Tất cả chúng ta đang sống trong một thế giới analog, được xung quanh bởi các thiết bị kỹ thuật số. Mọi thứ tất cả chúng ta nhìn thấy, cảm nhận hoặc giám sát đều sở hữu thực chất analog như ánh sáng, nhiệt độ, tốc độ, áp suất, … Nhưng hồ hết các thiết bị điện tử xung quanh tất cả chúng ta từ một chiếc đồng hồ thời trang kỹ thuật số đơn giản đến một siêu máy tính đều là thiết bị kỹ thuật số. Vì vậy, rõ ràng là tất cả chúng ta cần một thứ có thể chuyển đổi các thông số analog này thành giá trị kỹ thuật số để bộ vi tinh chỉnh và điều khiển hoặc bộ vi xử lý hiểu được nó. Cái này được gọi là ADC hoặc Analog to Digital Converter và trong đó nội dung bài viết bộ chuyển đổi ADC là gì này Điện Tử Tương Lai sẽ khiến cho bạn tìm hiểu kỹ hơn về nó.

Bạn Đang Xem: Bộ chuyển đổi ADC là gì

Bộ chuyển đổi ADC là gì

ADC là từ viết tắt của Analog to Digital Converter hay bộ chuyển đổi analog sang kỹ thuật số là một mạch chuyển đổi giá trị điện áp liên tục (analog) sang giá trị nhị phân (kỹ thuật số) mà thiết bị kỹ thuật số có thể hiểu được sau đó có thể được sử dụng để tính toán kỹ thuật số. Mạch ADC này còn có thể là vi mạch ADC hoặc được nhúng vào một trong những bộ vi tinh chỉnh và điều khiển.

Vì sao phải chuyển đổi analog sang kỹ thuật số

Thiết bị điện tử ngày này hoàn toàn là kỹ thuật số, không còn là một thời kỳ của máy tính analog. Thật không may cho những mạng lưới hệ thống kỹ thuật số, thế giới tất cả chúng ta đang sống vẫn là analog và đầy sắc tố, không chỉ đen và trắng.

Ví dụ, một cảm ứng nhiệt độ như LM35 tạo ra điện áp phụ thuộc vào nhiệt độ, trong trường hợp của thiết bị cụ thể nó sẽ tăng 10mV khi nhiệt độ tăng lên mỗi độ. Nếu tất cả chúng ta kết nối trực tiếp thiết bị này với nguồn vào kỹ thuật số, nó sẽ ghi là cao hoặc thấp tùy thuộc vào các ngưỡng nguồn vào, điều này là hoàn toàn vô dụng.

Thay vào đó, tất cả chúng ta sử dụng một bộ ADC để chuyển đổi nguồn vào điện áp analog thành một chuỗi các bit có thể được kết nối trực tiếp với bus tài liệu của cục vi xử lý và được sử dụng để tính toán.

ADC hoạt động ra sao

Một cách rất hay để xem xét hoạt động của ADC là tưởng tượng nó như một bộ chia tỷ lệ toán học. Tỷ lệ về cơ bản là ánh xạ các giá trị từ dải này sang dải khác, vì vậy ADC ánh xạ một giá trị điện áp sang một số nhị phân.

Những gì tất cả chúng ta cần là một thứ có thể chuyển đổi điện áp thành một loạt các mức logic, ví dụ như trong một thanh ghi. Tất nhiên, các thanh ghi chỉ có thể đồng ý chấp thuận các mức logic làm nguồn vào, vì vậy nếu như bạn kết nối tín hiệu trực tiếp với nguồn vào logic, kết quả sẽ không còn tốt. Vì vậy cần có một giao diện ở giữa logic và điện áp nguồn vào analog.

Trong tương lai là một số tính năng quan trọng của ADC, trong những khi xem qua, tất cả chúng ta sẽ tìm hiểu cách nó hoạt động.

1. Điện áp tham chiếu

Xem Thêm : Kinh doanh là gì? Các lĩnh vực và hình thức kinh doanh hiện nay?

Tất nhiên, không có ADC nào là tuyệt đối, vì vậy điện áp được ánh xạ tới giá trị nhị phân lớn số 1 được gọi là điện áp tham chiếu. Ví dụ: trong bộ chuyển đổi 10 bit với 5V làm điện áp tham chiếu, 1111111111 (tất cả những bit một, số nhị phân 10 bit chất lượng cao có thể ) tương ứng với 5V và 0000000000 (số thấp nhất tương ứng với 0V). Vì vậy, từng bước một nhị phân lên đại diện thay mặt cho khoảng chừng 4,9mV, vì có thể có 1024 chữ số trong 10 bit. Số đo điện áp trên mỗi bit này được gọi là độ phân giải của ADC.

