ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. Ημερομηνία. "Κ α τα σ κ ε ν ή καοτιόν A D C '-D A C " Τ.Β.Ι ΚΑΒΑΛΑΣ Σ Χ Ο Λ Η ; ΣΤΗΦ ΤΜΗΜΑ : ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ.

Transcript

1 Τ.Β.Ι ΚΑΒΑΛΑΣ Σ Χ Ο Λ Η ; ΣΤΗΦ ΤΜΗΜΑ : ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ Ημερομηνία ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ "Κ α τα σ κ ε ν ή καοτιόν A D C '-D A C " Εισηγητές: Μιχαήλ Ανέστης καθηγητής Εφαρμογών Φώτου Φώτης Εργαοτηριαχός (Ιοηθάς Μαλαμίδης Νικόλαος Ντινούόης ΚωνΑ'ος ΔΕΚΕΜΒΡΙΟΣ 1996

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ Γ : ΑΝΑΛΟΓΙΚΟΙ / ΨΗΦΙΑΚΟΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ANALOG ΤΟ DIGITAL CONVERTERS (A D C ) DIGITAL TO ANALOG CONVERTERS (DAC) 1.1 Γενικά για τους A/D και D/A D/A Μετατροπή Τελεστικοί ενισχυτές..». 1.4 Ένας βασικός μετατροπέας D/A 1.5 Μετατροπείς D/A κλιμακωτού τύπου 1.6 Ένας μετατροπέας A/D 10 _13-17 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΓΕΝΙΚΑ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΚΑΙ ΕΙΔΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΩΝ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ ADC ΚΑΙ DAC 2.1 παράμετροι και ειδικά χαρακτηριστικά των ADC Παράμετροι και ειδικά χαρακτηριστικά των DAC Τεχνικές αναλσγικής / ψηφιακής μετατροπής......

3 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 : ΓΕΝΙΚΕΣ ΧΡΗΣΗΣ ΤΩΝ A /D CONVERTERS ΚΑΙ D /A CONVERTERS 3.1 Συγκριτές 3.2 Ένα ψηφιακό βολτόμετρο.» 3.3 Αλλοι μετατροπείς A/D Ένας μετατροπέας A/D 1C Ψηφιακός μετρητής φωτός Ψηφιακό βολτόμετρο...» _3ό..._38 _..41 _ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 : ΣΥΝΔΕΣΜΟΛΟΓΙΕΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ DAC ΚΑΙ ADC 4.1 Σύνδεση μετατροπέα D/A με υπολογιοτή Σύνδεση ενός A/D 16 καναλιών με υπολογιστή μέσω ενός VIA (Versatile Interface Adapter) ADC/DAC Converters 64

4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Μέθοδοι κατασκευής τυπωμένων κυκλωμάτων Ρυθμίσεις του αναλογοψηφιακού μ τατροπεα (A/D) Ρύθμιση του DAC ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6^ 6.1 Χειρισμός της πλακέτας D AC Λειτουργία του DAC Χειρισμός της πλχχκέτας ADC Λειτουργία της πλακέτας ADC

5 Η κατασκευή των καρτών και το θεωρητικό μέρος της πτυχιακής εργασίας, που έχουμε φέρει σε πέρας, είναι μία συλλογική προσπάθεια μεταξύ των σπουδαστών Μαλαμίδη Νικόλαου και Ντινούδη Κων/νου και των καθηγητών του τμήματος Ηλεκτρολογίας κ. Μιχαήλ Ανέστη και κ. Φώτου Φώτη. Ευχαριστούμε τους παραπάνω καθηγητές, για το χρόνο που αφιέρωσαν και την βοήθεια που μας έχουν δώσει σε κάθε δυσκολία που αντιμετωπίσαμε κατα την διάρκεια διεξαγωγής της πτυχιακής εργασίας

6 ΠΡΟΛΟΓΟΣ To ερέθισμα για να αναλάβουμε την παρόν πτυχιακή εργασία, ήταν σε πρώτη φάση το μάθημα των Ηλεκτρονικών Ηλεκτρικών Κατασκευών, των Ψηφιακών Συστημάτων, και των Μικροϋπολογιστών, όπου μας κίνησαν το ενδιαφέρον. Και σε δεύτερη φάση η επιθυμία μας να δημιουργήσουμε μια κατασκευή δίκιά μας, η οποία παράλληλα θα χρησιμεύσει και σε κάποιο εργαστήριο του τμήματος Ηλεκτρολογίας. Οι εμπειρίες που αποκομίσαμε κατά την διάρκεια της πτυχιακής εργασίας, πάνω σε κάποια προβλήματα που αντιμετωπίσαμε, μας έχουν βοηθήσει να εμβανθύνουμε τις γνώσεις μας πάνω στα Ηλεκτρονικά, να μάθουμε να δουλεύουμε με πνεύμα συνεργασίας, να σκεφτόμαστε σαν Τεχνολόγοι Ηλεκτρολόγοι. Θέλουμε να πιστεύουμε, πως έχουμε δημιουργήσει κάτι, που θα μείνει στο χώρο των εραστηρίων του τμήματος Ηλεκτρολογίας, και θα πιστοποιεί τα όσα μάθαμε μέσα στο Τ.Ε.Ι Καβάλας.

7 Σκ(^όί^^:τις_τιτυχια]αίς_εί^ Αποφοιτώντας από το Τ.Ε,Ι Καβάλας του τμήματος Ηλεκτρολογίας, θα θέλαμε -πέρα- από τις γνώσεις που έχουμε πάρει πάνω στα συστήματα ισχύος, κάποια -όσο μπορούμε- εξιδεικευμένη γνώση πάνω στις ηλεκτρικές κατασκευές. Αυτή η κατασκευή σε συνδιασμό με την ανάγκη που είχε το εργαστήριο της Τεχνολογίας Μετρήσεων για μια βελτιωμένη έκδοση της εργαστηριακής ασκήσεως A/D και D/A, ήταν για μας μια καλή ευκαιρία, και πιστεύουμε, ότι μέχρι ενός σημείου, τα καταψέραμε.

8 ΕΙΣΑΓΩΓΗ-ΓΕΝΙΚΑ Μελέτη - Κατασκευή Καρτών Αν ρίξουμε μια ματιά γύρω μας, παρατηρούμε πως ο Η/Υ έχει γίνει απαραίτητος, αφού πλέον η κάθε εργασία, αν όχι όλες, συνοδεύονται απο Η/Υ ή από κάποιο μικροϋπολογιστή Για να επικοινωνήσει ο υπολογιστής με τον έξω κόσμο, η πληροφορία η οποία πρέπει να πάρει ή να δώσει, είναι σε ψηφιακή μορφή. Σ αυτό το σημείο έρχονται να μπούνε οι μετατροπείς A/D και D/A, όπου σε γενικές γραμμές ο ADC μετατρέπει το αναλογικό σήμα σε ψηφιακό και ο DAC το ψηφιακό σε αναλογικό. Μ αυτόν τον τρόπο τα σήματα εισάγονται στον Η/Υ επεξεργάζονται και τα αποτελέσματά τους μπορούμε να τα ξαναπάρουμε σε αναλογική μορφή. Φυσικά υπάρχουν περιορισμοί και μειονεκτήματα στα συστήματα ψηφιακής επεξεργασίας. Ίσως το μεγαλύτερο μειονέκτημα να έγκειται στο ότι τα συστήματα ψηφιακής επεξεργασίας που προς το παρόν έχουμε στην διάθεση μας δεν μπορούν να φτάσουν τις ταχύτητες που επιτυγχάνονται με τα συστήματα αναλογικής επεξεργασίας.καθώς όμως η τεχνολογία των ημιαγωγών εξελίσεται με γρήγορους ρυθμούς αυτά τα μειονεκτήματα, που αφορούν στην ταχύτητα και το κόστος, χρόνο με το χρόνο τείνουν να εκλείψουν. Γεγονός είναι ότι τα αναλογικά συστήματα επεξεργασίας σήματος, όλο και περισσότερο τείνουν να αντικατασταθούν από τα αντίστοιχα ψηφιακά. Φυσικά η χρήση των μετατροπέων A/D και D/A δεν σταματάει μόνο εδώ, αλλα επεκτείνεται στις τηλεποικηνωνίες, στην οπτικοακουστική, στην ιατρική, και όπου υπάρχει επεξεργαστής που λειτουργεί πάνω σε δυαδικά κωδικοποιημένους αριθμούς. ΜΑΛΑΜΙΔΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ Δεκέμβριος '96

9 Μελέτη - Κατασκευή Καρτών Σχήμα 1. Επικοινωνία ενός κεντρικού επεξεργαστή (8086) με περιφεριακές συσκευές που διαθέτουν άλλους επεξεργαστές. ΜΑΛΑΜΙΔΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ σελ. 2 Δεκέμβριος 96

10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 {1-1} ΑΝΑΛΟΓΙΚΟΙ/ΨΗΦΙΑΚΟΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ANALOG ΤΟ DIGITAL CONVERTERS (ADC) DIGITAL TO ANALOG CONVERTERS (DAC) Τα περισσότερα φυσικά φαινόμενα ή τα διάφορα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά μετριούνται και αναλύονται σε αναλογική μορφή. Για παράδειγμα η ταχύτητα, το βάρος, η πίεση και άλλα φυσικά φαινόμενα είναι αναλογικές πληροφορίες. Το ψηφιακό σύστημα στο σχ. 1-1 έχει αναλογική είσοδο. Η τάση μεταβάλλεται συνεχώς από 0 εώς 3 V. Ο κωδικοποιητής (encoder) είναι μια ειδική συσκεύη η οποία μετατρέπει το αναλογικό σήμα σε ψηφιακή πληροφορία. Ο κωδικοποιητής αυτός καλείται μετατροπέας αναλογικού σε ψηφιακό σήμα ή για συντομία μετατροπέας A/D. Ο μετατροπέας A/D λοιπόν μετατρέπει τις αναλογικές πληροφορίες σε ψηφιακά δεδομένα. Το ψηφιακό σύστημα που είναι σχεδιασμένο στο σχ. 1-1 έχει επίσης έναν αποκωδικοποιητή. Αυτός ο αποκωδικοποιητής είναι ένας ειδικός τύπος ο οποίος μετατρέπει την ψηφιακή πληροφορία από τη μονάδα ψηφιακής επεξεργασίας σε αναλογική έξοδο. Για παράδειγμα η αναλογική έξοδος μπορεί να είναι μια συνεχής μεταβολή της τάσης από 0 εώς 3 V. Ονομάζουμε αυτόν τον αποκοδικωποιητή μετατροπέα ψηφιακού σε αναλογικό σήμα και για συντομία μετατροπέα D/A. Ο μετατροπέας D/A λοιπόν αποκωδικοποιεί ψηφιακές πληροφορίες σε αναλογική μορφή. Για να γίνει δυνατή η επεξεργασία από ένα υπολογιστή, πρέπει το σήμα να περάσει μέσα από ένα μετατροπέα και να μετατραπεί σε ψηφιακό. (A/D, Analog to Digital Converter). ΜΑΛΑΜΙΔΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ Δεκέμβριος 96

