การแปลงสัญญาณ A/D และ D/A
การสื่อสารข้อมูลด้วยคอมพิวเตอร์ สามารถสื่อสารข้อมูลได้ทุกประเภท ประกอบด้วย เสียง (Voice) อักขระข้อความ (Text), ภาพ (Image) และข้อมูลคอมพิวเตอร์ (Data) ซึ่งแต่ละข้อมูล มีลักษณะเฉพาะของสัญญาณที่แตกต่างกัน แบ่งการกระทำของข้อมูลดังนี้
1. Analog Computer
สัญญาณอนาลอกคือ สัญญาณข้อมูลแบบต่อเนื่อง (Continuouse Data) มีขนาดของสัญญาณไม่คงที่ การเปลี่ยนแปลงขนาดของสัญญาณแบบค่อยเป็นค่อยไปแปรผันตามเวลา เป็นสัญญาณที่มนุษย์สามารถสัมผัสได้ เช่น แรงดันของน้ำ
2.Digital Computer
สัญญาณดิจิตัล คือ สัญญาณข้อมูลแบบไม่ต่อเนื่อง (Discrete Data) มีขนาดของสัญญาณคงที่ การเปลี่ยนแปลงขนาดของสัญญาณเป็นแบบทันที ทันใด ไม่แปรผันตามเวลา เป็นสัญญาณที่มนุษย์ไม่สามารถสัมผัสได้ เช่น สัญญาณไฟฟ้า
ความสัมพันธ์ของสัญญาณอะนาลอก ดิจิตอล และตัวแปลงสัญญาณ
สัญญาอะนาลอก (Analog) และสัญญาณดิจิตอล (Digital)ทั้งสองสัญญาณ เกี่ยวข้องกับตัวแปลงสัญญาณ (Transducer)การเชื่อมต่อระบบอนาลอกเข้าสู่ระบบคอมพิวเตอร์ จะต้องมีตัวกลางใน การแปลงเปลี่ยนจากAnalogให้เป็นสัญญาณทางอิเล็กทรอนิกส์ เรียกว่า“ทรานส์ดิวเซอร์”(Transducer) การแปลงสัญญาณกลับไปกลับมาระหว่างสัญญาณ Analog และ Digital อาศัย "ตัวเปลี่ยนสัญญาณข้อมูล Converter"
การแปลงสัญญาณมี 2 วิธีคือ
- การแปลงสัญญาณอนาลอกเป็นสัญญาณดิจิตอล
- การแปลงสัญญาณดิจิตอลเป็นสัญญาณอนาลอก
การแปลงสัญญาณอนาลอกเป็นสัญญาณดิจิตอล
Analog to Digital Converter (A/D)ทำหน้าที่แปลงสัญญาณข้อมูลที่ มนุษย์รับรู้ สัมผัสได้ เป็นข้อมูลทางไฟฟ้า เพื่อป้อนเข้าสู่การประมวลผล จึงเป็นขบวนการหนึ่งของการรับข้อมูล (Input Unit)เป็นกระบวนการอีเลคโทรนิคส์ ที่สัญญาแปรผันต่อเนื่อง (analog) ได้รับการแปลงให้เป็นสัญญาณดิจิตอล โดยไม่มีการลบข้อมูลสำคัญผลลัพธ์ของ ADC มีลักษณะตรงข้าม คือ กำหนดระดับหรือสถานะ ตัวเลขของสถานะมักจะเป็นการยกกำลังของ 2 คือ 2, 4, 8, 16 เป็นต้น สัญญาณดิจิตอลพื้นฐานมี 2 สถานะและเรียกว่า binary ตัวเลขทั้งหมดสามารถแสดงในรูปของไบนารี ในฐานะข้อความของ หนึ่งและศูนย์
วงจรที่ใช้ในการแปลงสัญญาณอนาลอกเป็นดิจิตอลมีมากมายหลายชนิด โดยทั่วไปแล้ววงจรแปลงสัญญาณอนาลอกเป็นดิจิตอล (A/D converters) มีใช้งานอยู่ประมาณ 7 ชนิดคือ
- Parallel Comparator, Simultaneous, หรือ Flash A/D converter
- Single – Ramp หรือ Single – Slope A/D converter
- Dual – Slope A/D converter
- Charge balance A/D converter
- A/D converters using Counters and D/A converters
