Εργαστηριακές ασκήσεις λογικών κυκλωμάτων 11 A/D-D/A

Transcript

1 11.1 Θεωρητικό μέρος 11 A/D-D/A Μετατροπέας αναλογικού σε ψηφιακό σήμα (A/D converter) με δυαδικό μετρητή Σχ.1 Μετατροπέας A/D με δυαδικό μετρητή Στο σχήμα 1 απεικονίζεται σε block diagram ένας μετατροπέας A/D με δυαδικό μετρητή του οποίου η αρχή λειτουργίας περιγράφεται κατωτέρω. Η V a είναι η προς μετατροπή αναλογική τάση η οποία συγκρίνεται με την τιμή αναλογικής τάσης V d που δίνει ο μετατροπέας ψηφιακού σε αναλογικό σήμα DAC στο συγκριτή. Εφ' όσον η έξοδος του DAC είναι μικρότερη από την V a,ο συγκριτής δίνει high και το clock δια μέσου της πύλης AND επαυξάνει συνεχώς την τιμή του δυαδικού μετρητή η οποία μας δίνει και την αντίστοιχη τάση στην έξοδο του DAC. Όταν V d =V a ο συγκριτής δίνει 0 στην έξοδο σημαίνοντας το τέλος της μετατροπής CC=0 (conversion completed). Τότε διακόπτεται η ροή του clock μέσω της πύλης AND το latch ενεργοποιείται και δίνει έξοδο στο display ή σε μνήμη ενώ στη συνέχεια γίνεται clear ο μετρητής ώστε η διαδικασία να επαναληφθεί. Αν η μέγιστη τιμή του αναλογικού σήματος είναι V a max ο DAC είναι ρυθμισμένος ώστε V d max = V a max και επομένως η Va max θα αντιστοιχεί σε έξοδο 1111 του μετρητή ενώ οι ενδιάμεσες τιμές σε αντίστοιχες ενδιάμεσες δυαδικές. Λεωνίδας Ασλάνογλου 105

2 Μετατροπέας A/D διαδοχικών προσεγγίσεων Σχ.2 Μετατροπέας A/D διαδοχικών προσεγγίσεων Ένας άλλος τύπος μετατροπέα αναλογικού σε ψηφιακό σήμα είναι ο μετατροπέας A/D διαδοχικών προσεγγίσεων (Successive approximation A/D converter) το block diagram του οποίου φαίνεται στο σχήμα 2. Η τεχνική των διαδοχικών προσεγγίσεων στηρίζεται σε ένα προγραμματιζόμενο καταχωρητή τον SAR (Successive approximation register) ο οποίος στη περίπτωσή μας για μετατροπή αναλογικού σήματος σε τετράμπιτο δυαδικό λαμβάνει αρχικά την τιμή Η τιμή αυτή δίνει την αντίστοιχη V d μέσω του μετατροπέα ψηφιακού σε αναλογικό σήμα DAC η οποία συγκρίνεται με την προς μετατροπή αναλογική τάση εισόδου V a και αν V a <V d τότε ο SAR απορρίπτει το 1 από το MSB και θέτει 1 στο αμέσως λιγότερο σημαντικό ενώ αν V a > V d κρατάει το 1 στο MSB και προσθέτει ένα 1 στο αμέσως λιγότερο σημαντικό. Η διαδικασία συνεχίζεται έως ότου προκύψει ισότητα V a =V d οπότε η τιμή αυτή δίνεται μέσω του latch στην έξοδο και η διαδικασία επαναλαμβάνεται εξ αρχής. Για παράδειγμα αν η V a κυμαίνεται μεταξύ 0 και 15V και έχουμε V a =3V, οι τιμές που θα ακολουθήσει ο SAR ως ότου καταλήξει στην τιμή 0011 φαίνονται παρακάτω. Ξεκινώντας από τη θέση (1) περνά διαδοχικά από τις θέσεις (2), (3) και καταλήγει στη θέση (4) όπου υπάρχει ισότητα. Η αλληλουχία των καταστάσεων των εξόδων του φαίνεται στο πίνακα Λεωνίδας Ασλάνογλου

3 αρχή <8 (1) <4 (2) τέλος =3 (4) >2 (3) Πίν.1 Παράδειγμα λειτουργίας του SAR για V a max =15 V όταν μετατρέπεται τάση V a =3 V ADC0804 A/D Converter Η σειρά των ολοκληρωμένων ADC0801 έως ADC0805 είναι οκτάμπιτοι μετατροπείς αναλογικού σήματος σε ψηφιακό, είναι τεχνολογίας CMOS και τύπου διαδοχικών προσεγγίσεων. Η τυπική συνδεσμολογία ενός A/D Converter ADC0804 φαίνεται στο σχήμα 3. Περιγραφή ακροδεκτών 1. Η είσοδος CS πρέπει να είναι LOW ώστε να επιλέγεται το chip. Ένα LOW στην είσοδο WR ξεκινά τη μετατροπή (start conversion). Λεωνίδας Ασλάνογλου 107

