AD i DA Konverzija

2. DIGITALNO – ANALOGNA I ANALOGNO – DIGITALNA KONVERZIJA



DIGITALNO – ANALOGNA KONVERZIJA OSOBINE DA KONVERZIJE



DA KONVERTOR SA LJESTVIČASTOM OTPORNOM MREŢOM





PRIMJERI INTEGRIRALNIH IZVEDBI DA KONVERTORA Read Free For 30 Days ANALOGNO – DIGITALNA KONVERZIJA OSOBINE AD KONVERZIJE AD KONVERTOR DA DVOJNIM NAGIBOM AD KONVERTOR SA POSTUPNOM APROKSIMACIJOM PARALELNI AD KONVERTOR



SKLOPOVI ZA UZIMANJE I DRŢANJE UZORAK



PRIMJERI INTEGRALNIH IZVEDBI AD KONVERTORA

3.1.

3.2.   

Vrlo velika upotreba digitalnih sistema u različitim područjima tehnike zahtijeva čestu primjenu sklopova za konverziju signala iz analognog oblika u digitalni i obratno. Tu funkciju  DISCOVER NEW BOOKS  READ EVERYWHERE  BUILD YOUR DIGITAL READING LISTS obavljaju analogno-digitalni konvertor (skraćeno AD konvertor, engl. AD converter, skraćeno ADC) i digitalno-analogni konvertor (skraćeno DA konvertor, engl. DA converter, skraćeno DAC).

Odvijanjem nekoga procesa mijenjaju se njegove karakteristične veličine. To mogu biti pomak, brzina, temperatura, pritisak, protok itd. Senzor mjeri te promjene i šalje ih na sklop za analognu obradu signala. Tu se signal mijenja (filtrira, pojačava i kompenzira nelinearnost karakteristike senzora i poprima oblik i veličinu pogodnu za prihvat u analogno -digitalnom konvertoru. AD konvertor daje signalu digitalni oblik nakon čega signal dolazi u računar na obradu. Digitalni signal se iz računara dovodi u digitalno -analogni konvertor koji ga vraća u analogni oblik (slika 3.1.). Prije dovoĎenja toga signala na izvršni član, koji će u željenom opsegu djelovati na promjene u procesu, potrebno je signal prilagoditi izvršnom čla nu (npr. prema potrebnoj snazi).

Slika 3.1. Uloga AD konvertora i DA konvertora u sistemima za digitalno upravljanje

3.1.

DIGITALNO – ANALOGNA KONVERZIJA 3.1.1. OSOBINE DA KONVERTORA

Vjeţba:

Read Free For 30 Days

 DISCOVER NEW BOOKS

 READ EVERYWHERE

 BUILD YOUR DIGITAL READING LISTS

Slika 3.2. Djelovanje DA konvertora

DA konverzija je postupak kojim se digitalna veličina (binarni signal) pretvara u napon ili struju proporcio nalnu digitalnoj veličini. Na slici 3.2. pokazano je djelovanje DA konvertora. U ovom slučaju dovode se na ulaz DA konver tora podaci 00000000-00000111 (izlazi brojača 7493). Upravljački napon uK mijenja stanje brojača, tj. digitalnog signala koji

se dovodi na ulaze DA konverora. Svakoj vrijednosti ulazne veličine odgovara točno određena vrijednost izlaznog napona uiz.

Grafički prikaz zavisnosti vrijednosti izlazno ga napona o iznosu digitalnoga podatka naziva se penosna karakteristika DA konverora (slika 3.3.). Kad su svi bitovi digitalne ulazne veličine 0, izlazna veličina DA konvertora ima najmanju moguću vrijednost U iZS (od engl.

zero scale output, skraćeno ZS). Kad su svi bitovi digitalne ulazne veličine 1, izlazna veličina ima najveću moguću vrijednost U iFS (od engl. full scale output, skraćeno FS). Read Free For 30 Days


 READ EVERYWHERE


Slika 3.3. Prenosna karakteristika DA konvertora

Postu pnom promjenom ulazne digitalne stanje u kojemu su svi bitovi 1, analogna

veličine od stanja u kojemu su svi bitovi 0 u izlazna veličina DA konverora mije nja se stepeničasto od najmanje moguće vrijednosti do najveće. Pri bilo kojoj promjeni ulazne veličine za 1 bit, izlazna analogna veličina mijenja se uvijek za isti iznos. Ta najmanja moguća promjena izlazne veličine naziva se rezolucija ili razlučivost (engl. resolution, step si ze). Na temelju prenosne karakteristike može se reći da je rezolucija prom jena izlaznog napona DA konvertora koja nastaje promjenom ulaznog signala za jedan bit, odnosno

promjenom bita najmanje najmanje težine mjesta. mjesta. Zbog skokovitih promjena izlazne analogne veličine, prenosna karakteristika DA konveroraje diskontinuirana. Diskontinuir anost anost je manja što je vrijednost napona odnosno struje rezolucije niža i što je veći broj mogućih nivoa izlaznog signala, tj. ako je broj bitova ulazne digitalne veličine veći. Stoga većina proizvođača integriranih komponenti izražava rezoluciju brojem bitova ulazne digitalne veličine. Uopšteno, DA konvertor sa n ulaza imaće 2n različitih nivoa signala na izlazu pa je napon rezolucije Ur =UiFS/2n-1. Izlazni napon jednak je proizvodu rezolucije i vrijednosti digitalnog ulaznog signala B:

 

Primjer 3.1. Koliki je napon rezolucije 4- bitnog DA konvertora ako je najveća moguća vrijednost izlaznog napona 10V?