Điều gì sẽ xẩy ra nếu điện áp thay đổi dưới 4,9mV từng bước một? Nó sẽ đặt ADC vào vùng chết, do đó kết quả chuyển đổi luôn có một lỗi nhỏ. Có ngăn chặn lỗi này bằng phương pháp sử dụng ADC có độ phân giải cao hơn nữa ví dụ như bộ ADC lên mức 24 bit, mặc dù tần số chuyển đổi thấp.

1. Tốc độ mẫu

Số lượng chuyển đổi từ analog sang kỹ thuật số mà bộ chuyển đổi có thể thực hiện mỗi giây được gọi là tốc độ mẫu. Ví dụ: một bộ ADC thực sự tốt có thể có tốc độ mẫu là 300Ms / s. Đơn vị này được đọc là megasamples trên giây, tức là một triệu mẫu mỗi giây. Lưu ý rằng tiền tố SI ứng dụng ở đây.

Tốc độ lấy mẫu phụ thuộc hoàn toàn vào loại bộ chuyển đổi và độ xác thực cấp thiết. Nếu cần đọc rất xác thực, ADC thường dành nhiều thời kì hơn để xem xét tín hiệu nguồn vào (thường là lấy mẫu và giữ hoặc nguồn vào tích hợp) và nếu không cần độ xác thực cao thì nó có thể đọc rất nhanh.

Nguyên tắc chung là tốc độ và độ xác thực tỷ lệ nghịch với nhau, điều quan trọng là phải chọn ADC tùy thuộc vào ứng dụng.

Các loại ADC

1. Flash ADC

Đây là loại ADC đơn giản nhất và nhanh nhất, nó gồm có một loạt các bộ so sánh với những nguồn vào không đảo ngược nối với nguồn vào tín hiệu và các chân đảo ngược nối với một thang chia điện áp.

Tuy nhiên, nếu điện áp cao hơn nữa một trong các mức của bậc thang, tất cả những bit đầu ra dưới mức được đặt thành một, vì điện áp trên ngưỡng khi đối chiếu với các bộ so sánh dưới cùng. Để giải quyết và xử lý vấn đề này, các đầu ra được cấp qua bộ mã hóa ưu tiên chuyển đổi đầu ra thành nhị phân.

Tốc độ chỉ bị giới hạn bởi độ trễ truyền của cục so sánh và bộ mã hóa ưu tiên. Tuy nhiên, độ đúng là vừa phải.

1. ADC tích hợp đếm hoặc độ dốc

Tại đây, một mạch tạo đoạn dốc được khai mạc tại thời khắc chuyển đổi và bộ đếm nhị phân được phát động cùng lúc. Một bộ so sánh sẽ thấy khi đoạn dốc vượt quá điện áp nguồn vào và dừng bộ đếm nhị phân. Bộ đếm nhị phân thu được tỷ lệ với mức độ điện áp nguồn vào.

Độ xác thực tuyệt đối của cục chuyển đổi này vẫn là một thắc mắc, tuy nhiên nó thực hiện đơn giản và cho độ phân giải tốt, khoảng chừng cách đều giữa các bước nhị phân. Nếu không có chip, mạch này còn có thể được tạo riêng lẻ.

1. ADC ước tính kế tiếp

Bộ ADC này có nhẽ là xác thực nhất. Nó gồm có một bộ so sánh, một bộ DAC flash đơn giản và một thanh ghi bộ nhớ. Thiết bị lúc đầu giả thiết tất cả những bit trong thanh ghi ngoại trừ bit có ý nghĩa chất lượng cao (là một) là số 0. Sau đó thanh ghi này sẽ gửi nó đến DAC chuyển nó thành điện áp analog, được so sánh với nguồn vào thông qua bộ so sánh. Nếu điện áp nguồn vào cao hơn nữa điện áp DAC, thì MSB vẫn là một. Quá trình này tái diễn cho tới khi tất cả những bit giành được đặt thành không hoặc một, nói cách khác cho tới khi giá trị thanh ghi bằng điện áp nguồn vào.

