ตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอล





ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิทัล ( ADC , A/DหรือA-to-D ) เป็นระบบที่แปลงสัญญาณอนาล็อกเช่น เสียงที่รับได้จากไมโครโฟนหรือแสงที่เข้าสู่กล้องดิจิทัลให้เป็นสัญญาณดิจิทัล ADC อาจให้การวัดแบบแยกส่วน เช่นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่แปลงแรงดันไฟฟ้าหรือกระแสไฟฟ้า อินพุตอนาล็อก เป็นตัวเลขดิจิทัลที่แสดงขนาดของแรงดันไฟฟ้าหรือกระแสไฟฟ้า โดยทั่วไปเอาต์พุตดิจิทัลจะเป็น เลขฐาน สองที่เป็นสัดส่วนกับอินพุต แต่ยังมีความเป็นไปได้อื่นๆ อีกด้วย
สถาปัตยกรรม ADC มีอยู่หลายแบบเนื่องจากความซับซ้อนและความจำเป็นในการจับคู่ส่วนประกอบ อย่างแม่นยำ ADC จึงถูกนำไปใช้งานในรูป แบบวงจรรวม (IC) เกือบทั้งหมด ยกเว้นเฉพาะทางที่สุด โดยทั่วไปแล้ว ADC จะอยู่ในรูปแบบของชิปวงจรรวมสัญญาณผสมโลหะออกไซด์เซมิคอนดักเตอร์ (MOS) ที่ผสานวงจรอนาล็อกและดิจิทัล เข้าด้วยกัน
ตัวแปลงดิจิทัลเป็นแอนะล็อก (DAC) ทำหน้าที่ย้อนกลับ โดยแปลงสัญญาณดิจิทัลเป็นสัญญาณแอนะล็อก
คำอธิบาย
ADC จะแปลงสัญญาณแอนะล็อกแบบต่อเนื่องและแอม พลิจูดต่อเนื่อง เป็นสัญญาณดิจิทัลแบบแยกส่วนและแอมพลิจูดไม่ ต่อเนื่อง การแปลงนี้เกี่ยวข้องกับการหาค่าเชิงปริมาณ ของอินพุต ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมี ข้อผิดพลาดในการหาค่าเชิงปริมาณเล็กน้อยนอกจากนี้ แทนที่จะดำเนินการแปลงอย่างต่อเนื่อง ADC จะทำการแปลงเป็นระยะๆ โดยสุ่มตัวอย่างอินพุต และจำกัดแบนด์วิดท์ที่อนุญาตของสัญญาณอินพุต
ประสิทธิภาพของ ADC ถูกกำหนดโดยแบนด์วิดท์และอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (SNR) เป็นหลัก แบนด์วิดท์ของ ADC ถูกกำหนดโดยอัตราการสุ่มตัวอย่าง เป็น หลัก SNR ของ ADC ได้รับอิทธิพลจากหลายปัจจัย รวมทั้งความละเอียดความเป็นเส้นตรง และความถูกต้อง (ระดับการวัดเชิงปริมาณตรงกับสัญญาณแอนะล็อกจริงได้ดีเพียงใด) การเกิดนามแฝงและจิตเตอร์ SNR ของ ADC มักจะสรุปเป็นจำนวนบิตที่มีประสิทธิภาพ (ENOB) จำนวนบิตของการวัดแต่ละครั้งที่ส่งกลับมาซึ่งโดยเฉลี่ยไม่ใช่สัญญาณรบกวน ADC ในอุดมคติจะมี ENOB เท่ากับความละเอียด ADC จะถูกเลือกให้ตรงกับแบนด์วิดท์และ SNR ที่ต้องการของสัญญาณที่จะแปลงเป็นดิจิทัล หาก ADC ทำงานที่อัตราการสุ่มตัวอย่างมากกว่าสองเท่าของแบนด์วิดท์ของสัญญาณ ตามทฤษฎีบทการสุ่มตัวอย่างของ Nyquist–Shannonการสร้างใหม่ที่เกือบสมบูรณ์แบบก็เป็นไปได้ การมีข้อผิดพลาดในการวัดเชิงปริมาณจำกัด SNR ของ ADC ในอุดมคติด้วยซ้ำ อย่างไรก็ตาม หาก SNR ของ ADC เกินกว่าสัญญาณอินพุต ก็อาจละเลยผลของข้อผิดพลาดในการวัดปริมาณ ส่งผลให้การแสดงสัญญาณอินพุตแอนะล็อก ที่มีแบนด์วิด ท์จำกัด ในรูปแบบดิจิทัลสมบูรณ์แบบอย่างแท้จริง
ปณิธาน

ความละเอียดของตัวแปลงจะระบุจำนวนค่าที่แตกต่างกันหรือที่เรียกว่าค่าแยกส่วนที่สามารถผลิตได้ในช่วงค่าอินพุตแอนะล็อกที่อนุญาต ดังนั้น ความละเอียดเฉพาะจะกำหนดขนาดของข้อผิดพลาดในการวัดปริมาณ และจึงกำหนดอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน สูงสุดที่เป็นไปได้ สำหรับ ADC ในอุดมคติโดยไม่ต้องใช้การสุ่มตัวอย่าง มากเกินไป ตัวอย่างอินพุตมักจะถูกจัดเก็บใน รูปแบบ ไบนารี ในระบบอิเล็กทรอนิกส์ ภายใน ADC ดังนั้นความละเอียดจึงมักแสดงเป็นความลึกบิตของเสียงดังนั้น จำนวนค่าแยกส่วนที่มีอยู่จึงมักจะเป็นเลขยกกำลังสอง ตัวอย่างเช่น ADC ที่มีความละเอียด 8 บิตสามารถเข้ารหัสอินพุตแอนะล็อกเป็น 1 ใน 256 ระดับที่แตกต่างกัน (2 8 = 256) ค่าสามารถแสดงช่วงตั้งแต่ 0 ถึง 255 (กล่าวคือ เป็นจำนวนเต็มไม่มีเครื่องหมาย) หรือตั้งแต่ −128 ถึง 127 (กล่าวคือ เป็นจำนวนเต็มมีเครื่องหมาย) ขึ้นอยู่กับการใช้งาน
ความละเอียดสามารถกำหนดได้ทางไฟฟ้า และแสดงเป็นโวลต์การเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าที่จำเป็นเพื่อรับประกันการเปลี่ยนแปลงในระดับโค้ดเอาต์พุตเรียกว่า แรงดันไฟฟ้า บิตที่มีนัยสำคัญน้อยที่สุด (LSB) ความละเอียดQของ ADC เท่ากับแรงดันไฟฟ้า LSB ความละเอียดของแรงดันไฟฟ้าของ ADC เท่ากับช่วงการวัดแรงดันไฟฟ้าโดยรวมหารด้วยจำนวนช่วง:
โดยที่Mคือความละเอียดของ ADC ในหน่วยบิต และE FSRคือช่วงแรงดันไฟฟ้าแบบเต็มสเกล (เรียกอีกอย่างว่า 'สแปน') E FSRกำหนดโดย
โดยที่V RefHiและV RefLowคือค่าสุดขั้วบนและล่างตามลำดับ ของแรงดันไฟฟ้าที่สามารถเข้ารหัสได้
โดยปกติจำนวนช่วงแรงดันไฟฟ้าจะกำหนดโดย
โดยที่Mคือความละเอียดของ ADC เป็นบิต[1]
นั่นคือ ช่วงแรงดันไฟฟ้าหนึ่งจะถูกกำหนดไว้ระหว่างระดับรหัสสองระดับที่ต่อเนื่องกัน
ตัวอย่าง:
- รูปแบบการเข้ารหัสตามรูปที่ 1
- ช่วงการวัด แบบเต็มสเกล = 0 ถึง 1 โวลต์
- ความละเอียด ADC คือ 3 บิต: 2 3 = 8 ระดับการวัดเชิงปริมาณ (รหัส)
- ความละเอียดของแรงดันไฟ ADC, Q = 1 V / ( 2 3 - 1 ) = 0.143 V (ช่วงเวลา)
ในหลายกรณี ความละเอียดที่เป็นประโยชน์ของตัวแปลงจะถูกจำกัดโดยอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (SNR) และข้อผิดพลาดอื่นๆ ในระบบโดยรวมที่แสดงเป็น ENOB

ข้อผิดพลาดในการวัดปริมาณ

