ADC
เรียนรู้ ADC Architecture แบบต่างๆ
สัญญาณทางไฟฟ้าจำแนกได้เป็น 2 ชนิดคือ 1.สัญญาณอนาลอก และ 2.สัญญาณดิจิตอล ในระบบดิจิตอลจะมีแต่ Logic 0 และ Logic 1 ในกรณีที่เราจะเอาสัญญาณอนาลอกเข้ามาประมวลผลด้วยไมโครคอนโทรลเลอร์ เราจำเป็นต้องแปลงสัญญาณอนาลอกให้เป็นสัญญาณดิจิตอลเสียก่อน ตัวแปลงสัญญาณที่ว่านี้ก็คือ ADC
ADC(Analog-to-Digital Converters) แปลอย่างตรงตัวคือ ตัวแปลงสัญญาณอนาลอกให้เป็นสัญญาณดิจิตอล การแปลงสัญญาณอนาลอกให้เป็นสัญญาณดิจิตอลมีด้วยกันหลายวิธี ดังต่อไปนี้
ADC แต่ละชนิดจะมีจุดเด่นจุดด้อยแตกต่างกันไปผู้ออกแบบจำเป็นต้องเลือกใช้ ADC ให้เหมาะสมกับลักษณะงาน
1. Delta-Sigma
Delta-sigma เป็นการแปลงสัญญาณที่มีความละเอียดสูง เป็นการแปลงที่ถือว่าเป็นอุดมคติ (Ideal) และทำงานได้หลายย่านความถี่ ตั้งแต่สัญญาณ DC ไปจนถึงหลัก MHz การทำงานของ Delta-Sigma ADC สัญญาณอินพุตจะถูก Oversample โดยตัว Modulator หลังจากนั้นจะนำสัญญาณมากรองอีกทีเพื่อให้ได้ค่าที่ถูกต้องมากขึ้นโดย Digital Filter จึงทำให้ได้ค่า ADC ที่มีความละเอียดสูง ที่เรทแซมปลิ้งต่ำ
เพราะว่า Delta-sigma ทำการ Oversample สัญญาณอินพุตจึงทำให้ได้สัญญาณเรียบขึ้น(Anti-aliasing) และในวงจรส่วน Digital Filter จะมีต้นทุนที่ต่ำกว่า Analog Filter โดยปกติแล้วความละเอียดสูงๆจากการแปลงแบบ Delta-sigma จะใช้ในงานด้านเสียง (audio), งานควบคุมในอุตสาหกรรม และ งานเครื่องมือวัด
โดยปกติแล้ว Delta-sigma จะรับสัญญาณความแตกต่างระหว่าง 2 อินพุต แทนที่จะเป็นการวัดโวลต์เทียบกราวน์ การวัดสัญญาณความแตกต่าง (Differential) ของอินพุตสามารถนำไปวัดเซ็นเซอร์แบบบริดจ์ เช่นเทอร์โมคัปเปิ้ลได้ Delta-sigma เป็นการแปลงสัญญาณที่แตกต่างกับ SAR การแปลงสัญญาณแบบ SAR จะเหมือนกับการวัดสัญญาณ ณ ตอนนั้น ส่วน Delta-sigma จะเหมือนกับค่าเฉลี่ยของสัญญาณไฟฟ้าใน 1 ช่วงเวลา
โดยส่วนมาก Delta-sigma จะมีบัฟเฟอร์และตัวขยาย (Programable gain amplifiers=PGA) อยู่ในตัว บัฟเฟอร์จะมีอิมพิแดนส์สูงเพื่อให้ต่อตรงกับขาสัญญาณได้โดยไม่มีทำให้วงจรมีค่าอิมพิแดนส์มีค่าผิดไปจากเดิม ดังนั้น Delta-sigma จึงสามารถใช้วัดสัญญาณที่มีขนาดเล็กได้ดี เช่นสัญญาณจากเทอร์โมคัปเปิ้ล เพราะมี PGA อยู่ในตัวสามารถปรับค่า gain ได้ตามความเหมาะสม
รูปที่ 1 โครงสร้างภายในของ Delta-Sigma ADC
2. SAR ADCs
