اقرأ في هذا المقال
- ما هو التحويل الرقمي إلى التماثلي – Digital to Analog Conversion؟
- أين نحتاج DAC؟
- آلية عمل DAC
- أنواع DACs
- تطبيقات المحول الرقمي التماثلي – DACs
يعد توصيل الدوائر الرقمية بأجهزة الاستشعار أمراً بسيطاً إذا كانت أجهزة الاستشعار رقمية بطبيعتها حيث يتم ربط المفاتيح والمرحلات والمشفرات بسهولة بدارات البوابة نظراً لطبيعة تشغيل أو إيقاف تشغيل إشاراتها حيث يُدخل (ADC) إشارة كهربائية تماثلية مثل الجهد أو التيار ويخرج رقماً ثنائياً، بينما (DAC) يدخل عدداً ثنائياً ويخرج جهداً تماثلياً أو إشارة تيار.
ما هو التحويل الرقمي إلى التماثلي – Digital to Analog Conversion؟
التحويل الرقمي إلى التماثلي (DAC): هو العملية التي يتم من خلالها تحويل الإشارات الرقمية أي التي لها حالة ثنائية إلى إشارات تمثيلية أي تحتوي نظرياً على عدد لا حصر له من الحالات، فعلى سبيل المثال يقوم المودم بتحويل البيانات الرقمية للكمبيوتر إلى إشارات تردد صوت تماثلية يمكن نقلها عبر خطوط الهاتف.
يُشار إلى المحول الرقمي إلى التماثلي عادةً باسم (DAC أو D / A أو D2A) وهو جهاز يحول القيم الثنائية (0 و1) إلى مجموعة من الفولتية التناظرية المستمرة، وهناك العديد من التقنيات التي يتم من خلالها القيام بذلك ولكل منها ميزتها وعيوبها.
يمكن لـ (DAC) إعادة بناء البيانات التي تم أخذ عينات منها إلى إشارة تماثلية بدقة، وقد يتم إنتاج البيانات الرقمية من معالج دقيق أو دائرة متكاملة خاصة بالتطبيق (ASIC) أو مصفوفة البوابة القابلة للبرمجة الميدانية (FPGA) ولكن في النهاية تتطلب البيانات التحويل إلى إشارة تماثلية من أجل التفاعل مع العالم الحقيقي.
أين نحتاج DAC؟
الكمبيوتر عبارة عن آلة ثنائية تعمل في عالم تمثيلي حتى تتمكن من إنتاج مخرجات يمكن فهمها بواسطة الأجهزة الأخرى فيتم استخدام (DAC) حيث يقوم الكمبيوتر بتخزين الصوت في شكل قيم ثنائية للموجة الصوتية، ومن أجل تشغيلها كصوت على مكبر الصوت نحتاج إلى إشارات تماثلية، ولأنّ الحجاب الحاجز لمكبر الصوت يهتز بناءً على شدة الإشارة التماثلية لإنتاج الصوت أو الموسيقى أي يقوم بتحويل ملف الصوت الرقمي إلى إشارة تمثيلية من أجل تشغيله على مكبر صوت.
المعلومات الموجودة في العالم الحقيقي في شكل تمثيلي حيث نقوم بتحويلها إلى شكل رقمي في المقام الأول حيث أنّ سرعة معالجة الكمبيوتر الرقمي سريعة جداً ويمكنها حساب أو معالجة أي بيانات في غضون ثوانٍ دقيقة، كما إنّه يوفر الوقت ويساعد في معالجة البيانات المعقدة وفقاً للحاجه لها.
لفهم البيانات التي نعالجها في المجال الرقمي، نحتاج إلى تحويلها إلى مجال تمثيلي ومثال على ذلك هو عملية تحرير الصوت والفيديو حيث يتم التقاط البيانات باستخدام الكاميرا الرقمية والميكروفون لتحويل البيانات التماثلية إلى رقمية ثم تتم معالجتها باستخدام أجهزة الكمبيوتر الخاصة لتعديلها وفقاً للاحتياجات الزائدة حيث نستخدم (DACs) لتحويله مرة أخرى إلى المجال التماثلي لعرضه والاستماع إليه من خلال الشاشة ومكبرات الصوت.
