التحويل من الإشاره التماثلية إلى الإشارة الرقمية - Analogue to Digital Converter

يتميز أداء (ADC) بشكل أساسي بعرض النطاق الترددي ونسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) حيث يتميز عرض النطاق الترددي (ADC) بشكل أساسي بمعدل أخذ العينات بينما يتأثر معدل الإشارة إلى الضوضاء (SNR) الخاص بـ (ADC) بالعديد من العوامل بما في ذلك الدقة والخطية والدقة أي مدى مطابقة مستويات التكمية للإشارة التماثلية الحقيقية والتشويش والارتعاش.

ما هو المحول التماثلي إلى الرقمي – Analogue to Digital Converter؟

المحول التناظري إلى الرقمي (ADC): هو محول بيانات يسمح للدوائر الرقمية بالتفاعل مع العالم الحقيقي عن طريق تشفير إشارة تماثلية إلى رمز ثنائي.

المحولات التناظرية إلى الرقمية (ADCs) تسمح للدوائر التي يتحكم فيها المعالج الدقيق و(Arduinos) و(Raspberry Pi) وغيرها من الدوائر المنطقية الرقمية بالتواصل مع العالم الحقيقي حيث تحتوي الإشارات التماثلية على قيم متغيرة باستمرار تأتي من مصادر وأجهزة استشعار مختلفة يمكنها قياس الصوت أو الضوء أو درجة الحرارة أو الحركة وتتفاعل العديد من الأنظمة الرقمية مع بيئتها من خلال قياس الإشارات التماثلية من هذه المحولات.

بينما يمكن أن تكون الإشارات التماثلية مستمرة وتوفر عدداً لا نهائياً من قيم الجهد المختلفة حيث تعمل الدوائر الرقمية من ناحية أخرى مع إشارة ثنائية لها حالتان منفصلتان فقط، منطق 1 يعني (HIGH) أو منطق 0 يعني (LOW)، لذلك من الضروري وجود دائرة إلكترونية يمكنها التحويل بين المجالين المختلفين للإشارات التماثلية المتغيرة باستمرار والإشارات الرقمية المنفصلة وهنا يأتي دور المحولات التناظرية إلى الرقمية (A / D).

بشكل أساسي، يأخذ المحول التماثلي إلى الرقمي لقطة من الجهد التماثلي في لحظة واحدة في الوقت المناسب وينتج رمز ناتج رقمي يمثل هذا الجهد التماثلي حيث يعتمد عدد الأرقام الثنائية أو البتات المستخدمة لتمثيل قيمة الجهد التماثلية هذه على دقة محول (A / D).

فعلى سبيل المثال سيكون لدى (ADC) عند 4 بت دقة جزء واحد في 15 أي (²4 – 1) بينما سيكون دقة (ADC) عند الجهد 8 بت جزء واحد في 255 أي (²8 – 1)، وبالتالي يأخذ المحول التماثلي إلى الرقمي إشارة تماثلية مستمرة غير معروفة ويحولها إلى عدد ثنائي n بتة أي (² n بت).

آلية عمل محول التماثلية إلى الرقمية:

يمكن إجراء عملية أخذ إشارة الجهد التماثلي وتحويلها إلى إشارة رقمية معادلة بعدة طرق مختلفة، وبينما توجد العديد من شرائح المحولات التماثلية إلى الرقمية مثل سلسلة (ADC08xx) المتاحة من مختلف الشركات المصنعة، فمن الممكن أنّ بناء (ADC) بسيط باستخدام مكونات منفصلة تتمثل في إحدى الطرق البسيطة والسهلة في استخدام التشفير المتوازي، والمعروف أيضاً باسم محولات الفلاش أو المتزامنة أو متعددة المقارنة التي تستخدم فيها المقارنات لاكتشاف مستويات الجهد المختلفة وانتاج حالة التبديل الخاصة بها إلى جهاز تشفير.

تستخدم محولات (A / D) الموازية لـ (Flash) سلسلة من المقارنات المترابطة ولكن المتباعدة بشكل متساوٍ ومراجع الجهد التي تم إنشاؤها بواسطة شبكة متسلسلة من المقاومات الدقيقة لتوليد كود انتاج مكافئ لدقة (n-bit) معينة حيث تتمثل ميزة المحولات المتوازية أو الفلاش في أنّها سهلة الإنشاء ولا تتطلب أي ساعات توقيت حيث يتم تطبيق الجهد التماثلي على مدخلات المقارنة ويتم مقارنتها بالجهد المرجعي.

