Convertitore analogico-digitale: scopo, classificazione e principio di funzionamento

Un dispositivo elettronico chiamato convertitore analogico-digitale (ADC) viene utilizzato per convertire un segnale analogico in un segnale digitale (in una sequenza di tipo codice binario leggibile). Nel processo di conversione di un segnale analogico in digitale, vengono implementati: campionamento, quantizzazione e codifica.

Il campionamento è inteso come prelievo di campioni da un segnale analogico continuo nel tempo di singoli valori (discreti) che cadono in momenti di tempo associati a determinati intervalli e durate di segnali di clock che si susseguono.

La quantizzazione comporta l'arrotondamento del valore di un segnale analogico selezionato durante il campionamento al livello di quantizzazione più vicino, e i livelli di quantizzazione hanno il proprio numero di sequenza, e questi livelli differiscono l'uno dall'altro per un valore delta fisso, che non è altro che passo di quantizzazione.

In senso stretto, il campionamento è il processo di rappresentazione di una funzione continua come una serie di valori discreti e la quantizzazione è la divisione di un segnale (valori) in livelli. Per quanto riguarda la codifica, qui la codifica è intesa come un confronto degli elementi ottenuti come risultato della quantizzazione con una combinazione predeterminata di codici.

Esistono molti metodi per convertire la tensione in codice. Inoltre, ciascuno dei metodi ha caratteristiche individuali: accuratezza, velocità, complessità. In base al tipo di metodo di conversione, gli ADC sono classificati in tre

• in parallelo

• coerente,

• seriale-parallelo.

Per ogni metodo, il processo di trasformazione di un segnale nel tempo procede a modo suo, da cui il nome. Le differenze risiedono nel modo in cui vengono eseguite la quantizzazione e la codifica: una procedura seriale, parallela o seriale-parallela per approssimare un risultato digitale al segnale convertito.

Lo schema di un convertitore analogico-digitale parallelo è mostrato in figura. Gli ADC paralleli sono i convertitori analogico-digitale più veloci.

Il numero di dispositivi elettronici di confronto (il numero totale di comparatori DA) corrisponde alla capacità dell'ADC: tre comparatori sono sufficienti per due bit, sette per tre, 15 per quattro, ecc. Il partitore di tensione del resistore è progettato per impostare un intervallo di tensioni di riferimento costanti.

La tensione di ingresso (qui si misura il valore di questa tensione di ingresso) viene applicata contemporaneamente agli ingressi di tutti i comparatori e confrontata con tutte le tensioni di riferimento di quelle che questo partitore resistivo permette di ottenere.

Quei comparatori i cui ingressi non invertenti sono alimentati con una tensione maggiore del riferimento (applicato dal partitore all'ingresso invertente) daranno un uno logico in uscita, il resto (dove la tensione in ingresso è minore del riferimento o uguale a zero) darà zero.

Quindi viene collegato un codificatore, il suo compito è convertire una combinazione di uno e zero in un codice binario standard, adeguatamente compreso.

I circuiti ADC per la conversione seriale sono meno veloci dei circuiti convertitori paralleli, ma hanno un design elementare più semplice: utilizzano un comparatore, una logica AND, un clock, un contatore e un convertitore digitale-analogico.

La figura mostra un diagramma di tale ADC. Ad esempio, mentre la tensione misurata applicata all'ingresso del circuito comparatore è superiore al segnale di rampa del secondo ingresso (riferimento), il contatore conta gli impulsi del generatore di clock. Si scopre che la tensione misurata è proporzionale al numero di impulsi contati.

Esistono anche ADC in serie-parallelo, in cui il processo di conversione di un segnale analogico in un segnale digitale è separato nello spazio, quindi risulta che la massima velocità di compromesso si ottiene con la minima complessità.