ข้อผิดพลาดในการวัดปริมาณเกิดขึ้นจากการตรวจวัดปริมาณที่มีอยู่ใน ADC ในอุดมคติ ซึ่งเป็นข้อผิดพลาดในการปัดเศษระหว่างแรงดันไฟฟ้าอินพุตแอนะล็อกไปยัง ADC และค่าดิจิไทซ์เอาต์พุต ข้อผิดพลาดไม่เป็นเชิงเส้นและขึ้นอยู่กับสัญญาณ ใน ADC ในอุดมคติ ซึ่งข้อผิดพลาดในการวัดปริมาณกระจายอย่างสม่ำเสมอระหว่าง − 1 ⁄ 2 LSB และ + 1 ⁄ 2 LSB และสัญญาณมีการกระจายสม่ำเสมอครอบคลุมทุกระดับการวัดปริมาณอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนการวัดปริมาณ (SQNR) จะกำหนดโดย
- [2]
โดยที่ Q คือจำนวนบิตการวัดเชิงปริมาณ ตัวอย่างเช่น สำหรับ ADC 16 บิตข้อผิดพลาดการวัดเชิงปริมาณจะต่ำกว่าระดับสูงสุด 96.3 dB
ข้อผิดพลาดของการวัดปริมาณจะกระจายจาก DC ไปยังความถี่ Nyquistดังนั้น หากไม่ได้ใช้แบนด์วิดท์ของ ADC บางส่วน เช่น กรณีที่มีการสุ่มตัวอย่างเกินข้อผิดพลาดของการวัดปริมาณบางส่วนจะเกิดขึ้นนอกแบน ด์วิดท์ ซึ่งจะ ช่วยปรับปรุง SQNR สำหรับแบนด์วิดท์ที่ใช้งานได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในระบบที่มีการสุ่มตัวอย่างเกิน การกำหนดรูปร่างสัญญาณรบกวนสามารถใช้เพื่อเพิ่ม SQNR เพิ่มเติมได้ด้วยการบังคับให้ข้อผิดพลาดการวัดปริมาณเพิ่มขึ้นนอกแบนด์วิดท์
ดิเธอร์
ใน ADC ประสิทธิภาพการทำงานสามารถปรับปรุงได้โดยใช้การสั่นแบบดิเธอร์ซึ่งเป็นสัญญาณรบกวนแบบสุ่มที่มีปริมาณน้อยมาก (เช่นสัญญาณรบกวนสีขาว ) ซึ่งจะถูกเพิ่มเข้าไปในอินพุตก่อนการแปลง ผลของการใช้การสั่นแบบดิเธอร์คือการสุ่มสถานะของ LSB ตามสัญญาณ แทนที่สัญญาณจะถูกตัดออกโดยสิ้นเชิงที่ระดับต่ำ การสั่นแบบดิเธอร์จะขยายช่วงสัญญาณที่มีประสิทธิภาพที่ ADC สามารถแปลงได้ โดยแลกมากับการที่สัญญาณรบกวนจะเพิ่มขึ้นเล็กน้อย การสั่นแบบดิเธอร์สามารถเพิ่มความละเอียดของตัวสุ่มตัวอย่างได้เท่านั้น ไม่สามารถปรับปรุงความเป็นเส้นตรงได้ ดังนั้นความแม่นยำจึงไม่จำเป็นต้องปรับปรุงเสมอไป
การบิดเบือนเชิงปริมาณในสัญญาณเสียงที่มีระดับต่ำมากเมื่อเทียบกับความลึกของบิตของ ADC นั้นมีความสัมพันธ์กับสัญญาณและเสียงจะบิดเบือนและไม่น่าฟัง ด้วยการสั่นสัญญาณ การบิดเบือนจะถูกแปลงเป็นสัญญาณรบกวน สัญญาณที่ไม่ถูกบิดเบือนสามารถกู้คืนได้อย่างแม่นยำโดยการหาค่าเฉลี่ยในช่วงเวลาหนึ่ง การสั่นสัญญาณยังใช้ในระบบบูรณาการ เช่นมิเตอร์ไฟฟ้าเนื่องจากค่าต่างๆ ถูกเพิ่มเข้าด้วยกัน การสั่นสัญญาณจึงให้ผลลัพธ์ที่แม่นยำกว่า LSB ของตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิทัล
มักใช้การสุ่มภาพเมื่อทำการวัดปริมาณภาพด้วยจำนวนบิตต่อพิกเซลที่น้อยลง ภาพจะดูมีสัญญาณรบกวนมากขึ้นแต่เมื่อมองด้วยตาจะดูสมจริงกว่าภาพที่ผ่านการสุ่มภาพซึ่งมิฉะนั้นจะกลายเป็นภาพแบบแบนด์ กระบวนการที่คล้ายคลึงกันนี้อาจช่วยให้เห็นภาพผลของการสุ่มภาพต่อสัญญาณเสียงแอนะล็อกที่แปลงเป็นดิจิทัลได้
ความแม่นยำ
ADC มีแหล่งที่มาของข้อผิดพลาดหลายแหล่ง ข้อผิดพลาด เชิงปริมาณ และความไม่ เชิงเส้น (โดยถือว่า ADC มีวัตถุประสงค์ให้เป็นเชิงเส้น) เป็นสิ่งที่มีอยู่ในการแปลงสัญญาณอนาล็อกเป็นดิจิทัล ข้อผิดพลาดเหล่านี้วัดในหน่วยที่เรียกว่าบิตที่มีนัยสำคัญน้อยที่สุด (LSB) ในตัวอย่างข้างต้นของ ADC 8 บิต ข้อผิดพลาดของ LSB หนึ่งหน่วยคือ1 ⁄ 256ของช่วงสัญญาณทั้งหมด หรือประมาณ 0.4%
ความไม่เชิงเส้น
ADC ทั้งหมดประสบปัญหาข้อผิดพลาดเกี่ยวกับความไม่เชิงเส้นที่เกิดจากความไม่สมบูรณ์แบบทางกายภาพ ทำให้เอาต์พุตเบี่ยงเบนไปจากฟังก์ชันเชิงเส้น (หรือฟังก์ชันอื่นๆ ในกรณีของ ADC ที่ไม่เชิงเส้นโดยตั้งใจ) ของอินพุต[ น่าสงสัย – อภิปราย ]บางครั้งข้อผิดพลาดเหล่านี้อาจบรรเทาลงได้ด้วยการสอบเทียบหรือป้องกันได้ด้วยการทดสอบ พารามิเตอร์ที่สำคัญสำหรับความเป็นเชิงเส้น ได้แก่ความไม่เชิงเส้นแบบอินทิกรัลและความไม่เชิงเส้นแบบอนุพันธ์ความไม่เชิงเส้นเหล่านี้ทำให้เกิดการบิดเบือนซึ่งอาจลด ประสิทธิภาพของ อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนของ ADC และลดความละเอียดที่มีประสิทธิภาพลง
ความกระวนกระวายใจ
เมื่อแปลงคลื่นไซน์เป็นดิจิทัลการใช้นาฬิกาสุ่มตัวอย่างที่ไม่เหมาะสมจะส่งผลให้เกิดความไม่แน่นอนบางประการเมื่อบันทึกตัวอย่าง โดยให้ค่าความไม่แน่นอนของเวลาสุ่มตัวอย่างจริงเนื่องจากความสั่น ของนาฬิกา คือข้อผิดพลาดที่เกิดจากปรากฏการณ์นี้สามารถประมาณได้เป็น 1 ซึ่งจะส่งผลให้เกิดสัญญาณรบกวนที่บันทึกไว้เพิ่มเติมซึ่งจะลดจำนวนบิตที่มีประสิทธิผล (ENOB) ให้ต่ำกว่าที่คาดการณ์ได้จากข้อผิดพลาดของการวัดปริมาณเพียงอย่างเดียว ข้อผิดพลาดเป็นศูนย์สำหรับ DC ซึ่งมีค่าเล็กน้อยที่ความถี่ต่ำ แต่มีความสำคัญกับสัญญาณที่มีแอมพลิจูดสูงและความถี่สูง ผลกระทบของความสั่นต่อประสิทธิภาพสามารถเปรียบเทียบกับข้อผิดพลาดของการวัดปริมาณได้: 1 โดยที่ q คือจำนวนบิตของ ADC [ จำเป็นต้องอ้างอิง ]
ขนาดเอาท์พุต (บิต) |
ความถี่สัญญาณ | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
1 เฮิรตซ์ | 1กิโลเฮิรตซ์ | 10กิโลเฮิรตซ์ | 1 เมกะเฮิรตซ์ | 10 เมกะเฮิรตซ์ | 100 เมกะเฮิรตซ์ | 1 กิกะเฮิรตซ์ | |
8 | 1,243 ไมโครวินาที | 1.24 ไมโครวินาที | 124 นาโนวินาที | 1.24 นาโนวินาที | 124 พ. | 12.4 พ.ศ. | 1.24 พ.ศ. |
10 | 311 ไมโครวินาที | 311 วินาที | 31.1 นาโนวินาที | 311 พ. | 31.1 พ.ศ. | 3.11 พ.ศ. | 0.31 พ.ศ. |
