و ) DAC(مبدلهاي دیجیتال به آنالوگ )ADC(آنالوگ به دیجیتال

دکتر صفري نژادیان

بسم اهللا الرحمن الرحیم

:مقدمهمی باشند و سیگنال هایی که درصنعت با آن سروکارداریم اکثراً سیگنالهاي آنالوگ ¢

هاي ICاستفاده از دیجیتال توسط کامپیوتر پردازش میشود، باید با چون داده هايADC میکرو یا ( به کامپیوتر ، سیگنالهاي آنالوگ را به دیجیتال تبدیل نموده و. ارائه نماییم) کنترلر

یک پس ازانجام پردازش هاي الزم ، سیگنال تولیدي نیز باید مجددا بصورت ¢.سیستم مورد نظر اعمال شود سیگنال آنالوگ به

الوگ نیز براي تبدیل سیگنال دیجیتال تولیدي بوسیله کامپیوتر به یک سیگنال آن ¢. استفاده می نماییم ADCهاي ICاز

2

دکتر صفري نژادیان

ü کامپیوتر دیجیتال وظیفه کنترل سیستم رابه عهده دارد.

ü مبدل آنالوگ به دیجیتال)A/D ( سیگنال خطا را که یک سیگنال پیوسته زمان است. تبدیل میکند ) که قابل پردازش بوسیله کامپیوتر باشد ( زمان ، به فرم گسسته

ü درخروجی کامپیوتر، یک مبدل دیجیتال به آنالوگ )D/A ( براي تبدیل سیگنال. دیجیتال کامپیوتر به سیگنال آنالوگ مورد نیازاست

سیستم کنترل دیجیتال: مثال

3

دکتر صفري نژادیان

:انواع سیگنال ها:سیگنال ها

پیوسته زمان¢گسسته زمان¢

:سیگنال پیوسته زمان سیگنالی است که در گستره پیوسته اي از زمان تعریف پیوسته زمانسیگنال

یا پیوسته اي از مقادیر دامنه این سیگنال ممکن است گستره .می شود. را اختیار نمایدزمقادیر متمای از تعداد محدودي

کوانتیزه کردن نمایش یک متغییر با دسته اي از مقادیر متمایز را )Quantization ( کوانتیزه شده و مقادیر متمایز حاصل را مقادیر)

Quantized (گویند . 4

دکتر صفري نژادیان

:سیگنال پیوسته زمان

سیگنال آنالوگ پیوسته زمان¢سیگنال کوانتیزه شده پیوسته زمان ¢

اما در عمل اغلب . سیگنال آنالوگ حالت خاصی از سیگنال پیوسته زمان است . را به جاي آنالوگ به کار می برند پیوسته زماناصطالح

5

دکتر صفري نژادیان

:سیگنال گسسته زمانان سیگنال گسسته زمان سیگنالی است که تنها در لحظه هاي گسسته اي از زم ¢

.) کوانتیزه شده استtیعنی سیگنالی که در آن متغییر مستقل .(تعریف می شود

را انتخاب اگر دامنه یک سیگنال گسسته زمان بتواند گستره پیوسته اي از مقادیر ¢Sampled-( نمونه برداري داده ها کند، در اینصورت سیگنال را سیگنال

data (گویند .

آنالوگ در سیگنال نمونه برداري داده ها را می توان از نمونه برداري یک سیگنال ¢.لحظه هاي گسسته اي از زمان به وجود آورد

6

دکتر صفري نژادیان

سیگنال دیجیتال یک سیگنال گسسته زمان با دامنه : سیگنال دیجیتال ¢چنین سیگنالی را می توان با دنباله اي از اعداد نمایش . کوانتیزه شده است

).مثال بصورت باینري (داد

7

دکتر صفري نژادیان

چگونگی تبدیل آنالوگ به دیجیتال

8

دکتر صفري نژادیان

(DAC)مبدل هاي دیجیتال به آنالوگ

بیتی را بعنوان ورودي nیک مبدل دیجیتال به آنالوگ یک کد دیجیتال ¢. گرفته و یک ولتاژ یا جریان آنالوگ را به عنوان خروجی تحویل می دهد