4 2. Ένα LOW στην είσοδο RD επιτρέπει την ανάγνωση της οκτάμπιτης λέξης εξόδου του μετατροπέα. 3. Η πτώση της εξόδου INTR από HIGH σε LOW δηλώνει το τέλος της μετατροπής. 4. Οι έξοδοι DB 0 έως DB 7 δημιουργούν την οκτάμπιτη λέξη εξόδου τουμετατροπέα. 5. Η είσοδος CLK R σε συνδυασμό με την CLK IN και κατάλληλου RC δημιουργεί ρολόι αυτοχρονισμού. 6. Οι είσοδοι VI N (+) και V IN (-) είναι οι διαφορικές είσοδοι του αναλογικού σήματος. 7. Η είσοδος V REF /2 ορίζει τη μισή τιμή της τάσης αναφοράς. 8. Ο ακροδέκτης AGND συνδέεται στη γείωση του αναλογικού κυκλώματος. 9. Ο ακροδέκτης V CC και ο ακροδέκτης DGND, είναι η τροφοδοσία και η γείωση αντίστοιχα του ψηφιακού κυκλώματος. Σχ.3 Σύνδεση του ADC0804 με μικροεπεξεργαστή και transducer 108 Λεωνίδας Ασλάνογλου

5 Κατά τη μετατροπή ενός αναλογικού σήματος σε ψηφιακό, συγκρίνεται η V REF με τη διαφορά των V IN (+) και V IN (-). Σε περίπτωση που V IN (+) - V IN (-) = V REF η ψηφιακή λέξη εξόδου ισούται με FF (255), ενώ αν V IN (+) - V IN (-) = 0, η ψηφιακή λέξη εξόδου ισούται με 00 (0). Η σχέση μετατροπής είναι πρακτικά γραμμική και έτσι: το βάρος ενός bit = V REF /255 ενώ η τρέχουσα ψηφιακή έξοδος εκφρασμένη σε δεκαδικό αριθμό από 0 έως 255 θα είναι ίση με: Dig.o/p = 255 [V IN (+) - V IN (-) ] / V REF Μετατροπέας ψηφιακού σήματος σε αναλογικό (D/Α converter) με κλιμακωτό κύκλωμα αντιστάσεων V R S 3 R Rf S 2 S 1 2R 4R - +V cc V 0 S 0 8R + -V cc Σχ.4 Μετατροπέας ψηφιακού σήματος σε αναλογικό με κλιμακωτό κύκλωμα αντιστάσεων Στο σχήμα 4 έχουμε ένα βασικό κύκλωμα ψηφιακού σε αναλογικό σήμα μετατροπέα με κλιμακωτό κύκλωμα αντιστάσεων (ladder-type D/A converter). Αν θεωρήσουμε ότι οι διακόπτες S 0 ως και S 3 παίρνουν την τιμή 1 ή 0 ελεγχόμενοι από το αντίστοιχο bit του προς μετατροπή τετράμπιτου δυαδικού αριθμού τότε η αναλογική τάση εξόδου V 0 είναι: S3VR S2VR S1VR S0VR V O = -R F [ ] R 2R 4R 8R VR RF S2 S1 S0 V O = - ( S ) R VR RF V O = - ( 8S 3 + 4S2 + 2S1 + S0 ) 8R Στη συνέχεια θέτοντας V R = -12 V, R f =18 KΩ, R=27 ΚΩ έχουμε ότι: V 0 = (8S3+4S2+2S1+S0) Volt Λεωνίδας Ασλάνογλου 109

