده 1(S/H) انجام می گیرد .

این مقدار باید قبل از مبدلهای A/D در مدار قرارگیرد .

شکل یک صورت نمایشی از یک مدار S/H را نشان می دهد .

عمل نمونه گیری و نگهداری (S/H) معمولاً به وسیله یک سوئیچ برای نمونه برداری و یک خازن برای نگهداری و یک ‚‚ میانگیر،، برای جلوگیری از تخلیه خازن انجام می شود .

به این ترتیب که سوئیچ S1 در لحظه خاصی بسته می شود و خازن C را در زمان کوتاهی به وسیله سیگنال آنالوگ شارژ می کند .

این زمان به قدری کوتاه است که در طول آن دامنه سیگنال آنالوگ تغییر چندانی نمی کند .

وقتی سوئیچ 1S باز می شود .

خازن به موازات خود امپدانس بزرگی می بیند و لذا نمی تواند تخلیه شود .

ضمناً ، در طرف دیگر خازن نیز میانگیر به کار گرفته شده است که با امپدانس ورودی زیاد خود مانع تخلیه خازن از آن طرف می شود .

در صورتی که خازن به وسیله سیگنال نمونه ورودی شارژ کامل شود (ولتاژ آن به اندازه دامنه نمونه باشد ) ، سیگنال نمونه جدید (کمتر یا بیشتر از قبلی) دو باره آن را به اندازه جدید تغییر می دهد .

ولی ، اگر عرض بالس آنقدر کم باشد و یا خاذن جمع آنقدر بزرگ باشد که فرصت شارژ کامل بدست نیاید (عرض پالس کمتر از T ) ، ولتاژ جدید روی ولتاژ قبلی در خازن جمع و ذخیره می شود ، که در نهایت این ولتاژ بستگی به ولتاژ قبلی خواهد داشت .

در چنین حالتی ، باید سوئیچ 2S را به خازن اضافه کنیم تا پس از خاتمه تبدیل و قبل از نمونه برداری بعدی ، با اتصال کوتاه کردن خازن باعث تخلیه آن شود .

این مدار را می توان به صورت جزء به جزء ساخت ، ولی ، ضمناً مدارهای مجتمعی به نام S/H وجود دارند که دقیقاً همین اعمال را انجام می دهند .

عمل تبدیل سیگنال آنالوگ به دیجیتال شامل چهار مرحله متوالی نمونه برداری ، نگهداری و سپس ، ارقامی کردن و رمزکردن است ، که این اعمال لزوماً به صورت جداگانه انجام نمی شود .

بلکه به طور معمول عمل نمونه برداری و نگهداری به طور همزمان به وسیله یک مدار S/H و عمل تبدیل به رقم و رمز نیز به وسیله قسمت اصلی مدار A/D انجام می شود .

حال چند نمونه معمول این مبدل شرح داده می شود .

.

مدار نمونه گیر و نگهدارنده S/H .
1 – مبدل موازی :

سریعترین مبدل A/D می باشد و از تعدادی مقایسه کننده تشکیل شده که هر یک ولتاژ آنالوگ ورودی را با کسری از ولتاژ مرجع مقایسه می کند ، بنابراین برای ساخت یک مبدل 8 بیتی به این روش نیاز به 255 مقایسه کننده می باشد .

ولتاژ مرجع در بالای مقسم مقاومتی باید برابر حداکثر ولتاژ آنالوگ ورودی (Vm) باشد .

سیگنال آنالوگ که باید مقدار آن ارقامی شود به همه مقایسه کننده ها به طور موازی و همزمان اعمال می شود .

خروجی هرکدام از مقایسه کننده ها هنگامی در ‌‌‚‚1،، منطقی قرار می گیرد که ولتاژ ورودی مثبت آن بزرگ تر از ولتاژ مرجع در ورودی منفی اش شود .

همینطور که ملاحظه می شود ، دراین نوع مبدل برای n بیت احتیاج به 1- 2 عدد مقایسه کننده داریم .

در نتیجه ، صرف نظر از اشکالاتی که در تنظیم هر مقایسه کننده داریم .

تعداد مقایسه کننده ها آنقدر زیاد می شود که از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیست .

(البته مدارهای مجتمعی به بازار آمده است که از این روش استفاده می کند و تعداد زیادی هم مقایسه کننده در آنها به کار رفته است .

ولی بسیار گران هستند )ونیز برای n بیت تعداد 2 حالت وجود دارد که مستلزم تهیه 1-2 (به تعداد مقایسه کننده ها ) ولتاژ مرجع مختلف است .

