Mạch chuyển đổi tương tự ra số ADC

Bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số, hoặc ADC, là một bộ chuyển đổi dữ liệu cho phép các mạch kỹ thuật số giao tiếp với thế giới thực bằng cách mã hóa tín hiệu tương tự thành mã nhị phân

Mạch chuyển đổi tương tự sang số hay ADC (viết tắt tiếng Anh: Analog-to-Digital Converter) là hệ thống mạch thực hiện chuyển đổi một tín hiệu analog (tín hiệu tương tự) liên tục, ví dụ như tín hiệu âm thanh thanh micro, hay tín hiệu ánh sáng trong máy ảnh kỹ thuật số, thành tín hiệu số

Bộ chuyển đổi Analogue-to-Digital , (ADC) cho phép các mạch điều khiển vi xử lý, Arduinos, Raspberry Pi và các mạch logic kỹ thuật số khác giao tiếp với thế giới thực. Trong thế giới thực, tín hiệu tương tự có các giá trị thay đổi liên tục đến từ nhiều nguồn và cảm biến khác nhau có thể đo âm thanh, ánh sáng, nhiệt độ hoặc chuyển động và nhiều hệ thống kỹ thuật số tương tác với môi trường của chúng bằng cách đo tín hiệu tương tự từ các bộ chuyển đổi như vậy.

Trong khi các tín hiệu tương tự có thể liên tục và cung cấp vô số giá trị điện áp khác nhau, mặt khác, các mạch kỹ thuật số hoạt động với tín hiệu nhị phân chỉ có hai trạng thái rời rạc, logic “1” (CAO) hoặc logic “0” (THẤP). Vì vậy, cần phải có một mạch điện tử có thể chuyển đổi giữa hai lĩnh vực khác nhau của tín hiệu tương tự thay đổi liên tục và tín hiệu kỹ thuật số rời rạc, và đây là lúc Bộ chuyển đổi Analogue-to-Digital (A / D) ra đời.

Về cơ bản, một bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số chụp nhanh một điện áp tương tự tại một thời điểm và tạo ra mã đầu ra kỹ thuật số đại diện cho điện áp tương tự này. Số lượng chữ số nhị phân hoặc bit được sử dụng để biểu diễn giá trị điện áp tương tự này phụ thuộc vào độ phân giải của bộ chuyển đổi A / D.

Ví dụ, một ADC 4 bit sẽ có độ phân giải một phần là 15, (2 ⁴ – 1) trong khi ADC 8 bit sẽ có độ phân giải một phần là 255, (2 ⁸ – 1). Do đó, một bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số lấy một tín hiệu tương tự liên tục chưa biết và chuyển nó thành một số nhị phân “n” – bit gồm 2 ⁿ bit.

Có một số kiến trúc ADC đang được sử dụng. Do sự phức tạp của kiến trúc và yêu cầu về độ chính xác, phần lớn các hệ thống ADC đều được sản xuất bên trong mạch tích hợp (IC). Tại ngõ vào chính của ADC trong chip có thể có phần tử Multiplexer, cho ra ADC đa ngõ vào hay ADC đa kênh. Trước đây giá thành ADC cao, nên đã bố trí 8 đến 64 ngõ vào. Hiện nay xuất hiện các chip chỉ bố trí 1, 2 hoặc 4 ngõ vào.

Mạch DAC (viết tắt tiếng Anh: Digital-to-Analog Converter) hay Mạch chuyển đổi số ra tương tự có tính năng ngược với mạch ADC khi thực hiện chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự.

Nhưng trước tiên chúng ta hãy tự nhắc nhở mình về sự khác biệt giữa tín hiệu tương tự (hoặc tương tự) và tín hiệu kỹ thuật số như được minh họa:

Tín hiệu tương tự và tín hiệu kỹ thuật số

Ở đây chúng ta có thể thấy rằng khi đầu nối gạt nước của chiết áp được xoay giữa 0 volt và V _MAX , nó tạo ra tín hiệu đầu ra liên tục (hoặc điện áp) có vô số giá trị đầu ra so với vị trí gạt nước. Khi gạt nước chiết áp được điều chỉnh từ vị trí này sang vị trí tiếp theo, không có sự thay đổi đột ngột hoặc từng bước giữa hai mức điện áp do đó tạo ra điện áp đầu ra thay đổi liên tục. Ví dụ về tín hiệu tương tự bao gồm nhiệt độ, áp suất, mức chất lỏng và cường độ ánh sáng.

