Bộ chuyển đổi tương tự sang số - mục đích, phân loại và nguyên tắc hoạt động

Một thiết bị điện tử được gọi là bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) được sử dụng để chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số (theo trình tự loại mã nhị phân có thể đọc được). Trong quá trình chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số, các bước sau được thực hiện: lấy mẫu, lượng tử hóa và mã hóa.

Lấy mẫu được hiểu là lấy mẫu từ tín hiệu tương tự liên tục theo thời gian của các giá trị riêng lẻ (rời rạc) giảm tại các thời điểm liên quan đến các khoảng và thời lượng nhất định của các tín hiệu đồng hồ nối tiếp nhau.

Lượng tử hóa liên quan đến việc làm tròn giá trị của tín hiệu tương tự được chọn trong quá trình lấy mẫu đến mức lượng tử hóa gần nhất và các mức lượng tử hóa có số thứ tự riêng và các mức này khác nhau bởi một giá trị delta cố định, không gì khác hơn là bước lượng tử hóa.

Nói một cách chính xác, lấy mẫu là quá trình biểu diễn một hàm liên tục dưới dạng một chuỗi các giá trị rời rạc và lượng tử hóa là sự phân chia tín hiệu (giá trị) thành các mức. Đối với mã hóa, ở đây mã hóa được hiểu là sự so sánh các phần tử thu được do lượng tử hóa với tổ hợp mã xác định trước.

Có nhiều phương pháp chuyển đổi điện áp thành mã. Ngoài ra, mỗi phương pháp có các đặc điểm riêng: độ chính xác, tốc độ, độ phức tạp. Theo loại phương pháp chuyển đổi, ADC được phân thành ba

• song song

• nhất quán,

• nối tiếp-song song.

Đối với mỗi phương pháp, quá trình biến đổi tín hiệu theo thời gian diễn ra theo cách riêng của nó, do đó có tên như vậy. Sự khác biệt nằm ở cách thực hiện lượng tử hóa và mã hóa: một quy trình nối tiếp, song song hoặc song song nối tiếp để ước tính kết quả kỹ thuật số với tín hiệu được chuyển đổi.

Sơ đồ của bộ chuyển đổi tương tự sang số song song được thể hiện trong hình. ADC song song là bộ chuyển đổi tương tự sang số nhanh nhất.

Số lượng thiết bị so sánh điện tử (tổng số bộ so sánh DA) tương ứng với khả năng của ADC: ba bộ so sánh là đủ cho hai bit, bảy cho ba, 15 cho bốn, v.v. Bộ chia điện áp điện trở được thiết kế để đặt một dải điện áp tham chiếu không đổi.

Điện áp đầu vào (giá trị của điện áp đầu vào này được đo ở đây) được áp dụng đồng thời cho đầu vào của tất cả các bộ so sánh và được so sánh với tất cả các điện áp tham chiếu của những điện áp mà bộ chia điện trở này cho phép thu được.

Những bộ so sánh có đầu vào không đảo ngược được cung cấp điện áp lớn hơn tham chiếu (được áp dụng bởi bộ chia cho đầu vào đảo ngược) sẽ đưa ra mức logic ở đầu ra, phần còn lại (trong đó điện áp đầu vào nhỏ hơn tham chiếu hoặc bằng số không) sẽ cho số không.

Sau đó, một bộ mã hóa được kết nối, nhiệm vụ của nó là chuyển đổi tổ hợp các số 1 và 0 thành một mã nhị phân tiêu chuẩn, được hiểu đầy đủ.

Mạch ADC để chuyển đổi nối tiếp chậm hơn so với mạch chuyển đổi song song, nhưng chúng có thiết kế cơ bản đơn giản hơn.Nó sử dụng bộ so sánh, logic AND, đồng hồ, bộ đếm và bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự.

Hình này cho thấy một sơ đồ của một ADC như vậy. Ví dụ, trong khi điện áp đo được đặt vào đầu vào của mạch so sánh cao hơn tín hiệu dốc của đầu vào thứ hai (tham chiếu), bộ đếm sẽ đếm các xung của bộ tạo đồng hồ. Hóa ra điện áp đo được tỷ lệ thuận với số xung đếm được.

Ngoài ra còn có các ADC song song nối tiếp, trong đó quá trình chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số được phân tách trong không gian, do đó, tốc độ đánh đổi tối đa đạt được với độ phức tạp tối thiểu.