6 οπότε για τη θέση των διακοπτών που φαίνεται στο σχήμα 4 θα είχαμε : V O = 8+1 =9 Volt που αντιστοιχεί στον αριθμό 1001 με το βάρος ενός bit να είναι 1 Volt Εκτέλεση Εργασίας Αυτοχρονιζόμενος ADC σε ελεύθερη λειτουργία Συνδεσμολογείστε το κύκλωμα του αυτοχρονιζόμενου ADC σε ελεύθερη λειτουργία (self clocking, free-running mode) όπως στο σχήμα 5. Αντί για διακόπτη NO (start) συνδέστε ένα καλώδιο στα pins 3 και 5 που είναι βραχυκυκλωμένα και μετά την εφαρμογή της Vcc δώστε στιγμιαία γη σ' αυτά για να ξεκινήσει η λειτουργία σε free-running mode. Μεταβάλλοντας την τάση +V από 0 σε +15V - μέσω του διαιρέτη τάσης που δημιουργούν οι αντιστάσεις 2.2Κ και 1.2K - εφαρμόζουμε στην είσοδο V IN (+) μεταβαλλόμενη τάση από 0 έως + 5V, η οποία μετράται από το ψηφιακό βολτόμετρο. Συμπληρώστε πίνακα με τις τιμές της ψηφιακής εξόδου σε δυαδική λέξη των 8 bit όπως αυτές φαίνονται στα Leds για τις τιμές της V IN (+) από 0 ως 5V ανά 0.5V. Με βάση τον ανωτέρω πίνακα κάντε τη γραφική παράσταση D OUTPUT = F(A INPUT ) με τις τιμές της αναλογικής τάσης εισόδου στον οριζόντιο άξονα και τις τιμές της ψηφιακής εξόδου στον κατακόρυφο. Τι παρατηρείτε ; Σημειώνουμε ότι η είσοδος V REF /2 έχει μείνει ασύνδετη. Τι έχει θεωρήσει σαν V REF ο μετατροπέας σε αυτή την περίπτωση ; Χωρίς να αλλάξετε τίποτα στο κύκλωμα του σχήματος 5 συνδέστε τώρα την είσοδο V REF /2 όπως φαίνεται στο σχήμα 6. Πάρτε ξανά τις ίδιες μετρήσεις όπως προηγουμένως, μεταβάλλοντας όμως την τάση V ln (+) κατά 0.4V κάθε φορά, συμπληρώνοντας ένα αντίστοιχο πίνακα. Σχεδιάστε τώρα τη νέα γραφική παράσταση D OUTPUT = F(A INPUT ). Τι παρατηρείτε σε σχέση με την προηγούμενη ; Ποια είναι η τάση V REF με την οποία λειτουργεί τώρα ο μετατροπέας; Ποιο ήταν το βάρος του ενός bit προηγουμένως και ποιο είναι τώρα; Αν θέλαμε να μετατρέψουμε αναλογική τάση από 0 έως 2.5V με τη μέγιστη δυνατή ανάλυση τι θα έπρεπε να κάνουμε; Σημειώνουμε ότι σε κάθε περίπτωση για ακρίβεια στη μετατροπή, ο ακροδέκτης V REF /2 πρέπει να συνδέεται με εξωτερική τάση αναφοράς και δεν πρέπει να μένει στον αέρα (αυτό έγινε εδώ στην πρώτη περίπτωση προς χάριν απλοποίησης του κυκλώματος). Τι θα έπρεπε κανονικά να κάνουμε στην πρώτη περίπτωση; 110 Λεωνίδας Ασλάνογλου

7 Σχ.5 Εργαστηριακό κύκλωμα αυτοχρονιζόμενου ADC σε ελεύθερη λειτουργία (self clocking, free-running mode) Σχ.6 Ρυθμίζοντας τη V REF /2 εξωτερικά Λεωνίδας Ασλάνογλου 111

8 Μετατροπέας ψηφιακού σήματος σε αναλογικό (D/Α converter) με κλιμακωτό κύκλωμα αντιστάσεων -12 V S 3 27K 18K S 2 S 1 S 0 56K 100K 220K +15 V V V 0 Σχ.6 Εργαστηριακό κύκλωμα μετατροπέα ψηφιακού σήματος σε αναλογικό (D/Α converter) με κλιμακωτό κύκλωμα αντιστάσεων Πραγματοποιήστε το ανωτέρω κύκλωμα σχήμα 6 χρησιμοποιώντας το τελεστικό 741 και συμπληρώστε το πίνακα 2 για τους 16 συνδυασμούς ενός 4 bit δυαδικού αριθμού στην είσοδό του.(οι τιμές των αντιστάσεων είναι οι πλησιέστερες στη θεωρητική τιμή που υπάρχουν στο εργαστήριο). Digital i/p Analog o/p V O Digital i/p Analog o/p V O Πίν.2 Μετρήσεις στο μετατροπέα D/A με κλιμακωτό κύκλωμα αντιστάσεων Με βάση τον ανωτέρω πίνακα κάντε τη γραφική παράσταση: A OUTPUT = F(D INPUT ) με τις τιμές της ψηφιακής τάσης εισόδου στον οριζόντιο άξονα και τις τιμές της αναλογικής εξόδου στον κατακόρυφο. Τι παρατηρείτε; Ποια πρέπει να είναι η τιμή της τάσης V R ώστε το βάρος ενός bit να είναι 0,5V; Ποια θα είναι τότε η μέγιστη τάση εξόδου για ψηφιακή είσοδο 1111; 112 Λεωνίδας Ασλάνογλου