Đối với mạch kỹ thuật số, cần gạt chiết áp đã được thay thế bằng một công tắc xoay duy nhất được nối lần lượt vào từng điểm nối của chuỗi điện trở nối tiếp, tạo thành một mạng phân chia điện thế cơ bản. Khi công tắc được xoay từ vị trí (hoặc nút) này sang vị trí tiếp theo, điện áp đầu ra V _OUT thay đổi nhanh chóng theo các bước điện áp riêng biệt và rời rạc đại diện cho bội số của 1,0 volt trên mỗi hành động hoặc bước chuyển mạch như hình minh họa.

Vì vậy, ví dụ, điện áp đầu ra sẽ là 2 volt, 3 volt, 5 volt, vv nhưng KHÔNG phải 2,5V, 3,1V hoặc 4,6V. Có thể dễ dàng tạo ra các mức điện áp đầu ra tốt hơn bằng cách sử dụng công tắc đa vị trí và tăng số lượng phần tử điện trở trong mạng phân chia tiềm năng, do đó tăng số bước chuyển mạch rời rạc.

Sau đó, chúng ta có thể thấy rằng sự khác biệt chính giữa tín hiệu tương tự và tín hiệu kỹ thuật số là đại lượng “Tương tự” liên tục thay đổi theo thời gian trong khi đại lượng “Kỹ thuật số” có các giá trị rời rạc (từng bước). “THẤP” thành “CAO” hoặc “CAO” thành “THẤP”.

Vậy làm thế nào chúng ta có thể chuyển đổi một tín hiệu thay đổi liên tục với vô số giá trị thành một tín hiệu có các giá trị hoặc bước riêng biệt để sử dụng bởi mạch kỹ thuật số.

Nguyên lí làm việc

Khi bắt đầu chu kỳ chuyển đổi, SAR được đặt lại bằng cách làm cho tín hiệu (S) lên mức cao. MSB của SAR (Q7) sẽ được thiết lập từ mức thấp lên mức cao. Đầu ra sẽ được chuyển cho bộ chuyển đổi D / A và so sánh với đầu vào tương tự Vin

Nếu đầu ra của bộ so sánh là mức thấp , đầu ra D/A sẽ lớn hơn Vin và MSB sẽ bị xóa bởi SAR.

Nếu đầu ra của bộ so sánh là mức cao, đầu ra D/A sẽ nhỏ hơn Vin và MSB sẽ được đặt ở vị trí tiếp theo (Q7 đến Q6) bởi SAR.

Theo ngõ ra của bộ so sánh, SAR sẽ giữ hoặc đặt lại bit Q6. Quá trình này diễn ra cho đến khi tất cả các bit đều được thử. Sau khi Q0 được thử, SAR làm cho tín hiệu hoàn thành chuyển đổi (CC) mức cao để thông báo rằng ngõ ra song song chứa dữ liệu hợp lệ. Tín hiệu CC lần lượt cho phép chốt và dữ liệu số xuất hiện ở đầu ra của chốt. Khi SAR xác định từng bit, dữ liệu số cũng có sẵn theo từng chu kì. Như thể hiện trong hình trên, tín hiệu CC được mắc với đầu vào chuyển đổi để chuyển đổi chu kỳ liên tục.

Ưu điểm lớn nhất của mạch như vậy là tốc độ cao. Nó có thể phức tạp hơn bộ chuyển đổi A/D, nhưng cung cấp độ phân giải tốt hơn.

Bộ chuyển đổi Analogue-to-Digital

Quá trình lấy tín hiệu điện áp tương tự và chuyển đổi thành tín hiệu kỹ thuật số tương đương có thể được thực hiện theo nhiều cách khác nhau, và mặc dù có nhiều chip chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số như dòng ADC08xx từ các nhà sản xuất khác nhau, có thể xây dựng một ADC đơn giản bằng cách sử dụng các thành phần rời rạc. Một cách đơn giản và dễ dàng là sử dụng mã hóa song song, còn được gọi là bộ chuyển đổi flash , đồng thời hoặc nhiều bộ so sánh, trong đó bộ so sánh được sử dụng để phát hiện các mức điện áp khác nhau và xuất trạng thái chuyển đổi của chúng đến bộ mã hóa.