آلية عمل DAC:
النظام الثنائي: هو نظام موضعي أي نظام القيمة المكانية حيث يمثل كل بت وجود أو عدم وجود قوة معينة من اثنين في المجموع الكلي للقوى، وبعبارة أخرى يمكن اعتبار عملية التحويل الرقمية إلى التماثلية بأكملها عملية تحجيم حيث يتم تعيين العد الثنائي إلى نطاق جهد معين ومع كون (0V) هو الحد الأدنى والحد الأقصى للجهد هو أقصى جهد ثنائي للإدخال.
توجد البيانات الثنائية الرقمية في شكل بتات، كل بتة هي إمّا (1 أو 0) وتمثل وزنها المقابل لموقعها حيث أنّ الوزن هو (2n) حيث (n) هو موضع البت من الجانب الأيمن ويبدأ من (0).
تتوفر (DACs) على شكل دوائر متكاملة منفصلة أو حتى مدمجة في متحكم دقيق، ولكن أكثرها شيوعاً هي المتوفرة كدائرة متكاملة منفصلة والأكثر شيوعاً هي (DAC7715 وDAC0832 وDAC0808)، فمثلاً (MCP 4725) عبارة عن وحدة (DAC) صغيرة أنيقة تُستخدم بشكل شائع مع (Arduino).
أنواع DACs:
1. مكبر للصوت – Summing Amplifier:
نظراً لأنّ التحويل الرقمي إلى التماثلي هو ببساطة مجموع مرجح للمدخلات الثنائية حيث يتم استخدام دائرة تسمى مضخم الجمع، وهذا هو في الأساس مكبر للصوت (op-amp) مع مقاومات متعددة متصلة بمدخل واحد حيث يسمى التقاطع حيث تلتقي المقاومات بتقاطع الجمع أو الأرض الافتراضية، كما يدخل الإدخال الثنائي في المقاومات ويتم الحصول على الناتج التماثلي على ناتج المرجع أمبير.
ما يجعل هذه الدائرة تعمل هو المقاومات حيث يجب اختيار كل مقاوم بعناية ومطابقته من أجل الحصول على ناتج تماثلي دقيق، وكلما زاد عدد وحدات البت زادت قيم المقاومات المختلفة التي تحتاجها.
2. سلم R-2R:
هذا هو أبسط نوع من DAC ويحتاج فقط إلى قيمتي مقاومة مرتبة في سلم حيث يمكن التفكير في هذا على أنّه مقسم جهد معقد إلى حد ما حيث ينتقل الإدخال الثنائي إلى مقاومات (2R) ويتم الحصول على الانتاج في أسفل السلم.
مزايا R-2R Ladder DAC:
يحتوي (R-2R Ladder DAC) على قيمتين فقط للمقاوم هما: (R و2R)، لذلك من السهل تحديد وتصميم مقاومات أكثر دقة، وفي حالة وجود عدد أكبر من البتات في الإدخال الرقمي فيجب تضمين العدد المطلوب من أقسام (R-2R).
3. PWM DAC:
يتم استخدام هذا النوع بكثرة حيث أنّ متحكم (Arduino) الشهير لديه القدرة على انتاج الإشارات التماثلية باستخدام إشارة (PWM)، وفي البداية تبدو إشارة (PWM) مثل شكل موجة ثنائي مع قمم عالية ومنخفضة فقط مع دورة عمل متغيرة أي نسبة الوقت إلى الفترة الزمنية، ومع ذلك فإنّ الغرض من ذلك هو استخدامه مع مرشح (RC) لتحويل إشارة (PWM) إلى قيمة جهد عن طريق تصفية مكون التيار المتردد وترك مكون التيار المستمر، كما يتناسب ناتج الجهد مع دورة عمل المدخلات فكلما زادت دورة التشغيل زاد جهد ناتج المرشح.
4. مقاوم الموزون – DAC Weighted Resistor:
ينتج (DAC) المقاوم الموزون ناتجاً تماثلياً، والذي يكاد يكون مساوياً للإدخال الرقمي أي الثنائي باستخدام المقاومات الثنائية الموزونة في دائرة التجميع العكسية، وباختصار يُطلق على المقاوم الثنائي الموزون (DAC) اسم المقاوم الموزون (DAC).
عيوب المقاوم الثنائي الموزون DAC:
- يزداد الفرق بين قيم المقاومة المقابلة لـ (LSB & MSB) مع زيادة عدد البتات الموجودة في الإدخال الرقمي.