12 | 77.7 ไมโครวินาที | 77.7 นาโนวินาที | 7.77 วินาที | 77.7 พ.ศ. | 7.77 พ.ศ. | 0.78 พ.ศ. | 0.08 ps (77.7 fs) |
14 | 19.4 ไมโครวินาที | 19.4 นาโนวินาที | 1.94 นาโนวินาที | 19.4 แรงม้า | 1.94 พ.ย. | 0.19 พ.ศ. | 0.02 ps (19.4 ฟุตต่อวินาที) |
16 | 4.86 ไมโครวินาที | 4.86 นาโนวินาที | 486 พ. | 4.86 พ.ย. | 0.49 พ.ศ. | 0.05 ps (48.5 fs) | - |
18 | 1.21 ไมโครวินาที | 1.21 นาโนวินาที | 121 พ. | 1.21 พ.ศ. | 0.12 พ.ศ. | - | - |
20 | 304 นาโนวินาที | 304 พ. | 30.4 พ.ศ. | 0.30 ps (303.56 fs) | 0.03 ps (30.3 fs) | - | - |
24 | 18.9 นาโนวินาที | 18.9 แรงม้า | 1.89 พ.ย. | 0.019 ps (18.9 fs) | - | - | - |
ความสั่นของสัญญาณนาฬิกาเกิดจากสัญญาณรบกวนเฟส[3] [4]ความละเอียดของ ADC ที่มี แบนด์วิดท์ การแปลงเป็นดิจิทัลระหว่าง 1 MHz และ 1 GHz ถูกจำกัดด้วยความสั่น[5]สำหรับการแปลงแบนด์วิดท์ที่ต่ำกว่า เช่น เมื่อทำการสุ่มสัญญาณเสียงที่ 44.1 kHz ความสั่นของสัญญาณนาฬิกาจะมีผลกระทบต่อประสิทธิภาพการทำงานน้อยกว่า[6]
อัตราการสุ่มตัวอย่าง
สัญญาณแอนะล็อกมีความต่อเนื่องตามเวลาและจำเป็นต้องแปลงสัญญาณดังกล่าวเป็นกระแสของค่าดิจิทัล ดังนั้น จึงจำเป็นต้องกำหนดอัตราที่สุ่มตัวอย่างค่าดิจิทัลใหม่จากสัญญาณแอนะล็อก อัตราของค่าใหม่เรียกว่าอัตราการสุ่มตัวอย่างหรือความถี่ในการสุ่มตัวอย่าง ของตัวแปลง สามารถ สุ่มตัวอย่างสัญญาณที่มีแบนด์วิดท์จำกัดที่เปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องจากนั้นจึงสร้างสัญญาณเดิมขึ้นมาใหม่จากค่าเวลาแยกส่วนโดยใช้ตัวกรองการสร้าง ใหม่ ทฤษฎีบทการสุ่มตัวอย่างแบบไนควิสต์–แชนนอนบ่งชี้ว่าการสร้างสัญญาณเดิมขึ้นมาใหม่ได้อย่างแม่นยำนั้นเป็นไปได้ก็ต่อเมื่ออัตราการสุ่มตัวอย่างสูงกว่าความถี่สูงสุดของสัญญาณสองเท่า
เนื่องจาก ADC ในทางปฏิบัติไม่สามารถทำการแปลงได้ในทันที ค่าอินพุตจึงต้องคงที่ตลอดเวลาที่ตัวแปลงทำการแปลง (เรียกว่าเวลาในการแปลง ) วงจรอินพุตที่เรียกว่าแซมเปิลแอนด์โฮลด์ทำหน้าที่นี้ โดยส่วนใหญ่ใช้ ตัวเก็บ ประจุเพื่อเก็บแรงดันไฟฟ้าอนาล็อกที่อินพุต และใช้สวิตช์อิเล็กทรอนิกส์หรือเกตเพื่อตัดการเชื่อมต่อตัวเก็บประจุจากอินพุตวงจรรวม ADC หลายวงจร รวมจะมีซับระบบแซมเปิลแอนด์โฮลด์อยู่ภายใน
นามแฝง
ADC ทำงานโดยสุ่มตัวอย่างค่าของอินพุตในช่วงเวลาที่แยกจากกัน โดยให้มีการสุ่มตัวอย่างอินพุตเหนืออัตรา Nyquistซึ่งกำหนดให้เป็นสองเท่าของความถี่สูงสุดที่สนใจ จากนั้นความถี่ทั้งหมดในสัญญาณจึงสามารถสร้างใหม่ได้ หากสุ่มตัวอย่างความถี่ที่สูงกว่าครึ่งหนึ่งของอัตรา Nyquist ความถี่ดังกล่าวจะถูกตรวจพบอย่างไม่ถูกต้องว่าเป็นความถี่ที่ต่ำกว่า ซึ่งกระบวนการนี้เรียกว่าการสร้างนามแฝง การสร้างนามแฝงเกิดขึ้นเนื่องจากการสุ่มตัวอย่างฟังก์ชันในทันทีสองครั้งหรือน้อยกว่าต่อรอบส่งผลให้รอบที่ขาดหายไป และด้วยเหตุนี้จึงปรากฏความถี่ที่ต่ำกว่าอย่างไม่ถูกต้อง ตัวอย่างเช่น คลื่นไซน์ 2 kHz ที่ถูกสุ่มตัวอย่างที่ 1.5 kHz จะถูกสร้างใหม่เป็นคลื่นไซน์ 500 Hz
เพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดสัญญาณรบกวน อินพุตของ ADC จะต้องผ่านตัวกรองความถี่ต่ำเพื่อลบความถี่ที่เกินครึ่งหนึ่งของอัตราการสุ่มตัวอย่าง ตัวกรองนี้เรียกว่าตัวกรองป้องกันการเกิดสัญญาณรบกวนและมีความจำเป็นสำหรับระบบ ADC ในทางปฏิบัติที่นำไปใช้กับสัญญาณแอนะล็อกที่มีเนื้อหาความถี่สูงกว่า ในแอปพลิเคชันที่การป้องกันการเกิดสัญญาณรบกวนเป็นสิ่งสำคัญ อาจใช้การสุ่มตัวอย่างเกินเพื่อลดสัญญาณรบกวนลงอย่างมากหรือแม้กระทั่งขจัดสัญญาณรบกวนดังกล่าวออกไป
แม้ว่าการสร้างนามแฝงในระบบส่วนใหญ่จะไม่เป็นที่พึงปรารถนา แต่ก็สามารถใช้ประโยชน์เพื่อสร้างการดาวน์มิกซ์สัญญาณความถี่สูงที่มีแบนด์วิดท์จำกัดพร้อมกันได้ (ดูการสุ่มตัวอย่างน้อยเกินไปและมิกเซอร์ความถี่ ) นามแฝงมีผลเป็นเฮเทอโรไดน์ ที่ต่ำกว่า ของความถี่สัญญาณและความถี่ในการสุ่มตัวอย่าง[7]
การโอเวอร์แซมปลิง
เพื่อความประหยัด สัญญาณมักจะถูกสุ่มตัวอย่างในอัตราขั้นต่ำที่จำเป็น ซึ่งส่งผลให้ข้อผิดพลาดในการวัดปริมาณที่เกิดขึ้นเป็นสัญญาณรบกวนสีขาวที่แพร่กระจายไปทั่วทั้งแบนด์พาสของตัวแปลง หากสัญญาณถูกสุ่มตัวอย่างในอัตราที่สูงกว่าอัตรา Nyquist มาก แล้วกรองแบบดิจิทัลเพื่อจำกัดให้อยู่ในแบนด์วิดท์สัญญาณ ก็จะได้ประโยชน์ดังต่อไปนี้:
- การโอเวอร์แซมปลิงช่วยให้การใช้ฟิลเตอร์ลดรอยหยักแบบอนาล็อกเป็นเรื่องง่ายขึ้น
- ปรับปรุงความลึกบิตเสียง
- ลดเสียงรบกวน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อ มีการใช้ การปรับแต่งเสียงรบกวนนอกเหนือจากการสุ่มตัวอย่างแบบโอเวอร์แซมปลิ้ง
โดยทั่วไปแล้ว การโอเวอร์แซมปลิงจะใช้ใน ADC ความถี่เสียง ซึ่งอัตราการสุ่มตัวอย่างที่ต้องการ (โดยทั่วไปคือ 44.1 หรือ 48 kHz) ต่ำมากเมื่อเทียบกับความเร็วสัญญาณนาฬิกาของวงจรทรานซิสเตอร์ทั่วไป (>1 MHz) ในกรณีนี้ ประสิทธิภาพของ ADC สามารถเพิ่มขึ้นได้อย่างมากโดยแทบไม่ต้องเสียค่าใช้จ่ายใดๆ นอกจากนี้ เนื่องจากสัญญาณที่มีนามแฝงมักจะอยู่นอกแบนด์ จึงสามารถกำจัดนามแฝงได้โดยใช้ตัวกรองที่มีต้นทุนต่ำมาก
ความเร็วสัมพันธ์และความแม่นยำ