11 Το αποτέλεσμα της επεξεργασίας, ή το ίδιο το σήμα, θα μας το δώσει ο υπολογιστής σε ψηφιακή μορφή ( Κώδικες ). Για να μετατραπεί αυτό σε αναλογικό, θα πρέπει να περάσει μέσα από ένα μετατροπέα ψηφιακού σήματος σε αναλογικό (D/A, Digital to Analog Converter). Σχήμα 1-1. Ένα ψηφιακό σύστημα με αναλογική είσοδο και έξοδο Ένα αναλογικό σήμα χωρίζεται σε 256 διακριτικές στάθμες (8-bit ADC) και αντιστοιχίζεται σε 256 διαφορετικές λογικές καταστάσεις (Bytes) στην έξοδό του. Ο υπολογιστής μέσω ενός Interface παίρνει τους κώδικες και τους καταχωρεί σε μια περιοχή μνήμης (RAM). Το περιεχόμενο της μνήμης (RAM) μπορεί να μεταφερθεί, με κατάλληλη εντολή στη CPU, μέσω ενός δεύτερου Interface σε ένα μετατροπέα ψηφιακού σήματος σε αναλογικό. Η συχνότητα δειγματοληψίας καθορίζεται από το θεώρημα του Shannon F δειγματοληψίας = 2F δείγματος και είναι τουλάχιστον διπλάσια της μεγαλύτερης συχνότης του δείγματος, δίχως όμως να αποτελεί μοναδικό κριτήριο ποιότητας (ακρίβεια). Όσο μεγαλώνει ο αριθμός κβάντισης, τόσο το σήμα εξόδου πλησιάζει ποιοτικά το αρχικό σήμα σχ ^ Σχήμα 1-2. Ψηφίοποίηση και αναπαραγωγή αρχικού σήματος ΜΑΛΑΜΙΔΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ σελ. 4 Δεκέμβριος '96

12 ιιυχιακγ) πργασια KtCDAAAlU r Το όλο σύστημα του σχ. 1-1 μπορεί να ονομασθεί υβριδικό σύστημα επειδή περιέχει ψηφιακές και αναλογικές συσκευές. Οι κωδικοποιητές και οι αποκωδικοποιητές που μετατρέπουν απο αναλογικό σε ψηφιακό και απο ψηφιακό σε αναλογικό ονομάζονται συσκευές διασύνδεσης (Interface). Η λέξη interface γενικά χρησιμοποιείται όταν αναφερόμαστε σε μια συσκευή ή κύκλωμα που μετατρέπει μια κατάσταση λειτουργίας σε μια άλλη. Στην περίπτωση μας έχουμε μετατροπή μεταξύ αναλογικών και ψηφιακών δεδομένων. Παρατηρούμε ότι η είσοδος στο block διάγραμμα του σχ. 1-1 αναφέρεται σε μια αναλογική τάση που κυμαίνεται από 0 εώς 3 V. Αυτή η τάση μπορεί να παραχθεί από ένα μ ε τ α τ ροπέα ενέργειας. Ο μετατροπέας ενέργειας περιγράφεται σαν συσκευή που μετατρέπει μια μορφή ενέργειας σε άλλη. Για παράδειγμα, ένα φωτοκύταρο μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν μετατροπέας ενέργειας εισόδου για να δώσει τάση ανάλογη με την ένταση του φωτός. Σ αυτό το παράδειγμα με το φωτοκύταρο η ενέργεια του φωτός μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια. Άλλοι μετατροπείς ενέργειας μπορούν να είναι μικρόφωνα, μεγάφωνα,ποτενσιόμετρα,θερμοστάτες,φωτοαντιστάσεις και άλλα. {1-2} ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ Αναφερόμαστε στο μετατροπέα D/A του σχ. 1-1 και ας υποθέσουμε ότι θέλουμε να μετατρέψουμε το δυαδικό της μονάδας επεξεργασίας σε 0-3 V έξοδο. Χρησιμοποιώντας ένα οποιονδήποτε αποκωδικοποιητή θα πρέπει να φτιάξουμε πρώτα ένα πίνακα αληθείας για όλες τις δυνατές καταστάσεις. Ο πίνακας 1-1 δείχνει τις τέσσερις εισόδους (D, C, Β, Α) του συγκεκριμένου μετατροπέα D/A. Οι είσοδοι είναι σε δυαδική μορφή. Κάθε 1, αντιστοιχεί στο περίπου +3 εώς +5 V. Κάθε 0 αντιστοιχεί στο περίπου 0 V. Οι έξοδοι δείχνονται σαν τάσεις στη δεξιά στήλη του πίνακα 1-1. Παρακολουθώντας τον πίνακα, εάν ο δυαδικός ΜΑΛΑΜΙΔΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ Δεκέμβριος '96

13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ADODAC 0000 εμφανιστεί στην είσοδο του μετατροπέα D/A, η έξοδος είναι 0 V. Εάν έχουμε στην είσοδο το δυαδικό 0001 η έξοδος είναι 0.2 V. Εάν έχουμε 0010 στην είσοδο η έξοδος είναι 0.4 V. Παρατηρούμε ότι για κάθε σΐ'ρά προς τα κάτω στον πίνακα 1-1 η αναλογική έξοδος αυξάνεται κατά 0.2 V. Ένα block διάγραμμα του μετατροπέα D/A φαίνεται στο σχ Οι ψηφιακοί είσοδοι (D, C, Β, Α) είναι στα αριστερά. Ο αποκωδικοποιητής αποτελείται από δύο τμήματα: το δίκτυο αντιστάσεων και ενισχυτή άθροισης. Η έξοδος δείχνεται σαν ένδειξη του βολτομέτρου στα δεξιά. Το δίκτυο αντιστάσεων (resistor network) στο σχ. 1-3 πρέπει να διακρίνει ότι το 1 στην είσοδο Β είναι διπλής αξίας απ' ότι είναι το 1 στην είσοδο Α. Επίσης το 1 στην είσοδο C, είναι τετραπλής αξίας από ότι είναι το 1 στην είσοδο Α. Αρκετά δίκτυα αντιστάσεων χρησιμοποιούνται γι' αύτην την εργασία. Αυτά τα κυκλώματα ονομάζονται ωμικά κλιμακωτά δίκτυα. Ο ενισχυτής άθροισης στο σχ. 1-3 παίρνει την τάση εξόδου από το δίκτυο αντιστάσεων και την ενισχύει για να πάρουμε τις τάσεις που φαίνονται στη δεξιά στήλη του πίνακα 1-1. Ο ενισχυτής άθροισης τυπικά χρησιμοποιεί μια μονάδα 1C η οποία ονομάζεται τελεστικός ενισχυτής (operational amplifier). ΜΑΛΑΜΙΔΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ Δεκέμβριος 96

14 D ig it a l In p u t A n a lo g O u t p u t R o w 1 1 Πίνακας 1-1. Πίνακας αληθείας για τον D/A μετατροπέα Ο ενισχυτής άθροισης ονομάζεται και ενισχυτής διαβάθμισης. Ο ειδικός αποκωδικωποιητής ονομάζεται μετατροπέας D/A και αποτελείται από δύο τμήματα: από ένα γκρουπ αντιστάσεων που σχηματίζουν ένα ωμικό κλιμακωτό δίκτυο και από έναν ορ. amp. που χρησιμοποιείται σαν ενισχυτής άθροισης. D I G I T A L I N P U T (8s) (4s) (2s) (Is ) Σχήμα 1-3. Block δκίγραμμα ενός D/A μετατροπέα ΜΑΛΑΜΙΔΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ σελ. 7 Δεκέμβριος '96

15 {1-3} ΤΕΛΕΣΤΙΚΟΙ ΕΝΙΣΧΥΤΕΣ Οι ειδικοί ενισχυτές που ονομάζονται τελεστικοί (ορ. amps.) χαρακτηρίζονται από την υψηλή αντίσταση εισόδου και χαμηλή αντίσταση εξόδου και μεταβλητή απολαβή τάσης η οποία μπορεί να ρυθμιστεί με εξωτερικές αντιστάσεις. Το σύμβολο ενός ορ amp φαίνεται στο σχ. 1-4 (α). Ο τελεστικός ενισχυτής έχει δύο εισόδους. Η επάνω είσοδος ονομάζεται αναστρέψουσα. Η αναστρέφουσα είσοδος συμβολίζεται με το σύμβολο (-). Η άλλη είσοδος ονομάζεται μη αναστρέψουσα και συμβολίζεται με το σύμβολο (+). Η έξοδος του ενισχυτή φαίνεται δεξιά από το σύμβολο. Οι τελεστικοί ενισχυτές δε χρησιμοποιούνται σχεδόν ποτέ μόνοι τους. Τυπικά, οι δύο αντιστάσεις τοποθετούνται όπως φαίνεται στο σχ. 1-4 (β) για να ρυθμίσουν την απολαβή τάσης του τελεστικού ενισχυτή. Η αντίσταση Rin ονομάζεται αντίσταση είσοδου και αντίσταση Rf ονομάζεται αντίσταση ανάδρασης. Η απολαβή τάσης αυτού του ενισχυτή βρίσκεται χρησιμοποιώντας την απλή εξίσωση: Αν = Rf / Rin Α ναστρ4^ψ <Η >σ α τ ΐο ο β ο ς Μη αναογτρ^φοοσο κ ίοολος <a) W \ r - X JL (b) Σχήμα 1-4. Τελεστικός ενισχυτής : α) Σύμβολο β) Με είσοδο και αντιστάσεις ανάδρασης για την απολαβή ΜΑΛΑΜΙΔΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ Δεκέμβριος 96

