محولات الإشارة: محول الاشارة التماثلية الى رقمية (ADC) ومحول الإشارة الرقمية إلى تماثلية (DAC)

بماذا نحتاج إلى تحويل الإشارة؟ جميع الإشارات الفيزيائية الموجودة في الطبيعة عبارة عن إشارات تماثلية، ومن أجل معالجة هذه الإشارات معالجة رقمية (بواسطة الحواسيب أو المتحكمات الدقيقة على سبيل المثال) يجب علينا تحويلها أولا إلى إشارات رقمية، وبعد معالجتها رقميا يجب علينا تحويلها مجددا وإعادتها إلى طبيعتها الأصلية كإشارة تماثلية.

من بين الأمثلة حول محولات الإشارة، مثال معالجة الإشارة الصوتية، فعندما يتحدث شخص ما عبر الميكروفون يقوم هذا الأخير بإستقبال إشارة رقمية يتم تحويلها بعده بواسطة محول تناظري رقمي (ADC) إلى إشارة رقمية ستتم معالجتها بواسطة الحاسوب بعدها يقوم محول رقمي تناظري (DAC) بتحويلها إلى إشارة تناظرية.

المحولات الرقمية التماثلية (DAC):

المحول الرقمي التماثلي (DAC) يقوم بتحويل الإشارة الرقمية (digital) إلى إشارة تماثلية (analogue). وفق مبرهنة شانون-نايكويست لأخذ العينات (Nyquist-Shannon sampling theorem) فإن جميع البيانات الرقمية بإمكانها العودة إلى صورتها الأصلية كبيانات تماثلية إذا كان تردد أخد العينات (fa) أكبر من أو يساوي التردد الأقصى للإشارة التماثلية (fmax).

تستطيع المحولات الرقمية التماثلية إعادة إنشاء الإشارة التماثلية بدقة كبيرة إنطلاقا من إشارة متقطعة (رقمية)، قد يكون مصدر هذه الإشارة عبارة عن معالج دقيق أو متحكم دقيق أو FPGA، لكن هذه البيانات الرقمية لا يمكننا التفاعل معها في العالم الحقيقي قبل تحويلها إلى إشارة تماثلية.

هناك نوعان من المحولات الرقمية التماثلية هما:

• محول ذو شبكة مقاومات موزونة: تكون الدارة الكهربائية لهذا المحول على الشكل التالي:

يقوم هذا المحول بتوليد خرج تماثلي، مساوي تقريبا للدخل الرقمي، القاطعات (switches) المبينة في الدائرة أعلاه تكون موصولة مع المأخذ الأرضي في حالة ما إذا كانت البِتات (bits) الموافقة لها مساوية للصفر "0"، بينما تكون موصولة مع الجهد المرجعي في حالة ما إذا كانت البتات الموافقة لها مساوية للواحد "1".

• محول ذو شبكة سلمية: وتكون دارته كالتالي:

تماما مثل المحول السابق القاطعات (switches) المبينة في الدائرة أعلاه تكون موصولة مع المأخذ الأرضي في حالة ما إذا كانت البِتات (bits) الموافقة لها مساوية للصفر "0"، بينما تكون موصولة مع الجهد المرجعي في حالة ما إذا كانت البتات الموافقة لها مساوية للواحد "1".

تتمثل محاسن المحول ذو شبكة سلمية في:

• لا يدخل في تركيبه سوى قيمتين من المقاومات هما R و2R.
• إذا ما أردنا تحويل دخل رقمي يحتوي على عدد أكثر من البتات فكل ما علينا فعله هو إضافة أقسام R-2R أخرى.

المواصفات الفنية للمحولات الرقمية التماثلية (DAC):

• الدقة (resolution): تمثل مقدار تغير الجهد الأصغر للمحول عند الخرج مقابل تغير جهد الدخل، وبتعبير أوضح إذا ما تغير الدخل ببت (bit) واحد فإن المقدار الذي تغير به الجهد يمثل دقة المحول. عادة ما تكون الدقة صغيرة جدا حيث تُقاس بالميلي فولت.
• سرعة التحويل: عادة ما تُقاس بالميلي ثانية، وتبلغ في بعض المحولات المتقدمة بضعة نانو ثانية.
• علاقة الدخل خرج: وهي تمثل قيمة جهد الخرج من أجل قيمة معينة لكلمة الدخل بالصيغة الثنائية (binary).

المحولات التماثلية الرقمية (ADC):

محول البيانات الذي يقوم بتحويل الإشارة التماثلية إلى إشارة رقمية يُعرف باسم المحول التماثلي الرقمي أو ADC إختصارا، يقوم هذا النوع من المحولات بأخذ عينات من الإشارة التماثلية بحيث يحترم مبرهنة شانون-نايكويست، ثم يقوم بعدها هذا المحول بتقييم كل مستوى من هذه العينات ليقوم بعدها بإعطاء كل عينة قيمة رقمية على شكل كلمة ثنائية (binary).

هناك عدة أنواع من المحولات التماثلية الرقمية والتي نذكر منها:

• محول التقريب المتتالي التسلسلي: يعتبر هذا النوع من المحولات النوع الأكثر استعمالا وطريقة التحويل الأكثر انتشارا، يكون زمن التحويل تابث. يمكن تلخيص عمل محول التقريب المتتالي المتسلسل 4 بت فيما يلي:

1-يتم إعطاء البت MSB قيمة 1 في البداية بينما البتات الثلاثة الباقية تكون 000. الفولطية المكافِئة الرقمية تتم مقارنتها مع الفولطية الخاصة بالدخل والتي تكون قيمتها غير معلومة.

2- إذا ما كانت فولطية الدخل أكبر من الفولطية الرقمية المكافِئة، يتم حفظ قيم MSB كواحد "1" ثم جعل البت الذي يليه مساويا لواحد "1" أيضا، أما في حالة ما إذا كانت فولطية الدخل أصغر من الفولطية الرقمية المكافِئة فإن البت MSB يتم جعله مساويا للصفر "0" بينما البت الذي يليه يُعطى قيمة "1".

• المحول الوميضي: تكون الدارة الكهربائية لهذا المحول على الشكل التالي:

المصدر: electronics-tutorial

تُمثل الصورة السابقة محول وميضي 2 بت، يتم استعمال المكبرات العملياتية كمقارنات، المدخل الغير العاكس لكل منها يتم توصيله مع فولطية الدخل بينما المدخل العاكس لكل مقارن يتم توصيله مع مجموعة من الجهود المرجعية (V/4 و 2V/4 و 3V/4)، يمكننا الحصول على هذه الجهود المرجعية باستعمال مقسم جهد.

يوضح الجدول التالي خرج المقارن عند كل نطاق للدخل الماثلي و الجهد الرقمي المقابل عند الخرج:

المصدر: electronics-tutorial

محاسن المحول الوميضي:

• يُعتبر اسرع المحولات الرقمية التماثلية لأن عملية التحويل تتم بصورة آنية ولحظية.
• سهل التصميم.