مبدل آنالوگ به دیجیتال مبتنی بر مجتمع ‌سازی شیب دوگانه

مبدل آنالوگ به دیجیتال مبتنی بر مجتمع ‌سازی شیب دوگانه – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه برق – الکترونیک

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

مبدل آنالوگ به دیجیتال مبتنی بر مجتمع ‌سازی شیب دوگانه

مبدل آنالوگ به دیجیتال مبتنی بر مجتمع‌سازی شیب دوگانه

چکیده:

شرح مسئله: با ظهور فن‌آوری پیشرفته و نیاز به تجهیزات پیشرفته‌تر، پیشرفت و توسعه کنونی دستگاههای الکترونیکی تمایل و تلاش بیشتری را در جهت خلق ایده‌های ابتکاری‌تر و طرحهای بهتر ایجاد می‌نماید. بسیاری از مقادیر فیزیکی دنیای واقعی مانند اصوات، دما، فشار و رطوبت را می‌توان به صورت سیگنالهای آنالوگ یا پیوسته اندازه‌گیری کرد. اما به هر حال، برای پردازش این سیگنالها به وسیله کامپیوتر یا تجهیزات دیجیتالی، ابتدا باید این سیگنالهای آنالوگ را به سیگنالهای دیجیتال یا گسسته تبدیل نمود. شیوه: چند نوع مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADCها) وجود دارد که آنها را می‌توان بر اساس مفهوم طراحی طبقه‌بندی نمود. برای مثال، می‌توان از مبدل A/D توأم با بار، مبدل A/D دیجیتالی- پلکانی، مبدل A/D تقریب متوالی، مبدل A/D ولتاژ به فرکانس، مبدل A/D دلتا- سیگما، مبدل A/D فلاشی نام برد. برخی از این مبدلها به استفاده از مبدلهای دیجیتال به آنالوگ (DACها) و/یا تطبیق‌دهنده‌های آنالوگ و برخی مدولهای منطقی نیاز دارند و در سایر موارد، بسیاری از تطبیق‌دهنده‌های آنالوگ مستلزم انجام تبدیل می‌باشند. ما در صدد هستیم از شیوه متفاوتی استفاده نماییم که میزان پیچیدگی طرح را کاهش داده و کیفیت اندازه‌گیری را با استفاده از مفهوم مجتمع‌سازی شیب دوگانه بهبود می‌بخشد. نتیجه: طرح جدید مستلزم استفاده از یک مدول DAC و چند تطبیق‌دهنده آنالوگ برای انجام تبدیل نیست. نتیجه‌گیری: مزایای طرح جدید عبارتند از سادگی طرح، افزایش قابلیت اطمینان آن و تضمین حالت خطی فرآیند تبدیل که موجب تولید دستگاههایی با کیفیت بهتر می‌شود.

کلمات کلیدی: مبدلهای آنالوگ به دیجیتال، سیگنالهای آنالوگ، سیگنالهای دیجیتال، تدریج