16 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Υποθέτουμε ότι οι τιμές των αντιστάσεων του τελεστικού ενισχυτή είναι Rf = 10ΚΩ και Rin = 10kQ. Χρησιμοποιώντας την εξίσωση της απολαβής τάσης του τελεστικού ενισχυτή βρίσκουμε ότι: Αν = Rf/Rin = 10000/10000 = 1. Η απολαβή του τελεστικού ενισχυτή είναι 1. Στο παράδειγμά μας εάν η τάση εισόδου Vin σχ. 1-4 (β) είναι 5V και η τάση εξόδου είναι Vo 5V. Όταν εφαρμόζουμε στην αναστρέφουσα είσοδο +5V, στην έξοδο του ορ. amp. έχουμε Vo= -5V. Η απολαβή τάσης του τελεστικού ενισχυτή μπορεί να υπολογιστεί από τη σχέση Αν = Vo /Vin. Η απολαβή τάσης του παραπάνω κυκλώματος είναι Αν = Vo /Vin =5 /5 = 1. Η απολαβή τάσης που βρήκαμε ξανά είναι 1. Υποθέτουμε ότι οι αντιστάσεις εισόδου και ανάδρασεις είναι IkQ και lokq αντίστοιχα, (σχ. 1-5). Τί είναι η απολαβή τάσης ενός κυκλώματος; Η απολαβή τάσης υπολογίζεται από τη σχέση: Αν =Rf/Rin =10000 /1000 = 10. Η απολαβή τάσης είναι ίσον με 10. Εάν η τάση εισόδου είναι +0.5V πόσα Volts είναι η τάση εξόδου; Εάν η απολαβή είναι 10 και η τάση εισόδου είναι 0.5 τότε 0.5X10 =5. Η τάση εξόδου είναι -5V, αυτή την ένδειξη μας δείχνει το βολτόμετρο του σχ ΜΑΛΑΜΙΔΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ Δεκέμβριος 96

17 Έχουμε δει πώς η απολαβή τάσης του τελεστικού ενισχυτή μπορεί να αλλάξει, αλλάζοντας την αναλογία των αντιστάσεων εισόδου και ανάδρασεις. Θα πρέπει λοιπόν να ξέρουμε πως να ρυθμίζουμε την απολαβή του τελεστικού ενισχυτή χρησιμοποιώντας διαφορετικές τιμές για τις Rin και Rf. Περιληπτικά ο τελεστικός ενισχυτής είναι ένα μέρος ενός μετατροπέα D/A. Χρησιμοποιείται σαν ενισχυτής άθροισης του μετατροπέα. Η απολαβή ενός ορ amp ρυθμίζεται εύκολα με την αναλογία των αντιστάσεων εισόδου και ανάδρασης. 10Ι<Ω {1-4} ΕΝΑΣ ΒΑΣΙΚΟΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ D/A Ένας απλός μετατροπέας D/A φαίνεται στο σχ Ο μετατροπέας D/A είναι φτιαγμένος σε δύο τμήματα. Το δίκτυο των αντιστάσεων,στα αριστερά, αποτελείται από τις αντιστάσεις R1,R2,R3 και R4. Ο ενισχυτής άθροισης, στα δεξιά, συγκροτείται από έναν ορ amp και μια αντίσταση ανάδρασης. Η είσοδος (Vin) είναι 3V και ΜΑΛΑΜ1ΔΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ σελ. 10 Δεκέμβριος '96

18 Μ ελέτη Κατασκευή Καρτών τροφοδοτείται στους διακόπτες D, C, Β και Α. Η τάση εξόδου (Vo) μετριέται από ένα βολτόμετρο. Παρατηρούμε ότι ο ορ. amp. απαιτεί μία μάλλον ασυνήθιστη διπλή τροφοδοσία; +10V και -10V. Με όλους τους διακόπτες στη GND (0 V), όπως φαίνεται και στο σχ. 1-6 η τάση εισόδου στο σημείο A είναι 0V. Αυτό ταιριάζει στη σειρά 1, του πίνακα 1-1. Υποθέτουμε ότι μετακινούμε το διακόπτη A στη λογική θέση 1 (σχ. 1-6). Η τάση εισόδου (3V) τροφοδοτείται στο ορ amp. Μετά υπολογίζουμε την απολαβή του ενισχυτή. Η απολαβή εξαρτάται από την αντίσταση ανάδρασης (Rf) η οποία είναι lokq και από την αντίσταση εισόδου (Rin), η οποία είναι ίση με την τίμη της R1 δηλαδή 150 ΚΩ. Χρησιμοποιώντας τον τύπο απολαβής,έχουμε: Αν = Rf/Rin =10000 / = BINARY INPUT Σχήμα 1-6. Κύκλωμα ενός D/A μετατροπέα Για να υπολογίσουμε την τάση εξόδου πολλαπλασιάζουμε την απολαβή με την τάση εισόδου: Vo = Αν X Vin = X 3 = 0.2 V. Η τάση εξόδου λοιπόν είναι 0.2V όταν η είσοδος είναι ο δυαδικός Αυτό ικανοποιεί τις απαιτήσεις της σειράς 2 του πίνακα 1-1. ΜΑΛΑΜΙΔΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ Δεκέμβριος 96

19 Ας τροφοδοτήσουμε τώρα με δυαδικό 0010 τον D/A μεταροπέα στο σχ Ο διακόπτης Β μετακινείται στη λογική θέση τροφοδοτώντας τον ορ amp με 3V. Η απολαβή είναι: Αν = Rf/Rin =10000/75000 = Πολλαπλασιάζοντας την απολαβή με την τάση εισόδου μας δίνει 0.4 V. Τα 0.4 V είναι η τάση εξόδου. Αυτό ικανοποιεί τη σειρά 3 του πίνακα 1-1. Παρατηρούμε ότι για κάθε δυαδικό του πίνακα 1-1 η τάση εξόδου αυξάνεται κατά 0.2V. Αυτή η αύξηση οφείλεται στην αύξηση της απολαβής τάσης του ορ amp όταν κλείνουν οι διακόπτες των διαφορετικών αντιστάσεων R1, R2, R3, R4. Εάν μόνο η αντίσταση R4 ήταν συνδεδεμένη, με το κλείσιμο του διακόπτη D, η απολαβή θα ήταν: Αν = Rf /Rin = 10000/18700 = Η απολαβή πολλαπλασιάζεται με την τάση είσοδου και δίνει στην έξοδο του ορ amp 1.6V. Αυτό απαιτεί η γραμμή 9 του πίνακα 1-1. Όταν όλοι οι διακόπτες είναι στη θέση 1, η έξοδος του ορ. amp. είναι 3 V γιατί η απολαβή του ενισχυτή γίνεται 1. Καμία τάση εισόδου πάνω από τα όρια της τροφοδοσιάς του τελεστικού ενισχυτή (+ 10 V) δε θα χρησιμοποιηθεί. Περισσότερες δυαδικές θέσεις θα προστεθούν με την προσθήκη περισσότερων διακοπτών. Εάν προστεθεί στο σχ. 1-6 ένας διακόπτης θέσης αξιάς 16ς θα χρειαστεί μια αντίσταση με τη μισή τιμή της αντίστασης R4, δηλαδή 9350 Ω. Η τιμή της αντίστασης ανάδρασης θα γίνει περίπου 5ΚΩ. Η είσοδος θα περιέχει ένα δυαδικό αριθμό 5-bit. Η έξοδος θα συνεχίσει να είναι αναλογική μεταβολή από 0 εώς 3V. Ο βασικός μετατροπέας D/A που φαίνεται στο σχ. 1-6 έχει δύο μειονεκτήματα. Πρώτον παίρνει μεγάλη περιοχή τιμών για τις αντιστάσεις και δεύτερον είναι μικρής ακρίβειας. ΜΑΛΑΜΙΔΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ Δεκέμβριος 96

20 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 {1-5} ΤΥΠΟΥ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ D/A ΚΛΙΜΑΚΩΤΟΥ Οι μετατροπείς ψηφιακού σε αναλογικό σήμα αποτελούνται από ένα δίκτυο αντιστάσεων και ένα ενισχυτή άθροισης. Το σχ. 1-7 διαγράψει ένα τύπο δικτύου αντιστάσεων που εφοδιάζει με την κατάλληλη βαρύτητα τις δυαδικές εισόδος. Αυτό το δίκτυο αντιστάσεων ονομάζεται μερικές ψορές R-2R κλιμακωτό δίκτυο. Το πλεονέκτημα αυτού του δικτύου είναι ότι μόνο δύο τιμές αντιστάσεων χρησιμοποιούνται. Οι αντιστάσεις R1, R2, R3, R4 και R5 είναι 20kQ η κάθε μια. Οι αντιστάσεις R6, R7, R8 και Rf είναι 10kQ η κάθε μια. Παρατηρούμε ότι όλες οι οριζόντιες αντιστάσεις έχουν διπλάσια τιμή από τις κάθετες. Σ αυτό οφείλεται και η ονομασιά R-2R κλιμακωτό δίκτυο. ΜΑΛΑΜΙΔΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ Δεκέμβριος 96

21 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Σχήμα 1-7. Κύκλωμα μετατροπέα D/A χρησιμοποιώντας ένα R-2R κλιμακωτό δίκτυο αντιστάσεων. Ο ενισχυτής αθροίσματος στο σχ. 1-7 είναι ίδιος μ αυτόν του προηγούμενου σχήματος. Ο πίνακας 1-2 καθορίζει τη λειτουργιά του μετατροπέα D/A. Παρατηρούμε σ αυτόν το μετατροπέα ότι χρησιμοποιούμε τάση εισόδου 3.75 V. Κάθε δυαδική μέτρηση αυξάνει την αναλογική έξοδο κατά 0.25 V, όπως φαίνεται στη δεξιά στήλη του πίνακα 1-2. Ας θυμηθούμε ότι κάθε 0 στην πλευρά του πίνακα σημαίνει 0 V τροφοδοσία στην είσοδο αυτή. Κάθε 1 στην πλευρά εισόδου του πίνακα σημάινει τροφοδοσία 3.75 V στην είσοδο αυτή. Η τάση εισόδου των 3.75 V χρησιμοποιείται επειδή είναι συμβατή με την έξοδο των μετρητών TTL και άλλων ΙΟς που μπορεί να χρησιμοποιήσουμε. Έτσι οι είσοδοι (D, C, Β, Α) στο σχ. 1-7 μπορούν να συνδεθούν απευθείας με τις εξόδους του ολοκληρωμένου TTL και να λειτουργήσουν σύμφωνα με τον πίνακα 1-2. ΜΑΛΑΜ1ΔΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ Δεκέμβριος 96

22 Πρακτικά όμως οι έξοδοι του TTL 1C δεν είναι ακρίβειας. Θα πρέπει να συνδεθούν μέσω ενός μεταφραστή επιπέδου για να πάρουμε μια τάση εξόδου μεγάλης ακρίβειας. Στο μετατροπέα του σχ. 1-7 μπορούν να προστεθούν περισσότερες δυαδικές θέσεις (16ς, 32ς, 64ς και πάνω). Για να γίνει αυτό πρέπει να επεκτείνουμε το σύστημα με τις τιμές των αντιστάσεων, όπως φαίνεται στο διάγραμμα του μετατροπέα. Δύο τύποι ειδικών αποκωδικοποιητών D/A έχουν περιγραψεί. Ο R-2R κλιμακωτός μετατροπέας D/A αποτελείται από το δίκτυο των αντιστάσεων και από τον ενισχυτή άθροισης. ΜΑΛΑΜΙΔΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ σελ. 15 Δεκέμβριος 96