Bộ chuyển đổi A / D “Flash” song song sử dụng một loạt các bộ so sánh được kết nối với nhau nhưng cách đều nhau và các tham chiếu điện áp được tạo bởi một mạng nối tiếp các điện trở chính xác để tạo mã đầu ra tương đương cho độ phân giải n-bit cụ thể. Ưu điểm của bộ chuyển đổi song song hoặc bộ chuyển đổi chớp nhoáng là chúng dễ cấu tạo và không yêu cầu bất kỳ đồng hồ định thời nào vì ngay khi áp dụng điện áp tương tự cho các đầu vào của bộ so sánh, nó được so sánh với điện áp chuẩn. Hãy xem xét mạch so sánh bên dưới.

Mạch so sánh

Một bộ so sánh tương tự như LM339N có hai đầu vào tương tự, một dương và một âm, và có thể được sử dụng để so sánh độ lớn của hai mức điện áp khác nhau. Một đầu vào điện áp, tín hiệu (V _IN ) được áp dụng cho một đầu vào của bộ so sánh, trong khi điện áp tham chiếu, (V _REF ) cho đầu kia. So sánh hai mức điện áp ở đầu vào của bộ so sánh được thực hiện để xác định trạng thái đầu ra logic kỹ thuật số của bộ so sánh, là “1” hoặc “0”.

Điện áp tham chiếu, V _REF được so sánh với điện áp đầu vào, V _IN được áp dụng cho đầu vào khác. Đối với bộ so sánh LM339, nếu điện áp đầu vào nhỏ hơn điện áp tham chiếu, (V _IN  <V _REF ) đầu ra là “TẮT” và nếu nó lớn hơn điện áp tham chiếu, (V _IN  > V _REF ) thì đầu ra sẽ được “BẬT”. Do đó, một bộ so sánh sẽ so sánh hai mức điện áp và xác định mức nào trong hai mức cao hơn.

Trong ví dụ đơn giản của chúng tôi ở trên, V _REF nhận được từ thiết lập mạng phân áp R ₁ và R ₂ . Nếu hai điện trở suất có giá trị bằng nhau, nghĩa là R ₁ = R ₂ , thì rõ ràng mức điện áp tham chiếu sẽ bằng một nửa điện áp nguồn, hoặc V / 2. Vì vậy, đối với bộ so sánh có đầu ra bộ thu mở, nếu V _IN nhỏ hơn V / 2, đầu ra là CAO, và nếu V _IN lớn hơn V / 2, đầu ra là THẤP hoạt động như một bộ ADC 1 bit.

Nhưng bằng cách thêm nhiều điện trở vào mạng phân áp, chúng ta có thể “phân chia” hiệu quả điện áp cung cấp theo một lượng được xác định bởi điện trở của các điện trở. Tuy nhiên, chúng ta càng sử dụng nhiều điện trở trong mạng phân áp thì càng cần nhiều bộ so sánh.

Nói chung, 2 bộ so sánh ⁿ – 1 sẽ được yêu cầu để chuyển đổi đầu ra nhị phân “n”-bit, trong đó “n” thường nằm trong phạm vi từ 8 đến 16. Trong ví dụ của chúng tôi ở trên, ADC bit đơn được sử dụng 2 ¹ – 1, bằng bộ so sánh “1” để xác định xem V _IN lớn hơn hay nhỏ hơn điện áp chuẩn V / 2.

Nếu bây giờ chúng ta tạo ADC 2 bit, thì chúng ta sẽ cần 2 bộ so sánh ² – 1 là “3” vì chúng ta cần bốn mức điện áp khác nhau tương ứng với 4 giá trị kỹ thuật số cần thiết cho mạch mã hóa 4 đến 2 bit như hình minh họa .

Mạch chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số 2 bit

Điều này sẽ cung cấp cho chúng tôi mã đầu ra 2 bit cho tất cả bốn giá trị có thể có của đầu vào tương tự của:

Đầu ra bộ chuyển đổi A / D 2 bit

Trong đó: “X” là “không quan tâm”, đó là điều kiện logic “0” hoặc logic “1”.

