مراحل الية التحويل التماثلي إلى الرقمي - A/D

تكمن عملية تحويل الإشارة التناظرية (المتغيرة باستمرار) إلى إشارة رقمية، باستخدام دائرة إلكترونية متكاملة تقوم مباشرة بتحويل الشكل المستمر للإشارة إلى شكل منفصل، يمكن التعبير عنها بـ ( A/D أو A-to-D أو A-D أو ADC)، يمكن أن يكون للإدخال (التناظري) لهذا النظام أي قيمة في النطاق ويتم قياسه مباشرةً، ولكن بالنسبة للإخراج (الرقمي) لمحول (0 – N Bits) يجب أن يحتوي على قيم منفصلة 2N فقط، محول (A/D) هذا عبارة عن رابط بين العالم التناظري (الخطي) للمحولات والعالم الخفي لمعالجة الإشارة ومعالجة البيانات، يقوم المحول الرقمي إلى التناظري (DAC) بتنفيذ الوظيفة العكسية لـ (ADC).

أقسام مراحل الية التحويل التماثلي إلى الرقمي:

هناك خطوتان أساسيتان تتضمنهما عملية التحويل، هما:

1. مرحلة أخذ العينات والاحتفاظ (Sampling and Holding).
   
2. مرحلة التكميم والترميز (Quantizing and Encoding).
   

مرحلة أخذ العينات والاحتفاظ – Sampling and Holding:

في هذه العملية يتم أخذ عينات من الإشارة المستمرة وتجميد (الاحتفاظ) القيمة عند مستوى ثابت لفترة زمنية محددة على الأقل، ويتم إجراء ذلك لإزالة الاختلافات في إشارة الإدخال التي يمكن أن تُغير عملية التحويل وبالتالي تزيد من الدقة، يجب أن يكون الحد الأدنى لمعدل أخذ العينات ضعف تردد البيانات الأقصى لإشارة الإدخال.

هناك اعتبار آخر يجب مراعاته أثناء عملية تحويل (A/D) وهو اختيار معدل أخذ العينات، معدل أخذ العينات هو التردد المُعبر عنه بالهرتز (Hz) الذي يقوم عنده (ADC) بتجميع الإشارة الإبتدائية التماثلية، فإنّ الفاصل الزمني لأخذ العينات هو الوقت بين العينات المتتالية، وبالتالي فإنّ معدل أخذ العينات هو معكوس فترة أخذ العينات، كلما كان المعدل الذي تتغير فيه الإشارة أسرع، كلما زاد محتوى تردد الإشارة وكلما زاد معدل أخذ العينات المطلوبة لإعادة إنتاجها بدقة.

لماذا لا نقوم دائماً بأخذ العينات بأعلى معدل ممكن؟

من المهم أن يكون معدل أخذ العينات مرتفعاً بدرجة كافية، فعلى سبيل المثال: في التجارب التي يتم فيها قياس إمكانات غشاء الراحة للعضلات الهيكلية، يكون معدل أخذ العينات من حوالي (25-50 هرتز) مرتفعاً بدرجةٍ كافيةٍ، في المقابل، عند قياس إمكانات العمل في المحاور العصبية والتي هي أحداث متغيرة بسرعة أكبر، فإنّ مُعدل أخذ العينات من (10 إلى 20 كيلو هرتز)، ومع ذلك بالنسبة لإشارة ذات محتوى تردد معين، فإنّ زيادة معدل أخذ العينات بعد نقطة معينة لا يزيد بشكل كبير من الدقة التي يتم بها تقديم الإشارة، بالإضافة إلى ذلك تزداد تكلفة (ADC) مع الرغبة في الحصول على معدلات أعلى لأخذ العينات، أخيراً هناك حاجة إلى مزيد من وقت معالجة الكمبيوتر ومساحة التخزين في الذاكرة أو القرص لمعالجة العدد الأكبر من نقاط البيانات التي يتم إنتاجها عند زيادة معدل أخذ العينات، وبالتالي هناك مفاضلة بين دقة الاستنساخ من ناحية ومساحة تخزين الكمبيوتر ووقت الحوسبة والتكلفة من ناحية أخرى.

مرحلة التكميم والترميز – Quantizing and Encoding:

لفهم القياس الكمي، يمكننا أولاً الاطلاع على ناتج الدقة (Resolution) المستخدم في (ADC)، إنّه أصغر اختلاف في الإشارة التناظرية الذي سينتج عنه اختلاف في الإخراج الرقمي، وهذا يمثل في الواقع خطأ التكميم.

القياس الكمي (Quantizing): هي العملية التي يتم فيها تقسيم الإشارة المرجعية إلى عدة كميات منفصلة ثم يتم مطابقة إشارة الإدخال مع الكم الصحيح، يتم استخدام قيمة رقمية واحدة فقط لتمثيل النطاق الكامل للجهد في فترة زمنية محددة، وبالتالي سيحدث خطأ ويسمّى خطأ التكميم.

الترميز (Encoding): هو تعيين رمز رقمي فريد وبعد ذلك يتم تخصيص إشارة الإدخال مع هذا الرمز الرقمي.

أظهرت القياسات التجريبية والدراسات النظرية أن نمذجة خطأ التكميم كمصدر ضوضاء صالحة إذا تم استيفاء الشروط الأربعة التالية:

1. اقتراب القيمة الابتدائية من قيم مستوى التكميم المختلفة باحتمالية متساوية.
   
2. عدم ارتباط خطأ التكميم بالمدخلات.
   
3. عندما يحتوي جهاز الكمي على عدد كبير من مستويات التكميم؛ مثلاً عندما يكون لدينا (ADC) عالي الدقة.
   
4. عندما تكون خطوات التكميم موحدة (على عكس محولات البيانات المستخدمة في الهواتف التي لها خاصية لوغاريتمية).
   

طرق تحسين الدقة في محول الإشارة – ADC:

يتم استخدام طريقتين مهمتين لتحسين الدقة في ADC، هما:

1. عن طريق زيادة الدقة (increasing the resolution).
   
2. وزيادة معدل أخذ العينات (increasing the sampling rate).
   

تطبيقات على استخدام محول الإشارة ADC:

1. تُستخدم مع محول الطاقة.
   
2. يُستخدم في الكمبيوتر لتحويل الإشارة التناظرية إلى إشارة رقمية.
   
3. تُستخدم في الهواتف المحمولة.
   
4. تُستخدم في ميكروكنترولر (Microcontrollers).
   
5. تُستخدم في معالجة الإشارات الرقمية.
   
6. تُستخدم في راسمات الذبذبات للتخزين الرقمي.
   
7. تُستخدم في الأجهزة العلمية.
   
8. تُستخدم في تكنولوجيا استنساخ الموسيقى.