          Read Free For 30 Days Primjer 3.2. Koliki je izlazni napon 5- bitnog DA konveroračija je rezolucija 0,2 V ako je ulazni signal 11111?

   Brzina rada DA konvertora iskazuje se vremenom postavljanja. Vrijeme postavljanja t s je vrijeme potrebno da se izlazni napon promijeni od vrijednosti 0 V na naj veću moguću  DISCOVER NEW BOOKS  READ EVERYWHERE  BUILD YOUR DIGITAL READING LISTS vrijednost kad se ulazni signal promijeni iz stanja u kojemu su svi bitovi 0, u stanje u kojemu su svi bitovi 1.

DA konvertori kojima ulazna veličina može imati samo pozitivne vrijednosti nazivaju se unipolarnim. Konvertori kojima ulazna veličina može imati pozitivne i nega tivne vrijednosti nazivaju se bipolarnim konvertorima (engl. bipolar output converter). Prenosna karakteristika takvih konvertora (slika 3.4.) prikazuje se u dva kvadranta (engl. two-quadrant DAC). To su konvertori kod kojih se bit najveće težine mjesta (MSB) ulazne di gitalne veličine upotrebljava kao bit za predznak.

Slika 3.4. Prenosna karakteristika bipolarnog DA konvertora

Najčešće izvedbe DA konvertora sadrže otporne mreže. Otporna mreža može biti sa težinski raspoređenim vrijednostima otpora i ljestvičasta mreža. Za te konvertore

karakteristična je velika brzina konverzije neovisna o veličini digitalnog podatka. Tačnost konverzije ovisi o tačnosti odnosa otpornika u otpornoj mreži.

3.1.2. DA KONVERTOR SA LJESTVIČASTOM OTPORNOM

MREŽOM Read Free For 30 Days

Na slici 3.5. prikazana je ljestvičasta otporna mreža za 4 -bitni digitalni signal. Naponi

sudjeluju u iznosu izlaznog napona u skladu sa težinom mjesta koje predstavljaju u digitalnom ulaznom signalu. Napon bita najveće težine U 3 (MSB) pojavljuje se na izlazu mreže s polovicom svog iznosa, napon U 2 s četvrtinom, napon U1 s osminom i napon bita najmanje težine (LSB) U 0 sa šesnaestinom svog iznosa. Prema tome izlazni napon ljestvičaste otporne mreže za bilo koji digitalni signal iznosi: U0-U3

U3 U2 U1  U0  READ EVERYWHERE 2 4 8 16

 DISCOVER U  NEW  BOOKS 

iz


Slika 3.5. Ljestvičasta otporna mreţa

Naponi U0-U3 mogu imati vrijednosti U IL (V) za bit 0, odnosno U IH (V) za bit 1. Da bi

se izbjegao uticaj dosta širokog raspona vrijednosti koje mogu imati ti naponi na otpornu mrežu dovode se naponi 0 V ili U ref a digitalni signal se upotrebljava za upravljanje sklo pkama na ulazu otporne mreže. Digitalni signal sa stanjem 1 uključuje sklopku i na sklopka je pripadne otpore otporne mreže dolazi dolazi napon Uref . Ako je digitalni signal u stanju 0, sklopka isključena i na taj dio otporne mreže dolazi napon 0 V (slika 3.6.). Izlazni napon mreže iznosi:

          )  (      


Slika 3.6. Ljestvičasta otporna mreţa sa sklopkama i referentnim naponom Uref

Na temelju ovog razmatranja može se izvesti opći izraz za izlazni napon ljestvičaste otporne mreže s n ulaza:

          


 READ EVERYWHERE


pri čemu je n broj ulaza DA konvertora, odnosno odnosno broj bitova digitalnog digitalnog signala, a B vrijednost vrijednost digitalnog si gnala izražena dekadnim brojem. Primjer 3.3.

Koliki će biti izlazni napon DA konvertora sa ljestvičastom otpornom mreţom (slika 3.6) za digitalni signal 1010 ako je Uref=4V?

