تعد محولات DAC (رقمي إلى تناظري) وADC (تناظري إلى رقمي) مكونات أساسية في العديد من الأجهزة الإلكترونية التي نستخدمها يوميًا، حيث تسمح بتحويل المعلومات الرقمية الرقمية إلى إشارات تناظرية، مثل الصوت، والعكس صحيح. إذا كنت قد تساءلت يومًا كيف تتحول الموسيقى الرقمية من سلسلة من الآحاد والأصفار إلى شيء يمكن لأذنيك سماعه، أو كيف يقوم الميكروفون بتحويل صوتك إلى بيانات ليقوم الكمبيوتر بمعالجتها، فإن الإجابة تكمن في هذه المحولات. إن فهم كيفية عملها ليس أمرًا رائعًا فحسب، بل إنه أيضًا أمر أساسي لأولئك الذين يرغبون في دخول مجال الإلكترونيات أو الصوت أو ببساطة لديهم المزيد من المعرفة التقنية حول التكنولوجيا التي تحيط بنا.
وعلى الرغم من أن هذه الأجهزة تبدو معقدة، إلا أنها تنفذ عملية يسهل وصفها، ولكنها في الواقع تتطلب دقة عالية وتكنولوجيا متقدمة. سنقوم خلال هذه المقالة بشرح كيفية عملها وخصائصها الرئيسية والأنواع الموجودة ومكان استخدامها في الحياة اليومية حتى يكون كل شيء واضحًا لك.
ما هو محول DAC وما هو الغرض منه؟
Un محول رقمي إلى تناظري، المعروف أيضًا باسم DAC (المحول الرقمي إلى التناظري)، هو جهاز يأخذ المعلومات الرقمية، التي يتم تمثيلها عادةً في رمز ثنائي (تسلسل من 0 و1)، ويحولها إلى إشارة تناظرية مستمرة، كما يمكنك أن تكون صوتًا إشارة. هذه الإشارة التناظرية هي ما يمكنك الاستماع إليه بعد ذلك من خلال مكبرات الصوت أو سماعات الرأس أو أي جهاز إخراج صوت آخر.
La قرار تعد DAC واحدة من أهم المعلمات، لأنها تحدد دقة الإشارة التناظرية الناتجة. ترتبط الدقة بشكل مباشر بعدد بتات المحول: على سبيل المثال، تتمتع DAC ذات 8 بت بدقة أقل من 16 بت. يمكن لـ DAC الجيد أن يحسن جودة الصوت الرقمي بشكل كبير، كما هو الحال مع مشغلات الموسيقى عالية الدقة.
جانب آخر ذو صلة هو زمن الاستجابة، أي السرعة التي يمكنك بها إجراء التحويل. يعد هذا أمرًا بالغ الأهمية في التطبيقات الصوتية عالية الجودة، حيث يجب أن يكون زمن الوصول في حده الأدنى. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تحتوي محولات DAC أيضًا على أنواع مختلفة من المخرجات: قد يكون بعضها تيارًا، والبعض الآخر جهدًا كهربائيًا، وتفصل مواصفات الشركة المصنعة هذه الاختلافات.
ما هو محول ADC؟
علاوة على ذلك، محول تناظري رقمي (ADC، المحول التناظري إلى الرقمي) ينفذ العملية المعاكسة. فهو يأخذ إشارة تناظرية، مثل صوتك الذي يلتقطه الميكروفون، أو درجة الحرارة التي يتم قياسها بواسطة جهاز استشعار، أو إشارة الجهد، ويحولها إلى بيانات رقمية يمكن معالجتها بواسطة جهاز كمبيوتر أو أي جهاز إلكتروني آخر.
يعمل ADC من خلال عملية تعرف باسم أخذ العينات y تحديد الكميات. يتضمن أخذ العينات "تشريح" الإشارة على فترات زمنية مختلفة وتسجيل قيمة الإشارة التناظرية عند كل نقطة من تلك النقاط. بعد ذلك، يتم إجراء القياس الكمي، والذي يتكون من تعيين تلك القيمة لرقم رقمي باستخدام نظام الترميز. يعد معدل أخذ العينات، المقاس بالكيلو هرتز، عاملاً حيويًا في جودة التحويل؛ كلما زاد معدل العينة، كلما كان التحويل أكثر دقة.