این ولتاژها باید بسیار دقیق باشند و در حین مقایسه ، دراثر تغییر جریان ورودی مقایسه کننده کم و زیاد نشوند (یعنی امپدانس منبع آنها کم باشد ) .

.

مبدل موازی ( مدار FLASH ) .

2 – مبدل موازی متوالی :

این مبدل در واقع ازبستن متوالی دو یا چند مبدل موازی ساخته می شود .

علت اصلی چنین کاری را می توان به این صورت روشن کرد : هر مبدل موازی احتیاج به 1- 2 عدد مقایسه کننده دارد .

حال اگر نیمی از بیتهای تبدیل را در یک مرحله تعیین کنیم و نصف دیگر را در مرحله دیگر .

اگر چه زمان تبدیل حدوداً دو برابر می شود ولی تعداد مقایسه کننده ها به مقدار قابل توجهی کم خواهد شد .

البته .

برای اینکه مبدل دوم همان بیتهای مبدل اول را به دست نیاورد ، باید بیتهای خروجی مبدل اول را به وسیله یک D/A به آنالوگ تبدیل کنیم و آن را از ولتاژ آنالوگ ورودی کم کنیم .

نکته دیگری که باید گفت اینستکه اگر حساسیت مقایسه کننده ها بیش از حد لازم باشد ، نویز در زمانی که سطوح ولتاژ ورودی به یکدیگر نزدیک هستند باعث نوسان و خروجی مدار می شود .

از طرف دیگر ، وجود تعداد زیادی مقایسه کننده در مبدل نیز اشکالات را به همان نسبت زیاد می کند .










.

مدار مبدل موازی متوالی ( نیمه موازی ) .
3 _ مبدل VTF :
الف) مبدل غیر همزمان و بدون پالس ساعت .

نوعی مبدل موازی با ولتاژهای آستانه متغییر است که برای تعیین هر بیت در خروجی فقط به یک مقایسه کننده نیاز دارد و احتیاج به مدار منطقی اضافی برای ارقامی کردن خروجی مقایسه کننده ها هم ندارد .

مزیت سیستم VTF نسبت به سایر انواع A/D ، قدرت تبدیل با سرعت زیاد در کنار سادگی طرح و ارزانی آن است .

اساساً ، سیستم VTF ، یک نوع مبدل نیمه موازی است که در آن از فیدبک استفاده شده است .

افزودن فیدبک ، شمار مقایسه کننده ها را برای سیستم n بیتی از 1- 2 به n کاهش می دهد .

دراین روش نیز ، همانند روش موازی ، ولتاژهای آستانه مقایسه کننده ها ابتدا در وزنهای دودویی ولتاژهای مرجع تنظیم شده است ، به طوری که ولتاژ آستانه MSB برابر 2/Vref ، برای بیت بعدی (دومین MSB) برابر 4/Vref و برای بیت سوم برابر 8/Vref ، و به همین ترتیب برای بقیه است .

شکل رسم شده ، VTF را برای یک مبدل سه بیتی نشان می دهد .

طرزکارسیستم ، اگرهرکدام از مدارهای تعیین کننده ولتاژ آستانه را به عنوان یک D/A در نظر بگیریم ، به آسانی مشخص می شود .

در این صورت ، برای اولین بیت (MSB) تنها یک D/A یک بیتی ، برای دومین بیت یک D/A دوبیتی ، برای سومین بیت یک D/A سه بیتی و به همین ترتیب...، لازم است .

چون در سیستم VTF ، اول مهمترین بیت (MSB) تعیین می شود و بعد دومین و سومین و غیره ، اگر خروجیA/D را قبل از آنکه جواب به طور کامل تبدیل شده باشد به کار ببریم ، خطا فقط در بیتهایLSB خواهد بود و در نتیجه حتی اگر سیستم به طور کامل عمل تبدیل را انجام نداده باشد ، بازهم اطلاع مفید ولی نا کامل در باره سیگنال آنالوگ به ما خواهد داد ، درصورتی که سایر مبدلهایA/D با داشتن چنین سرعتی (سرعت زیاد ) ، اگر قبل از کامل شدن عمل تبدیل خروجیشان مورد استفاده قرارگیرد ، دارای خروجی غیرقابل پیش بینی خواهند بود .