Vậy cơ chế hoạt động của bộ chuyển đổi analogue-to-digital này như thế nào . Để bộ chuyển đổi A / D trở nên hữu ích, nó phải tạo ra một biểu diễn kỹ thuật số có ý nghĩa của tín hiệu đầu vào tương tự. Ở đây trong ví dụ ADC 2 bit đơn giản này, chúng ta đã giả định đơn giản rằng điện áp đầu vào V _IN nằm trong khoảng từ 0 đến 4 volt, vì vậy đã đặt V _REF và mạng phân áp điện trở để giảm 1 volt trên mỗi điện trở.

Khi V _IN từ 0 đến 1 volt, (<1V) đầu vào trên cả ba bộ so sánh sẽ nhỏ hơn điện áp tham chiếu, vì vậy đầu ra của chúng sẽ THẤP và bộ mã hóa sẽ xuất ra điều kiện nhị phân 0 (00) trên các chân Q ₀ và Q ₁ . Khi V _IN tăng và vượt quá 1 vôn nhưng nhỏ hơn 2 vôn, bộ so sánh (1V <V _IN <2V) U1 có đầu vào điện áp tham chiếu được đặt ở 1 vôn, sẽ phát hiện sự chênh lệch điện áp này và tạo ra đầu ra CAO. Bộ mã hóa ưu tiên được sử dụng làm mã hóa 4 đến 2 bit phát hiện sự thay đổi của đầu vào tại D ₁ và tạo ra đầu ra nhị phân là “1” (01).

Lưu ý rằng bộ mã hóa ưu tiên như TTL 74LS148 phân bổ mức ưu tiên cho từng đầu vào riêng lẻ. Đầu ra của bộ mã hóa ưu tiên tương ứng với đầu vào hiện đang hoạt động có mức ưu tiên cao nhất. Vì vậy, khi xuất hiện một đầu vào có mức ưu tiên cao hơn (D ₁ so với D ₀ ), tất cả các đầu vào khác có mức ưu tiên thấp hơn sẽ bị bỏ qua. Vì vậy, nếu có hai hoặc nhiều đầu vào ở mức logic “1” cùng một lúc, mã đầu ra thực tế trên D ₀ và D ₁ sẽ chỉ tương ứng với đầu vào có mức ưu tiên được chỉ định cao nhất.

Vì vậy, bây giờ khi V _IN tăng trên 2 volt, mức điện áp tham chiếu tiếp theo, bộ so sánh U2 phát hiện sự thay đổi và tạo ra đầu ra CAO. Nhưng bởi vì đầu vào D ₂ có mức ưu tiên cao hơn đầu vào D ₀ hoặc D ₁ , bộ mã hóa ưu tiên xuất ra mã nhị phân “2” (10) và cứ tiếp tục như vậy khi V _IN vượt quá 3 vôn sẽ tạo ra đầu ra mã nhị phân là “3” ( 11). Rõ ràng là khi V _IN giảm hoặc thay đổi giữa mỗi mức điện áp tham chiếu, mỗi bộ so sánh sẽ xuất điều kiện CAO hoặc THẤP cho bộ mã hóa mà inturn tạo ra mã nhị phân 2 bit giữa 00 và 11 so với V _IN .

Điều này là tốt và tốt, nhưng các bộ mã hóa ưu tiên không có sẵn dưới dạng thiết bị 4 đến 2 bit và nếu chúng tôi sử dụng bộ mã hóa có sẵn trên thị trường như TTL 74LS148 hoặc tương đương CMOS 4532 của nó, cả hai đều là thiết bị 8 bit, thì sáu của các bit nhị phân sẽ không được sử dụng. Nhưng một mạch mã hóa đơn giản có thể được tạo ra bằng cách sử dụng các cổng Ex-OR kỹ thuật số và một ma trận điốt tín hiệu như hình minh họa.

ADC 2 bit sử dụng điốt

Tại đây, các đầu ra của bộ so sánh được mã hóa bằng cổng Exclusive-OR trước khi được đưa đến các điốt. Hai điện trở kéo xuống bên ngoài được sử dụng ở các đầu ra và mặt đất (0V) của chúng để đảm bảo điều kiện THẤP và ngăn các đầu ra nổi khi các điốt được phân cực ngược. Vì vậy, như với mạch trước, tùy thuộc vào giá trị của V _IN xác định bộ so sánh nào tạo ra tín hiệu đầu ra CAO (hoặc THẤP) đến các cổng HOẶC độc quyền tạo ra đầu ra CAO nếu một đầu vào hoặc đầu vào kia là CAO, nhưng không phải cả hai, (Biểu thức Boolean là Q = A .B + A. B ). Các cổng Ex-OR này cũng có thể được xây dựng bằng cách sử dụng các cổng AND – OR – NAND tổ hợp.