      

Slika 3.7. DA konvertor sa sljedilom napona

Izlaz otporne mreže može se spojiti na ulaz operacionog pojačala. Ako je to naponsko sljedilo (slika 3.7.), izlazni napon takvog DA konvertora jest:

       izlazni je napon: Kad je operaciono pojačalo u spoju invertirajućeg pojačala (slika Read 3.8.), Free For 30 Days

          


 READ EVERYWHERE


Slika 3.8. DA konvertor sa invertirajućim operacionim pojačalom Primjer 3.4.

Koliki će biti izlazni napon DA konvertora sa ljestvičastom otpornom mreţom (slika 3.8.) za digitalni signal 1010 ako je R f =R i Uref=5V?

        3.1.3. PRIMJERI INTEGRALNIH IZVEDBI DA KONVERTORA DAC-08 (PMI, Analog Devices) 8- bitni je DA konveror s ljestvičastom otpornom mrežom i strujnim izlazom (slika 3.9.). B1-B8 su ulazi za 8-bitni digitalni signal, gdje je B 1 ulaz za bit najveće težine mjesta, a B 8 ulaz za bit najmanje težine mjesta, prema oznaka ma

proizvođača. Izvod s oznakom COMP služi za frekvencijsku kompenzaciju pojačala referentne struje. U+ i U- su izvodi za napajanje. Iout i Iout' su analogni strujni izlazi. Uref + i Uref su ulazi za referentni napon kojima se osigurava potrebna referentna struja. Sklop DAC-08 ima poseban izvod U LC, koji služi za prilagođavanje digitalnih ulaza DA konvertora na izlaze digitalnih sklopova različitih skupina. Za prilagođavanje pril agođavanje na sklopove iz skupine TTL taj se izvod spaja na 0 V.



 READ EVERYWHERE


Slika 3.9. Simbol sa rasporedom izvoda i prenosna karakteristika sklopa DAC-08

Izlazna struja jednaka je proizvodu vrijednosti digitalnoga ulaznog signala B izraženog dekadnim brojem i ulazne referentne struje I ref :

 

Vrijednost referentne struje može se podesiti u raspo nu od 0 do 4 mA dodavanjem otpora između izvora re ferentnog napona i izvoda U ref Najveća izlazna struja koju je moguće dobiti (engl. full range current) iznosi 2 mA.

Slika 3.10. Osnovni spoj sklopa DAC-08

Na slici 3.10. prikazan je osnovni spoj sklopa DAC-08 s pozitivnim referentnim naponom. Vrijednosti izlaznih struja i pripadnih digitalnih ulaznih signala za taj spoj

prikazane su u tabeli 3 .1. Referentni napon može biti i negativna vrijednost. Onda se on spaja na ulaz Uref - preko otpora R 2. Otpor R 1 se u tom slučaju spaja na zajedničku tačku. Digitalni ulazi

Analogni izlazi

B1

B2

B3

B4

B5

B6

B7

B8

Iout (mA)

Iout' (mA)

1

1

1

1

1

1

1

1 Read Free 1,9920 0,0000 For 30 Days

1

0

0

0

0

0

0

1

1,0080

0,9840

1

0

0

0

0

0

0

0

1,0000

0,9920

0

1

1

1

1

1

1

1

0,9920

1,0000

0

0

0

0

0

0

0

1

0,0080

1,9840

0

0

0

0

0

0

0

0

0,0000

1,9920

Tabela 3.1. Vrijednost diitalnih ulaznih i analognih izlaznih signala sklopa DAC-08  DISCOVER NEW BOOKS

 READ EVERYWHERE


Ako se sklopu DAC-08 doda izvana operaciono poja čalo,

dobije se konvertor sa naponskim izlazom i malim izlaznim otporom. Za spoj sa invertirajućim pojačalom ( slika 3.11.a) izlazni napon se kreće u rasponu od 0 V do I out(max)R p, a za spoj sa naponskim sljedilom (slika 3.11.b) od 0V do - Iout(max)R p gdje je

    

Slika 3.11. DAC-08 u spoju sa operacionim pojačavačem Primjer 3.5. Koliki je izlazni napon sklopa DAC-08 za spoj prema slici 3.11.a ako je I ref = 2 mA, Rp= 5 kΩ ulazna digitalna veličina iznosi 1010 1010 (MSB je prvi bit slijeva, LSB je prvi bit s desna)?

      Read Free For 30 Days Primjer 3.6. Koliki je izlazni napon sklopa DAC-08 za spoj prema slici 3.11.b ako je I ref = 2 mA, Rp= 5 kΩ ulazna digitalna veličina iznosi 0101 0101 (MSB je prvi bit slijeva, LSB je prvi bit s desna)?

      Sklop AD7118 (Analog DISCOVER Devices)NEWprimjer DA EVERYWHERE konvertora koji BOOKS je  READ BUILDomogućuje YOUR DIGITAL READING LISTS atenuiranje ulaznog analognog analognog signala u području od 0 dB do - 85,5 dB u koracima po 1,5 dB. Vrijednost analognog izlaznog napona određuje 6 -bitni atenuacijski kod koji se dovodi na digitalne ulaze (slika 3.12.). Frekvencijsko područje ulaznog analo gnog napona je od 0 Hz do nekoliko stotina kHz.