ความเร็วของ ADC จะแตกต่างกันไปตามประเภทADC ของ Wilkinsonถูกจำกัดด้วยอัตราสัญญาณนาฬิกาที่วงจรดิจิทัลปัจจุบันสามารถประมวลผลได้ สำหรับADC ที่มีการประมาณค่าต่อเนื่องเวลาในการแปลงจะปรับตามลอการิทึมของความละเอียด ซึ่งก็คือจำนวนบิตADC แบบแฟลชเป็นประเภทที่เร็วที่สุดอย่างแน่นอนจากทั้งสามประเภท โดยพื้นฐานแล้วการแปลงจะดำเนินการในขั้นตอนขนานเดียว
มีการแลกเปลี่ยนที่เป็นไปได้ระหว่างความเร็วและความแม่นยำ ADC แบบแฟลชมีการเลื่อนลอยและความไม่แน่นอนที่เกี่ยวข้องกับระดับตัวเปรียบเทียบซึ่งส่งผลให้มีความเป็นเส้นตรงที่ไม่ดี ในระดับที่น้อยกว่า ความเป็นเส้นตรงที่ไม่ดีอาจเป็นปัญหาสำหรับ ADC ที่มีการประมาณค่าต่อเนื่องกัน ในกรณีนี้ ความไม่เป็นเส้นตรงเกิดจากการสะสมข้อผิดพลาดจากกระบวนการลบ ADC ของ Wilkinson มีความเป็นเส้นตรงที่ดีที่สุดจากทั้งสามแบบ[8] [9]
หลักการสเกลเลื่อน
วิธีการสเกลเลื่อนหรือสุ่มสามารถนำมาใช้เพื่อปรับปรุงความเป็นเส้นตรงของ ADC ทุกประเภทได้อย่างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งประเภทการประมาณแบบแฟลชและการประมาณแบบต่อเนื่อง สำหรับ ADC ใดๆ การแมปจากแรงดันไฟฟ้าขาเข้าไปยังค่าเอาต์พุตดิจิทัลไม่ใช่ ฟังก์ชัน พื้นหรือเพดานอย่างที่ควรเป็น ภายใต้เงื่อนไขปกติ พัลส์ที่มีแอมพลิจูดเฉพาะจะถูกแปลงเป็นค่าดิจิทัลเดียวกันเสมอ ปัญหาอยู่ที่ช่วงค่าแอนะล็อกสำหรับค่าดิจิทัลไม่ได้มีความกว้างเท่ากันทั้งหมด และความเป็นเส้นตรงเชิงอนุพันธ์จะลดลงตามสัดส่วนของความแตกต่างจากความกว้างเฉลี่ย หลักการสเกลเลื่อนใช้เอฟเฟกต์การหาค่าเฉลี่ยเพื่อเอาชนะปรากฏการณ์นี้ แรงดันไฟฟ้าแอนะล็อกแบบสุ่มแต่ทราบแล้วจะถูกเพิ่มลงในแรงดันไฟฟ้าขาเข้าที่สุ่มตัวอย่าง จากนั้นจะแปลงเป็นรูปแบบดิจิทัล และลบปริมาณดิจิทัลที่เทียบเท่าออก ทำให้ค่ากลับเป็นค่าเดิม ข้อดีคือการแปลงเกิดขึ้นที่จุดสุ่ม การกระจายทางสถิติของระดับสุดท้ายจะถูกกำหนดโดยค่าเฉลี่ยถ่วงน้ำหนักในภูมิภาคของช่วงของ ADC ซึ่งจะทำให้ไม่ไวต่อความกว้างของระดับใดระดับหนึ่ง[10] [11]
ประเภท
นี่คือวิธีการทั่วไปหลายวิธีในการใช้งาน ADC แบบอิเล็กทรอนิกส์
ระยะเวลาในการชาร์จ RC
วงจรตัวต้านทาน-ตัวเก็บประจุ (RC)มีเส้นโค้งการชาร์จและการปล่อยประจุแรงดันไฟฟ้าที่ทราบ ซึ่งสามารถใช้เพื่อแก้ปัญหาค่าอนาล็อกที่ไม่ทราบค่าได้
วิลกินสัน
Wilkinson ADCได้รับการออกแบบโดยDenys Wilkinsonในปี 1950 Wilkinson ADC มีพื้นฐานมาจากการเปรียบเทียบแรงดันไฟฟ้าขาเข้ากับแรงดันไฟฟ้าที่เกิดจากตัวเก็บประจุชาร์จ ตัวเก็บประจุจะชาร์จจนกว่าตัวเปรียบเทียบจะตรวจพบว่าตรงกับแรงดันไฟฟ้าขาเข้า จากนั้นตัวเก็บประจุจะถูกคายประจุแบบเชิงเส้นโดยใช้แหล่งจ่ายกระแส คง ที่ เวลาที่จำเป็นในการคายประจุตัวเก็บประจุจะแปรผันตามแอมพลิจูดของแรงดันไฟฟ้าขาเข้า ในขณะที่ตัวเก็บประจุกำลังคายประจุ พัลส์จากนาฬิกาออสซิลเลเตอร์ความถี่สูงจะถูกนับโดยรีจิสเตอร์ จำนวนพัลส์นาฬิกาที่บันทึกในรีจิสเตอร์ก็จะแปรผันตามแรงดันไฟฟ้าขาเข้าเช่นกัน[12] [13]
การวัดค่าความต้านทานหรือความจุแบบอนาล็อก
หากค่าแอนะล็อกที่ต้องการวัดแสดงด้วยความต้านทานหรือความจุ จากนั้นการรวมองค์ประกอบนั้นเข้าในวงจร RC (โดยที่ความต้านทานหรือความจุอื่นๆ คงที่) และวัดเวลาในการชาร์จความจุจากแรงดันเริ่มต้นที่ทราบไปยังแรงดันสิ้นสุดที่ทราบอื่นผ่านความต้านทานจากแหล่งจ่ายแรงดันที่ทราบ ค่าความต้านทานหรือความจุที่ไม่ทราบค่าสามารถกำหนดได้โดยใช้สมการการชาร์จตัวเก็บประจุ:
และแก้ปัญหาความต้านทานหรือความจุที่ไม่ทราบค่าโดยใช้ข้อมูลจุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดเหล่านั้น ซึ่งคล้ายกันแต่แตกต่างกันกับ ADC ของ Wilkinson ซึ่งวัดแรงดันไฟฟ้าที่ไม่ทราบค่าด้วยค่าความต้านทานและความจุที่ทราบ โดยวัดความต้านทานหรือความจุที่ไม่ทราบค่าด้วยแรงดันไฟฟ้าที่ทราบแทน
ตัวอย่างเช่น ความกว้างของพัลส์บวก (และ/หรือลบ) จากไอซี 555 Timer ในโหมดโมโนสเตเบิลหรือแอสเทเบิลแสดงเวลาที่ใช้ในการชาร์จ (และ/หรือปล่อยประจุ) ตัวเก็บประจุจากแหล่งจ่าย1 ⁄ 3 Vไปยังแหล่งจ่าย2 ⁄ 3 Vการส่งพัลส์นี้เข้าไปในไมโครคอนโทรลเลอร์ที่มีนาฬิกาที่แม่นยำ ทำให้สามารถวัดระยะเวลาของพัลส์และแปลงได้โดยใช้สมการการชาร์จตัวเก็บประจุเพื่อสร้างค่าความต้านทานหรือความจุที่ไม่ทราบค่า
ค่าความต้านทานและความจุที่มากขึ้นจะใช้เวลานานกว่าค่าที่น้อยลงในการวัด และความแม่นยำจะถูกจำกัดด้วยความแม่นยำของนาฬิกาไมโครคอนโทรลเลอร์และระยะเวลาที่มีในการวัดค่า ซึ่งอาจเปลี่ยนแปลงได้ระหว่างการวัดหรือได้รับผลกระทบจากปรสิตภายนอก
การแปลงโดยตรง
ADC แบบแปลงตรงหรือแบบแฟลชจะมีแบงก์ของตัวเปรียบเทียบที่สุ่มตัวอย่างสัญญาณอินพุตแบบขนาน โดยแต่ละตัวจะทำงานในช่วงแรงดันไฟฟ้าที่กำหนด แบงก์ตัวเปรียบเทียบจะป้อนวงจรลอจิกของตัวเข้ารหัสดิจิทัล ที่สร้างเลขฐานสองบนเส้นเอาต์พุตสำหรับช่วงแรงดันไฟฟ้าแต่ละช่วง
ADC ประเภทนี้มี ขนาด ไดย์ ขนาดใหญ่ และการกระจายพลังงานสูง มักใช้สำหรับวิดีโอการสื่อสารแบบแบนด์วิดท์กว้างหรือสัญญาณความเร็วสูงอื่นๆ ในหน่วย เก็บข้อมูล แบบออปติคัลและแม่เหล็ก
วงจรประกอบด้วยเครือข่ายตัวแบ่งตัวต้านทาน ชุดตัวเปรียบเทียบ op-amp และตัวเข้ารหัสลำดับความสำคัญ ฮิสเทอรีซิสจำนวนเล็กน้อยถูกสร้างขึ้นในตัวเปรียบเทียบเพื่อแก้ปัญหาใดๆ ที่ขอบเขตแรงดันไฟฟ้า ที่โหนดแต่ละโหนดของตัวแบ่งตัวต้านทาน จะมีแรงดันไฟฟ้าสำหรับการเปรียบเทียบ จุดประสงค์ของวงจรคือเพื่อเปรียบเทียบแรงดันไฟฟ้าอินพุตแอนะล็อกกับแรงดันไฟฟ้าของโหนดแต่ละโหนด
