ADC

Ένας μετατροπέας αναλογικού σήματος σε ψηφιακό (A/D ή ADC) δέχεται στην αναλογική του είσοδο μία αναλογική τάση και παράγει στις ψηφιακές του εξόδους έναν δυαδικό αριθμό ανάλογο της τάσης εισόδου. Στην είσοδο του μετατροπέα A/D τοποθετούμε την αναλογική τάση και στις Ν ψηφιακές εξόδους παίρνουμε ένα ψηφιακό αριθμό ανάλογο της τάσης εισόδου. 

Εκτός από την αναλογική είσοδο της τάσης και τις ψηφιακές εξόδους της μετατροπής, υπάρχει μία ψηφιακή είσοδος έναρξης της μετατροπής (Start Of Conversion - SOC) και μία ψηφιακή έξοδος λήξης της μετατροπής (End Of
Conversion - EOC). Η είσοδος SOC είναι είσοδος ελέγχου, με την ενεργοποίηση της οποίας ξεκινά η διαδικασία μετατροπής του σήματος από αναλογικό σε ψηφιακό. Συνήθως στους περισσότερους μετατροπείς A/D η ενεργοποίηση γίνεται με την εφαρμογή ενός παλμού σ’ αυτήν την είσοδο.

Τα κυριότερα χαρακτηριστικά των μετατροπέων A/D είναι:

• Διακριτική ικανότητα (resolution).

Είναι ο αριθμός των bits που χρησιμοποιεί ο μετατροπέας A/D για να αναπαραστήσει ένα αναλογικό σήμα. Όσο
μεγαλύτερη είναι η διακριτική του ικανότητα, τόσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός των υποδιαιρέσεων της περιοχής τάσης λειτουργίας του και επομένως τόσο μικρότερο το βήμα κβάντισης. Για παράδειγμα ένας μετατροπέας των 8 bits έχει διακριτική ικανότητα 8 bits, ο αριθμός των υποδιαιρέσεων της περιοχής τάσης λειτουργίας του είναι 256 (2⁸) και το βήμα κβάντισης για περιοχή τάσης λειτουργίας 4 V είναι 4V/255 = 15 mV. Η διακριτική ικανότητα των μετατροπέων A/D σε Ο.Κ. κυμαίνονται από 6 bits έως 24 bits.

• Ακρίβεια (accuracy).

Με τον όρο αυτό εννοούμε τη διαφορά της πραγματικής εξόδου από την ιδανική. Η ακρίβεια καθορίζεται ως ένα ποσοστό της περιοχής τάσης λειτουργίας (Full Scale Range - FSR) του μετατροπέα A/D. Αν ένας μετατροπέας A/D έχει περιοχή τάσης λειτουργίας 10 V (για παράδειγμα από 0 V έως 10 V ή από -5 V έως +5 V) και ακρίβεια 0.2% της περιοχής τάσης λειτουργίας, τότε το μέγιστο σφάλμα για οποιαδήποτε είσοδο θα είναι 20 mV ( = 10Vx 0.2/100). Αυτό
σημαίνει ότι για οποιαδήποτε τάση εισόδου μπορεί να έχουμε ένα σφάλμα ±20 mV.

• Χρόνος μετατροπής (Conversion time).

Ορίζεται ως ο χρόνος που απαιτείται για την ψηφιοποίηση της αναλογικής τάσης που εφαρμόζεται στην είσοδο του
μετατροπέα A/D. Ο χρόνος μετατροπής είναι συνήθως ανάλογος του αριθμού των bits του μετατροπέα. Ο χρόνος μετατροπής αποτελεί ένα μέτρο της ταχύτητας ενός μετατροπέα A/D. Ο χρόνος μεταξύ των διαδοχικών δειγμάτων της εισόδου του θα πρέπει να είναι μεγαλύτερος από το χρόνο μετατροπής (ή ισοδύναμα η μέγιστη συχνότητα δειγματοληψίας θα πρέπει να είναι μικρότερη από το αντίστροφο του χρόνου μετατροπής του). Ο χρόνος μετατροπής των μετατροπέων A/D σε Ο.Κ. κυμαίνεται από msec έως nsec.

