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 سه بیتی A/D با روش تقرب تدریجی .

5 – مبدل شمارنده : نحوه کار به این صورت است که ابتدا شمارنده شمارش را از0 به سمت بالا شروع می کند .

یک مبدل D/A حاصل شمارش را به معادل آنالوگ آن تبدیل می کند .

مقایسه کننده این مقدار را با مقدار ولتاژ ورودی مقایسه می کند .

خروجی مقایسه کننده به بخش کنترل رفته و هرگاه سیگنال خروجیD/A برابر ورودی آنالوگ شد مقایسه کننده به شمارنده فرمان توقف در شمارش می دهد .

مشکل اینستکه در نهایت خروجی حولVx نوسان می کند و مقدار ثابتی نمی باشد ، که این مسئله باعث خطای آخرین دیجیت می شود و با توجه به بالا بودن فرکانس (برای شمارش سریع ) فرکانس این نوسانات زیاد است .

برای رفع این مشکل می توان بجای مولد پالس از یکVCO و بجای مقایسه کننده از یک تقویت کننده استفاده کرد .

بدین ترتیب علاوه بر مقایسه Vx، مقدار اختلاف را هم می انیم .

اگر مقدار مقدار این اختلاف کم باشد فرکانس CLOCK نیز کاهش می یابد و بلعکس .

صورت بلوکی مدار مبدل A/D شمارنده .

6 – مبدل ردگیر : در روش ردگیر شمارنده ای به کار می بریم که قابلیت شمارش به طرف بالا و پائین را داشته باشد .

مادامیکه ولتاژ لحظه ای پله ها کم تر از سیگنال آنالوگ است ، خروجی مقایسه کننده فرمان شمارش بالا را به شمارنده می دهد که در نتیجه ولتاژ پله ها زیاد می شود و وقتی ولتاژ پله ها بالاتر از سیگنال آنالوگ ورودی برود ، خروجی مقایسه کننده فرمان شمارش پائین می دهد .

تازمانیکه ولتاژ لحظه ای پله ها مساوی سیگنال آنالوگ است ، عدد دیجیتال خروجی نماینده سیگنال ورودی است .

نمودار بلوکی مبدل ردگیر .

7 – مبدل تک شیب : در این مبدل نیازی به مدارD/A نیست و طرز کار مدار بدین صورت است که : درمدت زمانیکه طول می کشد تا ولتاژ شیب از صفر ولت به ولتاژ مساوی ورودی آنالوگ برسد ( و هرچه ولتاژ ورودی آنالوگ بیشتر باشد مدت زمان بیشتری طول می کشد ) پالس ساعت به شمارنده اعمال می شود و لذا تعداد پالس های شمارش شده نیز با ولتاژ نسبت مستقیم دارد ( تبدیل ولتاژ به زمان و زمان به شمارش ) .

به این روش روش مبدل ولتاژ به زمان نیز می گویند .

در این روش ، فرکانس پالس ساعت ثابت و مدت عبور آنها متغییر است .

در این مبدل برای ایجاد ولتاژ شیب از انتگرال گیر استفاده می کنند و چون ضریب تقویت انتگرال گیر ( که معمولاً با تقویت کننده عمالیاتی ساخته می شود ) منفی است ، یک ولتاژ مرجع منفی مورد استفاده قرارمی گیرد تا تغییرات خروجی در جهت مثبت باشد .

ضمناً ، مقدارRC در انتگرال گیر باید طوری انتخاب شود که در رابطه با فرکانس پالس ساعت شیب مناسبی در انتگرال گیر ایجاد نماید .

مدار مبدل تک شیب .

8 _ مبدل شیب دوگانه : یک نوع از مبدل های انتگرالی است و رایج ترین آنها محسوب می شود .

در مبدل های انتگرالی از انتگرال یا مقدار متوسطه ولتاژ ورودی روی یک بازه زمانی ثابت استفاده می شود .

در مبدل انتگرالی با شیب دوگانه عمل انتگرال گیری دو بار انجام می شود عمل کرد این مبدل به این صورت است که در ابتدا کلید رویVx قرار می گیرد تا ولتاژ مجهول خازن را شارژ کند (t1 ) .

پس از آن در زمان t 2 کلید در وضعیت Vref قرار می گیرد .

( علامتVref باید خلاف Vx باشد ) بدین ترتیب زمان t2 متناسب با اندازه Vx خواهد بود و اندازه گیری این زمان توسط یک شمارنده دیجیتال انجام می شود .

در یک مدار عملی خطای اولیه توسط مشخصات غیر ایده آل سوئیچ های آنالوگ و خازن ها ایجاد می شود .

نشت و تزریق بار و جذب دی الکتریک نیز از منابع خطا هستند .