วงจรนี้มีข้อดีคือมีความเร็วสูง เนื่องจากการแปลงข้อมูลเกิดขึ้นพร้อมกันแทนที่จะเกิดขึ้นตามลำดับ โดยทั่วไปเวลาในการแปลงข้อมูลคือ 100 นาโนวินาทีหรือน้อยกว่า เวลาในการแปลงข้อมูลจะถูกจำกัดด้วยความเร็วของตัวเปรียบเทียบและตัวเข้ารหัสลำดับความสำคัญเท่านั้น ADC ประเภทนี้มีข้อเสียคือจำนวนตัวเปรียบเทียบที่จำเป็นจะเพิ่มขึ้นเกือบสองเท่าสำหรับแต่ละบิตที่เพิ่มเข้ามา นอกจากนี้ ยิ่งค่า n มีขนาดใหญ่ ตัวเข้ารหัสลำดับความสำคัญก็จะยิ่งซับซ้อนมากขึ้น
การประมาณค่าต่อเนื่อง
ADC แบบประมาณค่าต่อเนื่องใช้ตัวเปรียบเทียบและการค้นหาแบบไบนารีเพื่อจำกัดช่วงที่มีแรงดันไฟฟ้าขาเข้าตามลำดับ ในแต่ละขั้นตอนต่อเนื่อง ตัวแปลงจะเปรียบเทียบแรงดันไฟฟ้าขาเข้ากับเอาต์พุตของตัวแปลงดิจิทัลเป็นแอนะล็อก (DAC) ภายใน ซึ่งในตอนแรกจะแสดงจุดกึ่งกลางของช่วงแรงดันไฟฟ้าขาเข้าที่อนุญาต ในแต่ละขั้นตอนในกระบวนการนี้ การประมาณค่าจะถูกเก็บไว้ในรีจิสเตอร์การประมาณค่าต่อเนื่อง (SAR) และเอาต์พุตของตัวแปลงดิจิทัลเป็นแอนะล็อกจะถูกอัปเดตเพื่อการเปรียบเทียบในช่วงที่แคบลง
เปรียบเทียบทางลาด
ADC แบบแรมป์-คอมแพร์จะสร้างสัญญาณฟันเลื่อยที่แรมป์ขึ้นหรือลงจากนั้นจึงกลับสู่ศูนย์อย่างรวดเร็ว[14] เมื่อแรมป์เริ่มทำงาน ตัวจับเวลาจะเริ่มนับ เมื่อแรงดันไฟฟ้าแบบแรมป์ตรงกับอินพุต ตัวเปรียบเทียบจะทำงาน และค่าของตัวจับเวลาจะถูกบันทึก ตัวแปลงแรมป์แบบตั้งเวลาสามารถนำไปใช้ได้อย่างประหยัด[a] อย่างไรก็ตาม เวลาแรมป์อาจไวต่ออุณหภูมิเนื่องจากวงจรที่สร้างแรมป์มักเป็นอินทิเกรเตอร์ แอนะล็อกแบบง่าย ตัวแปลงที่แม่นยำกว่าใช้ตัวนับที่มีสัญญาณนาฬิกาเพื่อขับเคลื่อน DAC ข้อได้เปรียบพิเศษของระบบแรมป์-คอมแพร์คือการแปลงสัญญาณที่สองต้องใช้ตัวเปรียบเทียบอีกตัวและรีจิสเตอร์อีกตัวเพื่อเก็บค่าตัวจับเวลา เพื่อลดความไวต่อการเปลี่ยนแปลงอินพุตระหว่างการแปลงตัวอย่างและโฮลด์สามารถชาร์จตัวเก็บประจุด้วยแรงดันไฟฟ้าอินพุตทันที และตัวแปลงสามารถกำหนดเวลาที่จำเป็นในการคายประจุด้วยกระแสคงที่
การบูรณาการ
ADC แบบอินทิเกรต (หรือ ADC แบบดูอัลสโลปหรือแบบหลายสโลป ) จะใช้แรงดันไฟฟ้าอินพุตที่ไม่ทราบค่ากับอินพุตของอินทิเกรตและอนุญาตให้แรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นเป็นระยะเวลาหนึ่ง (ระยะเวลาการทำงานเพิ่มขึ้น) จากนั้น แรงดันไฟฟ้าอ้างอิงที่ทราบซึ่งมีขั้วตรงข้ามจะถูกนำไปใช้กับอินทิเกรต และอนุญาตให้เพิ่มขึ้นจนกว่าเอาต์พุตของอินทิเกรตจะกลับสู่ศูนย์ (ระยะเวลาการทำงานลดลง) แรงดันไฟฟ้าอินพุตจะถูกคำนวณเป็นฟังก์ชันของแรงดันไฟฟ้าอ้างอิง ระยะเวลาการทำงานเพิ่มขึ้นคงที่ และระยะเวลาการทำงานลดลงที่วัดได้ การวัดระยะเวลาการทำงานลดลงมักจะทำในหน่วยของนาฬิกาของตัวแปลง ดังนั้น เวลาการทำงานที่เพิ่มขึ้นจะช่วยให้มีความละเอียดที่สูงขึ้น ในทำนองเดียวกัน ความเร็วของตัวแปลงสามารถปรับปรุงได้โดยการเสียสละความละเอียด ตัวแปลงประเภทนี้ (หรือรูปแบบอื่นๆ ของแนวคิด) ใช้ในโวลต์มิเตอร์แบบดิจิทัล ส่วนใหญ่ เนื่องจากเป็นเส้นตรงและมีความยืดหยุ่น
- การชาร์จสมดุล ADC
- หลักการของ ADC ที่ใช้ปรับสมดุลประจุคือการแปลงสัญญาณอินพุตเป็นความถี่โดยใช้ตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าเป็น ความถี่ก่อน จากนั้นวัดความถี่นี้ด้วยเคาน์เตอร์แล้วแปลงเป็นรหัสเอาต์พุตตามสัดส่วนของอินพุตแอนะล็อก ข้อได้เปรียบหลักของตัวแปลงเหล่านี้คือสามารถส่งความถี่ได้แม้ในสภาพแวดล้อมที่มีสัญญาณรบกวนหรือในรูปแบบแยก อย่างไรก็ตาม ข้อจำกัดของวงจรนี้คือเอาต์พุตของตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าเป็นความถี่ขึ้นอยู่กับผลิตภัณฑ์ RC ซึ่งค่าไม่สามารถรักษาไว้ได้อย่างแม่นยำตลอดอุณหภูมิและเวลา
- ADC แบบความลาดชันคู่
- ส่วนอะนาล็อกของวงจรประกอบด้วยบัฟเฟอร์อิมพีแดนซ์อินพุตสูง อินทิเกรเตอร์ความแม่นยำ และตัวเปรียบเทียบแรงดันไฟฟ้า ตัวแปลงจะอินทิเกรเตอร์สัญญาณอินพุตอะนาล็อกเป็นระยะเวลาคงที่ก่อน จากนั้นจึงอินทิเกรเตอร์แรงดันอ้างอิงภายในที่มีขั้วตรงข้ามจนกระทั่งเอาต์พุตของอินทิเกรเตอร์เป็นศูนย์ ข้อเสียเปรียบหลักของวงจรนี้คือระยะเวลาที่ยาวนาน เหมาะเป็นพิเศษสำหรับการวัดสัญญาณที่เปลี่ยนแปลงช้าๆ อย่างแม่นยำ เช่นเทอร์โมคัปเปิลและเครื่องชั่ง
การเข้ารหัสแบบเดลต้า
ADC ที่เข้ารหัสด้วยเดลต้าหรือแบบเคาน์เตอร์แรมป์ จะมี เคาน์เตอร์ขึ้นลงที่ส่งไปยัง DAC สัญญาณอินพุตและ DAC ทั้งคู่จะไปยังตัวเปรียบเทียบ ตัวเปรียบเทียบจะควบคุมเคาน์เตอร์ วงจรนี้ใช้ฟีดแบ็ก เชิงลบ จากตัวเปรียบเทียบเพื่อปรับเคาน์เตอร์จนกระทั่งเอาต์พุตของ DAC ตรงกับสัญญาณอินพุตและตัวเลขจะถูกอ่านจากเคาน์เตอร์ ตัวแปลงเดลต้ามีช่วงสัญญาณที่กว้างมากและมีความละเอียดสูง แต่เวลาในการแปลงจะขึ้นอยู่กับพฤติกรรมของสัญญาณอินพุต แม้ว่าจะมีการรับประกันกรณีเลวร้ายที่สุดเสมอ ตัวแปลงเดลต้ามักเป็นตัวเลือกที่ดีมากในการอ่านสัญญาณในโลกแห่งความเป็นจริง เนื่องจากสัญญาณส่วนใหญ่จากระบบทางกายภาพจะไม่เปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหัน ตัวแปลงบางตัวรวมวิธีการประมาณค่าเดลต้าและแบบต่อเนื่องเข้าด้วยกัน วิธีนี้ใช้ได้ผลดีโดยเฉพาะเมื่อทราบว่าส่วนประกอบความถี่สูงของสัญญาณอินพุตมีขนาดเล็ก
