Εφαρμογές μετατροπέων D/A και A/D

Οι μετατροπείς A/D και D/Α αποτελούν τα κυκλώματα προσαρμογής των ψηφιακών συστημάτων με τον αναλογικό κόσμο. Οποιοδήποτε ψηφιακό σύστημα το οποίο αλληλεπιδρά με τον εξωτερικό αναλογικό κόσμο θα έχει είτε έναν μετατροπέα A/D, είτε έναν μετατροπέα D/Α, είτε και τους δύο.

• Συστήματα ελέγχου (control systems)

Στα συστήματα αυτά το ψηφιακό σύστημα παίρνει πληροφορίες από το σύστημα το οποίο ελέγχει μετρώντας κάποιες παραμέτρους. Οι παράμετροι που ενδιαφέρουν (για παράδειγμα πίεση, θερμοκρασία, συγκέντρωση κάποιου αερίου, κατάσταση κάποιας διαδικασίας) συνήθως ψηφιοποιούνται με ένα μετατροπέα A/D. Στη συνέχεια τα δεδομένα είναι διαθέσιμα σε ψηφιακή μορφή και μπορούμε να τα επεξεργασθούμε με υπολογιστικά συστήματα, χρησιμοποιώντας κατάλληλα για την εφαρμογή προγράμματα. Το ψηφιακό σύστημα με βάση τις μετρήσεις και ανάλογα με το πρόγραμμα λειτουργίας επεμβαίνει με τη χρήση μετατροπέα D/A στο σύστημα ρυθμίζοντας (αλλάζοντας) κάποιες παραμέτρους. Με βάση αυτές τις αρχές λειτουργούν είτε απλά συστήματα όπως η μηχανή ενός αυτοκινήτου, είτε πολύπλοκα όπως η λειτουργία ενός αεροπλάνου ή η αυτόματη παραγωγή ενός εργοστασίου.

Για παράδειγμα τα συστήματα ABS (Anti blocking System) στα αυτοκίνητα χρησιμοποιούν αισθητήρες με τους οποίους το ψηφιακό σύστημα ελέγχου γνωρίζει την ταχύτητα περιστροφής των τροχών, καθώς και την πορεία του αυτοκινήτου σε κάθε χρονική στιγμή. Οι παράμετροι αυτοί ψηφιοποιούνται με τη χρήση μετατροπέων A/D και επεξεργάζονται από μικροεπεξεργαστή. Σε περίπτωση που ο οδηγός φρενάρει, το σύστημα ρυθμίζει αυτόματα το φρενάρισμα (πέδηση) του κάθε τροχού έτσι ώστε να μην ακινητοποιείται και το αυτοκίνητο να παραμένει στην πορεία του. Για τον έλεγχο του φρεναρίσματος χρησιμοποιούνται μετατροπείς D/Α και ειδικοί ηλεκτρομηχανικοί μηχανισμοί.

• Συστήματα συλλογής δεδομένων (data acquisition systems)

Στα συστήματα αυτά ενδιαφέρει κυρίως η συλλογή μετρήσεων από κάποιες παραμέτρους (π.χ. σεισμική δραστηριότητα, ηλιακή ακτινοβολία, ταχύτητα ανέμου, ένταση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων). Οι παράμετροι που ενδιαφέρουν ψηφιοποιούνται με μετατροπείς A/D και είτε επεξεργάζονται και αποθηκεύονται σε τοπικό υπολογιστικό σύστημα, είτε μεταδίδονται σε απομακρυσμένα κεντρικά υπολογιστικά συστήματα. Παραδείγματα τέτοιων συστημάτων αποτελούν οι σταθμοί καταγραφής και παρακολούθησης σεισμικής δραστηριότητας, μετεωρολογικοί σταθμοί, ωκεανογραφικοί σταθμοί. Αυτοί οι σταθμοί είτε συλλέγουν τα δεδομένα τοπικά, είτε τα μεταδίδουν ενσύρματα ή ασύρματα σε απομακρυσμένους κεντρικούς σταθμούς.