أنواع محول ADC:

تأتي محولات (ADC) بسرعات مختلفة وتستخدم واجهات مختلفة وتوفر درجات مختلفة من الدقة، وأكثر أنواع (ADCs) شيوعاً هي:

1. فلاش ADC:

فلاش (ADC): هو أسرع نوع متاح حيث يستخدم فلاش (ADC) مقارنات واحدة لكل خطوة جهد وسلسلة من المقاومات حيث سيكون لدى (ADC) عند (4 بت 16 مقارنة) وسيحتوي (ADC) عند (8 بت على 256 مقارنة) وذلك حسب العلاقة (n²) حيث تتصل جميع مخرجات المقارنة بكتلة منطقية تحدد المخرجات بناءً على المقارنات منخفضة وأيّها مرتفعة.

سرعة تحويل فلاش (ADC) هي مجموع تأخيرات المقارنة والتأخير المنطقي أي التأخير المنطقي عادةً ما يكون ضئيلاً، و(ADCs Flash) سريع جداً ولكنّه يستهلك كميات هائلة من (IC)، ونظراً لعدد المقارنات المطلوبة فإنّها تميل إلى أن تكون مستهلكة طاقة كبيرة حيث تجذب تياراً كبيراً، وقد يستهلك (ADC فلاش) 10 بت نصف أمبير.

الاختلاف في محول الفلاش هو نصف الفلاش، والذي يستخدم محول داخلي من رقمي إلى تمثيلي (DAC) وطرح لتقليل عدد المقارنات الداخلية حيث تُعد محولات نصف الفلاش أبطأ من محولات الفلاش الحقيقية ولكنّها أسرع من الأنواع الأخرى من (ADC).

2. محول التقريب المتتالي:

يستخدم محول التقريب المتتالي المقارنة ومنطق العد لإجراء تحويل حيث تتمثل الخطوة الأولى في التحويل في معرفة ما إذا كان الدخل أكبر من نصف الجهد المرجعي، وإذا كان الأمر كذلك يتم تعيين البت الأكثر أهمية (MSB) للإنتاج حيث يتم بعد ذلك طرح هذه القيمة من الإدخال ويتم فحص النتيجة لربع الجهد المرجعي، كما تستمر هذه العملية حتى يتم تعيين أو إعادة تعيين جميع وحدات بت الناتجة حيث يأخذ التقريب المتتالي (ADC) العديد من دورات الساعة حيث توجد بتات انتاج لإجراء تحويل.

3. سيجما دلتا:

يستخدم (ADC) سيجما دلتا (DAC) قيمة (1 بت) والتصفية والإفراط في أخذ العينات لتحقيق تحويلات دقيقة للغاية حيث يتم التحكم في دقة التحويل من خلال مرجع الإدخال ومعدل ساعة الإدخال، والميزة الأساسية لمحول (sigma delta) هي الدقة العالية حيث يستخدم الفلاش والتقريب المتتالي (ADCs) سلم المقاوم أو سلسلة المقاوم، وتكون المشكلة في هذه هي أنّ دقة المقاومات تؤثر بشكل مباشر على دقة نتيجة التحويل.

على الرغم من أنّ (ADCs) الحديثة تستخدم شبكات مقاومة دقيقة جداً ومُشذبة بالليزر، إلّا أنّ بعض الأخطاء لا تزال قائمة في سلالم المقاومة حيث لا يحتوي محول (sigma – delta) على سلم مقاوم ولكنّه يأخذ بدلاً من ذلك عدداً من العينات لتتقارب في النتيجة.

العيب الأساسي لمحول (sigma – delta) هو السرعة، ونظراً لأنّ المحول يعمل عن طريق زيادة عينات الإدخال فإنّه يستغرق التحويل العديد من دورات الساعة، وبالنسبة لمعدل ساعة معين يكون محول (sigma – delta) أبطأ من أنواع المحولات الأخرى أو بعبارة أخرى لمعدل تحويل معين حيث يتطلب محول سيجما دلتا ساعة أسرع.

وعيب آخر لمحول (sigma – delta) هو تعقيد المرشح الرقمي الذي يحول معلومات دورة العمل إلى كلمة انتاج رقمية حيث أصبح محول (sigma – delta) متاحاً بشكل أكثر شيوعاً مع القدرة على إضافة مرشح رقمي أو (DSP) إلى قالب (IC).

خطوات التحويل التماثلي إلى الرقمي:

تنشئ الميكروفونات صوتاً تماثلياً وتقوم الكاميرا بإنشاء مقاطع فيديو تمثيلية حيث يتم التعامل معها على أنّها بيانات تمثيلية، ولنقل هذه البيانات التماثلية عبر الإشارات الرقمية نحتاج إلى التحويل االتماثلي إلى الرقمي والبيانات التماثلية هي دفق مستمر للبيانات في شكل موجة بينما البيانات الرقمية منفصلة ولتحويل الموجة التماثلية إلى بيانات رقمية نستخدم (Pulse Code Modulation – PCM) حيث يُعد (PCM) أحد أكثر الطرق شيوعاً لتحويل البيانات التماثلية إلى شكل رقمي، ويتضمن ثلاث خطوات:

1. أخذ العينات:

يتم أخذ عينات من الإشارة التناظرية كل فاصل زمني (T)، وأهم عامل في أخذ العينات هو معدل أخذ عينات الإشارة التماثلية، ووفقاً لنظرية نيكويست يجب أن يكون معدل أخذ العينات مرتين على الأقل من أعلى تردد للإشارة.