مبدل آنالوگ به دیجیتال مبتنی بر مجتمع ‌سازی شیب دوگانه

مقدمه

مبدل (A/D) آنالوگ به دیجیتال یک مدار الکترونیکی است که سیگنالهای پیوسته را به سیگنالهای دیجیتال گسسته تبدیل می‌نماید. یک سیگنال آنالوگ بر حسب زمان پیوسته است و برای اندازه‌گیری و پردازش آن باید با استفاده از تجهیزات دیجیتالی آن را به یک سیگنال دیجیتال تبدیل کرد. اکثر تجهیزات پردازشگر امروزه از نظر ماهیت دیجیتالی هستند و با سیگنالهایی کار می‌کنند که به صورت مقادیر دودویی نشان داده می‌شوند. در یک نمودار دیجیتال یا دودویی، یک سیگنال با یک واژه نشان داده می‌شود که از تعداد معدودی بیت تشکیل می‌‌گردد. پردازش سیگنالها ترجیحاً در دامنه دیجیتال انجام می‌شود زیرا پردازش دیجیتالی سریع، دقیق و قابل اطمینان است. مبدلهای A/D به طور گسترده در بسیاری از دستگاههای الکترونیک برای تبدیل سیگنالهای آنالوگ به سیگنالهای دیجیتال متناظر به کار می‌روند. مبدلهای آنالوگ به دیجیتال امکان استفاده از سیستمهای پیچیده پردازش سیگنال دیجیتال را برای پردازش سیگنالهای آنالوگ رایج در دنیای واقعی فراهم می‌سازند. بسیاری از سیستمهای الکترونیک نوین مستلزم تبدیل سیگنالها از آنالوگ به دیجیتال یا از دیجیتال به آنالوگ می‌باشند. مدارها هم اکنون در تعداد بی‌شماری از دستگاههای پرمصرف مانند دوربینهای دیجیتالی، تلفنهای سلولی، تجهیزات شبکه داده‌ای بی‌سیم، دستگاههای شنیداری مانند پخش کننده MP3 و تجهیزات تصویری مانند پخش کننده‌های Digital Video Disk (DVD)، High definition Digital Television (HDTV) و سایر کالاهای متعدد مورد نیاز می‌باشند. ADCها یک پیوند اساسی در گذرگاه پردازش سیگنال در رابط بین دامنه‌های آنالوگ و دیجیتال تشکیل می‌دهند. پیشرفتهای موجود در فن‌آوری ADC موجب افزایش سرعت، پایین آوردن هزینه، کاهش الزامات توان مبدلهای A/D و افزایش کاربردهای ADCها شده‌اند.

سیگنالهای دیجیتال اغلب تقریبی از داده‌های آنالوگ (مانند صدا یا تصویر) هستند که از طریق فرآیندی به نام تدریج بدست می‌آیند. نمودار  دیجیتالی هرگز سیگنال دقیق نیست، بلکه دقیق‌ترین شکل دیجیتالی تقریبی آن می‌باشد. بنابراین میزان دقت آن به درجه تقریب فرضی در فرآیند تدریج بستگی دارد. اولین مزیت ارتباط دیجیتالی بر ارتباط آنالوگ ایمنی آن در برابر پارازیت است. در هر مسیر مخابره همواره برخی ولتاژها یا صداها و نویزهای ناخواسته وجود دارند که آنها را به طور کامل نمی‌توان حذف کرد. هنگامی که یک سیگنال مخابره می‌شود، این نویز به سیگنال اصلی افزوده شده و موجب اعوجاج سیگنال می‌شود. با این وجود، در یک ارتباط دیجیتالی این صدای افزوده را در طرف گیرنده تا حدود زیادی می‌توان حذف نمود که موجب بازیافت بهتر سیگنال واقعی می‌شود. در ارتباط آنالوگ، حذف صدا افزوده شده به سیگنال کار دشواری است. ارتباط دیجیتالی نسبت به ارتباط آنالوگ امنیت بهتری را برای پیامها ارائه می‌دهد که این امر از طریق تکنیکهای کدگذاری متعدد موجود در ارتباط دیجیتالی قابل انجام است. علاوه بر این، ارتباط دیجیتالی را در فواصل زیاد می‌توان از طریق اینترنت و سایر تکنیکها برقرار نمود. سیگنال دیجیتال امکاناتی مانند ویدئو کنفرانس را ارائه می‌دهد که موجب صرفه‌جویی زیاد در زمان، پول و کار می‌شود.