عملية أخذ العينات والتقدير الكمي في ADC
أول شيء يفعله ADC هو قياس الإشارة التناظرية على فترات دورية، وهو ما نسميه أخذ العينات. يتم التعبير عن ذلك في تردد أخذ العينات، ويعتمد على ما تريد تحويله. بالنسبة للصوت، على سبيل المثال، يكون التردد القياسي عادة 44.1 كيلو هرتز، والذي يستخدم في الأقراص المضغوطة وهو ضعف الحد الأقصى للتردد الذي يمكن أن يسمعه الإنسان، 20 كيلو هرتز. هنا نطبق نظرية أخذ العينات نيكويست، والتي تنص على أن معدل أخذ العينات يجب أن يكون أكبر من ضعف الحد الأقصى لتردد الإشارة لتجنب التشويه.
التالي، تحديد الكميات، والذي يقوم بشكل أساسي بتعيين كل قيمة تم أخذ عينات منها إلى رقم رقمي. عدد البتات المستخدمة لتمثيل كل عينة هو ما يحدد عمق قليلا. كلما زاد عمق البت في ADC، كلما تم تمثيل الإشارة التناظرية الأصلية بشكل أكثر دقة.
أنواع ADC وDAC: كم عددها؟
عدة أنواع ADC وDACولكل منها مزاياه وعيوبه اعتمادًا على احتياجات الدقة وسرعة التحويل. من بين ADC الأكثر شيوعًا تقريبيات متتالية, سيجما دلتا y قناة.
يعد التقريب المتتالي ADC، أو SAR، واحدًا من أكثر التقريبات شيوعًا لأنه يوفر استهلاك منخفض للطاقة وهذا تماما دقيقعلى الرغم من أنها ليست الأسرع. إنه يعمل عن طريق أخذ الإشارة التناظرية ومقارنتها خطوة بخطوة مع القيم من DAC الداخلي حتى يتم تحقيق أفضل تقدير رقمي ممكن. إنها مثالية للتطبيقات التي لا تحتاج إلى تحويل فائق السرعة.
من جانبها، تتمتع Sigma-Delta ADC بميزة تقديم أ دقة عالية جدامما يجعلها مثالية للتطبيقات الصوتية أو القياسات الدقيقة. ومع ذلك، فإن سرعة التحويل أبطأ.
أخيرًا، تعد خطوط الأنابيب ADC هي الأسرع، وتستخدم في التطبيقات التي تحتاج إلى معالجة كمية كبيرة من البيانات في وقت قصير، كما هو الحال في أنظمة الاتصالات أو في التصوير بالموجات فوق الصوتية. هذه أكثر تعقيدًا وتستهلك عادةً طاقة أكبر من الأنواع الأخرى من ADC.
DACs الأكثر شيوعًا
فيما يتعلق بـ DACs، يمكننا التفريق بين تلك الخاصة بـ سلم R-2R، و سلسلة مقاومة و مرجح ثنائي. تعتبر DACs الثنائية الموزونة هي الأكثر أساسية، وتعتمد على مجموعة من المقاومات التي تسمح بتحويل القيم الثنائية إلى الفولتية التناظرية المقابلة. ومع ذلك، فإنها تمثل مشاكل في الدقة عند العمل بأعداد كبيرة جدًا.
وفي الوقت نفسه، يعتبر سلم R-2R DAC أكثر دقة وقابلية للتطوير، ويستخدم قيمتين فقط للمقاومة، مما يجعله نموذجًا شائعًا جدًا في الصناعة. توجد إصدارات مختلفة من هذا النوع من DAC في مجموعة واسعة من الأجهزة الإلكترونية.