:عموماً شامل سه قسمت زیر است DACیک یک ولتاژ مرجع دقیق و پایدار ¢DACخود مبدل ¢)Op-Amp( یک تقویت کننده عملیاتی ¢

9

دکتر صفري نژادیان

: ایده آل عبارت است از D/A بیتی ، خروجی یک nبراي یک کد باینري

است که بوسیله کد ورودي سویئچ هاي الکترونیکی آنالوگی شامل DACیک . می باشد شبکه اي از مقاومت هاي دقیق کنترل می شوند و همچنین شامل

{ {1 2

0 1 2( 2 2 2 )nR E F n

m s b l s b

V V B B B− − −= + + +L

10

دکتر صفري نژادیان

:)RESOLUTION(وضوح . نامند می DAC یا وضوح Resolution را DACتعداد خطوط دیجیتالی ورودي

متناظر با تغییر یک اندازه پله خروجیمعیاري از ) resolution( وضوح ¢. در ورودي است ) lsb(بیت با کمترین ارزش

. می باشد DAC بنابراین وضوح معیاري از دقت یک ¢

0.3906یا ) 82 ( 256 قسمت در 1 بیتی داراي وضوح DAC 8 یک ¢. می باشد درصد

11

دکتر صفري نژادیان

WEIGHTED RESISTOR D/A CONVERTER

Tree-bit weighted resistor D/A converter

o TV I R= −12

دکتر صفري نژادیان

بیت با بیشترین ارزش و B1. است B1B2B3 بیتی 3ورودي مدار باال کلمه بیت با کمترین ارزش و داراي B3 و 2-2 داراي وزن B2 و 2-1داراي وزن

. می باشد 2-3وزن

باشد ، سوئیچ iB ، 1وقتی بیت . هر بیت یک سوئیچ آنالوگ را کنترل می کند به تقویت کننده عملیاتی آنالوگ متناظر جریانی را از مقاومتی با وزن

. که نقش جمع کننده را دارد می فرستد

: به جمع کننده فرستاده میشود عبارت است از Bi=1جریانی که به دلیل

2REF

i i

VIR

=13

دکتر صفري نژادیان

2i R

: براي ولتاژ خروجی داریم

.بنابراین ولتاژ خروجی مستقیماً متناسب با کد دیجیتال ورودي است

31 2

31 2

1 2 31 2 3

( )2 4 8

=- ( )2 4 8

=- ( 2 2 2 )

REFREF REFout T

REF

REF

V BV B V BV I R RR R R

BB BV

V B B B− − −

= − = − + +

+ +

+ +

14

دکتر صفري نژادیان

Three-bit R-2R Ladder D/A Converter

.می باشند 2R و R باال مقاومتها تنها داراي دو مقدار D/Aدر مبدل

R-2R LADDER D/A CONVERTER

15

دکتر صفري نژادیان

R-2R LADDER D/A CONVERTER

براي تولید خروجی آنالوگ بر اساس تعداد زیادي بیت ورودي ، به :مزیت¢. محدوده وسیعی از مقادیر مقاومتهاي دقیق نیاز نیست

براي تعداد مشخصی از بیت هاي ورودي ، تعداد مقاومت هاي مورد نیاز :عیب¢. می باشد ( weighted resistor network)دو برابر مدار قبلی

میباشد R دیده می شود برابر REFVمقاومت معادل ساختار نردبانی که بوسیله :در نتیجه

1 2 3( )2 4 8o TI I IV I R B B B R= − = − + +

1 2 31 2 3 1 2 3( ) =- ( 2 2 2 )

2 4 8REF REF REF

o REFV V VV B B B R V B B B

R R R− − −= − + + + +

16

دکتر صفري نژادیان

2NR D/A CONVERTERS:

Three-bit 2nR D/A Converter

17

دکتر صفري نژادیان

و R مقاومت با مقادیر برابر بیتی نیاز به 2nR D/A nیک مبدل ¢. سوئیچ آنالوگ دارد

¢2n به هم متصل شده اند مقسم ولتاژ مقاومت بطور سري براي تشکیل یک .

