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