هنگام وجود افت داده‌ای چشمگیر یا تجهیزاتی که هنگام پخش سیگنال اندکی معیوب هستند،  سیگنالهای آنالوگ دچار مشکل خواهند شد. جنبه‌های مهم داده‌های آنالوگ عبارتند از این که سیگنالهای آنالوگ از فن‌آوری ساده‌تری استفاده می‌نمایند، سیگنالها پیوسته بوده اما در معرض پارازیت و تداخل می‌باشند، بنابراین چیزی که مخابره می‌شود، به طور دقیق و بدون تغییر دریافت نمی‌شود. هنگامی که سیگنال آنالوگ ضعیفتر شده یا تجهیزات کامل نیستند، امکان دریافت برخی تصاویر، اصوات یا مقادیر غیرمنتظره وجود دارد. دلیل این امر می‌تواند دریافت سیگنال توسط سایر افراد با همین فن‌آوری باشد. به همین دلیل، سیگنالها از آنالوگ به دیجیتال تبدیل می‌شوند. با این حال، در شکل دیجیتال، پالسهای الکترونیکی به شکل سیگنالهای زیاد/کم،  v5/0، مخابره می‌شوند. هنگامی که این پالسها دریافت می‌شوند، آنها را می‌توان به داده‌های موجود اضافه کرده یا حذف نمود، بنابراین می‌توان یک تصویر واضحتر را ایجاد کرده و/یا یک صدای با کیفیت بهتر را تولید نمود. علاوه بر این، مقادیر مورد نیاز به درستی دریافت خواهند شد. این حالت همچنین ایمن است زیرا برای جلوگیری از استراق سمع افراد ناخواسته داده‌ها را می‌توان کدگذاری کرد.

مبدلهای آنالوگ به دیجیتال (ADCها): انواع مختلف معماری برای مبدلهای A/D وجود دارد که از نظر سرعت، دقت و رابط متفاوت هستند. از رایج‌ترین مبدلهای موجود در بازار می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:

• ADC دیجیتالی- پلکانی

• ADC تقریب متوالی

• ADC فلاشی

ایده اساسی تبدیل، استفاده از یک تطبیق‌دهنده برای تنظیم یک بیت خاص از یک خروجی عدد دودویی بر روی ۱ می‌باشد. اکثر ADCهای رایج برای انجام تبدیل از یک DAC و یک تطبیق‌دهنده آنالوگ استفاده می‌کنند. شکل ۱ یک نمودار بلوکی ساده از یک ADC را نشان می‌دهد.

بلوک منطقی می‌تواند یکی از چند طرح مختلف باشد. تبدیل یک سیگنال آنالوگ به سیگنال دیجیتال با مقایسه سیگنال آنالوگ ورودی با یک مقدار از پیش‌ تعیین شده (یک حدس) و بیشتر نبودن این مقدار از مقدار ورودی نامعلوم انجام می‌شود و سپس این فرآیند تا بدست آمدن مقدار حدسی مطلوب تکرار خواهد شد. ADCهای مختلف از استراتژی حدس یا الگوریتمهای مختلف تبدیل استفاده می‌نمایند.

شکل ۱: یک نمودار بلوکی اولیه از یک مبدل آنالوگ به دیجیتال

شکل ۲: یک نمودار بلوکی اولیه برای یک ADC دیجیتالی-پلکانی

ADC دیجیتالی-پلکانی: شکل ۲ یک نمودار بلوکی ساده از این نوع ADCها را نشان می‌دهد. سیگنال ورودی آنالوگ به پایانه ورودی یک تطبیق‌دهنده که یک شمارشگر دودویی را راه ‌اندازی می‌کند، متصل می‌شود. این شمارشگر به یک DAC متصل شده و خروجی DAC به دیگر پایانه ورودی تطبیق‌دهنده متصل می‌شود. با افزایش شمارشگر، خروجی DAC به تدریج افزایش خواهد یافت. این فرآیند تا زمانی که خروجی DAC بیشتر از سیگنال ورودی آنالوگ نامعلوم شود، ادامه خواهد یافت و سپس خروجی تطبیق‌دهنده تغییر یافته و موجب توقف شمارشگر خواهد شد و مقدار شمارشگر در آن لحظه مقدار ولتاژ آنالوگ ورودی را نشان خواهد داد.