. ند یک تقویت کننده با بهره واحد از بارگزاري مقسم ولتاژ جلو گیري می ک ¢

ساختار سوئیچ هاي آنالوگ به نحوي به یکدیگر متصل شده اند که تشکیل یک می دهند و با کد دیجیتال به نحوي کنترل می شوند که هر کلمه از درختی

.مسیر خاصی از مقسم ولتاژي به خروجی مبدل ایجاد می نماید کد 18

دکتر صفري نژادیان

2n

12 2n + −

)ADC(مبدل هاي آنالوگ به دیجیتال

مطابق شماي نشان داده شده در باال داراي خط آنالوگ ورودي و ADCیک .داده هاي دیجیتالی خروجی است

از سیگنال آنالوگ ورودي نمونه ADCصفر می شود ، وقتی خط ، این نمونه را به نزدیکترین عدد صحیح تقریب زده ) نمونه برداري ( برداشته

( quantiazation ) و سپس عدد دیجیتال معادل را در خروجی قرار را صفر می کند تا نشان دهد عمل تبدیل داده و خط

. به اتمام رسیده است

0 7D -D

Convert

Conversion Complete 19

دکتر صفري نژادیان

:زمان تبدیل

زمان و صفر شدن زمان بین تحریک خط ¢.گفته میشود تبدیل

:فرکانس نمونه برداري پیوتر براي آنکه تصویر مناسبی به فرم دیجیتال از یک سیگنال آنالوگ در کام

حداقل ) Sampling Rate(داشته باشیم باید فرکانس نمونه برداري نظر دو برابر ماکزیمم فرکانس موجود در طیف فرکانسی سیگنال آنالوگ مورد

) تئوري شانن (باشد

. می گیرند maxf برابر 10 تا 5عمالً فرکانس نمونه برداري را

Convert Conversion Complete

C onver sion Time

max2sf f>

20

دکتر صفري نژادیان

:با زیاد شدن فرکانس نمونه برداري . تصویر دیجیتال دقیق تري از سیگنال آنالوگ بوجود می آید ¢

این امر به قیمت بکارگیري حافظه بیشتري جهت ذخیره اطالعات تمام ¢. می شود

بکار میرود ADCهر چه در سیستمی نیاز به نرخ نمونه برداري باالتري باشد یک . کمتري داشته باشدکه زمان تبدیل

21

دکتر صفري نژادیان

):RESOLUTION(وضوح

. می نامند ADCیا وضوح Resolution را ADCتعداد خطوط دیجیتالی خروجی

بیشتر باشد ، به ازاي تغییرات کوچکتر سیگنال ADCهر چه تعداد خطوط خروجی از دقت ADCیعنی . آنالوگ ورودي می تواند داده دیجیتالی جدیدي را ارائه نماید

. کمتري را ایجاد میکند quantizationباالتري برخوردارخواهد بود و یا خطاي

ها که هر کدام داراي مزایا و معایبی ADCدر زیر چند نمونه از ساختار داخلی . میباشند ارائه شده است

22

دکتر صفري نژادیان

1. COMPARATOR ) مقایسه کننده( بیتی است که با استفاده از یک مقایسه 1 یک مبدل ADCساده ترین ¢

.کننده آنالوگ ساخته می شود

زیادي است اما ) Quantization Error(این مبدل داراي خطاي ¢آستانه براي تعیین آنکه یک سیگنال آنالوگ کوچکتر و یا بزرگتر از یک مقدار

(Threshold Value ) است بکار می رود .