Vấn đề ở đây với cả hai thiết kế của bộ chuyển đổi 4 sang 2 là độ phân giải của bộ chuyển đổi A / D 2 bit đơn giản này là 1 vôn vì như chúng ta đã thấy, điện áp đầu vào tương tự tại V _IN phải thay đổi bằng một vôn đầy đủ. để bộ mã hóa thay đổi mã đầu ra của nó. Một cách để cải thiện độ phân giải của đầu ra là tăng nó lên bộ chuyển đổi A / D 3-bit sử dụng nhiều bộ so sánh hơn.

Bộ chuyển đổi Analogue-to-Digital 3-bit

Bộ ADC song song ở trên chuyển đổi điện áp đầu vào tương tự trong phạm vi từ 0 đến hơn 3 vôn để tạo ra mã nhị phân 2 bit. Vì hệ thống logic kỹ thuật số 3 bit có thể tạo ra 2 ³ = 8 đầu ra kỹ thuật số khác nhau, do đó, điện áp đầu vào tương tự có thể được so sánh với tám mức điện áp tham chiếu với mỗi mức điện áp bằng một phần tám (V / 8) điện áp tham chiếu. Vì vậy, bây giờ chúng tôi có thể đo độ phân giải 0,5 (4/8) vôn và sẽ yêu cầu 2 bộ so sánh ³ – 1 cho đầu ra mã nhị phân 3 bit trong khoảng từ 000 (0) đến 111 (7) như được hiển thị.

Mạch chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số 3 bit

Điều này sẽ cung cấp cho chúng tôi mã đầu ra 3 bit cho tất cả tám giá trị có thể có của đầu vào tương tự của:

Đầu ra bộ chuyển đổi A / D 3 bit

Trong đó “X” lại là “không quan tâm”, đó là điều kiện đầu vào logic “0” hoặc logic “1”.

Sau đó, chúng ta có thể thấy rằng bằng cách tăng độ phân giải của ADC, không chỉ tăng số lượng bit nhị phân đầu ra mà còn tăng số lượng bộ so sánh và mức điện áp cần thiết. Vì vậy, độ phân giải 4 bit yêu cầu 15 (2 ⁴ – 1) bộ so sánh, độ phân giải 8 bit yêu cầu 255 (2 ⁸ – 1) bộ so sánh, trong khi bộ chuyển đổi tương tự sang số 10 bit sẽ yêu cầu 1023 bộ so sánh, v.v. đối với loại mạch Chuyển đổi tương tự sang số này , số lượng bit đầu ra yêu cầu càng cao thì mạch càng trở nên phức tạp.

Tuy nhiên, ưu điểm của loại bộ chuyển đổi A / D song song hoặc flash này là tốc độ chuyển đổi thời gian thực của nó tương đối nhanh và có thể dễ dàng được xây dựng như một phần của dự án nếu chỉ cần một vài bit nhị phân để tạo ra kết quả màn hình kỹ thuật số để hiển thị giá trị điện áp của tín hiệu đầu vào tương tự.

Cũng như lấy tín hiệu đầu vào tương tự từ cảm biến hoặc bộ chuyển đổi và chuyển đổi tín hiệu này bằng bộ chuyển đổi tương tự sang số thành mã nhị phân kỹ thuật số như một phần của mạch giao tiếp đầu vào, chúng ta cũng có thể lấy mã nhị phân và chuyển đổi thành mã tương đương số lượng tương tự sử dụng Bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự cho giao diện đầu ra để điều khiển động cơ hoặc thiết bị truyền động, hoặc thông thường trong các ứng dụng âm thanh.

Trong hướng dẫn tiếp theo về mạch kỹ thuật số, chúng ta sẽ xem xét bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự , hoặc đơn giản là DAC, hoàn toàn trái ngược với bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số được xem ở đây. DAC sử dụng op-amps và mạng phân chia điện trở để chuyển đổi số nhị phân “n”-bit thành điện áp đầu ra tương tự hoặc tín hiệu dòng điện.