- من الصعب تصميم مقاومات أكثر دقة حيث يزداد عدد البتات الموجودة في المدخلات الرقمية.
تطبيقات المحول الرقمي التماثلي – DACs:
تُستخدم (DACs) في العديد من تطبيقات معالجة الإشارات الرقمية والعديد من التطبيقات الأخرى.
1. معالجة الإشارات الرقمية:
من الأسهل بكثير العمل مع الإشارات بمجرد تحويلها إلى ثنائي، فمثلاً في عملية تحرير الصوت يتم تحويل الصوت إلى ثنائي وبعد ذلك يمكن إجراء العمليات عليه، ولتشغيل هذا الصوت يتم استخدام (DAC) لتحويله إلى إشارة صوتية يمكن تشغيلها على مكبر صوت.
2. إمدادات الطاقة الرقمية:
معظم المتحكمات الدقيقة بطيئة جداً بحيث لا تكون جزءاً من حلقة التحكم في مزود الطاقة، ولتغيير الجهد أو التيار لمصدر الطاقة يمكن تغيير المرجع، كما يمكن القيام بذلك عن طريق توصيل (DAC) بانتاج متحكم دقيق واستخدام ذلك لتغيير الجهد المرجعي إلى قيمة محددة مسبقاً.
3. مضخم الصوت:
تُستخدم (DACs) لإنتاج كسب جهد تيار مستمر بأوامر متحكم دقيق، وغالباً ما يتم دمج (DAC) في برنامج ترميز صوتي كامل يتضمن ميزات معالجة الإشارة.
4. ترميز الفيديو:
يقوم نظام تشفير الفيديو بمعالجة إشارة الفيديو وإرسال إشارات رقمية إلى مجموعة متنوعة من (DACs) لإنتاج إشارات فيديو تمثيلية بتنسيقات مختلفة إلى جانب تحسين مستويات الانتاج، وكما هو الحال مع برامج ترميز الصوت وقد تحتوي هذه الدوائر المتكاملة على (DAC).
5. عرض الإلكترونيات:
تستخدم وحدة التحكم في الرسوم عادةً جدول بحث لتوليد إشارات البيانات المرسلة إلى فيديو (DAC) للمخرجات التماثلية، مثل إشارات الأحمر والأخضر والأزرق (RGB) لتشغيل العرض.
6. نظم الحصول على البيانات:
يتم رقمنة البيانات المراد قياسها بواسطة محول تماثلي إلى رقمي (ADC) ثم إرسالها إلى معالج، كما سيشمل الحصول على البيانات أيضاً نهاية التحكم في العملية حيث يرسل المعالج بيانات التغذية الراجعة إلى (DAC) للتحويل إلى إشارات تمثيلية.
7. المعايرة الديناميكية:
يوفر (DAC) معايرة ديناميكية للكسب وتعويض الجهد من أجل الدقة في أنظمة الاختبار والقياس.
8. التحكم في المحركات:
تتطلب العديد من أدوات التحكم في المحرك إشارات التحكم في الجهد، وتعد (DAC) مثالية لهذا التطبيق الذي قد يتم تشغيله بواسطة معالج أو وحدة تحكم.
9. نظام توزيع البيانات:
تتطلب العديد من الخطوط الصناعية وخطوط المصنع مصادر جهد متعددة قابلة للبرمجة، ويمكن إنشاء ذلك من خلال بنك من (DACs) متعددة الإرسال حيث يسمح استخدام (DAC) بالتغيير الديناميكي للجهد أثناء تشغيل النظام.
10. مقياس الجهد الرقمي:
تعتمد جميع مقاييس الجهد الرقمية تقريباً على بنية (DAC) التسلسلية، ومع بعض عمليات إعادة التنظيم لمصفوفة المقاوم أو المحول وإضافة واجهة متوافقة مع (I2C) حيث يمكن تنفيذ مقياس جهد رقمي بالكامل.
11. راديو البرمجيات:
يتم استخدام (DAC) مع معالج الإشارة الرقمية (DSP) لتحويل الإشارة إلى إشارة تماثلية للإرسال في دائرة الخلاط ثم إلى مضخم طاقةالراديو وجهاز الإرسال.