ADCاز مقایسه کننده همچنین به عنوان یک عنصر در ساخت مبدل هاي ¢. چند بیتی استفاده می گردد

23

دکتر صفري نژادیان

حلقه باز ، یعنی )Op-amp( مقایسه کننده در واقع یک تقویت کننده عملیاتی . بدون فیدبک ، است

24

دکتر صفري نژادیان

خروجی به یعنی اگر ولتاژ ورودي مثبت از ورودي منفی اندکی بیشتر باشد ، ولتاژ ¢.مقدار ماکزیمم مثبت اشباع می شود

تاژ برعکس ، اگر ولتاژ ورودي مثبت اندکی از ورودي منفی کمتر باشد ، ول ¢

. خروجی به مقدار ماکزیمم منفی اشباع میشود

وجی در صورت استفاده از خروجی مقایسه کننده در یک مدار منطقی ، باید خر ¢. صفر و یک منطقی را تولید کند

، یک مقایسه کننده ADC نیز عالوه بر مبدل AVRمیکرو کنترل هاي ¢.آنالوگ دارند 25

دکتر صفري نژادیان

1شکل V1 , V2 , V3 ولتاژهاي مبنا )DC ( وV1 >V2>V3می باشند .

2. Flash Converter

26

دکتر صفري نژادیان

X0X1CBA

00000

10001

01011

11111

1

1 2

2 3

3

<V <V

v

a

a

a

a

v VV vV vV

< →

≤ →≤ →

≤ →

2جدول

0

1

X A B C + A B C = A ( B C + B C ) = A ( B )

X A B C + A B C = A B

C= ⊕

=27

دکتر صفري نژادیان

3شکل

4شکل 28

دکتر صفري نژادیان

کل در مدار فوق از مقایسه کننده هایی استفاده شده که اصول کار آن در ش ¢. مطرح شده است4

. براي مقایسه و تقریب زدن استفاده شده است DCاز ولتاژ هاي مبناي ¢

براي سطوح ولتاژ ورودي مختلف ، خروجی مقایسه کنندها 2مطابق جدول ¢. تغییر می کنند

مقایسه کننده در این n2-1بیتی باشد به ADC nاگر بخواهیم وضوح این ¢.سیستم نیاز است که امري غیر اقتصادي براي وضوح هاي باال است

29

دکتر صفري نژادیان

:FLASH CONVERTERمزایا و معایب

) زمان تبدیل پایین ( سرعت تبدیل باال : مزیت ¢. نیاز به تعداد زیادي مقایسه کننده دارد : عیب ¢

30

دکتر صفري نژادیان

3. COUNTER ADC

Clockبا لبھ مثبت .کار میکند

چون با لبھ مثبت کارمیکند

Upcounter . است

31

دکتر صفري نژادیان

شروع به شمارش می 000 ، شمارنده از به مجرد صفر شدن خط ¢ ولتاژي ایجاد کند که با DACکند تا وقتی که شماره ایجاد شده در ورودي

va شده و شمارنده متوقف می 0، و 1در این صورت خط ، . برابر باشد صفر شده تا نشان دهد تبدیل تمام ضمناً خط. گردد

. شده است

. مدار باال براي وضوح هاي باال اقتصادي است :مزیت ¢

مدار باال براي تبدیل سیگنال هایی مناسب است که زمان تبدیل سریعی :عیب ¢. الزم نداشته باشد

Convert

Conversion Complete

32

دکتر صفري نژادیان

y y

:نکته : JKشمارنده با فلیپ فالپ ¢

33

دکتر صفري نژادیان

34

دکتر صفري نژادیان

SUCCESSIVE APPROXIMATION ADC :

35

دکتر صفري نژادیان

می باشد که با دادن مدار دیجیتالی خبره اي CLCدرمدارشکل باال درواقع مدار ¢اعداد مختلف به فلیپ فالپ ها وتست نمودن خروجی مقایسه کننده ، طبق الگوریتم از پیش تعیین شده اي وروش سعی وخطا ، مناسبترین عدد معادل

. سیگنال ورودي راپیدا میکند

( وقت صرف شود n clock cycle آن است که ADCبدترین وضعیت دراین ¢ Clockولی در مدارقبل بدترین وضعیت ) بیتیnبراي خروجی

cycle می باشد .

