جلسه هشتم

مقدمه

در بسیاری از سیستم‌های الکترونیکی لازم است ورودی‌های غیر دیجیتال مانند ولتاژ حسگرها، دما، نور، صدا و… توسط میکروکنترلر پردازش شوند.

برای این کار، دو واحد بسیار مهم در بسیاری از میکروکنترلرها وجود دارد:

• مقایسه‌کننده آنالوگ (Analog Comparator)


• مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC)

این جلسه به معرفی این دو واحد، نحوه کارکرد و کاربردهای آن‌ها در پروژه‌های عملی می‌پردازد.

۱) مقایسه‌کننده آنالوگ چیست؟

مقایسه‌کننده آنالوگ یک واحد داخلی است که دو ورودی آنالوگ را با یکدیگر مقایسه می‌کند و خروجی آن دیجیتال است.

ویژگی‌ها:

• دو ورودی آنالوگ (مثلاً AIN0 و AIN1)


• خروجی یک‌بیتی (بالا یا پایین بودن ولتاژ یکی نسبت به دیگری)


• امکان تولید وقفه هنگام تغییر وضعیت


• عدم نیاز به تبدیل دیجیتال → بسیار سریع

۲) عملکرد مقایسه‌کننده آنالوگ

اصل کار مقایسه‌کننده:

• اگر ولتاژ ورودی مثبت (V+) از ورودی منفی (V-) بیشتر باشد → خروجی ۱ می‌شود


• اگر کمتر باشد → خروجی ۰ می‌شود

در واقع این واحد فقط بررسی می‌کند:

«کدام ولتاژ بزرگ‌تر است؟»

۳) کاربردهای مقایسه‌کننده آنالوگ

برخی موارد استفاده:

• تشخیص عبور ولتاژ از یک حد آستانه


• محافظت در برابر اضافه‌ولتاژ


• تشخیص سریع صفر شدن سنسورها


• ساخت مدارهای ساده کنترل روشنایی


• اندازه‌گیری فرکانس سیگنال‌های آنالوگ (همراه با تایمر)

مزیت کلیدی:

سرعت بالا و عدم نیاز به پردازش اضافی.

۴) آشنایی با مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC)

ADC یکی از مهم‌ترین واحدهای یک میکروکنترلر است و وظیفه دارد مقدار ولتاژ ورودی آنالوگ را به یک مقدار عددی دیجیتال تبدیل کند.

ویژگی‌ها:

• چند کانال (مثلاً ADC0 تا ADC7) برای اتصال چندین حسگر


• انتخاب مرجع ولتاژ (Vref)


• رزولوشن مشخص (مثلاً ۸ بیت یا ۱۰ بیت)


• تبدیل قابل‌اندازه‌گیری در زمان مشخص

۵) مراحل کلی کار ADC

برای استفاده از ADC، معمولاً مراحل زیر انجام می‌شود:

1. 
   

   انتخاب کانال ورودی

   
   
   
   
   • تعیین اینکه ADC باید کدام پایه آنالوگ را بخواند.
   
   
   
   


2. 
   

   تعیین ولتاژ مرجع

   
   
   
   
   • مقدار Vref تعیین می‌کند که محدوده تبدیل چه باشد.
   
   
   
   


3. 
   

   تنظیم Prescaler

   
   
   
   
   • برای تعیین سرعت نمونه‌برداری ADC.
   
   
   
   


4. 
   

   شروع تبدیل (Start Conversion)

   
   
   
   
   • واحد ADC ولتاژ ورودی را نمونه‌برداری و تبدیل می‌کند.
   
   
   
   


5. 
   

   خواندن نتیجه تبدیل

   
   
   
   
   • مقدار دیجیتال نهایی در ثبات خروجی قرار می‌گیرد.
   
   
   
   

۶) معیارهای مهم در عملکرد ADC

سه پارامتر کلیدی عملکرد ADC را تعیین می‌کنند:

• 
  

  رزولوشن

  
  
  
  
  • تعداد بیت‌های خروجی (8/10/12 بیت)
  
  
  
  


• 
  

  ولتاژ مرجع (Vref)

  
  
  
  
  • تعیین‌کننده دقت تبدیل
  
  
  
  


• 
  

  زمان نمونه‌برداری (Sampling Time)

  
  
  
  
  • مدت زمانی که ADC برای اندازه‌گیری نیاز دارد
  
  
  
  

۷) رابطه مقدار دیجیتال با ولتاژ ورودی

فرمول کلی تبدیل:

ولتاژ ورودی = (مقدار دیجیتال / مقدار بیشینه) × ولتاژ مرجع

این فرمول پایه کارکرد همه ADCهاست و در پردازش مقادیر حسگرها بسیار کاربرد دارد.

۸) کاربردهای ADC

ADC در تمام پروژه‌های الکترونیکی با ورودی‌های پیوسته استفاده می‌شود، از جمله:

• خواندن دما (NTC، ترمیستور)


• اندازه‌گیری نور (LDR)


• خواندن خروجی سنسورهای آنالوگ


• اندازه‌گیری ولتاژ و جریان


• کنترل سرعت و موقعیت در سیستم‌های صنعتی


• دریافت صدا یا ولتاژهای تغییرپذیر

۹) ارتباط Analog Comparator و ADC در یک سیستم واقعی

این دو واحد معمولاً در کنار هم استفاده می‌شوند:

• Comparator → تشخیص سریع عبور مقدار از یک حد


• ADC → اندازه‌گیری دقیق مقدار ولتاژ

مثال:

• سنسور دما خروجی آنالوگ دارد


• Comparator بررسی می‌کند آیا دما از حد مجاز عبور کرده یا نه


• ADC مقدار دقیق دما را برای پردازش بعدی به میکروکنترلر می‌دهد

این ترکیب در بسیاری از سیستم‌های هشدار، کنترلی و حفاظتی کاربرد دارد.

جمع‌بندی جلسه

در این جلسه با دو واحد بسیار مهم میکروکنترلر آشنا شدیم:

• 
  

  مقایسه‌کننده آنالوگ:

  
  

  برای مقایسه سریع دو ولتاژ و تشخیص عبور از آستانه

  
  


• 
  

  مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC):

  
  

  برای تبدیل ولتاژ آنالوگ به مقدار دیجیتال قابل پردازش

  
  

این مفاهیم پایه‌ای برای کار با انواع حسگرهای آنالوگ و سیستم‌های ترکیبی دیجیتال/آنالوگ هستند.