آموزش مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC چیست؟)

چند سال پیش تمام دستگاه های الکترونیکی مانند تلفن ها  رایانه ها  تلوزیون ها و … که امروزه از آنها استفاده میکنیم در طبیعت بودند . سپس به آرامی تلفن های ثابت با تلفن های موبایل مدرن جایگزین شدند. تلوزیون های CRT با نمایشگرهای LED جایگزین شدند و کامپیوتر ها با ریز پردازنده ها و میکروکنترلر ها داخل انها و غیره تکامل یافته اند. در عصر دیجیتال امروز همه ما توسط دستگاه های الکترونیکی پیشرفته دیجیتال احاطه شده ایم.

این ممکن است که فکر کنیم همه چیز پیرامون ما دارای طبیعت دیجیتالی است که این درست نیست. دستگاه های الکترونیکی ما که روی میکرو کنترلر ها و میکرو پردازنده ها کار میکنند نمیتوانند مقادیر انالوگ را مستقیما بخوانند و تفسیر کنند زیرا فقط در 0 و 1 کار میکنند. بنابراین ما به چیزی نیاز داریم که تمام این مقادیر انالوگ را به 0 و 1 تبدیل کند پس بنابراین میکروکنترلر ها و میکرو پردازنده ها میتوانند آنها را درک کنند . به این وسیله مبدل آنالوگ به دیجیتال یا مخفف آن ADC گفته میشود . در این مقاله ما همه چیز در مورد ADC و چگونگی استفاده آن را یاد میگیریم .

 ADC چیست؟

همانطور که در ابتدا گفته شد ADC مخفف مبدل آنالوگ به دیجیتال است و از آن برای تبدیل مقادیر آنالوگ از دنیای واقعی به مقادیر دیجیتالی 0 و 1 استفاده میشود.  بنابراین باید بدانیم که مقدار آنالوگ چیست؟ مقادیر آنالوگ مواردی هستند که در زندگی روزمره مشاهده میکنیم مانند دما، سرعت، روشنایی و …  اما صبر کنید ! آیا ADC میتواند دما و سرعت را مستقیما به مقادیر دیجیتالی مانند 0 و 1 تبدیل کند ؟ خیر ! یک ADC فقط میتواند مقادیر ولتاژ آنالوگ را به مقادیر دیجیتال تبدیل کند . بنابراین هر پارامتری را که میخواهیم اندازه بگیریم ابتدا باید به ولتاژ تبدیل شود این تبدیل با کمک سنسور ها قابل انجام است. برای مثال برای تبدیل مقادیر دما به ولتاژ میتوانیم از ترمیستور به طور مشابه برای تبدیل روشنایی به ولتاژ از LDR  استفاده کنیم. پس از تبدیل به ولتاژ میتوانیم ان را با کمک ADC بخوانیم.

به منظور استفاده از ADC باید ابتدا با بعضی از اصطلاحات اساسی مانند کانال های وضوح، دامنه، ولتاژ مرجع و … آشنا شویم .

محاسبه مقدار دیجیتال از موج آنالوگ

فرمول بالا نحوه محاسبه مقدار دیجیتال را نشان میدهد. در فرمول بالا مواردی داریم که نیاز به توضیح دارند :

• Vin : ولتاژ ورودی است یعنی ولتاژی که قرار است مقدار دیجیتال آن محاسبه شود.
• Vref : ولتاژ مرجع است.
• n : درجه دقت است که در میکروکنترلر AVR اغلب دارای دقت 10 بیتی هستند که میشود برای آنها از دقت 8 نیز استفاده کرد.

دقت 10 بیتی آنالوگ به دیجیتال

به طور مثال وقتی ولتاژ ورودی شما بین 0 تا 5 است، میکروکنترلر این فاصله را به 2¹⁰ = (1024) واحد تقسیم میکند. تصویر زیر را ببینید :

همانطور که در تصویر بالا مشاهده میکنید ولتاژ 0 تا 5 ولت به 1024 واحد دیجیتال تبدیل میشوند. و به طور مثال ولتاژ 2.5 میشود 512 واحد ADC. هر چه درجه دقت یک میکروکنترلر بالاتر باشد ، دقت محاسبه ADC در آن بالا تر است.

Vref : این ولتاژ برای مقایسه با ولتاژ ورودی استفاده میشود. مثلا اگر ولتاژ مرجع را 4 انتخاب کنیم ، بازه 0-4 نیز به 1024 قسمت تقسیم میشود.

انواع مبدل های آنالوگ به دیجیتال

برای تبدیل سیگنال آنالوگ به دیجیتال 6 روش داریم که در زیر لیست شده اند :

1. روش موازی یا همزمان
2. روش دو شیب
3. روش پله ای
4. روش تبدیل ولتاژ به فرکانس
5. روش تبدیل ولتاژ به زمان
6. روش تقریب متوالی

سوالات متداول در مورد ADC

چطور میتوان ولتاژ بیش از 5 ولت را اندازه گیری کرد ؟ همانطور که در ابتدا گفته شد ماژول نمیتواند مقدار ولتاژ را بیش از ولتاژ کار میکروکنترلر اندازه گیری کند. یک میکروکنترلر 5 ولت نمیتواند ورودی آنالوگ به دیجیتال بیشتر از 5 ولت داشته باشد. بنابراین قبل از ارائه ولتاژ بیش از 5 ولت برای تبدیل آنالوگ به دیجیتال، میبایست ولتاژ را به محدوده 0-5 ولت برسانید.

چگونه مقادیر دیجیتالی را از ADC به مقادیر واقعی ولتاژ تبدیل کنیم ؟ در هنگام استفاده از مبدل ADC برای اندازه گیری ولتاژ آنالوگ نتیجه بدست آمده توسط MCU به صورت دیجیتالی خواهد بود. بنابراین ما خودمان باید آن را با انجام برخی محاسبات به مقدار واقعی ولتاژ تبدیل کنیم.