Ένα αναλογικό σήμα μπορεί να πάρει άπειρες τιμές πλάτους σε μία περιοχή τιμών. Χρησιμοποιώντας όρους από τα μαθηματικά, λέμε πως ένα αναλογικό σήμα είναι μια συνεχής συνάρτηση στο πεδίο του πλάτους. Αν στην κάθε τιμή αντιστοιχίσουμε ένα δυαδικό αριθμό με συγκεκριμένο μήκος (περιορισμένος αριθμός bits), τότε το σήμα έχει μετατραπεί σε ψηφιακό. Η ψηφιακή του αναπαράσταση (κβάντιση) όμως θα γίνεται με αριθμούς συγκεκριμένου μήκους και επομένως το πλήθος των διαφορετικών τιμών θα είναι συγκεκριμένο και όχι άπειρο. Οι άπειρες τιμές που μπορεί να πάρει ένα αναλογικό σήμα περιορίζονται με τον καθορισμό περιοχών συγκεκριμένου πλάτους. Για κάθε τέτοια περιοχή αντιστοιχεί μία μόνο ψηφιακή τιμή. Το πλάτος της κάθε περιοχής είναι το βήμα κβάντισης. Η διαδικασία αντιστοίχισης του αναλογικού σήματος σε ψηφιακό
ονομάζεται κβάντιση (quantisation) του σήματος και το κύκλωμα με το οποίο πραγματοποιείται είναι ο μετατροπέας A/D.

Ένα αναλογικό σήμα εκτός από άπειρες τιμές πλάτους, παίρνει και άπειρες τιμές σε συνάρτηση με το χρόνο. Χρησιμοποιώντας όρους από τα μαθηματικά λέμε πως ένα αναλογικό σήμα είναι μια συνεχής συνάρτηση στο πεδίο του χρόνου. Δηλαδή, μπορούμε να παρατηρούμε το σήμα σε διαφορετικές χρονικές στιγμές οι οποίες απέχουν μεταξύ τους όσο θέλουμε. Η ψηφιακή αναπαράσταση ενός αναλογικού σήματος θα γίνεται με δείγματα σε συγκεκριμένες χρονικές στιγμές συγκεκριμένου μήκους και η διαδικασία αυτή με την οποία το αναλογικό σήμα αναπαρίσταται με δείγματα σε συγκεκριμένα χρονικά διαστήματα ονομάζεται δειγματοληψία (sampling) του σήματος. Το ηλεκτρονικό κύκλωμα με το οποίο γίνεται η δειγματοληψία είναι το κύκλωμα δειγματοληψίας και
συγκράτησης S/Η. Συνήθως τα δείγματα ισαπέχουν, όποτε έχουμε ένα σταθερό αριθμό δειγμάτων στη μονάδα του χρόνου, ο οποίος ονομάζεται ρυθμός δειγματοληψίας (sampling frequency) και μετριέται σε δείγματα ανά δευτερόλεπτο (samples/sec). Σαν παράδειγμα, μπορούμε να σκεφθούμε μία κινηματογραφική ταινία η οποία αποτελείται από διαδοχικές φωτογραφίες (στιγμιότυπα) που ισαπέχουν χρονικά μεταξύ τους (περίπου 50 msec).

Η μετατροπή ενός αναλογικού σήματος σε ψηφιακό με μετατροπέα A/D περιλαμβάνει πάντα δύο διαδικασίες:

1. Τη δειγματοληψία, με την οποία το αναλογικό σήμα από συνεχές στο πεδίο του χρόνου γίνεται διακριτό (παίρνει τιμές σε συγκεκριμένες χρονικές στιγμές) και η οποία υλοποιείται με το κύκλωμα της δειγματοληψίας και συγκράτησης (S/H).

2. Την κβάντιση, με την οποία το αναλογικό σήμα από συνεχές στο πεδίο του πλάτους γίνεται διακριτό (παίρνει συγκεκριμένες τιμές), και η οποία υλοποιείται με τον μετατροπέα A/D.

Το συνολικό αποτέλεσμα των δύο διαδοχικών διαδικασιών της δειγματοληψίας και της κβάντισης είναι η μετατροπή του αναλογικού σήματος το οποίο είναι συνεχές στο χρόνο και στο πλάτος σε ένα σήμα το οποίο είναι διακριτό στο πλάτος και στο χρόνο.