ADC تقریب متوالی: این نوع در اکثر IC ADCها به کار می‌رود و سریعتر از ADC دیجیتالی- پلکانی است زیرا از یک منطق دیجیتالی استفاده می‌نماید که در نزدیکترین مقدار به ولتاژ آنالوگ ورودی همگرا می‌شود. شکل ۳ نمودار بلوکی یک ADC تقریب متوالی را نشان می‌‌دهد. مبدل تقریب متوالی قبل از همگرایی با مقدار دیجیتال نهایی یک جست‌وجوی دودویی را در کلیه سطوح احتمالی تدریج انجام می‌دهد. سادگی این طرح در حالیکه محدوده نسبتاً کوچکی را پشتیبانی می‌نماید، موجب سرعت و وضوح بالا می‌شود.

شکل ۳: یک نمودار بلوکی اولیه برای یک ADC تقریب متوالی

جستجوی دودویی با مهمترین یا با ارزش‌ترین بیت[۱] (MSB) آغاز شده و در جهت کم ارزش‌ترین بیت[۲] (LSB) کار می‌کند. منطق کنترل MSB را تا یک مقدار ۱ مقداردهی می‌نماید. سپس محتوای ثبات تقریب متوالی[۳] (SAR) به یک DAC، که یک مقدار ولتاژ آنالوگ هم‌ارز مورد نیاز برای مقایسه با ولتاژ ورودی نامعلوم را بسمت خروجی هدایت می‌کند، تغذیه می‌شود. اگر این مقدار بیشتر از ولتاژ ورودی باشد، آنگاه تطبیق‌دهنده منطق کنترل SAR را وادار می‌سازد تا MSB را به صفر بازگردانده و بیت بعدی را بر روی ۱ تنظیم کند. اگر خروجی DAC هنوز کمتر از ولتاژ ورودی باشد،‌ آنگاه این بیت در مقدار ۱ نگه داشته می‌شود و بیت پایینی بعدی بر روی ۱ تنظیم خواهد شد. جست‌وجوی دودویی ادامه خواهد یافت تا کلیه بیت SAR تست شود. آنگاه محتوای SAR مقدار تقریب دیجیتالی سیگنال آنالوگ ورودی نمونه‌گیری شده خواهد بود.

ADC فلاشی: ADCهای فلاشی که ADCهای موازی نیز نامیده می‌شوند، از رایج‌ترین ADCها به شمار آمده و از نظر سرعت در میان کارآمدترین ADCها قرار دارند. آنها از یک پلکان ولتاژ خطی با سطوح مختلف مقایسه بین مقادیر ولتاژ ورودی و مقادیر متوالی ولتاژ مرجع استفاده می‌نمایند.

مدار آن از یک سری تطبیق‌‌دهنده استفاده می‌کند که هر تطبیق‌دهنده سیگنال ورودی را با یک ولتاژ مرجع منحصر بفرد مقایسه می‌نماید. هر چند که مبدل آنالوگ به دیجیتال نوع فلاشی دارای چند مزیت می‌باشد، اما به دلیل موازی‌سازی کلان و کمبود مدار نمونه‌گیری مطلوب دارای چند اشکال نیز می‌باشد. این مبدلهای آنالوگ به دیجیتال به توان زیاد و محدوده فوق‌العاده بزرگ برای ریزنمایی‌های بیش از ۸ بیت نیاز دارند. علاوه بر این، تعداد زیاد تطبیق‌‌دهنده‌ها موجب مسائلی مانند انحراف dc و ac ولتاژهای مرجع ناشی از ظرفیت ورودی غیرخطی زیاد و پارازیت در ورودی آنالوگ می‌شود.

شکل ۴ یک ADC فلاشی ۳ بیتی، با یک ولتاژ ورودی و ولتاژ مرجع، را نشان می‌دهد. اگر در هر تطبیق‌دهنده، ولتاژ مرجع کمتر از ولتاژ ورودی باشد، آنگاه خروجی آن تطبیق‌دهنده بر روی ۱ تنظیم خواهد شد.