2. التوضيح:

ينتج عن أخذ العينات شكل منفصل للإشارة التماثلية المستمرة حيث يُظهر كل نمط منفصل سعة الإشارة التماثلية في تلك الحالة حيث يتم التكميم بين قيمة السعة القصوى وقيمة السعة الدنيا، والتكميم هو تقريب للقيمة التماثلية اللحظية.

3. التشفير:

في التشفير يتم تحويل كل قيمة تقريبية إلى تنسيق ثنائي.

أوضاع النقل في التحويل التماثلي إلى الرقمي:

يحدد وضع الإرسال كيفية نقل البيانات بين جهازي كمبيوتر حيث يمكن إرسال البيانات الثنائية على شكل (1s و0s) في وضعين مختلفين: (Parallel) و(Serial).

1. انتقال موازي:

يتم تنظيم البتات الثنائية في مجموعات ذات طول ثابت حيث يتم توصيل كل من المرسل والمستقبل بالتوازي مع عدد متساوٍ من خطوط البيانات حيث يميز كلا الجهازين بين خطوط البيانات ذات الترتيب العالي والمنخفض، كما يرسل المرسل جميع البتات دفعة واحدة على جميع السطور، ونظراً لأنّ خطوط البيانات تساوي عدد البتات في مجموعة أو إطار بيانات يتم إرسال مجموعة كاملة من البتات أي إطار البيانات دفعة واحدة حيث أنّ ميزة النقل المتوازي هي السرعة العالية والعيب هو تكلفة الأسلاك، كما أنّها تساوي عدد البتات المرسلة بالتوازي.

2. ناقل الحركة التسلسلي:

في الإرسال التسلسلي، يتم إرسال البتات الواحدة تلو الأخرى بطريقة قائمة الانتظار حيث يتطلب الإرسال التسلسلي قناة اتصال واحدة فقط، كما يمكن أن يكون الإرسال التسلسلي غير متزامن أو متزامن.

1. انتقال تسلسلي غير متزامن:

سميت بذلك لأنّه لا توجد أهمية للتوقيت حيث تحتوي بتات البيانات على نمط محدد وتساعد المتلقي في التعرف على بتات بيانات البداية والنهاية، فعلى سبيل المثال يتم إضافة (0) إلى كل بايت من البيانات ويضاف واحد أو أكثر في النهاية، وقد يكون هناك فجوة بين إطاري بيانات متواصلين أي بايت.

2. ناقل تسلسلي متزامن:

التوقيت في الإرسال المتزامن له أهمية حيث لا توجد آلية متبعة للتعرف على بتات بيانات البداية والنهاية حيث لا يوجد نمط أو طريقة بادئة أو لاحقة حيث يتم إرسال بتات البيانات في وضع الرشقة دون الحفاظ على الفجوة بين البايتات (8 بتات)، كما قد تحتوي الرشقة المفردة لبتات البيانات على عدد من البايتات لذلك يصبح التوقيت مهماً جداً، والأمر متروك للمستقبل للتعرف على البتات وفصلها إلى بايت، وتتمثل ميزة الإرسال المتزامن في السرعة العالية ولا تحتوي على أي بتات رأس وتذييل إضافية كما هو الحال في الإرسال غير المتزامن.

غالبًا ما يتم تلخيص (SNR) الخاص بـ (ADC) من حيث العدد الفعال للبتات (ENOB) وعدد البتات لكل مقياس يقوم بإرجاعه والتي تكون في المتوسط ​​ليست ضوضاء حيث لدى (ADC) المثالي (ENOB) مساوٍ لقراره، كما يتم اختيار (ADCs) لتتناسب مع عرض النطاق الترددي والمطلوب (SNR) للإشارة ليتم رقمنتها.

إذا كان (ADC) يعمل بمعدل أخذ العينات أكبر من ضعف عرض النطاق الترددي للإشارة، فعندئذٍ وفقاً لنظرية أخذ العينات (Nyquist – Shannon) حيث يمكن إعادة البناء المثالي، كما يحد وجود خطأ تكميم من نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) حتى لوحدة (ADC) المثالية، ومع ذلك إذا كانت (SNR) الخاصة بـ (ADC) تتجاوز تلك الخاصة بإشارة الإدخال فقد يتم إهمال آثارها ممّا يؤدي إلى تمثيل رقمي مثالي بشكل أساسي لإشارة الإدخال التماثلي.