Bộ chuyển đổi ADC là gì ? Phân tích chi tiết

Bộ chuyển đổi ADC là gì ?

Chuyển đổi analog sang kỹ thuật số (ADC) là một quá trình điện tử trong đó một tín hiệu liên tục biến đổi, hay tín hiệu analog, được chuyển đổi thành tín hiệu kỹ thuật số đa cấp mà không làm thay đổi nội dung cơ bản của nó.

Bộ chuyển đổi analog sang kỹ thuật số biến đổi một tín hiệu analog liên tục về cả thời gian và biên độ thành tín hiệu kỹ thuật số rời rạc về cả thời gian và biên độ. Đầu vào analog của bộ chuyển đổi bao gồm một điện áp biến đổi giữa một số lượng giá trị lý thuyết vô hạn. Ví dụ như sóng sin, dạng sóng đại diện cho giọng nói con người và tín hiệu từ một máy quay phim truyền thống.

Đầu ra của bộ chuyển đổi analog sang kỹ thuật số có các mức hoặc trạng thái xác định. Số lượng trạng thái hầu hết là lũy thừa của 2 – tức là 2, 4, 8, 16, v.v. Tín hiệu kỹ thuật số đơn giản nhất chỉ có hai trạng thái và được gọi là nhị phân. Tất cả các số nguyên có thể được biểu diễn dưới dạng nhị phân bằng chuỗi các số 1 và 0.

Tại sao số hóa là quan trọng?

Tín hiệu kỹ thuật số truyền đi hiệu quả hơn tín hiệu analog, phần lớn là vì các xung kỹ thuật số được xác định rõ ràng và có trật tự. Chúng cũng dễ dàng hơn cho các mạch điện tử phân biệt với nhiễu, vốn là vô trật tự. Đó là lợi thế chính của các chế độ truyền thông kỹ thuật số.

Máy tính “nói” và “suy nghĩ” bằng dữ liệu kỹ thuật số nhị phân. Mặc dù một bộ vi xử lý có thể phân tích dữ liệu analog, nhưng nó phải được chuyển đổi sang dạng kỹ thuật số để máy tính có thể hiểu được.

Một modem điện thoại điển hình sử dụng ADC để chuyển đổi âm thanh đến từ đường dây đôi xoắn thành tín hiệu mà máy tính có thể hiểu được. Trong một hệ thống xử lý tín hiệu kỹ thuật số, một bộ chuyển đổi analog sang kỹ thuật số là cần thiết nếu tín hiệu đầu vào là analog.

Định lý Nyquist là gì và tại sao nó quan trọng?

Định lý Nyquist hay định lý lấy mẫu mô tả quá trình chuyển đổi analog sang kỹ thuật số. Nó cho phép tái tạo một đo lường sóng sin thuần túy, cũng được gọi là tốc độ lấy mẫu.

Cách con người trải nghiệm thế giới phần lớn là analog; hãy nghĩ về sóng âm thanh và ánh sáng. Để sử dụng các tín hiệu này trong máy tính, chúng phải được chuyển đổi thành tín hiệu kỹ thuật số. Tuy nhiên, điện tử kỹ thuật số hoạt động trên các số rời rạc. Để chuyển đổi tín hiệu analog sang kỹ thuật số, các đo lường phải được lấy mẫu với tần số đều đặn. Tốc độ lấy mẫu phải ít nhất gấp đôi tần số của nó. Phương pháp này được sử dụng trong âm thanh và video kỹ thuật số để giảm hiện tượng giả (aliasing), hay sản sinh ra một tần số giả.

Tốc độ lấy mẫu quá thấp sẽ không mô tả chính xác tín hiệu gốc; nó sẽ bị méo mó hoặc có hiện tượng giả khi tái tạo. Một tốc độ quá cao sẽ sử dụng nhiều tài nguyên lưu trữ và xử lý hơn là cần thiết.

Định lý Nyquist được sử dụng để xác định điểm mà lượng thông tin đúng được thu thập. Các tên gọi khác của định lý này là định lý Nyquist-Shannon hoặc định lý lấy mẫu Whittaker-Nyquist-Shannon.