در این روش کافی است مبنای زمانی سنجش t1 یکی باشد و نیازی به CLOCK با پایداری طولانی مدت نداریم ، همچنین به علت عدم وابستگی به تلرانس قطعات الکترونیک موجود در سیستم ، دقیق ترین روش ها شناخته شده است .

با کمی تغییر در ساختمان مدار شیب دوگانه آنرا سریع تر می سازند که به آن شیب سه گانه می گویند .

مدار بلوکی مبدل شیب دوگانه .

منحنی ولتاژ خروجی انتگرال گیر در روش مبدل A/D با شیب دوگانه .

9 _ مبدل ولتاژ به فرکانس : دراین روش می توان زمان را ثابت نگهداشت و فرکانس را با ولتاژ ورودی تغییر داد .

در این صورت ، تعداد پالس های شمارده شده در مدت مشخص و ثابت نشان دهنده دامنه ولتاژ ورودی خواهد بود .

چون در این روش ولتاژ را به فرکانس متغییر تبدیل می کنیم و سپس پالس ها را می شماریم ، مبدل به کار برنده آن به نام مبدل ولتاژ به فرکانس خوانده می شود .

برای طرح این مدار احتیاج به نوسان سازی قابل کنترل داریم ، بطوریکه با تغییر ولتاژ کنترل در ورودی ، فرکانس خروجی بطور خطی و متناسب با آن تغییر نماید و ضمناً یک گیت منطقی باید اجازه عبور پالس های خروجی را در زمان معین و به مدت مشخصی بدهد .

این پالس ها به یک شمارنده اعمال می شوند و تعداد آنها به صورت عددی دییجیتال در خروجی آن ظاهر می شود .

نمودار بلوکی مدار مبدل V-F .

10 – مبدل مدولاتور دلتا : اگر چه این مبدل شباهت زیادی به مبدل ردگیر دارد ، اساساً با مبدل های متفاوت است .

یکی از مهمترین وجوه تمایز آن ، عدم استقلال مجموعه ی بیت های هر نمونه نسبت به مجموعه های قبلی و بعدی است .

مادامیکه در ورودی (+) مقایسه کننده ولتاژی بزرگتر از ورودی (-) آن وجود دارد ، خروجی آن Vc + و وقتی عکس این اتفاق می افتدVc _ وجود دارد .

ولتاژ خروجی تقویت کننده ی عملیاتی انتگرال گیری می شود و به ورودی منفی اعمال می شود .

در این مدار سرعت تغییرات خروجی انتگرال گیر به مقدارRC در آن مربوط است .

(گاهی نیز به جای انتگرال گیر از یک شمارنده بالا یا پائین رونده استفاده می کنند .

) .

نمودار بلوکی مبدل A/D با روش مدولاتور دلتا .

11 – مبدل ADM : در طرح مبدل ADM بطورکلی از دو روش استفاده می شود : الف ) متوسط دامنه ی ورودی را به دست می آوریم و دامنه پالس های اعمال شده به انتگرال گیر را تغییر می دهیم .

ب ) انتگرال پالس های خروجی را می گیریم و دامنه ی پالس های اعمال شده به انتگرال گیر را تغییر می دهیم .

به این نکته نیز باید توجه داشت ؛ در صورتیکه دامنه و ضریب تقویت حفظ شود ، می توان از گیرنده هرکدام برای دیگری استفاده کرد .

نکته دیگر اینستکه چون بیت های هر لحظه به بیت های قبل و بعد ارتباط دارد ، اگر روش تبدیل مدولاتور دلتا وADM را بخواهیم در سیستم TDM بکاربریم ، انفصال نمونه ها سیستم را مختل می کند و با روش فوق امکان این کار وجود ندارد .

ولی ، یک راه حل وجود دارد که آن FDM است .

یعنی ، ابتدا سیگنال های آنالوگ کانالهای مختلف را به صورت باند پایه در نظر می گیریم و آنها را در مخلوطی از موج های حامل مختلف ضرب می کنیم ، هر کانال بر روی یک موج اطلاعات سوار می شوند .

به این موج ها زیر حامل ها گویند .

سپس ، سیگنال حاصل را به روش مدولاتور دلتا تبدیل و ارسال می نمائیم .

پس از دریافت و تبدیل به سیگنال آنالوگ ، به وسیله ی فیلترکردن و آشکارسازی هر کدام از سیگنال های آنالوگ را به دست می آوریم .

دو نمودار مبدل ADM .

با تشکر از استاد کاری دولت آبادی گرد آورنده : روناک اسفندیاری موضوع : مبدلهای آنالوگ به دیجیتال منبع مورد استفاده : کتاب تکنیک پالس و مدارهای دیجیتال