Slika 3.12. Blok šema DA konvertora s logoritamskim odzivom Sklop AD7118 sastoji se od 17- bitnog

DA konvertora sa ljestvičastom otpornom mrežom i ulaznog logičkog sklopa. Ulazni logički sklop pretvara 6 -bitni ulazni digitalni signal u 17- bitnu riječ koja se dovodi na ulaze DA konvertora. 17 - bitna bitna riječ upravlja sklopkama/prekidačima sklopkama/prekidačima na ulazu ljestvičaste ljestvičaste otporne mreže. Na taj taj način je izlazni napon, napon, koji se dobije na izla zu operacionog pojačala (slika 3 .13.) spojenog na izlaz I out, ovisan o analognoj i digitalnoj ulaznoj veličini:



gdje je K = 1,5· D/20 pri čemu je D iznos dig italne ulazne veličine izražen decimalnim brojem od 0 do 57. Iz toga slijedi daje odnos U izl/Uul izražen u decibelima:

     Read Free For 30 Days

Slika 3.13. Spoj sklopa 7118 sa operacionim pojačavačem  DISCOVER NEW BOOKS

 READ EVERYWHERE


D

D5

D4

D3

D2

D1

D0

A(dB)

Ui(V)

0

0

0

0

0

0

0

0,0

1,0000U u

1

0

0

0

0

0

1

1,5

0,8414U u

2

0

0

0

0

1

0

3,0

0,7079U u

3

0

0

0

0

1

1

4,5

0,5957U u

4

0

0

0

1

0

0

6,0

0,5012U u

5

0

0

0

1

0

1

7,5

0,4217U u

6

0

0

0

1

1

0

9,0

0,3548U u

7

0

0

0

1

1

1

10,5

0,2985U u

8

0

0

1

0

0

0

12,0

0,2512U u

9

0

0

1

0

0

1

13,5

0,2113U u

10

0

0

1

0

1

0

15,0

0,1778U u

20

0

1

0

1

0

0

30,0

0,0316U u

30

0

1

1

1

1

0

45,0

0,00562Uu

40

1

0

1

0

0

0

60,0

0,0010U u

50

1

1

0

0

1

0

75,0

0,000178U u

57

1

1

1

1

0

1

85,5

0,0000531U u

Tabela 3.2. Atenuacija sklopa AD7118

Primjer 3.7.

Izračunati izlazni napon operacionog pojačala spojenog na sklop AD7118 ako je ulazni analogni napon 5 V, a ulazni digitalni signal 001001?

Ui = 0,2113·Uu =0,2113·5 V= 1,0565 V



3.2.

 READ EVERYWHERE


ANALOGNO – DIGITALNA KONVERZIJA

3.2.1. OSOBINE AD AD KONVERTORA KONVERTORA AD konverzija je postupak kojim se analogna veličina (napon) pretvara u digitalnu. Na slici 3.14. pokazano je djelovanje AD konvertora. Na ulaz V in dovodi se analogni napon (u pokazanom primjeru to je trokutasti napon koji se mijenja u rasponu 0-160 mV), a na izlazima D0-D7 dobije se digitalni signal u pokazanom primjeru 0000 0000 za ulazni napon 0 mV, odnosno 0000 1111 za ulazni napon 150 mV. Na upravljački ulaz SOC dovo de se impulsi kojima se upravlja radom AD konvertora (znak za početak konverzije). Na i zlazu EOC dobije

se impuls koji označava završetak konverzije konverzije

Vjeţba:



 READ EVERYWHERE


Slika 3.14. Djelovanje AD konvertora

Prenosna karakteristika AD konvertora po obliku je istovjetna karakteristici DA konvertora, s tim da su ulazne i izlazne veličine zamijenile ose koordinatnog sistema (slika 3.15.). Stoga rezolucija AD konvertora znači iznos promjene analogne ulazne veličin e potrebne da se

izlazna digitalna veličina promijeni za 1 bit. Ako je U uFS najveći analogni napon koji je moguće dovesti na ulaz, a n broj bitova izlazne digitalne veličine, onda je rezolucija AD konvertora UuFS/(2n – 1). Prema tome, i u slučaju AD konve rtora rezolucija zavisi od broja bitova digitalne izlazne veličine. Stoga proizvođači in tegriranih izvedbi AD konvertora iskazuju rezoluciju brojem bitova izlazne digitalne veličine.

Dok je kod DA konvertora svakoj vrijednosti izlazne veličine pridružena jedna ulazna veličina, kod AD konvertora svakoj izlaznoj veličini pridružen je raspon ulaznih veličina veličina U K . Taj raspon ulaznih veličina neki nazivaju širina kanala. Slika 3.15. Read Free For pokazuje da 30jeDays širina kanala jednaka rezoluciji. Za vrijednosti napona un utar

sve

širine kanala dobiće se ista izlazna digitalna veličina.