سیستم فوق به طور غیرهمزمان و بدون پالس ساعت همگام کننده عمل می کند ، دراین سیستم ، خروجی مبدل ، ورودی را دنبال می کند و ممکن است در حین تبدیل ، چنانچه سرعت تغییرات ورودی بسیار بالا باشد ، به حالتهای غلط هم برود .

ب) مبدلVTF همگام .

درصورت نیاز به سرعتهای بالاتر ، می توانیم به وسیله افزودن مدارهای تاخیر دیجیتالی به اضافه یک زمان تاخیر آنالوگ ، سیستم همگامVTF رابسازیم .

مزیت آن این است که بعد از زمان تاخیر انتشار یک تبدیل در ابتدای کار سیستم ، از آن پس خروجیA/D با هر پالس ساعت یک تبدیل کامل را انجام می دهد .

در سیستم VTF غیر همگام سیگنال ورودی تا پایان عمل تبدیل باید ثابت بماند ، در صورتی که در سیستم VTF همزمان ، هر خروجی در یک فلیپ فالاپ ذخیره می شود و خروجی فلیپ فلاپ برای تعیین بیتهای بعدی انتقال می یابد .

به این ترتیب ، بیتهای قبلی می توانند بدون اینکه منتظر کامل شدن عمل تبدیل شوند ، خروجی جدید داشته باشند .

بنابراین ، مبدل می تواند بعد از یک نأخیر اولیه که مدت n پریود ساعت طول می کشد ، در هر پریود ساعت یک تبدیل کامل از موج ورودی را انجام دهد .

باتوجه به مطالب فوق ، سیستمVTF ، با حداقل اجزا ، ساده ترین ، ارزانترین و در عین حال از سریعترین مبدلهایA/D است که با توجه به تکنولوژی امروز قابل ساخت است .

.

مبدل موازی با ولتاژ های آستانه متغییر .

مدار همگام VTF با پالس ساعت .

4 – مبدل تقریب تدریجی : دراین مدار ، در ابتدای یک سیکل تبدیل ، سیستم این مبدل , با اولین پالس ساعت اولین بیت خروجی ( MSB ) خود را در خروجی آماده کرده و همچنین آن را به مبدلD/A اعمال می کند .

سپس ،SAR منتظر می ماند تا یک سیگنال از مقایسه کننده که نشان می دهد ، آیا خروجی D/A بزرگتر یا کوچکتر از ولتاژ ورودی است ، به آن وارد شود .

اگر خروجی مقایسه کننده ‌‌‘‘ 1 ‘‘ باشد به معنی آن است که خروجیD/A ازVin کوچکتر است وSAR ، بیتMSB را‘‘1 ‘‘ نگه می دارد .

اگر مقایسه کننده دارای خروجی ،،O ،، باشد ، به این نتیجه می رسیم که خروجی D/A بزرگتر از Vin است و سیستم مبدل (SAR ) ، پروزن ترین بیتMSB ، را ،،O،، خواهد کرد .

در هر صورتSAR ، در پالس ساعت بعدی ، بیت دوم از نقطه نظر وزن را ،،1 ،، خواهد کرد و سپس در پالس بعدی ساعت ، متناسب با خروجی مقایسه کننده آن را همچنان برابر ،،1 ،، نگاه می دارد یا ،،0 ،، خواهدکرد .

یه همین ترتیب SAR تا کم وزن ترین بیت (LSB ) را به نوبت امتحان خواهدکرد و اگر خروجی D/Aکوچکتر از Vin باشد بیت را ،،1 ،، نگاه می دارد و در غیر این صورت را ،،0 ،، خواهدکرد .

برای تعیین مقدار دودویی هر بیت فقط یک پالس ساعت احتیاج است .

بعد از پایان این مرحله ،SAR پیام پایان عمل تبدیل (EOC ) را خواهد فرستاد که نمایانگر آن است که خطوط خروجی حاوی جواب صحیح اند .

مزیت مهم مبدلA/D تقرب تدریجی ، این است کهN بیت ریزنمایی ، فقط به وسیلهN پالس ساعت قابل حصول است ؛ به عنوان مثال یک نمونهSAR ، 8 بیتی ، در مقایسه با یک نمونه مبدل شمارنده مشابه 8 بیتی که برای تبدیل یه طور متوسط به 128 پالس ساعت نیاز دارد ، فقط به 8 پالس ساعت احتیاج دارد .

عیب عمده این مبدل ، احتیاج آن به یک مبدل D/A است ولی ، در عوض سرعت و دقت بالایی دارد .

نمودار بلوکی مبدل