23 Binary input Analog Output 8s 4s 2s Is D C B A Volts Πίνακας 1-1 Πίνακας αληθείας για τον μετατροπέα D/A. ΜΑΛΑΜ1ΔΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ Δεκέμβριος 96

24 {1-6} ΕΝΑΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ A/D BINARY OUTPUT 8s 4s 2s 1s Σχήμα 1-8. Μπλοκ διάγραμμα ενός A/D μετατροπέα Ένας μετατροπέας αναλογικού σε ψηφιακό σήμα είναι ένας ειδικός τύπος κωδικοποιητή. Ένα βασικό μπλοκ διάγραμμα ενός μετατροπέα A/D φαίνεται στο σχ Η είσοδος είναι μια μεταβλητή τάση μεταξύ 0 και 3 V.H έξοδος του μετατροπέα A/D είναι σε δυαδικό σύστημα. Ο A/D μετατροπέας μεταφράζει την αναλογική τάση σε δυαδικό αριθμό 4-bit. Όπως και με άλλους κωδικοποιητές είναι απαραίτητο να καθορίζουμε τις αναμενόμενες εισόδους και εξόδους. Ο πίνακας αληθείας 1-3 δείχνει πως ΜΑΛΑΜΙΔΗΣ ΝΚΟΛΑΟΣ σελ. Δεκέμβριος 96

25 Ο A/D μετατροπέας θα δουλέψει. Η γραμμή 1 του πίνακα δείχνει ότι έχουμε 0 \/στην είσοδο του μετατροπέα και η έξοδος είναι Η γραμμή 2 δείχνει στην είσοδο 0.2 V και η έξοδος είναι Παρατηρούμε ότι κάθε αύξηση της τάσης κατά 0.2 V αυξάνει τη δυαδική μέτρηση κατά 1. Τέλος η γραμμή 16 δείχνει ότι όταν στην είσοδο έχουμε μέγιστη τάση 3V η έξοδος είναι Παρατηρούμε ότι ο πίνακας αληθείας 1-3 είναι αντίστροφος από τον πίνακα αληθείας 1-1 του μετατροπέα D/A. Οι είσοδοι και οι έξοδοι έχουν αντιστραψεί. Ο πίνακας αληθείας του μετατροπέα A/D είναι απλός. Τα ηλεκτρονικά κυκλώματα όμως, τα οποία αντιστοιχούν στον πίνακα αληθείας είναι πιο πολύπλοκα. Ένας τύπος μετατροπέα A/D είναι σχεδιασμένος στο σχ Ένας μετατροπέας A/D περιέχει ένα συγκριτή τάση,μια πύλη AND, ένα μετρητή BCD και ένα μετατροπέα D/A. Όλα τα τμήματα του μετατροπέα A/D είναι γνωστά εκτός από τον συγκριτή. ΜΑΛΑΜΙΔΗΣ ΝΚΟΛΑΟΣ σελ. ΝΤ1ΝΟΥΔΗΣ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ Δεκέμβριος 96

26 Analog Input Binary Output Πίνακας 1-3. Πίνακας αληθείας για τον μετατροπέα A/D. Η αναλογική τάση τροφοδοτείται στα αριστερά στο σχ Ο συγκριτής ελέγχειτην τάση που έρχεται από τον μετατροπέα D/A. Εάν η αναλογική τάση εισόδου στην A είναι μεγαλύτερη από την τάση στην είσοδο Β στο συγκριτή, το clock επιτρέπεται να αυξήση τη μέτρηση του BCD μετρητή. Η μέτρηση αυξάνεται μέχρι η τάση ανάδρασης από το μετατροπέα D/A να γίνει μεγαλύτερη από την τάση της αναλογικής εισόδου. Σ αυτό το σημείο ο συγκριτής εμποδίζει το μετρητή από το να κάνει μεγαλύτερη μέτρηση. Υποθέτουμε ότι η είσοδος της αναλογικής τάσης είναι 2 V. Σύμφωνα με τον πίνακα 1-3 ο δυαδικός μετρητής αυξάνει τη μέτρησή του σε 1010 πριν σταματήσει. Ο μετρητής μηδενίζεται σε δυαδικό 0000 και αρχίζει ξανά να μετράει. ΜΑΛΑΜΙΔΗΣ ΝΚΟΛΑΟΣ σελ. Δεκέμβριος 96

27 Πτυγιακή Εργασία ΚΕΦΑΛΑΙ01 Σχήμα 1-9. Μπλοκ διάγραμμα ενός μετρητή τύπου ramp A/D μετατροπέα. ΜΑ/ν\ΜΙΔΗΣ ΝΚΟΛΑΟΣ σελ. 20 Δεκέμβριος 96

28 Περισσότερες λεπτομέρειες για τον A/D δίνονται στο σχ Ας υποθέσουμε ότι υπάρχει λογικό 1στο σημείο X της εξόδου του συγκριτή. Ο μετρητής BCD ξεκινάει από το δυαδικό Υπάρχουν 0.55V στην αναλογική είσοδο. Το λογικό 1 στο σημείο X ενεργοποιεί την πύλη AND και ο πρώτος παλμός από το clock εμφανίζεται στην είσοδο του CLK του μετρητή BCD. Ο μετρητής δείχνει τη μέτρηση Το 0001 απεικονίζεται στους ενδείκτες δεξιά στο σχ Το 0001 τροφοδοτείται στον μετατροπέα D/A. Ακολουθώντας τον πίνακα 1-1, ο δυαδικός αριθμός 0001 παράγει 0.2 V στην έξοδο του μετατροπέα D/A. Τα 0,2 V τροφοδοτούνται πίσω στην είσοδο Β του συγκριτή. Ο συγκριτής ελέγχει τις εισόδους του. Η A είσοδος είναι υψηλότερη σε δυναμικό (0.55 V μεγαλύτερο από 0.2 V) και ο συγκριτής τοποθετεί την έξοδο σε λογικό 1. Το 1 ενεργοποιεί την πύλη AND η οποία αφήνει τον επόμενο παλμό να περάσει από το μετρητή. Ο μετρητής αυξάνει τη μέτρησή του κατά 1. Η μέτρηση τώρα είναι Το 0010 τροφοδοτείται πίσω στο μετατροπέα D/A. Ακολουθώντας τον πίνακα 1-1 η είσοδος 0010 παράγει 0.4 Ν/στην έξοδο. Τα 0.4 V τροφοδοτούνται πίσω στην είσοδο Β του συγκριτή. Ο συγκριτής ελέγχει ξανά την είσοδο Β με την είσοδο Α. η είσοδος A συνεχίζει να είναι μεγαλύτερη (0.55 V μεγαλύτερο από το 0.4 V). Ο συγκριτής τοποθετεί την έξοδό του σε λογικό 1. Η πύλη AND ενεργοποιείται και αφήνει τον επόμενο παλμό χρονισμού να φθάσει στο μετρητή. Ο μετρητής αύξανει τη μέτρησή του σε δυαδικό Το 0011 τροφοδοτείται πίσω στον D/A μετατροπέα. Σύμφωνα με τον πίνακα 1-1 η είσοδος 0011 παράγει 0.6 V τάση εξόδου. Τα 0.6 V τροφοδοτούνται πίσω στη είσοδο Β του συγκριτή. Ο συγκριτής ελέγχει την είσοδο A με την είσοδο Β. Για πρώτη φορά η είσοδος Β είναι μεγαλύτερη από την είσοδο Α. Ο συγκριτής τοποθετεί την έξοδό του σε λογικό 0. Το λογικό 0 απενεργοποιεί την πύλη AND. Κανένας παλμός χρονισμού δεν μπορεί να φθάσει το μετρητή. Ο μετρητής σταμάτησε στο δυαδικό ΜΑΛΑΜ1ΔΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ σελ. Δεκέμβριος '96

29 0011. Ο δυαδικός 0011 πρέπει να ισούται με 0.55 V. Μια ματιά στη γραμμή 4 του πίνακα 1-3 δείχνει ότι 0.6 V δίνουν την ένδειξη του δυαδικού Αυτός ο μετατροπέας A/D έχει εργαστεί σύμφωνα με τον πίνακα αληθείας. Εάν η είσοδος αναλογικής τάσής είναι 1.2 V ο δυαδικός αριθμός στην έξοδο θα είναι 0110, σύμφωνα με τον πίνακα 1-3. Ο μετρητής θα πρέπει να μετρήσει από το δυαδικό 0000 εώς 0110 πριν το σταματήσει ο συγκριτής. Εάν η αναλογική τάση είσοδου ήταν 2.8 V η δυαδική έξοδος θα γινόταν 1110 και ο μετρητής θα έπρεπε να μετρήσει από το δυαδικό 0000 εώς το 1110 πριν το σταματήσει ο συγκριτής. Παρατηρούμε ότι παίρνει αρκετό χρόνο για τη μετατροπή της αναλογικής τάσης σε δυαδική έξοδο. Όμως στις περισσότερες περιπτώσεις ο παλμός τρέχει αρκετά γρήγορα και έτσι αυτός ο χρόνος δεν είναι πρόβλημα. Αυτός ο κλιμακωτός μετατροπέας A/D είναι αρκετά σύνθετος και χρειάζεται έναν μετατροπέα D/A για να λειτουργήσει. Η έκφραση κλιμακωτός στο όνομα αυτού του μετατροπέα αναφέρεται στη διαδοχικά αυξανόμενη τάση από το μετατροπέα D/A η οποία τροφοδοτείται πίσω στο συγκριτή. Εάν σχεδιάζαμε μια γραφική της τάσης η οποία τροφοδοτείται πίσω στην είσοδο Β του συγκριτή, θα εμφανιζόταν μια κλιμακωτή ή πριονωτή κυματομορφή. ΜΑΛΑΜΙΔΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ σελ. Δεκέμβριος 96