ท่อส่งน้ำ
ADC แบบท่อ (เรียกอีกอย่างว่าตัววัดปริมาณแบบแบ่งช่วงย่อย ) ใช้ขั้นตอนการแปลงสองขั้นตอนขึ้นไป ขั้นตอนแรกคือการแปลงแบบหยาบ ในขั้นตอนที่สอง ความแตกต่างของสัญญาณอินพุตจะถูกกำหนดโดยใช้ DAC จากนั้นความแตกต่างนี้จะถูกแปลงให้แม่นยำยิ่งขึ้น และผลลัพธ์จะถูกนำมารวมกันในขั้นตอนสุดท้าย ซึ่งอาจถือได้ว่าเป็นการปรับปรุง ADC แบบประมาณค่าต่อเนื่อง โดยที่สัญญาณอ้างอิงข้อเสนอแนะประกอบด้วยการแปลงชั่วคราวของช่วงบิตทั้งหมด (เช่น สี่บิต) แทนที่จะเป็นเพียงบิตที่มีความสำคัญรองลงมาเท่านั้น การรวมข้อดีของการประมาณค่าต่อเนื่องและ ADC แบบแฟลชทำให้ ADC ประเภทนี้รวดเร็ว มีความละเอียดสูง และนำไปใช้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ
เดลต้า-ซิกม่า
ADC เดลต้า-ซิกม่า (เรียกอีกอย่างว่าADC ซิกม่า-เดลต้า ) จะใช้ลูปป้อนกลับเชิงลบกับฟิลเตอร์แอนะล็อกและความละเอียดต่ำ (มักจะเป็น 1 บิต) แต่ ADC และ DAC มีอัตราการสุ่มตัวอย่าง สูง ลูปป้อนกลับจะแก้ไขข้อผิดพลาดการวัดปริมาณที่สะสมอยู่ตลอดเวลาและดำเนินการปรับแต่งสัญญาณรบกวน สัญญาณรบกวนการวัดปริมาณจะลดลงในความถี่ต่ำที่สนใจ แต่จะเพิ่มขึ้นในความถี่ที่สูงขึ้น ความถี่ที่สูงขึ้นเหล่านี้สามารถกำจัดออกได้โดยฟิลเตอร์ดิจิทัลลดตัวอย่าง ซึ่งจะแปลงสตรีมข้อมูลจากอัตราการสุ่มตัวอย่างสูงที่มี ความลึกบิตต่ำเป็นอัตราที่ต่ำกว่าที่มีความลึกบิตที่สูงขึ้นด้วย
การสลับเวลา
ADC แบบสลับเวลาใช้ ADC แบบขนาน M ตัว โดยที่ ADC แต่ละตัวจะสุ่มตัวอย่างข้อมูลทุกๆ M:th ของนาฬิกาตัวอย่างที่มีผล ผลลัพธ์ก็คือ อัตราการสุ่มตัวอย่างจะเพิ่มขึ้น M เท่าเมื่อเทียบกับที่ ADC แต่ละตัวสามารถจัดการได้ ในทางปฏิบัติ ความแตกต่างระหว่าง ADC M แต่ละตัวจะทำให้ประสิทธิภาพโดยรวมลดลง ทำให้ ช่วงไดนามิกที่ปราศจากสิ่งปลอมแปลง ( spurious-free dynamic rangeหรือ SFDR) ลดลง [16]อย่างไรก็ตาม มีเทคนิคต่างๆ ที่สามารถแก้ไขข้อผิดพลาดของการไม่ตรงกันแบบสลับเวลาเหล่านี้ได้[17]
เวที FM ระดับกลาง
ADC ที่มีขั้นตอน FM ขั้นกลางจะใช้ตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าเป็น ความถี่ก่อน เพื่อสร้างสัญญาณสั่นที่มีความถี่ที่เป็นสัดส่วนกับแรงดันไฟฟ้าของสัญญาณอินพุต จากนั้นจึงใช้ตัวนับความถี่เพื่อแปลงความถี่นั้นเป็นจำนวนนับดิจิทัลที่เป็นสัดส่วนกับแรงดันไฟฟ้าของสัญญาณที่ต้องการ เวลารวมที่นานขึ้นทำให้มีความละเอียดสูงขึ้น ในทำนองเดียวกัน ความเร็วของตัวแปลงสามารถปรับปรุงได้โดยการเสียสละความละเอียด ทั้งสองส่วนของ ADC อาจแยกออกจากกันอย่างกว้างขวาง โดยสัญญาณความถี่จะส่งผ่านตัวแยกออปโต หรือส่งแบบไร้สาย ADC บางส่วนใช้ การมอดูเลตความถี่คลื่นไซน์หรือคลื่นสี่เหลี่ยม บางส่วนใช้การมอดูเลตความถี่พัลส์ ADC ดังกล่าวเคยเป็นวิธีที่นิยมมากที่สุดในการแสดงสถานะดิจิทัลของเซ็นเซอร์แอนะล็อกระยะไกล[18] [19] [20] [21] [22]
ยืดเวลา
ตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิทัลแบบยืดเวลา (TS-ADC) จะแปลงสัญญาณอนาล็อกที่มีแบนด์วิดท์กว้างมาก ซึ่งไม่สามารถแปลงเป็นดิจิทัลได้ด้วย ADC อิเล็กทรอนิกส์ทั่วไป โดยยืดเวลาสัญญาณก่อนการแปลงเป็นดิจิทัล โดยทั่วไปจะใช้พรีโปรเซสเซอร์โฟโตนิก เพื่อยืดเวลาสัญญาณ ซึ่งจะทำให้สัญญาณช้าลงและลดแบนด์วิดท์ลง เป็นผลให้ ADC อิเล็กทรอนิกส์ที่ช้าเกินกว่าจะจับสัญญาณดั้งเดิมได้ สามารถจับสัญญาณที่ช้าลงนี้ได้ สำหรับการจับสัญญาณอย่างต่อเนื่อง ฟรอนต์เอนด์ยังแบ่งสัญญาณออกเป็นหลายเซกเมนต์นอกเหนือจากการยืดเวลาด้วย แต่ละเซกเมนต์จะถูกแปลงเป็นดิจิทัลโดย ADC อิเล็กทรอนิกส์แยกกัน ในที่สุดโปรเซสเซอร์สัญญาณดิจิทัลจะจัดเรียงตัวอย่างใหม่และลบการบิดเบือนใดๆ ที่เพิ่มเข้ามาโดยพรีโปรเซสเซอร์เพื่อให้ได้ข้อมูลไบนารีซึ่งเป็นการแสดงดิจิทัลของสัญญาณอนาล็อกดั้งเดิม
การวัดค่าทางกายภาพอื่น ๆ นอกเหนือจากแรงดันไฟฟ้า
แม้ว่าคำว่า ADC มักจะเกี่ยวข้องกับการวัดแรงดันไฟฟ้าอนาล็อก แต่บางอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์บางส่วนที่แปลงปริมาณอนาล็อกทางกายภาพที่วัดได้เป็นตัวเลขดิจิทัลก็ถือเป็น ADC ได้เช่นกัน ตัวอย่างเช่น:
- ตัวเข้ารหัสแบบหมุนจะแปลงจากปริมาณทางกายภาพแบบอนาล็อกที่สร้างปริมาณการหมุนทาง กลไก เป็นสตรีมของรหัสเกรย์ ดิจิทัล ที่ไมโครคอนโทรลเลอร์สามารถตีความแบบดิจิทัลเพื่อหาทิศทางการหมุน ตำแหน่งเชิงมุม และความเร็วในการหมุน[23]
- การตรวจจับแบบเก็บประจุจะแปลงจากปริมาณทางกายภาพแบบอนาล็อกของความจุ ความจุดังกล่าวอาจเป็นตัวแทนของปริมาณทางกายภาพอื่นๆ เช่น ระยะห่างระหว่างวัตถุโลหะกับแผ่นตรวจจับโลหะ หรือปริมาณน้ำในถัง หรือค่าการอนุญาตของวัสดุ
ฉนวนไฟฟ้า
- ตัวแปลงความจุเป็นดิจิทัล (CDC) กำหนดความจุด้วยการใช้การกระตุ้นที่ทราบกับแผ่นของตัวเก็บประจุและวัดประจุไฟฟ้า[24]
- เวอร์เนียดดิจิทัลจะแปลงจากปริมาณทางกายภาพแบบอะนาล็อกของปริมาณการเคลื่อนตัวระหว่างไม้บรรทัดเลื่อนทั้งสองอัน
- ตัวแปลงเหนี่ยวนำเป็นดิจิทัลจะวัดการเปลี่ยนแปลงของความเหนี่ยวนำโดยเป้าหมายตัวนำที่เคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็กไฟฟ้ากระแสสลับของตัวเหนี่ยวนำ[25]