تطبيقات ADCs وDACs
تحتوي محولات DAC وADC على عدد كبير من التطبيقات العملية. في حالة DAC ، تعتبر حيوية في الأجهزة الصوتية مثل مشغلات الأقراص المضغوطةوبطاقات الصوت لأجهزة الكمبيوتر ومشغلات الموسيقى الحديثة عالية الدقة. ال DACs الخارجية غالبًا ما يتم استخدامها من قبل عشاق الموسيقى الذين يتطلعون إلى تحسين جودة الصوت لأنظمتهم. غالبًا ما يتم توصيلها بمشغلات الأقراص المضغوطة أو أجهزة الكمبيوتر ثم توصيلها بمكبر للصوت لتحويل الإشارات الرقمية إلى إشارات تناظرية بدقة وجودة أكبر.
علاوة على ذلك، ADC فهي ضرورية في المعدات مثل الميكروفوناتوالكاميرات الرقمية وأي نظام يجمع الإشارة التناظرية ويحتاج إلى معالجتها بتنسيق رقمي. لا يستطيع الكمبيوتر بمفرده فهم الإشارة التناظرية البحتة؛ وسوف تحتاج إلى ADC لتحويلها إلى بيانات رقمية قبل معالجتها.
في العديد من الأنظمة مثل واجهات الصوت بالنسبة لاستوديوهات التسجيل، يعمل كل من ADC وDAC معًا. يأخذ ADC الإشارة من الميكروفون ويحولها إلى بيانات رقمية حتى يتمكن البرنامج من معالجتها وتطبيق التأثيرات وما إلى ذلك. تقوم DAC بعد ذلك بأخذ البيانات المعالجة وتحويلها مرة أخرى إلى إشارات تناظرية بحيث يمكن تشغيلها من خلال سماعات الرأس أو مكبرات الصوت.
تاريخ وتطور المحولات
كانت الخطوة الكبيرة الأولى في تطور ADCs وDACs في صناعة الصوت هي اختراع التسجيل على الشريط. على الرغم من أنها كانت تناظرية في البداية، إلا أن طبيعة هذه التقنية سمحت للمهندسين بتجربة طرق مختلفة لتحويل الإشارة إلى شكل رقمي. بدأت أولى تطبيقات ADC/DAC التجارية في السبعينيات، عندما أطلقت شركات مثل Sony مسجلات رقمية متقدمة سمحت بتسجيل الصوت وتحريره ومعالجته رقميًا. وصول CD في الثمانينات، بجودة 80 كيلو هرتز، كانت لحظة أساسية في تعميم هذه التكنولوجيا، وبعد فترة وجيزة الدراسات المهنية بدأوا في استخدام هذه المحولات بشكل منهجي.
اليوم، وبفضل التقدم في تكنولوجيا أشباه الموصلات، تم تصغير ADCs وDACs إلى درجة أنها تتناسب مع الدوائر المتكاملة الصغيرة، مما يجعلها أسرع وأكثر دقة وأكثر سهولة في الوصول إليها لعامة الناس. الآن، حتى على الأجهزة المحمولة، يمكننا العثور على أنظمة تحويل عالية الجودة لم تكن ممكنة في السابق إلا على معدات احترافية باهظة الثمن.
العوامل الرئيسية لاختيار ADC أو DAC
اختيار محول مناسب يعتمد الأمر إلى حد كبير على ما عليك القيام به. بالنسبة لتطبيقات الصوت عالية الجودة، من الضروري البحث عن محول رقمي تناظري (DAC) مزود بمنفذ معدل أخذ العينات عالية (الحد الأدنى 44.1 كيلو هرتز لجودة القرص المضغوط) وكافي عمق قليلا (16 أو 24 بت). بالإضافة إلى ذلك، من المهم النظر في خيار DAC غير متزامن، والتي يمكن أن توفر تقليل الأخطاء من خلال العمل بشكل مستقل عن الساعة الرئيسية للكمبيوتر.
من ناحية أخرى، بالنسبة للتطبيقات الصناعية أو تطبيقات التحكم، ستحتاج إلى ADC يمكنه معالجة الإشارات بسرعة ومن المحتمل أن يكون لديه بنية أكثر قوة وكفاءة في استخدام الطاقة. في هذا النوع من التطبيقات، مثل التحكم في درجة حرارة نظام التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC)، من المهم أن يكون المحول قادرًا على التعامل مع المدخلات التناظرية المتغيرة وتحويلها إلى إشارات رقمية لتتم معالجتها بواسطة جهاز كمبيوتر يتحكم في النظام.