30 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 {2-1 }παραμετροι κ α ι ε ιδ ικ ά ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ A/D Οι βιομηχανίες παράγουν μεγάλη ποικιλία μετατροπέων A/D. Μια πρόσφατη αναφορά αριθμεί πάνω από 300 διαφορετικούς μετατροπείς A/D. Μερικά από τα πιο κοινά χαρακτηριστικά των μετατροπέων αυτών περιγράφονται πιο κάτω. {2-1-1} ΤΥΠΟΣ ΕΞΟΔΟΥ Γενικά οι μετατροπείς A/D έχουν δυαδικές ή δεκαδικές εξόδους. Οι μετατροπείς A/D με δεκαδικές εξόδους χρησιμοποιούνται περισσότερα σαν ψηφιακά βολτόμετρα ή μέσα σε ψηφιακούς μετρητές πινάκων και DMMς. Οι δυαδικοί μετατροπείς A/D έχουν από 4 εώς 16 εξόδους. Οι δυαδικοί μετατροπείς A/D χρησιμοποιούνται συνήθως σαν συσκευές εισόδου με σύστημα μικροεπεξεργαστών. Αυτοί οι μετατροπείς ονομάζονται μερικές φορές μρ τύπου A/D μετατροπείς. {2-1- 2} ΔΙΑΚΡΙΤΙΚΗ ΙΚΑΝΟΤΗΤΑ (RESOLUTION) Είναι η ικανότητα του μετατροπέα να δώσει διαφορετικά αποτελέσματα για δύο διαφορετικές γειτονικές τιμές τάσης που εφαρμόζονται στην είσοδό του. ΜΑΛΑΜΙΔΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ σελ. 23 ΝΤ1ΝΟΥΔΗΣ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ Δεκέμβριος 96

31 Η διακριτική ικανότητα ενός μετατροπέα A/D δίνεται σαν τον αριθμό των bits στην έξοδο μιας μονάδας δυαδικού τύπου. Για τους μετατροπείς A/D με δεκαδική έξοδο η διακριτική ικανότητα δίνεται σαν τον αριθμό των ψηφίων στην έξοδο ανάγνωσης (όπως 3 1/2 ή 4 1/2). Τυπικά οι μετατροπείς A/D με δυαδικές εξόδους, έχουν διακριτικές ικανότητες 4, 6, 8, 10, 12, 14, και 16 bits. Τα αμελητέα σφάλματα που γίνονται κατά τη χρήση των διακριτών δυαδικών βημάτων για να δώσουν μια συνεχή αναλογική τάση, ονομάζονται σφάλματα μετατροπής. Ένας μετατροπέας A/D 16-bits είναι μεγαλύτερης ακρίβειας από μια μονάδα 4-bits επειδή εργάζεται με μικρότερα διακριτά βήματα. Για παράδειγμα κάθε βήμα ενός μετατροπέα A/D 4-bits θα είναι το 1/15 της τάσης εισόδου (2 X 4-1 = 15). Αυτή θα είναι η διακριτική ικανότητα 6,7 % (1/15 X 100 = 6,7 %). Ένας μετατροπέας A/D 8 bits θα είχε 255 ξεχωριστά βήματα (2 X 8-1 = 255). Αυτό θα ήταν ίσο με μια διακριτική ικανόνητα 0,39 % (1/255 X 100 =0.39 %). Η μονάδα των 8-bits έχει καλύτερη διακριτική ικανότητα ή ακρίβεια από το μετατροπέα A/D 4-bits. { } ΑΚΡΙΒΕΙΑ (ACCURANCY) Είναι η απόκλιση ως προς μια ευθεία (ιδανική ευθεία ακρίβειας), που η αρχή της είναι το σημείο τομής των αξόνων ψηφιακών ενδείξεων και αναλογικών τιμών τάσης εισόδου, (0,0). Συγκεκριμένα η διακριτική ικανότητα ενός μετατροπέα A/D μπορεί να χαρακτηριστεί σαν το ψηφιακό σφάλμα στα ξεχωριστά βήματα στην έξοδο του IC. Μία πηγή σφάλματος σ έναν μετατροπέα A/D μπορεί να είναι κάποιο αναλογικό εξάρτημα, όπως ο συγκριτής. Άλλα σφάλματα μπορούν να εισαχθούν από το δίκτυο των αντιστάσεων. Η ολική ποιότητα του μετατροπέα ονομάζεται ακρίβεια" του μετατροπέα A/D 1C. ΜΑΛΑΜΙΔΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ Δεκέμβριος '96

32 Η ακρίβεια ενός μετατροπέα A/D με δυαδικές εξόδους μεταβάλεται μεταξύ ± 1/2 LSB και + 2 LSB. Η ακρίβεια ενός μετατροπέα A/D ΙΟ με δεκαδική έξοδο μεταβάλεται από 0.01 εώς 0.05 %. { } ΧΡΟΝΟΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ (CONVERSION TIME) Ο χρόνος μετατροπής είναι ένα άλλο επίσης σημαντικό χαρακτηριστικό ενός μετατροπέα A/D. Είναι ο χρόνος που χρειάζεται το ολοκληρωμένο κύκλωμα να μετατρέψει την αναλογική τάση εισόδου σε δυαδικά (ή δεκαδικά) δεδομένα στις εξόδους. Συγκεκριμένα είναι ο χρόνος που χρειάζεται για να γίνει η ψηφιακή μετατροπή κάθε δείγματος και ποικίλει από μερικά nsec, μέχρι μερικά msec και εξαρτάται από τον τύπο της μετατροπής και τον αριθμό των BITS. Τυπικά οι χρόνοι μετατροπής μεταβάλονται από 0,05 μς εώς ΙΟΟΟΟΟμς για μετατροπείς A/D ΙΟς με δυαδικές εξόδους.οι χρόνοι μετατροπής για τους A/D μετατροπείς με δεκαδικές εξόδους είναι μεγαλύτεροι και κυμαίνονται από 200 εώς 400 ms. { } ΓΡΑΜΜΙΚΟΤΗΤΑ (LINEARITY) Είναι η απόκλιση του λόγου τάσης εισόδου / εξόδου, από την ιδανική ευθεία με συντεταγμένες την αναλογική και την ψηφιακή τάση. ΜΑΛΑΜΙΔΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ σελ. 25 Δεκέμβριος 96

33 {2-1- 6} ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ ΕΙΣΟΔΟΥ (INPUT IMPENDANCE) Η είσοδος του A/D αποτελεί αντίσταση φορτίου για το προηγούμενο κύκλωμα. { } ΣΦΑΛΜΑ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ (CONVERSION ERROR) Είναι η απόκλιση της πραγματικής ψηφιακής ένδειξης στην είσοδο, από την ένδειξη αποτελέσματος στην έξοδο. {2-1- 8} ΣΦΑΛΜΑ ΚΒΑΝΤΙΣΗΣ (QUANTIZING ERROR) Είναι σφάλμα αντιστοιχίας της ψηφιακής τιμής με την πραγματική αναλογική τιμή. Είναι.ένας νέος τρόπος μέτρησης της ακρίβειας, με σφάλμα + 1/2 BIT για το λιγότερο σημαντικό ψηφίο LSB. { } ΔΙΑΡΚΕΙΑ BIT (BIT PERIOD) Είναι ο λόγος του χρόνου μετατροπής προς τον αριθμό των bits του μετατροπέα. Μετατροπείς με ΜΑΛΑΜΙΔΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ Δεκέμβριος 96

34 περιόδους κάτω των 2 psec ονομάζονται υψηλής ταχύτητας. μετατροπείς {2-1-10} ΜΟΝΟΤΟΝΙΑ (MONOTON1CITY) Είναι η ικανότητα του μετατροπέα να δώσει όλους τους δυνατούς συνδιασμούς των ψηφίων, για τις τάσεις που φτάνουν στην είσοδο. {2-1-11} ΑΚΡΙΒΕΙΑ ΕΠΑΝΑΛΗΨΗΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ (PRECISION) Είναι η ικανότητα του μετατροπέα, να αντιστοιχίζει δύο ίσες αναλογικές εισόδους σε δύο ίσες ψηφιακές εξόδους. {2-1-12} ΣΤΑΘΕΡΟΤΗΤΑ (STABILITY) Είναι η ικανότητα του μετατροπέα να διατηρεί σταθερά τα χαρακτηρισικά του για μεγάλο εύρος μετρήσεων. ΜΑΛΑΜΙΔΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ σελ. 27 Δεκέμβριος 96

35 {2-1-13} ΣΠΙΝΘΗΡΕΣ (GLITCHES) Ένα πρόβλημα που παρουσιάζεται κύρια στις μεγάλες ταχύτητες, προέρχεται από τους εσωτερικούς διακόπτες αλλαγής καταστάσεων του ολοκληρωμένου, με αποτέλεσμα η τιμή τάσης να είναι για κάποια χρονική στιγμή πιό μεγάλη ή πιό μικρή από το δυναμικό που θα έπρεπε να έχει. Έτσι, στην έξοδο παρουσιάζεται εσφαλμένος κώδικας για μικρή χρονική περίοδο. {2-1-14} ΑΛΛΑ ΕΙΔΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Τέσσερα άλλα κοινά χαρακτηριστικά που δίνονται για τους μετατροπείς A/D είναι: η τάση τροφοδοσίας, τα λογικά επίπεδα εξόδου, η τάση εισόδου και η μέγιστη ισχύς κατανάλωσης. Οι τάσεις τροφοδοσίας είναι συνήθως +5V. Όμως μερικοί μετατροπείς A/D δουλεύουν με τάσεις από +5 εώς +15V. Τα λογικά επίπεδα εξόδου είναι TTL, CMOS ή tristate. Η μεταβλητή τάση εισόδου είναι συνήθως 5 V. Η μέγιστη ισχύς κατανάλωσης για έναν μετατροπέα A/D ΙΟ είναι μια μεταβολή από15 εώς 3000 mw. ΜΑΛΑΜΙΔΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ Δεκέμβριος 96

36 { 2-2 } π α ρ α μ ε τ ρ ο ι κ α ι ε ιδ ικ ά χ α ρ α κ τ η ρ ισ τ ικ ά ΤΟΥ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ D/A Η Διακριτική ικανότητα, η Ακρίβεια, η Γραμμικότητα, είναι χαρακτηριστικά αντοίστιχα με τους μετατροπείς A/D. {2-2- 1} ΣΦΑΛΜΑ ΕΝΙΣΧΥΣΗΣ (GAIN ERROR) Είναι ένα σφάλμα που οφείλεται στην αντίσταση ανάδρασης Rf του διαφορικού ενισχυτή μετατροπέα ρεύματος προς τάση. {2-2- 2} ΣΦΑΛΜΑ ΣΤΑΘΕΡΗΣ ΑΠΟΚΛΙΣΗΣ (OFFSET) Όταν οι είσοδοι είναι σε λογικό 0, η έξοδος πρέπει να δείχνει 0 Volts. Αν στην κατάσταση του λογικού 0 δείχνει κάποια τιμή τάσης αυτή ονομάζεται Offset Error και είναι μια σταθερή τιμή που προστίθεται σε όλα τα αποτελέσματα των μετρήσεων. ΜΑΛΑΜΙΔΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ σελ. 29 Δεκέμβριος 96

