Most Między Światem Analogowym a Cyfrowym

Przetwornik analogowo-cyfrowy (A/C lub ADC) to układ elektroniczny, który przekształca ciągły sygnał analogowy (np. napięcie z mikrofonu) w dyskretną reprezentację cyfrową (liczbę binarną). Proces ten jest fundamentalny dla nowoczesnej elektroniki, umożliwiając systemom cyfrowym, takim jak komputery, przetwarzanie, przechowywanie i przesyłanie sygnałów ze świata rzeczywistego.

Metody przetwarzania A/C są ogólnie klasyfikowane w dwóch głównych rodzinach, w zależności od sposobu, w jaki dokonują tej transformacji:

• Metody Przetwarzania Bezpośredniego: Te metody porównują wejściowe napięcie analogowe bezpośrednio z serią napięć odniesienia w celu określenia wyjścia cyfrowego. Są one generalnie bardzo szybkie, ale mogą być złożone.
• Metody Przetwarzania Pośredniego: Te metody najpierw przekształcają napięcie analogowe w wielkość pośrednią, taką jak czas lub częstotliwość, która jest następnie mierzona w celu uzyskania końcowego wyniku cyfrowego. Są zazwyczaj wolniejsze, ale mogą osiągać bardzo wysoką dokładność.

Metoda Bezpośrednia 1: Przetwornik Flash (Równoległy)

Przetwornik typu Flash jest najszybszym dostępnym typem konwertera. Działa poprzez jednoczesne wykonanie wszystkich możliwych porównań napięcia, stąd jego alternatywna nazwa – przetwornik równoległy.

Zasada Działania

Architektura składa się z trzech kluczowych części:

1. Drabinka Rezystorowa: Łańcuch $L_R = 2^N$ identycznych rezystorów tworzy zestaw precyzyjnych napięć odniesienia. Dla przetwornika o rozdzielczości $N$ bitów, drabinka ta dostarcza $2^N-1$ unikalnych poziomów napięcia.
2. Bank Komparatorów: Rdzeniem przetwornika jest bank $L_K = 2^N-1$ komparatorów. Nieznane napięcie wejściowe $U_{we}$ jest podawane na jedno wejście każdego komparatora, podczas gdy drugie wejście każdego komparatora jest podłączone do unikalnego odczepu na drabince rezystorowej.
3. Dekoder: Wyjścia wszystkich komparatorów tworzą tzw. „kod termometrowy” (wszystkie komparatory poniżej pewnego poziomu mają na wyjściu '1', a wszystkie powyżej '0'). Logiczny dekoder cyfrowy przekształca ten kod w standardowy $N$-bitowy kod binarny na wyjściu.

Metoda Bezpośrednia 2: Przetwornik z Sukcesywną Aproksymacją

Przetwornik z rejestrem kolejnych przybliżeń (SAR - Successive Approximation Register) jest jednym z najczęściej używanych typów, oferującym doskonałą równowagę między szybkością, rozdzielczością i kosztem. Działa on jak cyfrowe wyszukiwanie binarne, aby "namierzyć" prawidłowy kod cyfrowy dla napięcia wejściowego.

Zasada Działania

Proces konwersji zajmuje $N$ cykli zegarowych dla przetwornika $N$-bitowego:

1. Inicjalizacja: SAR ustawia najbardziej znaczący bit (MSB) na '1', a wszystkie pozostałe bity na '0'.
2. Konwersja na Analog: Ta cyfrowa "próba" jest podawana na wejście Przetwornika Cyfrowo-Analogowego (C/A), który generuje napięcie analogowe równe połowie napięcia odniesienia ($U_{REF}/2$).
3. Porównanie: Komparator sprawdza, czy napięcie wejściowe $U_{we}$ jest wyższe czy niższe od napięcia wyjściowego z przetwornika C/A.
4. Decyzja i Iteracja: Jeśli $U_{we}$ jest wyższe, MSB pozostaje '1'. Jeśli jest niższe, MSB jest resetowane do '0'. Następnie SAR przechodzi do następnego bitu, ustawia go na '1', a C/A generuje nowe napięcie testowe ($U_{REF}/2 \pm U_{REF}/4$). Proces ten powtarza się dla wszystkich $N$ bitów, od najbardziej do najmniej znaczącego, stopniowo zawężając poprawną wartość cyfrową.

Metoda Pośrednia: Przetwornik z Podwójnym Całkowaniem

Przetworniki całkujące są znane ze swojej wysokiej precyzji i doskonałej odporności na szumy, co czyni je idealnymi do pomiarów o wysokiej rozdzielczości, aczkolwiek przy niższej prędkości. Architektura z podwójnym całkowaniem jest szczególnie pomysłową i solidną implementacją.

Zasada Działania

Konwersja odbywa się w dwóch odrębnych fazach:

1. Faza 1 (Całkowanie sygnału wejściowego): Nieznane napięcie wejściowe $U_I$ jest podawane na wejście integratora przez stały okres czasu $T_1$. W tym czasie licznik zlicza stałą liczbę impulsów zegarowych ($N_{max}$). Napięcie wyjściowe integratora rośnie do poziomu wprost proporcjonalnego do napięcia wejściowego.
2. Faza 2 (Całkowanie napięcia odniesienia): Wejście integratora jest przełączane z $U_I$ na stabilne, znane ujemne napięcie odniesienia $-U_R$. Napięcie wyjściowe integratora zaczyna teraz opadać. Licznik jest zerowany i ponownie zaczyna zliczać, aż napięcie na wyjściu integratora osiągnie zero, co jest wykrywane przez komparator. Czas opadania, $T_2$, jest mierzony liczbą impulsów zegarowych $N$, zliczonych w tej fazie.

Magia tej metody polega na tym, że końcowa liczba zliczeń $N$ jest wprost proporcjonalna do napięcia wejściowego $U_I$, a dokładne wartości rezystora (R) i kondensatora (C) integratora znoszą się, czyniąc konwersję bardzo dokładną i stabilną w czasie i temperaturze. Relacja ta jest następująca: $N = N_{max} \cdot \frac{U_I}{U_R}$.