ADC này là một trong những ADC thường được sử dụng nhất lúc cần độ xác thực và tốc độ không thật giới hạn, ví dụ như trong vi tinh chỉnh và điều khiển. ADC loại SA có thể dễ dàng đạt được thời kì chuyển đổi vài micro giây.

Xem Thêm : Ý Nghĩa Từ Liên Kết Phối Trí Là Gì, Số Phối Trí Là Gì

Các ứng dụng

1. Máy hiện sóng kỹ thuật số và đồng hồ thời trang vạn năng

Ưu điểm lớn số 1 của máy hiện sóng analog là có rất ít mạch điện giữa đầu nối nguồn vào và màn hình hiển thị, nói cách khác là bạn thấy xác thực những gì đang diễn ra trong mạch theo thời kì thực. Tuy nhiên, nó không thể lưu trữ các dạng sóng để sử dụng sau này hoặc thực hiện các phép đo trên bo.

Máy hiện sóng kỹ thuật số khắc phục được tất cả những vấn đề này và trọng tâm của nó là một bộ ADC rất mạnh và nhanh với độ phân giải từ 12 bit trở lên. ADC chuyển đổi các dạng sóng thành giá trị nhị phân có thể được lưu trữ trong bộ nhớ, vận hành và hiển thị trên màn hình hiển thị.

1. Vi tinh chỉnh và điều khiển

Hồ hết tất cả những vi tinh chỉnh và điều khiển tiến bộ đều sở hữu ADC tích hợp sẵn, phổ thông nhất là Arduino dựa trên ATMega328P với độ phân giải 10 bit và STM32 với độ phân giải 12 bit.

Arduino IDE cung cấp hàm ‘analogRead ()’ để đọc điện áp analog trên một trong các chân analog và trả về giá trị số nguyên 10 bit, tức là phạm vi từ 0 đến 1023.

1. Nguồn kỹ thuật số

Hồ hết các nguồn điện ngày này đều được tinh chỉnh và điều khiển bằng máy tính, và để máy tính đo điện áp đầu ra thì hãy có bộ ADC.

Cách sử dụng một IC ADC

Có rất nhiều IC ADC trên thị trường có thể được sử dụng để đo điện áp analog. ADC0804, ADC0808, MCP3008, … là một số module ADC được sử dụng nhiều nhất. Chúng thường được sử dụng cùng với Raspberry pi và bộ xử lý hoặc mạch kỹ thuật số khác ở đó ADC tích hợp sẵn không khả dụng. Ví dụ, tất cả chúng ta hãy xem xét vi mạch ADC ADS1115 của Texas Instruments có độ phân giải cao và kiến trúc tiến bộ.

Nó có trong gói QFN hoặc VSSOP, được cho phép một hệ số hình thức rất nhỏ. Nó gần như không chiếm dung tích trên PCB. Con chip nhỏ này làm được rất nhiều thứ, tất cả chúng ta sẽ xem xét một số tính năng của nó phía bên dưới.

1. Tương thích I2C

Bất kỳ ai đó đã từng thao tác làm việc với vi tinh chỉnh và điều khiển đều biết bus SPI và I2C hữu ích ra sao để giao tiếp với những thiết bị ngoại vi. Tính năng này khiến cho bạn rất dễ sử dụng IC này với bo Arduino vì các thư viện mở rộng đã được viết cho thiết bị.

1. Mức tiêu thụ điện năng

Lợi thế của việc sử dụng bất kỳ vi mạch tiến bộ nào là chúng tiêu thụ dòng điện rất thấp và hoạt động trên nhiều loại điện áp, trong trường hợp này là 2.0V đến 5.5V.

1. Bộ so sánh có thể lập trình

ADS đi kèm với một bộ so sánh mà tham chiếu của nó có thể được lập trình qua bus I2C. Tất nhiên khi đối chiếu với ứng dụng nhanh thì không có gì vượt mặt được IC so sánh rời rạc.

1. Nguồn vào có thể cấu hình

Bốn nguồn vào có thể là hai cặp vi sai (chỉ tính đến chênh lệch điện áp trên các chân đó) hoặc bốn nguồn vào đầu mút đơn.

Hạn chế của ADC

1. ADC chậm, thường theo trật tự vài micro hoặc nano giây.

1. Thiếu các giá trị điện áp liên tục.

1. Độ phức tạp của mạch tăng