37 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 { } ΧΡΟΝΟΣ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΟΣ (OUTPUT SETTLING TIME) Είναι ο χρόνος που χρειάζεται ο μετατροπέας ώιττε να βάλει την τελική τιμή μέτρησης μέσα σε ± 1/2 LSB στην έξοδο μετά από μια αλλαγή λέξης της εισόδου. {2-3 } ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΑΝΑΛΟΓΙΚΗΣ / ΨΗΦΙΑΚΗΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ Υπάρχει ένας μεγάλος αριθμός τύπων A/D και D/A που χρησιμοποιούν διάφορες τεχνικές μετατροπής σήματος. Η έκταση όμως των παρόντων σημειώσεων δε μας επιτρέπει να τους αναπτύξουμε με λεπτομέρειες, έτσι θα τους αναφέρουμε μαζί με σχέδια και εφαρμογές που θα βοηθήσουν να καταλάβουμε τη λειτουργία των A/D και D/A μετατροπεών. { } Οι διάφοροι τύποι του ADC είναι: 1. Ταυτόχρονης μετατροπής (Parallel comparator ή Simultaneous ή Flash). ΜΑΛΑΜΙΔΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ σελ. 30 Δεκέμβριος 96

38 2. Απαρίθμησης (Counter type). Οι έξοδοι ενός απαριθμητή μονής κατεύθυνσης αποτελούν είσοδο για έναν DAC. Βασίζεται στη σύγκριση της τάσης εισόδου με την έξοδο του DAC. 3. Συνεχής απαριθμητής (Tracking ή Servo ή Continous countter). Βασίζεται σ έναν απαριθμητή διπλής κατεύθηνσης (Updown counter). 4. Ολοκλήρωσης (Intergrating ή Double Ramp). Βασίζεται στην ολοκλήρωση της τάσης εισόδου σε σταθερό χρόνο Τ1 και της ολοκλήρωσης της διαφοράς μεταξύ τελικής τιμής και μιας τάσης αναφοράς που γίνεται σε χρόνο Τ2. Ο χρόνος Τ2 είναι ανάλογος της τάσης εισόδου. 5. Αναλογικού με VCO (Voltage-to-Frequency). Η συχνότητα των παλμών στην έξοδο ενός ταλαντωτή ο οποίος ελέχγεται από το πλάτος ρολογιού του σήματος εισόδου, αποτελεί είσοδο για έναν απαριθμητή. Η λογική κατάσταση των εξόδων του δυαδικού απαριθμητή σε σταθερό χρόνο μέτρησης Τ1 αποτελεί το ψηφιακό αντίστοιχο της μέτρησης. 6. Αναλογικού με μεταβολή διάρκειας παλμού (Analogue-to-Pulse width). Η μέθοδος αυτή είναι ανάλογη με την προηγούμενη. ΜΑΛΑΜΙΔΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ Δεκέμβριος 96

39 7. Παράλληλης ή Ταυτόχρονης μετατροπής (Parallel or Simultaneous Conversion). Βασίζεται στην παράλληλη λειτουργιά ενός αριθμού συγκριτών που ακολουθεί ένα λογικό κύκλωμα με αποτέλεσμα την ταυτόχρονη μετατροπή της τάσης σε δυαδικό συνδιασμό των εξόδων του. 8. Επιτυχούς Προσέγγισης. (Successive Approximation A/D). Βασίζεται στις διαδοχικές συγκρίσης της αναλογικής τάσης με το μισό της κλίμακας που μετρά ένας συγκριτής, με το 1/4, μετά με το 1/8 κ.λ.π. Κάθε φορά καθορίζεται ένα bit αν είναι 0 ή 1, ανάλογα με την έξοδο του συγκριτή. 9. Πολλαπλής Σύγκρισης.(Multiple Comparison Subranging). Βασίζεται ταυτόχρονα στην παράλληλη και στην επιτυχούς προσέγγισης μέθοδο μετατροπής αναλογικού σήματος σε ψηφιακό. 10.Διπλής ολοκλήρωσης (Double Ramp). Βασίζεται στη σύγκριση δύο κλίσεων ολοκλήρωσης, της τάσης σήματος εισόδου Vi και της τάσης αναφοράς Vref. ΜΑΛΑΜΙΔΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ Δεκέμβριιχ: 96

40 11.Τριπλής ολοκλήρωσης (Tripple Ramp). Έχει προστεθεί τρίτο στοιχείο (πυκνωτής), καθορίζει μια τρίτη κλίση εκφόρτισης πυκνωτή, αποτέλεσμα τη μεγαλύτερη ακρίβεια. με 12.Πριονωτής τάσης (Sawtooth Ramp). Βασίζεται στη σύγκριση μιας τάσης εξόδου της πριονωτής γεννήτριας με μια τάση αναφοράς. Στην περίπτωση ισότητας αρχίζει να απαριθμεί. { } Οι διάφοροι τύποι του DAC είναι: 1. Με σύμπλεγμα αντιστάσεων ακρίβειας Ladder δυαδικού βάρους (Binary Weighted Ladder D/A converter). Oi αντιστάσεις μεταξύ τους βρίσκονται σε σχέση 2R, 4R,...,(2n-1) R. Το ένα άκρο τους είναι κοινό και το άλλο συνδέεται στη Vref ή στα 0 Volt μέσω ηλεκτρονικού διακόπτη που ελέγχεται από την κατάσταση μιας εισόδου. Δυαδικός κώδικας στις τέσσερις (4) εισόδους δίνει αντίστοιχα 1/16, 2/16,..., 15/16 Vref, στην έξοδο. ΜΑΛΑΜΙΔΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ σελ. 33 Δεκέμβριος 96

41 ΚΕΦΑΛΑΙΟ t 2. Μετατροπέας 4bits (4bits Converter). Με δύο συμπλέγματα των τεσσάρων αντιστάσεων δυαδικού βάρους. (Binary Weighted Quad Groups D/A Converters). Είναι παρόμοια η λειτουργιά με το προηγούμενο τύπο, με την διαφορά ότι έχουμε δύο συμπλέγματα αντιστάσεων ακρίβειας με 4 εισόδους για το LSB και άλλες 4 εισόδους για το MSB. 3. Μετατροπέας 8 bits.(8bits Converter). Μη ανεστραμένης συνδεσμολογίας R-2R (R/2R Ladder D/A Converters). Οι αντιστάσεις έχουν δύο μόνο τιμές σε σχέση 1:2 ( R = 10 ΚΩ, 2R = 20 ΚΩ ) με συνδεσμολογία χαρακτηριστική του μετατροπέα. Η λειτουργία με εσωτερικούς ηλεκτρονικούς διακόπτες είναι παρόμια με τους προηγούμενους τύπους. Η έξοδος είναι το γινόμενο της VrefKoi τουδυαδικού κλάσματος (BCD). 4. Ανεστραμένης συνδεσμολογίας αντιστάσεων R/2R (Inverted R/2R Ladder D/A Converter). Ίδια αρχή και λειτουργία με τον μετατροπέα με τη διάφορά ότι η τάση αναφοράς έχει εφαρμοστή στο τέλος του Lader ενώ στον τύπο που αναφέρθηκε προηγούμενα στην αρχή. Η έξοδος δίνει καθορισμένη τιμή ρεύματος για χαμηλές τιμές τάεων. ΜΑΛΑΜΙΔΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ σελ. 34 Δεκέμβριος 96

42 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Simplified dinar/weighted msistor DAC ' ^ Ύ Τ ί τ BCD R-2R Jadder- DAC BCD weighted resator DAC Σχήμα 2-1. Συνδεσμολογία D/A μετατροπέα. ΜΑΛΑΜΙΔΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ σελ. 35 Δεκέμβριος 96

43 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΓΕΝΙΚΕΣ ΧΡΗΣΗΣ ΤΩΝ A/D CONVERTERS ΚΑΙ D/A CONVERTERS {3-1} ΣΥΓΚΡΙΤΕΣ INPUTS Α > Β = ^ Β>Α = 0 Σχήμα 3-1. Μπλοκ διάγραμμα ενός συγκριτή τάσεως. Στο σχήμα 1-9 χρησιμοποιήσαμε ένα συγκριτή. Βρήκαμε ότι ο συγκριτής συγκρίνει δύο τάσεις και μας αναφέρει ποιά είναι η μεγαλύτερη από τις δύο. Το σχ. 3-1 είναι ένα βασικό μπλοκ διάγραμμα ενός συγκριτή. Εάν η τάση στην είσοδο A είναι μεγαλύτερη από την τάση στην είσοδο Β ο συγκριτής δίνει λογικό 1 στην έξοδο (Α>Β=1). Εάν η τάση στην είσοδο Β είναι μεγαλύτερη από την τάση στην είσοδο A η έξοδο είναι το λογικό 0 (Β>Α=0). Το κεντρικό τμήμα ενός συγκριτή είναι ένας ορ amp. Το σχ. 3-2 (α) δείχνει ένα κύκλωμα συγκριτή. Παρατηρούμε ότι η είσοδο A έχει τροφοδοσία 1,5V και η είσοδος Β έχει τροφοδοσία 0V. Η έξοδος του βολτομέτρου δείχνει 3,5V ή λογικό 1. ΜΑΛΑΜΙΔΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΝΤΙΝΟΥΔΗΣ ΚΩΣΤΑΝΤΙΝΟΣ Δεκέβριος 96

44 A DODAC Σχήμα 3-2. Κύκλωμα συγκριτή τάσης : α)με μεγαλύτερη τάση στην είσοδο A β)με μεγαλύτερη τάση στην είσοδο Β. Το σχ. 3-2 (β) δείχνει ότι η τάση της εισόδου Β έχει αυξηθεί σε 2 V. Η είσοδος A παραμένει στα 1,5 V και έτσι η είσοδος Β είναι μεγαλύτερη από την Α. Η έξοδος του κυκλώματος του συγκριτή είναι περίπου 0 V (πρακτικά η τάση είναι περίπου -0,6 V) ή λογικό 0. Ο συγκριτής στο μετατροπέα A/D στο σχ. 1-9 δουλεύει ακριβώς όπως αυτή η μονάδα.η δίοδος Zener στο συγκριτή του σχ. 3-2 υπέρχει για να συγκρατεί την τάση εξόδου περίπου στα + 3,5 και 0 V. Χωρίς τη δίοδο Zener οι τάσεις εξόδου θα μεταβάλλονταν μεταξύ + 9 και - 9 V. Οι τάσεις V και 0 V είναι περισσότερο συμβατές με τα TTL ΙΟς που έχουμε χρησιμοποιήσει. ΜΑΛΑΜΙΔΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΝΤΙΝΟΥΔΗΣ ΚΩΣΤΑΝΤΙΝΟΣ Δεκέβριος 96