- Tracking A/D converters
- Successive – Approximation A/D converters
Counting Converter
เป็นการแปลงสัญญาณอนาล็อก เป็นสัญญาณดิจิตอล โดยใช้อัลกอริทึม การนับค่าเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ แล้วนำผลที่ได้จากการนับไปเปรียบเทียบกับค่าที่ต้องการที่ตั้งไว้ การแปลงสัญญาณอนาล็อก เป็นสัญญาณดิจิตอล มีประโยชน์มากในการควบคุมอุปกรณ์สวิตชิ่ง ซึ่งมีลักษณะการแปลงสัญญาณได้หลายวิธี แต่ละวิธีจะมีอัลกอริทึม ความรวดเร็วในการทำงาน และการใช้อุปกรณ์ฮาร์ดแวร์ต่างกันด้วย
ข้อบ่งเฉพาะของการแปลงสัญญาณ A/D (A/D SPECIFICATIONS)
ข้อบ่งเฉพาะจะบอกถึงขีดความสามารถของ converter โดยทั่วไปแล้วจะมีอยู่หลายคำ เช่น ความแม่นยำ,ความเที่ยงตรง และความเที่ยงตรงเป็นเส้นตรง ซึ่งค่าเหล่านี้จะขึ้นอยู่กับลักษณะของแต่ละวงจร แต่มีข้อบ่งเฉพาะอีกข้อหนึ่งที่ไม่ขึ้นอยู่กับลักษณะของวงจรคือ ค่าผิดพลาดระหว่างค่าจริงของสัญญาณอะนาลอก กับค่าของดิจิตอลที่ใช้แทนค่า (ค่าของ Output ของ A/D converter) ซึ่งเรียกว่า Quantizing error จะมีค่าอยู่ประมาณ +1/2 digit ต่ำสุด (LSB)ของการแปลงสัญญาณซึ่งก็เป็นการบ่งถึงความแม่นยำได้อีกทางหนึ่งด้วยค่า พารามิเตอร์ที่สำคัญอีกตัวหนึ่งสำหรับ A/D converter คือ conversiontime หรือค่าเวลาสำหรับการแปลงสัญญาณ ซึ่งมีช่วงเวลาอยู่ประมาณ 10-9 วินาที ถึง 10-3 วินาที ซึ่งขึ้นอยู่กับชนิดของconverterและจำนวน bit
การแปลงสัญญาณดิจิตอลเป็นสัญญาณอนาลอก
Digital to Analog Converter (D/A) ทำหน้าที่แปลงข้อมูลผลลัพธ์จากการประมวลผลเป็นสัญญาณไฟฟ้า ให้เป็นสัญญาณที่มนุษย์รับรู้ได้ สัมผัสได้ เป็นการแสดงผลข้อมูล (Output Unit)digital-to-analog conversion เป็นกระบวนการซึ่งสัญญาณมีการกำหนดระดับ หรือสถานะจำนวนหนึ่ง ( ปกติ คือ 2 สถานะ) หรือสัญญาณดิจิตอล ให้เป็นสัญญาณที่ไม่จำกัดจำนวนของสถานะ หรือสัญญาณอนาลอก ตัวอย่าง กระบวนการของโมเด็มในการแปลงข้อมูลคอมพิวเตอร์ เป็นความถี่เสียง ให้สามารถส่งผ่านสายโทรศัพท์ twisted pair ในวงจรที่ทำงานให้กับฟังก์ชันนี้ เรียกว่า digital-to-analog converter (DAC) โดยพื้นฐาน digital-to-analog conversion ตรงข้ามกับ analog-to-analog conversion ถ้า analog-to-analog converter (ADC) วางอยู่ในวงจรการสื่อสารต่อจาก DAC สัญญาณดิจิตอลส่งออก จะตรงกับสัญญาณดิจิตอลนำเข้า ในกรณีที่ DAC วางอยู่ในวงจรต่อจาก ADC สัญญาณอะนาล๊อกส่งออกจะเป็นตรงกับสัญญาณอะนาล๊อกนำเข้าสัญญาณดิจิตอล แบบ binary จะปรากฏเป็นข้อความขนาดยาว ของ 1 และ 0 ซึ่งจะไม่มีความหมายต่อการอ่าน แต่เมื่อ DAC ใช้ถอดรหัสสัญญาณดิจิตอลแบบ binary จึงปรากฏผลลัพธ์ที่มีความหมาย ซึ่งอาจจะเป็น เสียง ภาพ เสียงดนตรี และกลไกการเคลื่อน