- ตัวแปลงเวลาเป็นดิจิทัลจะจดจำเหตุการณ์ต่างๆ และแสดงเวลา อะนาล็อกในรูปแบบดิจิทัล ที่เกิดขึ้น
- ตัวอย่างเช่น การวัด เวลาการบินสามารถแปลงจากปริมาณอนาล็อกบางอย่างที่ส่งผลต่อความล่าช้าในการแพร่กระจายของเหตุการณ์ได้
- โดยทั่วไป เซ็นเซอร์ที่ไม่สร้างแรงดันไฟฟ้าโดยตรงอาจสร้างแรงดันไฟฟ้าโดยอ้อมหรือแปลงเป็นค่าดิจิทัลด้วยวิธีอื่นๆ
- สามารถสร้าง เอาท์พุตแบบต้านทาน (เช่น จากโพเทนชิออมิเตอร์หรือตัวต้านทานตรวจจับแรง ) ให้เป็นแรงดันไฟได้โดยการส่งกระแสไฟฟ้าที่ทราบผ่านเข้าไป หรือสามารถสร้างเป็นการ วัด เวลาการชาร์จ RCเพื่อสร้างผลลัพธ์แบบดิจิทัลได้
ทางการค้า
ในหลายกรณี ส่วนที่มีราคาแพงที่สุดของวงจรรวมคือพิน เนื่องจากพินทำให้แพ็คเกจมีขนาดใหญ่ขึ้น และพินแต่ละพินจะต้องเชื่อมต่อกับซิลิกอนของวงจรรวม เพื่อประหยัดพิน ADC มักจะส่งข้อมูลทีละบิตผ่านอินเทอร์เฟซแบบอนุกรมไปยังคอมพิวเตอร์ โดยแต่ละบิตจะออกมาเมื่อสัญญาณนาฬิกาเปลี่ยนสถานะ วิธีนี้ช่วยประหยัดพินบนแพ็คเกจ ADC ได้มากพอสมควร และในหลายๆ กรณี การออกแบบโดยรวมก็ไม่ได้ซับซ้อนขึ้นแต่อย่างใด
ADC เชิงพาณิชย์มักจะมีอินพุตหลายตัวที่ส่งไปยังตัวแปลงเดียวกัน โดยปกติจะผ่านมัลติเพล็กเซอร์ อนาล็อก รุ่นต่างๆ ของ ADC อาจรวมถึง วงจร สุ่มตัวอย่างและโฮลด์ แอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัดหรือ อินพุต แบบดิฟเฟอเรนเชียลซึ่งปริมาณที่วัดได้คือความแตกต่างระหว่างอินพุตสองตัว
แอปพลิเคชั่น
บันทึกเสียงดนตรี
ตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัลเป็นส่วนสำคัญของเทคโนโลยีการสร้างเสียงเพลงสมัยใหม่และการบันทึกเสียงดิจิทัลบน เวิร์กสเตชัน เพลงอาจผลิตขึ้นบนคอมพิวเตอร์โดยใช้การบันทึกแอนะล็อก ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้ตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัลเพื่อสร้าง สตรีมข้อมูล การมอดูเลตรหัสพัลส์ (PCM) ที่ส่งไปยังแผ่นซีดีและไฟล์เพลงดิจิทัล ตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัลรุ่นปัจจุบันที่ใช้ในเพลงสามารถสุ่มตัวอย่างด้วยอัตราสูงถึง 192 กิโลเฮิรตซ์สตูดิโอบันทึกเสียงหลายแห่งบันทึกในรูปแบบการมอดูเลตรหัสพัลส์ (PCM) 24 บิต 96 กิโลเฮิรตซ์ จากนั้นจึงลดจำนวนสัญญาณและกระจายสัญญาณสำหรับ การผลิต เสียงดิจิทัลแผ่นซีดี (44.1 กิโลเฮิรตซ์) หรือเป็น 48 กิโลเฮิรตซ์สำหรับการใช้งานออกอากาศทางวิทยุและโทรทัศน์
การประมวลผลสัญญาณดิจิตอล
ADC เป็นสิ่งจำเป็นใน ระบบ ประมวลผลสัญญาณดิจิทัลที่ประมวลผล จัดเก็บ หรือส่งสัญญาณแอนะล็อกแทบทุกสัญญาณในรูปแบบดิจิทัลตัวอย่างเช่นการ์ดจูนเนอร์ทีวี ใช้ตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัลวิดีโอความเร็วสูง ตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัลแบบออนชิป 8, 10, 12 หรือ 16 บิตที่ช้าเป็นเรื่องปกติใน ไมโครคอนโทรลเลอร์ออสซิลโลสโคปแบบจัดเก็บข้อมูลดิจิทัลต้องการตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัลความเร็วสูง ซึ่งจำเป็นอย่างยิ่งสำหรับวิทยุที่กำหนดโดยซอฟต์แวร์และแอปพลิเคชันใหม่
เครื่องมือทางวิทยาศาสตร์
ระบบ การถ่ายภาพดิจิทัลมักใช้ตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิทัลเพื่อแปลงพิกเซล เป็นดิจิทัล ระบบ เรดาร์บางระบบใช้ตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิทัลเพื่อแปลงความแรงของสัญญาณเป็นค่าดิจิทัลสำหรับการประมวลผลสัญญาณ ในภายหลัง ระบบตรวจจับในสถานที่และระบบตรวจจับระยะไกลอื่นๆ จำนวนมากมักใช้เทคโนโลยีอะนาล็อก
เซ็นเซอร์จำนวนมากในเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์สร้างสัญญาณแอนะล็อก เช่นอุณหภูมิแรงดัน ค่า pH ความเข้มแสงเป็นต้นสัญญาณทั้งหมดเหล่านี้สามารถขยายและส่งไปยัง ADC เพื่อสร้างการแสดงผลแบบดิจิทัลได้
จอแสดงผล
จอแสดงผลแบบจอแบนเป็นดิจิทัลโดยเนื้อแท้และต้องใช้ ADC เพื่อประมวลผลสัญญาณแอนะล็อก เช่นสัญญาณ คอมโพสิตหรือVGA
สัญลักษณ์ไฟฟ้า
การทดสอบ
การทดสอบตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอลต้องใช้แหล่งอินพุตอนาล็อกและฮาร์ดแวร์เพื่อส่งสัญญาณควบคุมและจับเอาต์พุตข้อมูลดิจิตอล ADC บางตัวยังต้องการแหล่งสัญญาณอ้างอิงที่แม่นยำอีกด้วย
พารามิเตอร์หลักในการทดสอบ ADC มีดังนี้:
- ข้อผิดพลาดออฟเซ็ต DC
- ข้อผิดพลาดของ DC gain
- อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (SNR)
- ความเพี้ยนฮาร์มอนิกรวม (THD)
- ความไม่เชิงเส้นเชิงปริพันธ์ (INL)
- ความไม่เชิงเส้นเชิงอนุพันธ์ (DNL)
- ช่วงไดนามิคฟรีที่หลอกลวง
- การกระจายพลังงาน
ดูเพิ่มเติม
- การเข้ารหัสเชิงทำนายแบบปรับตัว เป็นประเภทของ ADC ที่ค่าของสัญญาณจะถูกทำนายโดยฟังก์ชันเชิงเส้น
- ตัวแปลงสัญญาณเสียง
- เบต้าเอ็นโคเดอร์
- ความเป็นเส้นตรงเชิงปริพันธ์
- โมเด็ม
หมายเหตุ
- ^ ตัวแปลงแรมป์แบบเรียบง่าย (ไม่เชิงเส้น) สามารถนำไปใช้งานได้ด้วยไมโครคอนโทรลเลอร์และตัวต้านทานและตัวเก็บประจุตัวหนึ่ง[15]
อ้างอิง
- ^ "หลักการของการได้มาและการแปลงข้อมูล" (PDF) . Texas Instruments. เมษายน 2015. เก็บถาวร(PDF)จากแหล่งเดิมเมื่อ 9 ตุลาคม 2022 . สืบค้นเมื่อ18 ตุลาคม 2016 .