Slika 3.15. Prenosna karakteristika AD kovertora

Kako se samo jedna vrijednost može smatrati pravom vrijednošću analogne veličine kojoj je pridružen pripadni binarni signal (najprikladnije je da to bude srednja vrijednost  DISCOVER NEW BOOKS  READ EVERYWHERE  BUILD YOUR DIGITAL READING LISTS napona unutar kanala), sve ostale vrijednosti ulaznog napona unutar kanala čine grešku proporcijalnu udaljenosti napona od središnje vrijednosti. Ta greška AD konvertora naziva se greška kvantizacije (engl. quantization error) i iznosi ± UK /2. Kako iznos greške kvantizacije proizlazi direktno iz rezolucije, to će ona biti to manja što je veća rezolucija, tj. veći broj bitova izlazne digitalne digitalne veličine. S obzirom na oblik prenosne karakteristike, AD konvertori mogu biti unipolarni i

bipolarni. Kod unipolarnih konvertora ulazni napon može biti samo jednog polariteta, a kod bipolarnih pozitivan i negativan.

Važan parametar koji govori o kvaliteti AD konvertora je vrijeme konverzije t (engl. conversion time). To je ukupno vrijeme potrebno za AD konverziju ulazne ana logne veličine u digitalnu.

Postoji više različitih načina za konverziju analognog signala u digitalni. Među najčešće korištenim su AD konvertor konvertor s dvojnim nagibom, nagibom, AD konvertor konvertor s postu postu pnom aproksimacijom i paralelni AD konvertor.

3.2.2. AD KONVERTOR KONVERTOR S DVOJNIM NAGIBOM



 READ EVERYWHERE


Slika 3.16. Blok šema AD konvertora sa dvojnim nagibom Na slici 3.16. prikazana je blok šema AD konvertora s dvojnim nagibom (engl. dual slope AD converter). U početnom je stanju na ulazu integratora napon 0 V, pa je i napon u C jednak 0 V. Izlazni napon komparatora u K ima iznos koji odgovara stanju 0 a zbog toga impulsi iz generatora impulsa ne mogu proći do brojača. Brojač je u početnom stanju u kojemu su svi bistabili u stanju 0. Signal za početak AD konverzije dovodi na ulaz integra tora analogni ulazni napon Uul. Napon na izlazu integratora mijenja se linearno do vrijednosti -Uul.

     Promjena napona na kondenzatoru mijenja izlazni napon komparatora u K u stanje 1.

To omogućuje da impulsi iz generatora pobuđuju brojač. Brojač mijenja stanja od početnog 0000 do 1111. Kad brojač nakon stanja 1111 dođe ponovno u stanje 0000, analogna sklopka uključuje na ulaz integratora napon U ref . Izlazni napon integratora mijenja se linearno od dostignutog iznosa, koji je proporcionalan ulaznom analognom naponu U ul do napona -U ref .

      Za to vrijeme brojač nastavlja s brojenjem od stanja 0000 naviše. Kad izlazni napon integratora dostigne iznos napona 0 V, izlazni napon komparatora u K prelazi u stanje 0 i prekida brojanje brojača. Zatečeno stanje brojača, tj. tj . vrijeme T 2 proporcionalno je vrijednosti analognog ulaznog napona U ul. Izjednačivanjem izraza za izlazni napon integratora u C za vremena T1 i T2 dobije se T1·Uul/RC = T2·Uref /RC. Iz toga slijedi:

         Bez obzira na iznos analognog ulaznog napona U ul vrijeme T1 ima isti iznos, jer se radi o brojenju brojača od 0000 do 1111. Međutim, iznos ulaznog analognog napona utiče na iznos izlaznog napona integratora. Što je veći ulazni napon U ul veći je i izlazni napon integratora u C. Read Free 30 Days . Bez obzira na iznos Veličina izlaznog napona integratora utiče na veličinu vremena T 2For napona uc brzina njegove promjene je ista. Kako vrijednosti tog napona za različite

vrijednosti ulaznog napona nisu iste, to će vremena T 2 za različite ulazne napone biti različita. r azličita. Ta vremena, odnosno stanja brojača bit će proporcionalna iznosu napona u C, odnosno ulaznom naponu (slika 3.18.).


Slika 3.17. Vremenski dijagram napona AD konvertora sa dvojnim nagibom

 READ EVERYWHERE


Slika 3.18. Naponi na izlazu integratora

za različite ulazne napone

Ovu vrstu konvertora odlikuje neosjetljivost na smet nje i velika tačnost konverzije. Ona ne zavisi o vrijednostima elemenata R i C, a zavisi samo o tačnosti i stabilnosti napona Uref . Međutim, brzina konverzije je mala, to manja što je veća rezolucija (veći broj bistabila u brojaču, duži ciklus brojanja T1) i zavisi o veličini analognog napona (vrijeme T 2). Takvi konvertori upotrebljavaju se u digitalnim voltmetrima.