45 {3-2 } ΕΝΑ ΨΗΦΙΑΚΟ ΒΟΑΤΟΜΕΤΡΟ ANALOG INPUT Σχήμα 3-3. Μπλοκ διάγραμμα ενός ψηφιακού βολτομέτρου. Μια χρήση του μετατροπέα A/D ε.ιναι το ψηφιακό βολτόμετρο. Μέχρι τώρα έχουμε χρησιμοποιήσει όλα τα απαραίτητα υποσυστήματα για την κατασκευή ενός συστήματος ψηφιακού βολτομέτρου.ένα μπλοκ διάγραμμα ενός απλού ψηφιακού βολτομέτρου φαίνεται στο σχ Ο μετατροπέας A/D μετατρέπει τη αναλογική τάση σε δυαδική μορφή.το δυαδικό στέλνεται στον αποκωδικοποιητή όπου εκεί μετατρέπεται σε κώδικα επτά τομέων. Ο ενδείκτης εμφανίζει την τάση σε δεκαδικούς αριθμούς. Με τροφοδοσία 7 V στην είσοδο του μετατροπέα A/D, στην έξοδο θα έχουμε το δυαδικό 0111 όπως φαίνεται στο σχήμα Ο αποκωδικοποιητής ενεργοποιεί τις γραμμές a εώς ο στον ενδείκτη επτά τομέων και οι τομείς a εώς ο ανάβουν στον ψηφιακό ενδείκτη. Αυτό διαβάζεται στον ενδείκτη ως δεκαδικό 7. Παρατηρούμε ότι ο μετατροπέας A/D είναι επίσης ένας αποκωδικοποιητής ο οποίος αποκωδικοποιεί μια αναλογική είσοδο σε δυαδική έξοδο. ΜΑΛΑΜΙΔΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΝΤΙΝΟΥΔΗΣ ΚΩΣΤΑΝΤΙΝΟΣ Δεκέβριος 96

46 Σχήμα 3-4. Διάγραμμα συνδέσεων ενός ψηφιακού βολτομέτρου. Ένα διάγραμμα συνδέσεων ενός ψηφιακού βολτομέτρου φαίνεται στο οχ Παρατηρούμε το συγκριτή τάσης, την πύλη AND, το μετρητή, τον αποκωδικοποιητή, τον ενδείκτη επτά τομέων και το μετατροπέα D/A. Αρκετές ΜΑΛΑΜΙΔΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ σελ. 39 ΝΤΙΝΟΥΔΗΣ ΚΩΣΤΑΝΤ1ΝΟΣ Δεκέβριος 96

47 τάσεις τροφοδοσίας χρειάζονται για τη λειτουργία αυτού του κυκλώματος. Μια διπλή τροφοδοσία ± 10 V χρησιμοποιείται για τον 741 ορ. amp. Μια τροφοδοσία 5 V χρησιμοποιείται για τα 7408, 7493, και 7447 TTL ΙΟς και για τον ενδείκτη επτά τομέων.μια μεταβλητή τάση τροφοδοσίας από 0 εώς 10V χρειάζεται για την αναλογική τάση εισόδου. Ας υποθέσουμε ότι έχουμε τάση 2 V στην αναλογική είσοδο του ψηφιακού βολτομέτρου του σχ.3-4. Μηδενίζουμε το μετρητή στο Ο συγκριτής ελέγχει τις εισόδου A και Β. Η είσοδος A είναι μεγαλύτερη της Β (Α = 2 V, Β = 0 V) και η έξοδος του συγκριτή δίνει λογικό 1. Αυτό το 1ενεργοποιεί την πύλη AND. Ο παλμός χρονισμού περνάει μέσω της πύλης AND στο μετρητή και προκαλεί αύξησή του κατά μια μέτρηση (0001). Το 0001 τροφοδοτείται στον αποκωδικοποιητή.ο αποκωδικοποιητής ενεργοποιεί τις γραμμές b και c στον ενδείκτη επτά τομέων. Τα τμήματα αυτά b και c ανάβουν στον ενδείκτη δίνοντας το δεκαδικό 1. Το 0001 επίσης τροφοδοτείται στο μετατροπέα D/A. Περίπου 3,2 V από τον μετρητή τροφοδοτούνται μέσω της αντίστασης 150 ΚΩ στην είσοδο του ορ. amp. Η απολαβή τάσης του ορ. amp. είναι Αν = Rf/ Rin = / = 0,31. Η απολαβή είναι 0,31. Η απολαβή τάσης επί την τάση εισόδου δίνει την τάση εξόδου: Vo = Αν X Vin = 0,31 X 3,2 = 1 V. Η τάση εξόδου του μετατροπέα D/A είναι -1 V. Το 1 V είναι η ανάδραση του συγκριτή. Τώρα με 2 V τροφοδοσία στην είσοδο συγκριτής ελέγχει το A και Β. Η είσοδος A είναι μεγαλύτερη. Ο συγκριτής τροφοδοτεί ένα λογικό 1 στην πύλη AND. Από την πύλη AND περνάει ο δεύτερος παλμός χρονισμού στο μετρητή. Ο μετρητής βρίσκεται στο Το 0010 αποκωδικοποιείται και εμφανίζεται σαν δεκαδικό 2 στον ενδείκτη επτά τομέων. Το 0010 επίσης τροφοδοτείται στον μετατροπέα D/A. Ο μετατροπέας D/A δίνει έξοδο περίπου 2 V η οποία τροφοδοτείται πίσω στην είσοδο Β του συγκριτή ένδειξης που τώρα δείχνει 2. Τα 2 V τροφοδοτούν ακόμη στην είσοδο A του συγκριτή. Ο ΜΑΛΑΜΙΔΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΝΤΙΝΟΥΔΗΣ ΚΩΣΤΑΝΤΙΝΟΣ Δεκέβριος 96

48 συγκριτής ελέγχει την A και Β είσοδο και βρίσκει την Β ελάχιστα μεγαλύτερη. Η έξοδος X του συγκριτή πηγαίνει στο λογικό 0. Η πύλη AND είναι απενεργοποιημένη. Κανένας παλμός χρονισμού δε φτάνει στο μετρητή. Η μέτρηση έχει σταματήσει στο 2 στον ενδείκτη. Αυτή είναι η τάση που τροφοδοτήσει στην αναλογοκή είσοδο. Το ψηφιακό βολτόμετρο του σχ. 3-4 είναι ένα πειραματικό κύκλωμα αλλά περιέχεται γιατί περιγράφει πως λειτουργεί ένα ψηφιακό βολτόμετρο. Δείχνει πως τα SSI και τα MSI ΙΟς μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να κάνουν πιο σύνθετες λειτουργίες. Είναι ένα απλό παράδειγμα ενός υβριδικού ηλεκτρονικού συστήματος που περιέχει ψηφιακές και αναλογικές διατάξεις. Τα σύγχρονα ψηφιακά βολτόμετρα και ΟΜΜς βασίζονται σε LSI ΙΟς. Αυτοί οι ειδικευμένοι μετατροπείς διατίθενται από πολλές βιομηχανίες. Τα LSI ΙΟς ψηφιακών βολτομέτρων, περιέχουν όλες τις ενεργές διατάξεις σ ένα μόνο CMOS 1C. Αυτά περιέχουν μετατροπείς A/D, αποκωδικοποιητές επτά τομέων, οδηγούς ενδεικτών και ένα clock. { 3-3 } ΑΛΛΟΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ A/D Στην ενότητα 1-6 μελετήσαμε το μετρητή-κλιμακωτό μετατροπέα A/D. Σ αυτή την ενότητα θα μελετήσουμε δύο άλλους τύπους μετατροπέων. Ένας κλιμακωτός μετατροπέας A/D φαίνεται στο σχ Αυτός ο μεατροπέας δουλεύει με το μετρητή κλιμακωτό-μετατροπέα A/D του σχ Η γεννήτρια ράμπας στα αριστερά (ramp generator) του σχ. 3-5 είναι το μόνο καινούργιο υποσύστημα. Η γεννήτρια ράμπας παράγει μια πριονώτη κυματομορφή η οποία φαίνεται στο σχ. 3-6 (α). ΜΑΛΑΜΙΔΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΝΤΙΝΟΥΔΗΣ ΚΩΣΤΑΝΤΙΝΟΣ Δεκέβριος 96

49 Ας υποθέσουμε ότι τροφοδοτούνται 3 V στην αναλογική είσοδο τάσης του μετατροπέα A/D του σχ Σχήμα 3-5. Μπλοκ διάγραμμα ενός μετατροπέα A/D τύπου ramp. Αυτή η κατάσταση διαγράφεται στο σχ. 3-6 (α). Η τάση ράμπας αρχίζει να αυξάνεται αλλά είναι ακόμη χαμηλότερη από την είσοδο A του συγκριτή. Η έξοδος του συγκριτή είναι σ ένα λογικό 1. Αυτό το 1 ενεργοποιεί την πύλη AND έτσι ώστε να περάσει ένας παλμός χρονισμού. Το διάγραμμα στο σχ. 3-6 δείχνει τρεις παλμούς χρινισμού να περνούν την πύλη AND, πριν η τάση ράμπας αυξηθεί και γίνει μεγαλύτερη της τάσης εισόδου. Στο σημειό Υ του σχ. 3-6 (α) η έξοδος του συγκριτή πηγαίνει στο λογικό 0 και η πύλη AND απενεργοποιείται. Ο μετρητής σταματά στο δυαδικό 0011 το οποίο σημαίνει ότι τροφοδοτούνται 3 V στην είσοδο. ΜΑΛΑΜ1ΔΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΝΤΙΝΟΥΔΗΣ ΚΩΣΤΑΝΤ1ΝΟΣ Δεκέβριος 96