- ^ Lathi, BP (1998). ระบบการสื่อสารดิจิทัลและแอนะล็อกสมัยใหม่ (ฉบับที่ 3). สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยออกซ์ฟอร์ด
- ^ "Maxim App 800: ออกแบบนาฬิกาแบบ Low-Jitter สำหรับตัวแปลงข้อมูลความเร็วสูง" maxim-ic.com , 17 กรกฎาคม 2545
- ^ "Jitter effects on Analog to Digital and Digital to Analog Converters" ( PDF) สืบค้นเมื่อ19 สิงหาคม 2555
- ^ Löhning, Michael; Fettweis, Gerhard (2007). "ผลกระทบของความสั่นไหวของรูรับแสงและความสั่นไหวของนาฬิกาใน ADC แบนด์วิดท์กว้าง". Computer Standards & Interfaces Archive . 29 (1): 11–18. CiteSeerX 10.1.1.3.9217 . doi :10.1016/j.csi.2005.12.005.
- ^ Redmayne, Derek; Steer, Alison (8 ธันวาคม 2551), "การทำความเข้าใจผลกระทบของความสั่นไหวของสัญญาณนาฬิกาต่อ ADC ความเร็วสูง" eetimes.com
- ^ "RF-Sampling and GSPS ADCs – Breakthrough ADCs Revolutionize Radio Architectures" (PDF) . Texas Instruments. เก็บถาวร(PDF)จากแหล่งเดิมเมื่อ 9 ตุลาคม 2022 . สืบค้นเมื่อ4 พฤศจิกายน 2013 .
- ^ นอลล์ (1989, หน้า 664–665)
- ^ Nicholson (1974, หน้า 313–315)
- ^ นอลล์ (1989, หน้า 665–666)
- ^ Nicholson (1974, หน้า 315–316)
- ^ นอลล์ (1989, หน้า 663–664)
- ^ Nicholson (1974, หน้า 309–310)
- ^ โซฟา - 2001 - ระบบสื่อสารแบบดิจิทัลและแอนะล็อก - Prentice Hall - นิวเจอร์ซี สหรัฐอเมริกา
- ^ "Atmel Application Note AVR400: Low Cost A/D Converter" (PDF) . atmel.com . เก็บถาวร(PDF)จากแหล่งเดิมเมื่อวันที่ 9 ตุลาคม 2022
- ^ Vogel, Christian (2005). "ผลกระทบของผลกระทบจากความไม่ตรงกันของช่องสัญญาณรวมใน ADC แบบสลับเวลา" IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement . 55 (1): 415–427. Bibcode :2005ITIM...54..415V. CiteSeerX 10.1.1.212.7539 . doi :10.1109/TIM.2004.834046. S2CID 15038020.
- ^ Gabriele Manganaro; David H. Robertson (กรกฎาคม 2015), Interleaving ADCs: Unraveling the Mysteries, Analog Devices , สืบค้นเมื่อ7 ตุลาคม 2021
- ^ Analog Devices MT-028 Tutorial: "Voltage-to-Frequency Converters" โดย Walt Kester และ James Bryant 2009 ดัดแปลงมาจาก Kester, Walter Allan (2005) Data conversion handbook, Newnes, หน้า 274 , ISBN 0750678410
- ^ Microchip AN795 "ตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าเป็นความถี่ / ตัวแปลงความถี่เป็นแรงดันไฟฟ้า" หน้า 4: "ตัวแปลง A/D 13 บิต"
- ^ Carr, Joseph J. ( 1996) องค์ประกอบของเครื่องมืออิเล็กทรอนิกส์และการวัด Prentice Hall, หน้า 402, ISBN 0133416860
- ^ "ตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอลจากแรงดันไฟฟ้าเป็นความถี่" globalspec.com
- ^ Pease, Robert A. (1991) การแก้ไขปัญหาวงจรแอนะล็อก, Newnes, หน้า 130, ISBN 0750694998
- ^ Group, SAE Media (1 ตุลาคม 2019). "วิธีใช้ตัวเข้ารหัสแบบหมุนเพื่อแปลงการหมุนเชิงกลเป็นสัญญาณดิจิทัลอย่างรวดเร็ว" www.techbriefs.com . สืบค้นเมื่อ9 ตุลาคม 2023 .
{{cite web}}
:|last=
มีชื่อสามัญ ( ช่วยด้วย ) - ^ Jia, Ning (1 พฤษภาคม 2012). "เทคโนโลยี ADI Capacitance-to-Digital Converter ในแอปพลิเคชันด้านการดูแลสุขภาพ". Analog Dialogue . เก็บถาวรจากแหล่งเดิมเมื่อ 7 กรกฎาคม 2023. สืบค้นเมื่อ9 ตุลาคม 2023 .
- ^ Kasemsadeh, Ben (31 กรกฎาคม 2015). "How To Sense Lateral Movement Using An Inductance-to-Digital Converter". Fierce Electronics . เก็บถาวรจากแหล่งเดิมเมื่อ 9 ตุลาคม 2023. สืบค้นเมื่อ9 ตุลาคม 2023 .
- Knoll, Glenn F. (1989). Radiation Detection and Measurement (ฉบับที่ 2). นิวยอร์ก: John Wiley & Sons. ISBN 978-0471815044-
- Nicholson, PW (1974). Nuclear Electronics . นิวยอร์ก: John Wiley & Sons. หน้า 315–316 ISBN 978-0471636977-
อ่านเพิ่มเติม
- อัลเลน, ฟิลลิป อี.; โฮลเบิร์ก, ดักลาส อาร์. (2002). การออกแบบวงจรแอนะล็อก CMOS ISBN 978-0-19-511644-1-
- เฟรเดน เจคอบ (2010). คู่มือเซนเซอร์สมัยใหม่: ฟิสิกส์ การออกแบบ และการประยุกต์ใช้งานสำนักพิมพ์ Springer ISBN 978-1441964656-
- เคสเตอร์, วอลต์, บรรณาธิการ (2005). คู่มือการแปลงข้อมูล. เอลส์เวียร์: นิวเนส. ISBN 978-0-7506-7841-4-
- จอห์นส์, เดวิด; มาร์ติน, เคน (1997). การออกแบบวงจรรวมแอนะล็อก . ไวลีย์ISBN 978-0-471-14448-9-
- Liu, Mingliang (2006). Demystifying Switched-Capacitor Circuits . Newnes. ISBN 978-0-7506-7907-7-
- นอร์สเวอร์ธี, สตีเว่น อาร์.; ชไรเออร์, ริชาร์ด; เทเมส, กาบอร์ ซี. (1997) ตัวแปลงข้อมูล Delta- Sigma สำนักพิมพ์อีอีอีไอเอสบีเอ็น 978-0-7803-1045-2-
- ราซาวี, เบห์ซาด (1995). หลักการออกแบบระบบการแปลงข้อมูล . นิวยอร์ก, นิวยอร์ก: IEEE Press. ISBN 978-0-7803-1093-3-
- Ndjountche, Tertulien (24 พฤษภาคม 2011) วงจรรวมอนาล็อก CMOS: การออกแบบความเร็วสูงและประหยัดพลังงาน Boca Raton, FL: CRC Press ISBN 978-1-4398-5491-4-
- Staller, Len (24 กุมภาพันธ์ 2548) "การทำความเข้าใจคุณลักษณะของตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอล" การออกแบบระบบฝังตัว
- Walden, RH (1999). "การสำรวจและวิเคราะห์ตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอล" IEEE Journal on Selected Areas in Communications . 17 (4): 539–550. CiteSeerX 10.1.1.352.1881 . doi :10.1109/49.761034.
ลิงค์ภายนอก
- บทนำสู่ตัวแปลงเดลต้าซิกม่า ภาพรวมที่ยอดเยี่ยมมากเกี่ยวกับทฤษฎีตัวแปลงเดลต้า-ซิกม่า
- การวิเคราะห์แบบไดนามิกดิจิทัลของระบบแปลง A/D ผ่านซอฟต์แวร์ประเมินผลที่ใช้การวิเคราะห์ FFT/DFT RF Expo East, 1987
- สถาปัตยกรรม ADC แบบใดที่เหมาะกับแอปพลิเคชันของคุณ บทความโดย Walt Kester
- คำศัพท์ทางเทคนิคที่ใช้กันทั่วไปของ ADC และ DAC บนWayback Machine (เก็บถาวรเมื่อวันที่ 24 พฤศจิกายน 2552) กำหนดคำศัพท์ทางเทคนิคที่ใช้กันทั่วไป
- บทนำสู่ ADC ใน AVR – การแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอลด้วยไมโครคอนโทรลเลอร์ Atmel
- การประมวลผลสัญญาณและด้านระบบของ ADC แบบสลับเวลา
- แบบจำลอง MATLAB Simulink ของ ADC แบบแรมป์ง่าย