التحويل التماثلي إلى الرقمي - Analog To Digital

ما هي عملية التحويل التماثلي إلى الرقمي – Analog To Digital؟

عملية تحويل الإشارة من المجال التناظري إلى المجال الرقمي يمكن أن تحدث هذه العملية في النطاق الأساسي، كما هو الحال بالنسبة لمستقبلات التحويل المباشر، واحدة من الفوائد الرئيسية لمحول (ADC) هي ارتفاع معدل الحصول على البيانات حتى عند المدخلات متعددة الإرسال، مع اختراع مجموعة متنوعة من الدوائر المتكاملة (ADC – IC’s)، يُصبح الحصول على البيانات من أجهزة الاستشعار المختلفة أكثر دقة وأسرع.

الخصائص الديناميكية لـ (ADC’s) عالية الأداء هي تحسين تكرار القياس وانخفاض استهلاك الطاقة والإنتاجية الدقيقة والخطية العالية ونسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) الممتازة وما إلى ذلك. مجموعة تطبيقات (ADCs) هي أنظمة القياس والتحكم والأجهزة الصناعية وأنظمة الاتصالات وجميع الأنظمة الحسية الأخرى، بحيث تُصنيف (ADC’s) بناءاً على عوامل مثل: الأداء ومعدلات البت (Bit rates) والقوة والتكلفة.

ما هو المحول التماثلي إلى الرقمي – ADS؟

المحول التناظري إلى الرقمي (ADC): عبارة عن دائرة إلكترونية متكاملة تُستخدم لتحويل الإشارات التناظرية مثل الفولتية إلى شكل رقمي أو ثنائي يتكون من 1s و 0، تأخذ معظم (ADC’s) مدخلات الجهد من (0) إلى (10V) أو (-5V) إلى (+5V)، وبالتالي ينتج عنها مخرجات رقمية كنوع من الأرقام الثنائية.

طريقة عمل محول الإشارة التماثلي إلى الرقمي – ADS:

يقوم المحول التناظري إلى الرقمي بأخذ عينات الإشارة التناظرية على كل حافة ساقطة أو صاعدة من الإشارة الممثلة لفترة زمنية من العينة، في كل دورة، يحصل (ADC) على الإشارة التناظرية ويقيسها ويحولها إلى قيمة رقمية، يقوم (ADC) بتحويل بيانات الإخراج إلى سلسلة من القيم الرقمية عن طريق تقريب الإشارة بدقة ثابتة.

في محول الإشارة (ADC) هناك عاملان يحددان دقة القيمة الرقمية التي تلتقط الإشارة التناظرية الأصلية هما: معدل البت (Bit) ومعدل أخذ العينات، حيث يُقرر معدل دقة الإخراج الرقمي.

هناك فرصة مطلقة لتحريف إشارة الإدخال في جانب الخروج إذا تم أخذ عينات منها بتردد مختلف عن التردد المطلوب، لذلك هناك اعتبار مهم آخر لـ (ADC) هو معدل أخذ العينات، حيث تنص نظرية (Nyquist) على أنّ إعادة بناء الإشارة المكتسبة تؤدي إلى حدوث تشويه ما لم يتم أخذ عينات منها كحد أدنى ضعف معدل أكبر محتوى تردد للإشارة، لكن هذا المعدل بين (5-10) أضعاف الحد الأقصى للتردد العملي للإشارة.

أنواع المحولات التماثلية إلى الرقمية:

1. محول المنحدر المزدوج – Dual Slope A/D Converter:

في هذا النوع من محول (ADC)، يقوم على إنشاء جهد مقارنة باستخدام دارة تكامل تتكون من مقاوم ومكثف ومضخم تشغيلي، ومن خلال القيمة المحددة لـلجهد العكسي (Vref) يولد (integrator) شكل موجة مسننة خارجة من الصفر إلى القيمة (Vref)، وعندما يبدأ شكل موجة الدمج، أمّا في المقابل يبدأ العداد في العد من (0 إلى 2^n-1) حيث n هو عدد (Bits) محول (ADC)، عندما يكون جهد الابتدائي (Vin) مساوياً لجهد شكل الموجة، فإنّ دائرة التحكم تلتقط قيمة العداد وهي القيمة الرقمية لقيمة الإدخال التناظرية المقابلة، إنَّ (ADC) ثنائي المنحدر هذا متوسط ​​التكلفة نسبياً وجهاز سرعة بطيئة.

2. محول فلاش – Flash A/D Converter:

يُطلق على محول (ADC/IC) أيضاً إسم (ADC) المتوازي، وهو (ADC) الأكثر استخداماً من حيث سرعته، تتكون دائرة الفلاش التناظرية لدائرة المحول الرقمي من سلسلة من المقارنات حيث يقارن كل واحد إشارة الإدخال بجهد مرجعي فريد ومختلف، وفي كل مقارنة بينهم سيكون المخرجات في حالة عالية عندما يتجاوز جهد الإدخال التناظري الجهد المرجعي، يتم إعطاء القيمة المخرجة أيضاً إلى المشفر ذي الأولوية لتوليد رمز ثنائي بناءاً على نشاط إدخال ذي ترتيب أعلى من خلال تجاهل المدخلات النشطة الأخرى، نوع الفلاش هذا هو جهاز عالي التكلفة وعالي السرعة.

3. محول التقريب المتتالي – Successive Approximation A/D Converter:

يعتبر (SAR ADC) هو الأكثر حداثة والأسرع بكثير من المنحدر المزدوج والفلاش، وذلك لأنه يستخدم منطقاً رقمياً بحيث يُقرب جهد الإدخال التماثلي إلى أقرب قيمة ممكنة، بحيث تتكون هذه الدائرة من مقارن (comparator) وقفل الإخراج (output latches) وسجل تقريبي متتالي (SAR successive approximation register) ومحول (A/D).

في البداية، تتم إعادة تعيين محول (SAR) ومع إدخال الانتقال من (LOW إلى HIGH)، يتم تعيين (MSB) الخاص بـ (SAR)، ثم يتم إعطاء هذا الإخراج لمحول (A/D) الذي ينتج مكافئاً تناظرياً لـ (MSB)، ثم يتم مقارنته مع الإدخال التناظري أي الجهد الابتدائي (Vin)، حيث إذا كان ناتج المقارنة منخفضاً، فسيتم مسح (MSB) بواسطة (SAR)، وعندما يتم مسح (MSB) وتعيين الموضع التالي، تستمر هذه العملية حتى يتم تجربة جميع (Bits) وبعد (Q0)، يجعل (SAR) خطوط الإخراج المتوازية تحتوي على بيانات صحيحة.