50 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Σχήμα 3-6.Κυματομορφές μετατροπέα A/D τύπου ramp : α) Με είσοδο 3V β) Με είσοδο 6 V. Το σχ. 3-6 (β) δείχνει ένα άλλο παράδειγμα. Η τάση εισόδου του μετατροπέα A/D κλιμακωτού τύπου είναι 6 V. Η τάση ράμπας αυξάνεται από τα δεξιά προς τα αριστερά. Η έξοδος του συγκριτή είναι σε λογικό 1 επειδή η είσοδος A είναι μεγαλύτερη από την είσοδο ράμπας της γεννήτριας στην είσοδο Β. Ο μετρητής συνεχίζει να λειτουργεί. Στο σημείο Ζ η τάση της γενήτριας ράμπας είναι μεγαλύτερη από την Vin. Σ αυτό το σημείο η έξοδος του συγκριτή πηγαίνει στο λογικό 0. Το 0 απενεργοποιεί την πύλη AND και κανένας παλμός χρονισμού δεν φθάνει στο μετρητή. Ο μετρητής έχει σταματήσει στο δυαδικό 0110 το οποίοσημαίνει ότι έχουμε 6 V στην αναλογική είσοδο. Η δυσκολιά με τον μετατροπέα A/D κλιμακωτού τύπου είναι ότι χρειάζεται αρκετό χρόνο για να μετρήσει μέχρι τις υψηλότερες τάσεις. Για παράδειγμα εάν η δυαδική έξοδος ήταν 8 δυαδικών θέσεων ο μετρητής θα έπρεπε να αριθμήσει μέχρι το 255. Για να αποφύγουμε ΜΑΛΑΜΙΔΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΝΤΙΝΟΥΔΗΣ ΚΩΣΤΑΝΤΙΝΟΣ Δεκέβριος 96

51 λοιπόν αυτή την αργή μετατροπή χρησιμοποιούμε ένα άλλο τύπο μετατροπέα A/D. Ένας τέτοιος τύπος είναι ο μετατροπέας A/D διαδοχικής προσέγγισης. Ένα μπλοκ διάγραμμα ενός τέτοιου μετατροπέα A/D διαδοχικής προσέγγισης φαίνεται στο σχ Ο μετατροπεάς αποτελείται από ένα συγκριτή τάσης, ένα μετατροπέα D/A κι ένα λογικό μπλοκ το οποιό ονομάζεται τμήμα λογικής διαδοχικής προσέγγισης. BINARY OUTPUT Σχήμα 3-7. Μπλοκ διάγραμμα μετατροπέα A/D τύπου διαδοχικής προσέγγισης Ας υποθέσουμε ότι η αναλογική είσοδος τροφοδοτείται με 7 V. Ο μετατροπέας A/D διαδοχικής προσέγγισης κάνει πρώτα μια πρόβλεψη στην αναλογική είσοδο τάσης. Αυτή η πρόβλεψη γίνεται με την τοποθέτηση του MSB στο 1. Αυτό φαίνεται στο μπλοκ 1 του σχ Αυτή η εργασιά γίνεται από τη λογική μονάδα διαδοχικής προσέγγισης. Το ΜΑΛΑΜ1ΔΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΝΤΙΝΟΥΔΗΣ ΚΩΣΤΑΝΤΙΝΟΣ Δεκέβριος '96

52 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 αποτέλεσμα (1000), τροφοδοτείται πίσω στο συγκριτή μέσω του μετατροπέα D/A. Σχήμα 3-8. Διάγραμμα ροής της λειτουργίας του μετατροπέα A/D τύπου διαδοχικής προσέγγισης. ΜΑ/\ΑΜΙΔΗΣ ΝΙΚΟ/\ΑΟΣ σελ. 45 ΝΤΙΝΟΥΔΗΣ ΚΩΣΤΑΝΤ1ΝΟΣ Δεκέβριος 96

53 Ο συγκριτής απαντά στην ερώτηση στο μπλοκ 2, εάν το 1000 είναι HIGH ή LOW συγκριτικά με την τάση εισόδου, σχ Σ αυτή την περίπτωση η απάντηση είναι HIGH. Μετά η λογική μονάδα διαδοχικής προσέγγισης εργάζεται στο μπλοκ 3. Η θ έση 8ς καθαρίζεται στο 0 και η 4ς τοποθετείται στο 1. Το αποτέλεσμα (0100) στέλνεται στη μονάδα του συγκριτή μέσω του μετατροπέα D/A. Στη συνέχεια ο συγκριτής απαντά στην ερώτηση στο block 4 εάν το 0100 είναι HIGH ή LOW συγκριτικά με την τάση εισόδου. Η απάντηςη είναι LOW. Έτσι η μονάδα λογικής διαδοχικής προσέγγισης συνεχίζει και εργάζεταο στο μπλοκ 5. Η θέση 2ς πηγαίνει στο 1. Το αποτάλοεσμα (0110) στέλνεται στο συγκριτή ο οποιός απάντα στην ερώτηση στο μπλοκ 6 εάν το 0110 είναι HIGH ή LOW συγκριτικά με την τάση εοσόδου. Η απάντηση είναι LOW. Στη συνέχεια η μονάδα λογικής διαδοχικής προσέγγισης εργάζεται στο μπλοκ 7. Η θέση 1ς τοποθετείται στο 1. Το τελικό αποτέλεσμα είναι Αυτό σημαίνει ότι στην είσοδο του μετατροπέα A/D υπάρχει τροφοδοσία 7 V. Παρατηρούμε στο σχ. 3-8 ότι οι εργασίες στα μπλοκ γίνονται από τη μονάδα λογικής διαδοχικής προσέγγισης. Οι ερωτήσεις απαντούνται από το συγκριτή. Επίσης παρατηρούμε ότι η εργασιά της μονάδας λογικής διαδοχικής προσέγγισης εξαρτάται από το αν η απάντηση του συγκριτή είναι HIGH ή LOW (δείτε τα μπλοκ 3 και 5). Το πλεονέκτημα του μετατροπέα A/D διαδοχικής προσέγγισης είναι ότι δεν παίρνει χρόνο για να δώσει απάντηση και η ψηφιακή επεξεργασιά είναι πολύ γρήγορη. Ο μετατροπέας A/D διαδοχικής προσέγγισης χρησιμοποιείται ευρέως. ΜΑΛΑΜΙΔΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΝΤΙΝΟΥΔΗΣ ΚΩΣΤΑΝΤΙΝΟΣ Δεκέβριος 96

54 {3-4 } ΕΝΑΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ A/D 1C Έναν εμπορικό μετατροπέα A/D 1Cθα εξετάσουμε σ αυτό το τμήμα. Το σχ. 3-9 (α) δείχνει το διάγραμμα επαφών για έναν ADC bit (μετατροπέας A/D 1C). Ο πίνακας στο σχ. 3-9 (β) αναφέρει το όνομα και τη λειτουργία κάθε ακροδέκτη του ADC C. Αυτός ο μετατροπέας έχει σχεδιαστεί για να συνδέεται απευθείας με τους μικροεπεξεργαστές 8080, 8085 ή Ζ 80. Μερικοί ακροδέκτες στον ADC C ταιριάζουν με ακροδέκτες γνωστών μικροεπεξεργαστών. Για παράδειγμα ο ADC 0804 χρησιμοποιεί τους ακροδέκτες (RD), (WR) και (INTR) οι οποίοι ταιριάζουν με τους ακροδέκτες RD, WR και INTR του μικροεπεξεργαστή Ο ADC 0804 μπορεί επίσης να συνδεθεί με άλλους γνωστούς μικροεπεξεργαστές 8- bits όπως ο 6800 και ο Η είσοδος ελέγχου (CS) στο μετατροπέα ADC 0804 A/D παίρνει σήμα από το κύκλωμα αποκωδικοποίησης διευθύνσεων του μικροεπεξεργαστή. ΜΑΛΑΜΙΔΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΝΤΙΝΟΥΔΗΣ ΚΩΣΤΑΝΉΝΟΣ Δεκέβριος '96

55 Dual ίη Ι«π packag «: Λ (Τ CLK ft WP [Τ ~ie] Ofle (LS8) CLK IN [Τ Tt oe. 7ν 7Ά [Τ ADC08O4 ν.<>. [Τ V..-. [Τ 3 o.. Λ GNO [Τ V,.. [Τ ~i7 oe. D GNO Q0 j j ] OB, (MSB) A0C0804 Α/Ο CC Input/Output Σχήμα 3-9. ADC0804 A/D μετατροπέας 1C : α) Διάγραμμα ακροδεκτών, β) Ονομασίες και λειτουργίες ακροδεκτών ΜΑΛΑΜΙΔΗΣ Ν1ΚΟ/\ΑΟΣ ΝΤΙΝΟΥΔΗΣ ΚΩΣΤΑΝΤΙΝΟΣ Δεκέβριος '96

56 Ο ADC 0804 είναι ένας CMOS 8-bits μετατροπέας A/D διαδοχικής προσέγγισης. Έχει εξοδους τριών καταστάσεων και έτσι μπορεί να συνδεθεί απευθείας με το data bus ενός μικροεπεξεργαστή. Το ADC 0804 έχει δυαδικές εξόδους και χρόνο μετατροπής μόνο 100 μς. Οι είσοδοι και οι έξοδοι του είναι συμβατές με MOS και TTL. Έχει μία γεννήτρια παλμού on-chip. Αυτή η εσωτερική γεννήτρια χρειάζεται δύο εξωτερικά εξαρτήματα (αντίσταση ή πυκνωτή) για να λειτουργήσει. Ο ADC 0804 IC λειτουργεί με μία καθορισμένη τροφοδοσία + 5 V και μπορεί να κωδικοποιήσει αναλογικές τάσεις εοσόδου που μεταβάλονται από 0 εώς 5 V. Ο ADC 0804 μετατροπέας A/D IC μπορεί να δοκιμασθεί χρησιμοποιώντας το κύκλωμα που φαίνεται στο σχ Η λειτουργία του κυκλώματος είναι η κωδικοποίση της διαφοράς των τάσεων Vin (+) και Vin (-), οι οποίες συγκρίνονται με την αναφερόμενη τάση (σ αυτό το παράδειγμα 5,12 V), σε παρόμοια δυαδική αξία. Για παράδειγμα η διακριτική ικανότητα του ADC Cείναι 8-bits ή 0,39 %. Αυτό σημαίνει ότι για κάθε αύξηση της τάσης στις αναλογικές εισόδους κατά 0,02 V (5,12 V X 0,39 % = 0,02 V) η δυαδική μέτρηση αυξάνει κατά 1. Ο διακόπτης start στο σχ είναι πρώτα κλειστός και μετά ανοικτός για να αρχίσει η ελέυθερη λειτουργία του μετατροπέα A/D. Είναι ελεύθαρη λειτουργία επειδή μετατρέπει συνέχεια την αναλογική είσοδο σε ψηφιακές εξόδους. Ο διακόπτης start θα πρέπει να μένει ανοικτός όταν ο μετατροπέας A/D λειτουργεί. Η (WR) είσοδος μπορεί να χαρακτηριστεί είσοδος παλμού χρονισμού, με την έξοδο διακοπής (INTR) να στέλνει παλμό στην είσοδο ΜΑΛΑΜΙΔΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΝΤΙΝΟΥΔΗΣ ΚΩΣτΑΝΤΙΝΟΣ Δεκέβριος '96