3.2.3. AD KONVERTOR SA POSTUPNOM APROKSIMACIJOM APROKSIMACIJOM AD konvertori sa postupnom (sukcesivnom) aproksimacijom (engl. succesive approximation AD converter, njem. Stufenwandler) omogućava kratko i stalno vrijeme konverzije, neovisno o vrijednosti analogne ulazne veličine. Analogni signal U ul dovodi se na neinvertirajući ulaz analognog komparatora (slika 3.19.). Izlazni napon komparatora u K , koji može biti u stanju 0 ili stanju 1, omogućava da se bistabi li registra redom (od izlaza za bit

najveće težine do izlaza za bit najmanje težine mjesta) postavljaju u stanje 1.


Slika 3.19. AD konvertor sa postupnom Slika 3.20. Napon U DA 4 - bitnog  DISCOVER NEW BOOKS  READ EVERYWHERE  BUILD YOUR DIGITAL READING LISTS aproksimacijom AD konvertora

Pri svakoj promjeni stanja registra pretvara se njegov izlazni napon pomoću unutrašnjeg DA konvertora u analogni napon U DA. Taj napon dovodi se na invertirajući ulaz komparatora i upoređuje s vrijednošću analo gnog ulaznog napona U ul. Ako je napon U DA manji od U ul, izlazni napon komparatora u K ostaje u stanju 1 i zadnje postavljeni bistabil registra ostaje u stanju 1. Ako je napon U DA veći od napona U ul, izlazni napon komparatora u K prelazi u stanje 0 pa se zadnje postavljeni bistabil registra vraća u stanje 0. Proces konverzije ponavlja se u onoliko koraka koliko registar ima bistabila, odnosno koliko izlazna digitalna veličina ima bitova. Na slici 3 .20. prikazane su vrijednosti napona U D za slučaj 4-bitnog konvertora. U početnom stanju svi bistabili registra su u stanju 0, napon U DA je 0 V, a izlazni napon komparatora u K odgovara stanju 1. Na znak za početak konverzije registar prelazi u

stanje u kojemu je izlaz za bit najveće težine mjesta u stanju 1. Unutrašnji DA konveror daje, za odabrani primjer, napon U DA koji je manji od ulaznoga analognog napona U A. Zato bistabil B3 ostaje u stanju 1. Sljedeći takt impuls postavlja bistabil B 2 u stanje 1. Sada je napon U DA veći od ulaznog napona U ul, pa izlazni napon komparatora prelazi u stanje 0. Zato se bistabil B2 vraća u stanje 0, pa se napon U DA spušta is pod vrijednosti ulaznoga analognog napona U ul. Sljedeći takt impuls postavlja bistabil B 1 u stanje 1. U ovom slučaju je napon U DA manji od napona Uul, pa dotični bistabil ostaje u st anju 1. Novi takt impuls postavlja bistabil B 0 u stanje 1. Sada je napon U DA veći od napona U ul zbog čega se bistabil B 0 vraća u stanje 0 čime

je konverzija završena. završena. Na slici 3.20. vidi se da se izlazna digitalna veličina 1010 dobije za sve vrijednosti ulaznog analognog napona koje se kreću u rasponu od (10/15)· Uref do (11/15)Uref . To znači da tačnost konverzije zavisi o broju bistabila registra, tj. broju bitova izlazne digitalne veličine i vrijednosti referentnog napona unutrašnjeg DA konverora. Za n -bitni AD konvertor sa postupnom aproksimacijom rezolucija iznosi:

  Dakle, sa većim brojem bitova i nižim iznosom referentnog napona biće manji koraci promjene napona UDA, tj. veća tačnost. Međutim, smanjivanje iznosa referen tnog napona smanjuje najveću moguću vrijednost ulaznog napona, a povećanje broja bitova izlazne digitalne veličine produžava trajanje konverzije. Read Free For 30 Days 3.2.4. PARALELNI AD KONVERTOR Paralelni AD konvertor (engl. flash converter) omogu ćava najbrže pretvaranje analognog napona u digitalni signal. Vrijeme konverzije paralenih AD konvertora jednako je

kašnjenju signala kroz sklopove, što znači da je reda veličine nekoliko desetaka nanosekundi. Takav konvertor sastoji se od određenog broja komparatora i konvertora koda (slika 3.21.).  DISCOVER NEW BOOKS

 READ EVERYWHERE


Slika 3.21. Paralelni AD konvertor

Na neinvertirajuće ulaze svih komparatora dovodi se istovremeno ulazni analogni napon Uul, a na invertirajuće ulaze referentni naponi. Svaki komparator ima v lastiti iznos referentnog napona. Vrijednosti referentnog na pona rastu od najniže vrijednosti Uref1 do najviše Uref7 za isti iznos. Komparatori kod kojih je ulazni analogni napon U A istog ili višeg iznosa od njegovog pripadnog referentnog napona, daće na izlazu stanje 1. Komparatori kod kojih je analogni ulazni napon U A nižeg iznosa od nivoa njihovih referentnih napona, dat će na izlazu stanje 0. Stanja na izlazima komparatora predstavljaju netežinski kod koji se pomoću konvertora koda može pretvoriti u binarni broj (tabela 3.3.) Konvertor koda može se izvesti pomoću dekodera i kodera.

