ADC Principles

มีหลายเทคนิคที่ถูกนำมาใช้ในการแปลงสัญญาณอนาล็อก เพื่อเป็นข้อมูลค่าดิจิตอล ที่นิยมกันตัวอย่างเช่น successive approximation conversion, parallel-encoded conversion (หรือ flash conversion), delta-sigma processing และ pulse-code modulation (PCM) เป็นต้น

ซึ่งหนึ่งในเทคนิคที่ถูกใช้มากที่สุดคือ วิธีการประมาณค่าต่อเนื่อง (successive approximation conversion) โดยเทคนิคนี้จะทำการแปลงแต่ละบิตของผลลัพธ์แบบไบนารีจะถูกค้นหา หนึ่งบิตต่อครั้ง—เริ่มจาก MSB bit ซึ่งวิธีนี้จะทำการแปลงที่ค่อนข้างเร็ว (ในช่วงเวลาประมาณ 10 ถึง 300 μs) ด้วยจำนวนวงจรที่จำกัด ดังตัวอย่างรูปข้างล่าง เป็นการแปลงค่าประมาณต่อเนื่องขนาด 8-bit แบบง่าย

Successive Approximation Conversion Technique

ใน PSoCᵀᴹ ไมโครคอลโทรเลอร์ จะมีตัว ADC เป็นส่วนประกอบฮาร์ดแวร์ที่สามารถอ่านแรงดันจากขาอนาล็อก (โหมดแบบเดี่ยว - single ended mode) หรือคู่ขาอนาล็อก (โหมดเชิงเส้น - differential mode) แล้วแปลงเป็นค่าดิจิตอลที่ PSoCᵀᴹ ไมโครคอลโทรเลอร์ สามารถตีความได้ โดยในโหมดแบบเดี่ยว ADC จะอ่านแรงดันที่ขาอนาล็อกที่ระบุเมื่อเทียบกับดินหรือค่าอ้างอิงอื่นๆ ในขณะที่ ในโหมดเชิงเส้น ADC จะอ่านแรงดันระหว่างขาอนาล็อกสองขาที่ระบุ จำนวนบิตในผลลัพธ์ที่ ADC สร้างขึ้นจะกำหนดความละเอียดของ ADC ตัวอย่างเช่น ผลลัพธ์ที่ 12-bit ADC สามารถสร้างขึ้นจะอยู่ในช่วง

• 0 → 2¹² = 0 → 4096 สำหรับการวัดในโหมดแบบเดี่ยว

• -2¹¹ → 2¹¹ = -2048 → +2048 สำหรับการวัดในโหมดแบบเชิงเส้น

ในช่วงแรงดันอินพุตของ PSoCᵀᴹ ADC สามารถปรับค่าได้และแตกต่างกันตามอุปกรณ์ โดยทั่วไปแรงดันที่สามารถวัดได้คือ 0 → 2*Vref สำหรับการวัดแบบเดี่ยวและ Vx ± Vref สำหรับการวัดแบบเชิงเส้น โดยที่ Vref เป็นแรงดันอ้างอิงที่สร้างขึ้นในชิป และ Vx เป็นอินพุตลบ สำหรับการวัดแบบเชิงเส้น

ผลลัพธ์ที่ ADC สร้างขึ้นมีหน่วยว่า "counts" โดยแต่ละ "count" แทนส่วนหนึ่งของช่วงแรงดันอินพุตทั้งหมด

ตัวอย่างเช่น

ถ้าช่วงอินพุตคือ ±5V (ทั้งหมด 10V) และ ADC มีความละเอียด 12 บิต (12-bit หรือ 2¹²) ดังนั้นแต่ละ count จะเท่ากับ

$$count = {10v \over 2^{12}-1} \approx 0.00242 V/count$$

หรือเท่ากับ

$$= 409.5 counts/V$$

คำถาม: ถ้า input voltage ที่เข้าไปเท่ากับ 2V ตัว ADC จะนับจำนวน count ออกมาได้เท่าไหร่

คำตอบ: counts = 409.5 * 2 = 819 counts

PSoCᵀᴹ devices มี ADC อยู่สองแบบคือ

1. Successive Approximation Register (SAR)

2. Sigma-Delta or Delta-Sigma

ในการเขียนโปรแกรมสำหรับบอร์ด PSoC6 จะมีการเรียกใช้ฟังก์ชัน cyhal_adc_init เพื่อกำหนดการทำงานเริ่มต้นให้กับ PSoCᵀᴹ ADC ผ่านตัวแปร obj ของ ADC object, ตัวแปร pin ของ input pin และตัวแปร clk ของ clock

นอกจากนั้นจะเรียกใช้ฟังก์ชัน cyhal_adc_channel_init_diff เพื่อกำหนดจำนวนช่องสัญญาณที่จะรับเข้ามา (channel) และฟังก์ชัน cyhal_adc_read สำหรับการอ่านผลลัพธ์จากการแปลงสัญญาณอนาล็อกเป็นดิจิตอลต่อไป

ตัวอย่างโปรแกรมการอ่านค่าสัญญาณอนาล็อกแบบ 1 channel

cy_rslt_t           rslt;
cyhal_adc_t         adc_obj;
cyhal_adc_channel_t adc_chan_0_obj;
// ADC conversion result.
int32_t adc_out;
 
// Initialize ADC. The ADC block which can connect to pin ADC_VPLUS1 is selected
rslt = cyhal_adc_init(&adc_obj, ADC_VPLUS1, NULL);
 
// Initialize ADC channel, allocate channel number 0 to pin ADC_VPLUS1 as this is the first
// channel initialized
const cyhal_adc_channel_config_t channel_config =
    { .enable_averaging = false, .min_acquisition_ns = 220, .enabled = true };
rslt = cyhal_adc_channel_init_diff(&adc_chan_0_obj, &adc_obj, ADC_VPLUS1, CYHAL_ADC_VNEG,
                                 &channel_config);
 
// Read the ADC conversion result for corresponding ADC channel. Repeat as necessary.
adc_out = cyhal_adc_read(&adc_chan_0_obj);
 
// Release ADC and channel objects when no longer needed
cyhal_adc_channel_free(&adc_chan_0_obj);
cyhal_adc_free(&adc_obj);

รายละเอียดเพิ่มเติมทางเทคนิค

• PSoCᵀᴹ 6 SAR ADC Datasheet

• Cypress Delta-Sigma ADC Datasheet

• SAR ADC Architecture

• Sigma-Delta ADC Interactive Illustration

• SAR and delta-sigma: Basic operation