ADC می تواند مزایاي 4 مدار ADCطراحی مناسب براي وضوح هاي باال ، با ¢. رادربرداشته باشد) 3 و2مدارهاي ( مدارهاي قبلی

36

دکتر صفري نژادیان

2 1n −

مدارهاي نمونه بردار و نگه دار) SAMPLE AND HOLD CIRCUITS (

دیجیتال قبال نمونه برداري به عنوان قدم اول در تبدیل سیگنالهاي آنالوگ به • قبل از مطرح شده این در واقع توسط یک مدار به نام نمونه بردارو نگه دار که

ADCیک مدار نمونه بردار و نگه دار براي سیگنال هاي . قرار دارد انجام میشود. براي سیگنال هاي دیجیتال عمل می کند Dآنالوگ مانند یک فلیپ فالپ نوع 37

دکتر صفري نژادیان

ار مقدار با دستور یک سیگنال کنترلی دیجیتال ، یک مدار نمونه بردار و نگه د ¢مقدار ذخیره شده آنالوگ در . سیگنال آنالوگ ورودي را ذخیره می کند

جدید خروجی مدار باقی می ماند تا اینکه دستور بعدي براي ذخیره یک مقدار . به مدار داده شود

در . استفاده می گردد A/Dاز مدار نمونه بردار و نگه دار در ورودي یک مبدل ¢ ولتاژ نگه داشته شده در خروجی مدار نمونه بردار و نگه A/Dاینصورت، مبدل

. دار را تبدیل می نماید

این کار باعث حداقل شدن عدم دقت در مقدار دیجیتال بدست آمده براي ¢ل رخ سیگنال آنالوگ که بدلیل تغییر در مقدار سیگنال در طول فرایند تبدی

. می دهد می گردد 38

دکتر صفري نژادیان

سوئیچ در ساده ترین شکل، یک مدار نمونه بردار و نگه دار را می توان با یک ¢. آنالوگ و یک خازن ساخت

یا BJTسوئیچ آنالوگ را می توان با استفاده از دیود ها، ترانزیستورهاي ¢. ساختFETترانزیستور هاي

39

دکتر صفري نژادیان

ANALOG(مالتیپلکسرآنالوگ MULTIPLEXERS(:

ین تفاوت که مالتیپلکسرآنالوگ درواقع مانند مالتیپلکسر دیجیتال عمل می کند با ا ¢. سیگنالهاي ورودي وخروجی آن آنالوگ هستند

را یک کد باینري در ورودیهاي آدرس آن بین چند ورودي آنالوگ مختلف، یکی ¢. انتخاب کرده و به خروجی وصل می کند

چندین ADCبه کمک یک مالتیپلکسر آنالوگ می توان بااستفاده از یک مبدل ¢. تبدیل کرد ورودي آنالوگ مختلف را با مالتیپلکس کردن درحوزه زمان، به دیجیتال

40

دکتر صفري نژادیان

، به یک کانال ورودي مالتیپلکسر آنالوگ واتصال VRبااتصال یک ولتاژمرجع ¢ (Gain) به یک ورودي دیگرمالتیپلکسر آنالوگ میتوان خطاي بهره صفرولت

. را اصالح نمودA/D درخروجی Offsetو

راتبدیل می VRو 0Vقبل ازتبدیل یک سیگنال آنالوگ، ابتدا ولتاژهاي ¢. را ذخیره می نماییم N(R) و N(0)کنیم و مقادیر دیجیتال حاصل یعنی

. را بدست می آوریم N(M) راتبدیل کرده و VMسپس سیگنال آنالوگ

41

دکتر صفري نژادیان

ح اندازه ازاین مقادیر بصورت زیر بوسیله میکروپروسسور براي محاسبه ولتاژ صحی: گیري شده استفاده می گردد

N (M ) - N (0 )V VN (R ) - N (0 )M R=

42

دکتر صفري نژادیان

ADC804

43

دکتر صفري نژادیان

ADC804

44

دکتر صفري نژادیان

ADC804

45

دکتر صفري نژادیان

ADC804

46

دکتر صفري نژادیان

47

دکتر صفري نژادیان

48

دکتر صفري نژادیان

CONNECTIONS FOR CONTINUOUS CONVERSIONS USING THE ADC0804.

49

دکتر صفري نژادیان

50

دکتر صفري نژادیان

51

دکتر صفري نژادیان

52

دکتر صفري نژادیان

53

دکتر صفري نژادیان