• Συστήματα μετρήσεων

Τα συστήματα εργαστηριακών μετρήσεων σήμερα χρησιμοποιούν σε μεγάλο βαθμό μετατροπείς A/D και D/Α. Στα εργαστηριακά συστήματα ηλεκτρονικών μετρήσεων συναντάμε ψηφιακά πολύμετρα με πολύ υψηλές αναλύσεις, ψηφιακούς παλμογράφους (DSO Digital Storage Oscilloscopes) με δυνατότητες ψηφιοποίησης έως και 8 Gsamples/sec, και ψηφιακές γεννήτριες σήματος. Τα αναλογικά συστήματα εκτοπίζονται με γοργούς ρυθμούς, αφού τα ψηφιακά προσφέρουν συνήθως υψηλότερες επιδόσεις με μικρότερο κόστος. Τα συστήματα μετρήσεων για
ιατρικούς σκοπούς χρησιμοποιούν σε μεγάλο βαθμό μετατροπείς A/D και D/Α με παραδείγματα όπως η αξονική τομογραφία, η μαγνητική τομογραφία, τα υπερηχογραφήματα, τα συστήματα αυτόματης ανάλυσης αίματος, μέτρησης σακχάρου κλπ.

• Συστήματα επικοινωνίας

Στα συστήματα επικοινωνιών τα ψηφιακά συστήματα έχουν επικρατήσει λόγω της αξιοπιστίας που εξασφαλίζει η ψηφιακή μετάδοση και λήψη πληροφοριών. Τα ψηφιακά σήματα επειδή έχουν μόνο δύο στάθμες, επηρεάζονται λιγότερο από θορύβους, συγκριτικά με τα αναλογικά. Σήμερα σχεδόν όλα τα τηλεπικοινωνιακά συστήματα τηλεφωνίας είναι ψηφιακά, στα οποία η φωνή του κάθε συνδρομητή ψηφιοποιείται με μετατροπείς A/D (οι οποίοι είναι εγκατεστημένοι στα κέντρα του τηλεπικοινωνιακού οργανισμού), μεταδίδεται ενσύρματα ή ασύρματα ψηφιακά και τελικά ξαναμετατρέπεται σε αναλογικό σήμα με τη χρήση μετατροπέων D/Α. Επίσης οι συσκευές των ψηφιακών κινητών τηλεφώνων (τύπου GSM) έχουν ενσωματωμένους μετατροπείς A/D και D/Α για την ψηφιοποίηση και την αναπαραγωγή της φωνής των συνομιλητών.
Επιπλέον για τη σύνδεση των υπολογιστικών συστημάτων μέσω του τηλεφωνικού δικτύου χρησιμοποιούνται τα modem. Με τα modem γίνεται δυνατή η διακίνηση της ψηφιακής πληροφορίας μέσα από το τηλεφωνικό δίκτυο το οποίο κατασκευάσθηκε για τη μετάδοση αναλογικών σημάτων. Τα βασικά κυκλώματα ενός modem για τη μετατροπή του ψηφιακού σήματος σε αναλογικό και αντίστροφα είναι οι μετατροπείς D/Α και A/D αντίστοιχα.

• Συσκευές πολυμέσων

Στην καθημερινή μας ζωή τα συστήματα εγγραφής και αναπαραγωγής ήχου και εικόνας από αναλογικά μετατρέπονται σε ψηφιακά. Mετατροπείς A/D χρησιμοποιούνται για την ψηφιοποίηση του ήχου και την αποθήκευσή του (για παράδειγμα σε CD ήχου) και για την αναπαραγωγή του χρησιμοποιούνται μετατροπείς D/A. Στον τομέα της φωτογραφίας με γοργούς ρυθμούς εξαπλώνεται η χρήση ψηφιακών φωτογραφικών μηχανών οι οποίες συνδυάζουν τους αισθητήρες φωτός τύπου CCD, με μετατροπέα A/D για την ψηφιοποίηση της εικόνας, η οποία στην συνέχεια αποθηκεύεται σε μνήμες FLASH. Στο χώρο του video σύντομα θα επικρατήσει η ψηφιακή τεχνολογία DVD (Digital Versatile ή Video Disk) η οποία συνδυάζει μετατροπείς A/D για την ψηφιοποίηση της εικόνας από αισθητήρες CCD και μετατροπείς D/Α για την αναπαραγωγή της. Τέλος τα κυκλώματα οδήγησης των οθονών υπολογιστών χρησιμοποιούν μετατροπείς D/A.