در غیر این صورت، این خروجی بر روی صفر خواهد ماند. یک کدگذار اولویت ۸ به ۳ برای تبدیل کد ۸ بیتی به مقدار دودویی ۳ بیتی که مقدار ولتاژ ورودی را نشان می‌دهد، به کار می‌رود. مشکل این نوع ADCها این است که آنها به تعداد زیادی تطبیق‌دهنده نیاز دارند.

شکل ۴: یک نمودار بلوکی اولیه برای یک ADC فلاشی

شکل ۵: یک نمودار بلوکی برای طرح پیشنهادی

ADC مبتنی بر مجتمع‌سازی شیب دوگانه: همانگونه که در نمودار بلوکی شکل ۵ نشان داده می‌شود، سیستم اندازه‌گیری الکترونیکی پیشنهادی ما مبتنی بر روش مجتمع‌سازی شیب دوگانه می‌باشد.

مبدل آنالوگ به دیجیتال مبتنی بر مجتمع ‌سازی شیب دوگانه

مواد و روشها

در طرح ما، مبدل، دو سیگنال را دریافت می‌کند: سیگنال ورودی آنالوگ و یک سیگنال مرجع. این سیگنالها با یک مدول راه‌‌گزین یا سوئیچینگ قابل دسترسی هستند. سپس از سیگنال آنالوگ (پیوسته بر حسب زمان) نمونه‌گیری شده و نمونه به وسیله یک مدول مجتمع‌ساز مجتمع می‌شود و بعد از یک پنجره زمانی ثابت، سیگنال مرجع با یک قطبیت منفی مجتمع خواهد شد. قاعده کلی این عملیات این است که مدول تطبیق‌دهنده، زمان توقف فرآیند مجتمع‌‌سازی را مانند شکل ۶ تعیین خواهد کرد.

…

سپس در پایان T₁، سوئیچ S₁ خاموش و S₂ روشن خواهد بود و مجتمع‌ساز یک ولتاژ مرجع ثابت منفی، V_ref، را برای مدت زمانT₂  مجتمع خواهد کرد که در پایان آن، خروجی مجتمع‌ساز به صفر بازگشته و به همین ترتیب خروجی تطبیق‌دهنده نیز به صفر برمی‌گردد. سپس سیستم برای مدت زمان T₃ استراحت خواهد کرد که طی آن، نتیجه نمایش داده می‌شود، سوئیچ S₃ روشن خواهد بود تا خازن تخلیه الکتریکی شده و سیستم به وضعیت اولیه بازگردد و فرآیند مجدداً آغاز شود، شکل ۹٫

مبدل آنالوگ به دیجیتال مبتنی بر مجتمع ‌سازی شیب دوگانه

نتیجه‌گیری

در این مقاله، انواع مختلف مبدلهای آنالوگ به دیجیتال معرفی می‌شوند که به مبدلهای دیجیتال به آنالوگ یا تعداد زیادی تطبیق‌دهنده نیاز دارند. ما به بحث در باره طرح جدیدی از یک مبدل آنالوگ به دیجیتال مبتنی بر مفهوم مجتمع‌سازی شیب دوگانه پرداخته‌ایم. طرح ADC ما فقط به یک مجتمع‌ساز، یک تطبیق‌دهنده، یک زمان‌سنج و یک مدار منطق کنترل نیاز دارد. این طرح مانند سایر ADCها به یک مبدل دیجیتال به آنالوگ و تعداد زیادی تطبیق‌دهنده نیاز ندارد، امری که موجب سادگی آن می‌شود.

[۱] . Most Significant Bit

[۲] . Least Significant Bit

[۳] . Successive Approximation Register

مبدل آنالوگ به دیجیتال مبتنی بر مجتمع ‌سازی شیب دوگانه