วงจรแปลงสัญญาณดิจิตอลเป็นสัญญาณอนาลอกมี 2 ลักษณะดังนี้
1.แบบรวมกระแส (weighted -resistor)
คุณลักษณะของ D/A แบบรวมกระแส
- จะต้องมีตัวต้านทานทุกอินพุทของสัญญาณดิจิตอล
- ตัวต้านทานนี้อินพุทของทุกบิทจะมีค่าเท่ากับเอาต์พุตของระดับดิจิตอลสูงสุด
- แรงเคลื่อนที่เอาต์พุตเต็มสเกลจะมีค่าเท่ากับเอาต์พุตของระดับดิจิตอลสูงสุด
- LSB จะมีน้ำหนักเป็น1/(2n-1) เมื่อ n เป็นจำนวนบิทที่อินพุท
- เมื่อ LSB เปลี่ยนแปลงแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่เอาต์พุตจะเปลี่ยนไป 1/(2n-1) เมื่อ V เป็นระดับสัญญาณดิจิตอล
2.โครงข่ายแบบ R-2R (R-2R network)
การ Convert ค่าจากดิจิตอลเป็นอนาล็อกนั้น สามารถใช้ integrated circuit แปลงได้ แต่ถ้าหากคำนึงถึงเรื่องcostด้วยแล้ว วงจรที่สามารถทำได้และราคาถูกกว่าก็คือ R/2R Network นั่นเอง ซึ่งใช้ op-amp เป็นตัวควบคุม
R/2R Network ทำได้จากการนำต่อต้านทานมาต่อดังรูป แต่ละบิตทั้งที่มีค่าเป็น 0 หรือที่เป็น operating voltage นั้นเป็นค่าที่อยู่ในวงจรของตัวต้านทานที่มีค่าเป็น 2 เท่าของrest network ซึ่งแต่ละบิตจะแสดงผลลัพธ์ออกเป็นoutput นั่นเอง จะเชื่อหรือไม่เชื่อว่าNetwork นี้ทำงานได้จริง ใช้เป็น Digital-to-Analog-Converters โดยใช้แค่เพียงตัวต้านทานต่อกันเป็นเครือข่ายตามรูป โดยไม่จำเป็นต้องใช้วงจรรวม integrated circuits แม้แต่วงจรเดียว
Output จาก AVR port มีค่ากระแสไม่มากนัก เมื่อค่าความต่างศักย์ของมันควรจะมีค่าใกล้ๆศูนย์หรือพอกับ operating voltage ดังนั้นตัวต้านทานจึงควรมีค่าราวๆ 10กิโลโอห์ม เพราะจะทำให้วงจรไม่มีค่ากระแสมากเกินไปนั้นเอง และตัวop-amp เองก็สามารถทำงานกับวงจร R/2R Network ได้
R/2R Network and Buffer 
CA3140 เป็น Op-amp ที่มี FET stage เป็น input ซึ่งสามารถทำงานได้โดยค่าโวลต์ที่เป็นลบ หรือที่เรียกว่า Negative operating voltage นั่นเอง การทำงานของ CA3140นั้น ทำงานที่ค่าความต่างศักย์เป็น 5 โวลต์จาก 10-pin-connector ซึ่งConnector นี้ใช้กับboard STK200 หรือ STK500 ในที่จริงแล้วเราสามารถป้อนค่าความต่างศักย์ที่สูงกว่า 2 โวลต์ได้เช่นกัน โดยการใช้ตัวต้านทาน2ตัว ต่อขนานกันซึ่งจะได้ค่าประมาณครึ่งหนึ่งของ 100 k อาจจะเป็น 51k หรือมากกว่าหรือน้อยกว่าก็ได้ ซึ่งจะทำให้วงจรมี resolution เป็น 256 ซึ่งวงจรที่ได้ เป็นดังภาพด้านบน