K7

K6

K5

K4

K3

K2

K1

B2

B1

B0

Uul
0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

Uref1
0

0

0

0

0

0

1

0

0

1

Uref2
0

0

0

0

0

1

1

0

1

0

Uref3
0

0

0

0

1

1

1

0

1

1

Uref4
0

0

0

1

1

1

1

1

0

0

Uref5
0

0

1

1

1

1

1

1

0

1

Uref6
0

1

1

1

1

1

1

1

1

0

Uref7
1

1

1

1

1

1

1

1

1

1


Tabela 3.3. Tabela stanja paralelnog AD konvertora

Paralelni AD konvertor na slici 3.21. 3- bitni izlazEVERYWHERE što znači  DISCOVER NEWima BOOKS  READ

da može dati DIGITAL osam READING LISTS BUILD YOUR različitih binarnih signala. Za to je potrebno sedam komparatora na ulazu koji raščlanjuju ulazni analogni napon na osam nivoa. Ako digitalni izlaz paralelnog AD konvertora ima n bitova, potrebno je 2 n-1 komparatora. To čini najveći nedostatak tog AD konvertora jer je za

višebitni izlaz potreban vrlo velik broj komparatora.

Slika 3.22. Pojednostavljena blok šema popuparalelnog AD konvertora

Teškoća u vezi sa potrebom velikog broja komparatora rješava se, uz prihvat ljivo produženje vremena konverzije, konverzijom u dva koraka tzv. poluparalelnim konvertorom (engl. half-flash converter, subranging converter). Kod poluparalelnog AD konvertora analogni signal pretvara se u m-bitni digitalni signal koji čini dio izla znoga n- bitnog signala od bita najveće težine mjesta (MSB) naniže (slika 3.22.). Istovremeno se m- bitni signal pomoću unutrašnjeg m -bitnog D A konvertora pretvara u analogni signal UDA koji se sa ulaznim analognim naponom U A dovodi na pojačalo razlike. Razlik a ta dva analogna napona pretvara se pomoću drugog paralelnog AD

konvertora u k- bitni digitalni di gitalni signal koji čini drugi dio izlaznog n -bitnoga digitalnog signala. Integralne izvedbe takvih konvertora (12-bitne i 14-bitne) imaju vrijeme konverzije reda veličine 500 ns.

Read Free For 30 Days Izračunati potreban broj komparatora za 8-bitni paralelni i 8-bitni poluparalelni AD konvertor izveden pomoću dva 4-bitna paralelna pretvarača. Primjer 3.8.

Broj komparatora za 8-bitni paralelni AD konvertor: 8

2 - 1 = 256 - 1 = 255 Broj komparatora za 8-bitni poluparalelni AD konvertor: 4

2·(2 - 1) = 2·(16 - 1) = 2·15 = 30  DISCOVER NEW BOOKS

 READ EVERYWHERE


3.2.5. SKLOPOVI ZA UZIMANNJE I ČUVANJE (DRŽANJE) UZORAKA Prilikom razmatranja rada AD konvertora pretpostavljeno je da se ulazni analogni signal ne mijenja unutar jednog c iklusa konverzije. To se može smatrati tačnim ako je frekvencija ulaznoga analognog napona vrlo mala u uporedbi sa frekvencijom konverzije jer se u tom slučaju može smatrati da se ulazni napon neće promije niti za vrijeme trajanja konverzije. Kod analogni h signala koji se brzo mijenjaju (signali viših frekvencija) potrebno je analogni napon prije konverzije dovesti na sklop za uzimanje i držanje (pamće nje) uzoraka

(engl. sample and hold circuit). Taj sklop uzima uzorak ulaznog analognog napona i održava ga stalnim na ulazu AD-konvertora za vrijeme trajanja jednog ciklusa konverzije.