Successive-approximation-register (SAR) analog-to-digital converters (ADCs) เป็น ADC ที่มีขายในตลาดมากที่สุด ความละเอียดจะอยู่ในระดับกลางถึงถึงความละเอียดสูง SAR ADCs ให้อัตราการ sampling ถึง 5 Msps ที่ความละเอียด 8-18 bits โครงสร้างแบบ SAR จะให้ประสิทธิภาพสูง กินไฟน้อย และมีขนาดเล็ก
หลักการของ SAR จะเหมือนตาชั่งแบบ balance คือจะมีน้ำหนักที่ไม่ทราบค่าอยู่ด้านหนึ่ง และน้ำหนักที่ทราบค่าอยู่อักด้านหนึ่ง เราจะเปลี่ยนน้ำหนักที่ทราบค่าไปเรื่อยๆจนกระทั่งตาชั่ง balance เมื่อมีสัญญาณอินพุตเข้ามาสัญญาณจะถูก sample เข้ามาและถูก hold ไว้เพื่อเปรียบเทียบกับแรงดันที่ทราบค่า และจะส่งผลลัพท์ไปที่เอาต์พุต
รูปที่ 2 โครงสร้างภายในของ SAR ADC
3. Flash ADC
Flash ADCs เป็นที่รู้กันในอีกชื่อว่า Parallel ADCs หรือแปลเป็นไทยได้ว่า การแปลงสัญญาณอนาลอกเป็นดิจิตอลแบบขนาน ADC ชนิดนี้เป็น ADC ที่เร็วที่สุด
Flash ADCs จะใช้ในงานที่มีแบนวิธกว้าง อย่างไรก็ตามโดยทั่วไปแล้วจะกินกระแสมากกว่า ADC ชนิดอื่น มีราคาแพง และโดยทั่วไปจะจำกัดความละเอียดไว้ที่ความละเอียด 8 บิต Flash ADCs สร้างมาจากวงจร Comparator มาต่อเรียงกัน โดย Comparator แต่ละตัวจะมีค่าเท่ากับ 1 บิต ซึ่งเป็นผลลัพธ์มาจากการเปรียบเทียบค่าของวงจร Comparator ตัวอย่างการใช้งานได้แก่การสื่อสารผ่านดาวเทียม, ออสซิสโลสโคป, ระบบประมวลผลเรดาร์
สถาปัตยกรรม
รูปที่ 1 แสดงถึง Block diagram โดยทั่วๆไป สำหรับ ADC ความละเอียด N บิต จะต้องมี Comparator จำนวน (2 ยกกำลัง N) - 1 ตัว และตัวต้านทาน Devider ที่ใช้เป็น Reference Voltage ในวงจรอีก 2 ยกกำลัง N ตัว
ในวงจร Comparator ภายใน ถ้ามีสัญญาณอนาลอกอินพุตเข้ามามากว่า Reference Voltage จะให้ Logic 1 ออกมา ในทางตรงกันข้ามถ้าสัญญาณอนาลอกอินพุตน้อยกว่า Reference Voltage จะให้ Logic 0 ออกมา
ถ้าให้สัญญาณอนาลอกอินพุตระหว่าง Vx4 และ Vx5 แล้ว X1 ถึง X4 ผลลัพธ์ได้ Logic 1 และ Comparator ที่เหลือได้้ Logic 0 ผลลัพธ์ที่ออกมาจะมีลักษณะเป็น Bar graph หรือเรียกว่า Thermometer Code เพราะมีลักษณะเป็นแท่งไม่ขาดตอน จาก Thermometer Code จะผ่านตัว Decoder เพื่อให้ได้สัญญาณเป็นเลขฐาน 2
จุดที่มีการเปลี่ยนแปลงจาก Logic 1 เป็น Logic 0 แสดงให้เห็นว่าสัญญาณมีค่าน้อยกว่า Reference Voltage ที่จุดนั้น
รูปที่ 3 โครงสร้างภายในของ Flash ADC