Định lý Nyquist hoạt động như thế nào ?

Tần số tín hiệu analog được đo bằng đơn vị héc-xơ. Tần số của chúng mô tả số lần chúng đi lên và đi xuống trong một giây. Kỹ sư điện và nhà toán học Claude Shannon giải thích định lý như sau: “Nếu một hàm x(t) không chứa tần số cao hơn B héc-xơ, nó được xác định hoàn toàn bằng cách cho các giá trị tại một chuỗi các điểm cách nhau 1/(2B) giây.”

Để tái tạo chính xác một tín hiệu, tốc độ lấy mẫu phải gấp đôi tần số cao nhất.

Để hiểu cách này hoạt động, hãy tưởng tượng một cảm biến trên Trái Đất có nhiệm vụ đo độ sáng của bầu trời. Nó lấy một đo lường một lần một ngày, cứ 24 giờ. Dữ liệu từ cảm biến này sẽ khiến một nhà nghiên cứu tin rằng bầu trời luôn giữ nguyên độ sáng trong suốt ngày. Nếu thí nghiệm được thay đổi sao cho các đo lường được thực hiện cách nhau 18 giờ, nó sẽ tạo ra dữ liệu không chính xác tương tự, ngẫu nhiên xen kẽ giữa ánh sáng ban ngày, bóng tối hoàn toàn và một chút ánh sáng mờ tối.

Tuy nhiên, nếu cảm biến lấy một đo lường cứ 12 giờ, kết quả sẽ mô tả chu kỳ ngày đêm của Trái Đất trong vòng 24 giờ. Để đo chính xác chu kỳ quay 24 giờ của Trái Đất, các đo lường phải được thực hiện ít nhất gấp đôi tốc độ đó, tức là cách quãng 12 giờ.

Tầm quan trọng của chuyển đổi analog sang kỹ thuật số

Một vai trò quan trọng của ADC trong sự phát triển của công nghệ hiện đại là sự tiến hóa của các hệ thống truyền thông thoại từ xử lý tín hiệu analog kiểu cũ sang các hệ thống VoIP (Voice over IP) ngày nay. Từ những năm 1950 đến 1970, các hệ thống điện thoại không thể giao tiếp trực tiếp với máy tính. Sự ra đời của modem đã làm điều đó trở nên khả thi, nhưng không phải lúc nào cũng hiệu quả về chi phí.

Để các thiết bị nhập liệu máy tính, như máy đánh chữ điện tử, có thể giao tiếp với các hệ thống máy tính, chúng phải kết nối với một modem liên kết với phần đầu của hệ thống máy tính, chẳng hạn như một máy chủ lớn. Tốc độ truyền của modem rất chậm so với các mạng tốc độ cực cao ngày nay. Một modem nhanh trong những năm 1960 và 1970 cung cấp tốc độ đường truyền 2.400 bit/giây cho máy tính. Ngược lại, các hệ thống ngày nay hoạt động ở tốc độ gigabit.

Công nghệ ADC trở thành then chốt để phát triển các hệ thống tổng đài kỹ thuật số (digital PBX) cũng như các hệ thống cho các ứng dụng văn phòng nhỏ hơn. Các hệ thống này sử dụng kiến trúc chuyển mạch hoàn toàn kỹ thuật số, và các đơn vị ADC được nhúng trong điện thoại – và đôi khi ngay trong bộ chuyển mạch – chuyển đổi tín hiệu thoại analog thành luồng bit kỹ thuật số mà bộ chuyển mạch kỹ thuật số có thể xử lý.

Ngược lại, quá trình đối lập được sử dụng khi một cuộc gọi thoại được gửi đến người dùng khác. Một bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang analog (DAC) chuyển đổi mã kỹ thuật số từ bộ chuyển mạch thành tín hiệu analog có thể nghe được. Mô hình này vẫn đang được sử dụng cho đến ngày nay, hơn 50 năm sau. Công nghệ ADC cũng được sử dụng để xử lý tín hiệu video thành luồng bit kỹ thuật số để truyền hình ảnh cùng với thông tin thoại.