Slika 3.23. Šema osnovnog spoja sklopa za uzimanje i drţanje uzoraka

Osnovni spoj sklopa za uzimanje i držanje uzoraka pri kazuje slika 3.23. To je zapravo analogna memorija u kojoj kondenzator služi kao memorijski element. Ulazno pojačalo sa pojačanjem 1 je sklop za prilagođenje ulaza sklopa za uzimanje uzoraka na izvor signala i djeluje kao snažni sklop (engl. buffer) koji omogućuje potrebnu struju za nabi janje kondenzatora. kondenzatora. Upravljački sklop uključuje i isključuje sklopku S (FET ili diodni most). Kad je sklopka S uključena (period uzimanja uzorka), kondenzator se nabije na iznos Readisključena. Free For 30 Days ulaznog napona koji ostaje na njemu i za vrijeme kad je sklopka Za vrijeme dok je sklopka isključena (period pamćenja uzorka), kondenzator održava stalan analogni napon koji se dovodi na AD- konvertor. Dodatno operaciono pojačalo s velikim ulaznim otporom i pojačanjem 1 služi da utoku perioda pamćenja smanji promjene napona kondenzatora na najmanju mjeru.

Proizvođači elektronskih komponenata proizvode veliki broj integralnih izvedbi sklopova za uzimanje uzo raka i pamćenje. Postoji također velik broj integralnih izvedbi AD konvertora koji sadrže na ulazu sklop za uzimanje uzoraka i pamćenje.  DISCOVER NEW BOOKS

 READ EVERYWHERE


3.2.6. PRIMJERI INTEGRALNIH INTEGRALNIH IZVEDBI AD KONVERTORA

Proizvođači integriranih elektronskih komponenata proizvode vrlo velik broj različitih izvedbi AD konvertora i ostalih komponenata potrebnih za rad konvertora (sklopovi za uzimanje uzoraka i pamćenje, izvori referentnog napona). Pojedine izvedbe sadrže u istom

kućištu sklop za uzimanje uzoraka i izvor referentnog napona. Također postoje izvedbe koje mogu obaviti AD konverziju većeg broja ulaznih napona. Takvi sklopovi sadrže na ulazu analogni multiplekser kojim se po određenom redoslijedu ulazni naponi dovode na ulaz AD konvertora. Nazivaju se višekanalnim AD konvertorima . Integrirani sklop ADC 0801 je 8-bitni AD-konvertor s postupnom aproksimacijom (slika 3.24.). Na izvode U u+ i Uu- priključuje se ulazni napon (diferencijalni ulazi). Analogni ulazni napon AD konvertora jednak je razlici napona U u+ i U u-. 8-bitni digitalni izlazni signal dobije se na izvodima D 0-D7. Potreban napon napajanja sklopa je + 5 V. Za izvor referentnog napona moguće je koristiti se naponom napajanja. U tom slučaju izvod U ref /2 treba ostati otvoren (na njemu je tada napon U CC/2). Područje ulaznog analognog napona u tom slučaju iznosi 0-5 V. Ako se na izvod U ref /2 priključi napon u rasponu od 1,5 do 2,5 V referentni napon će iznositi 3-5 V. U tom slučaju raspon vrijednosti ulaznih napona bit će takođe u rasponu 3 -5 V. Izvodi AGND i DGND su izvodi za uzemljenje analognog, odnosno digitalnog dijela AD konvertora. Izvod CLK IN služi za priključak vanjskog izvora takt impulsa potrebnog za rad AD konvertora. Osim to ga, sklop sadrži unutrašnji izvor takt impulsa čija fre kvencija ovisi o

izvana priključenim elementima R i C:

  

U tom slučaju otpornik R priključuje se između izvoda CLK R i CLK IN, a kondenzator C između izvoda CLK IN i uzemljene točke. Izvodi CS', RD' i WR' su upravljački upravljački ulazi. Ulaz CS' (chip (chip select) mora biti u stanju 0 kako bi bila moguća AD konverzija i pristup do di gitalnog signala na izlazima D0-D7. Ako je ulaz CS' u stanju 1, nije moguć po stupak AD konverzije bez obzira na stanje ostalih ulaza, a digitalni izlazi D0-D7 bit će u stanju stanju visoke izlazne impedanse Z. Read Free For 30 Days


Slika 3.24. AD konvertor ADC0801

 READ EVERYWHERE


Slika 3.25. Djelovanje ulaza AD konvertora

Dovođenjem impulsa sa stanjem 0 na ulaz WR' daje se znak za početak konverzije. Stanje 0 na ulazu RD' omo gućuje prolaz digitalnog podatka iz registra do digitalnih izlaza D 0D7. Izvod INTR' je ulaz kojim se označava kraj AD konverzije. Na znak za početak konverzije (opadajuća ivica na ulazu WR') taj izlaz prelazi u stanje 1 i ostaje u njemu do kraja konverzije kada se vraća u stanje 0. Sklop AD 7821 (Analog Devices) primjer je 8-bitnog poluparalenog AD konvertora sa UIN je izvod za ulazni ulazni analogni napon napon ugrađenim sklopom za uzimanje uzoraka (slika 3.26.) UIN + koji se može kretati u rasponu od U ref do Uref . Iznosi referentnog napona ograničene su iznosima napona napajanja. Nominalne vrijednosti napona napajanja su UDD= + 5V i USS= 0V za unipolarni spoj sklopa, odnosno U DD= + 5 V i U SS = -5V za bipolarni spoj.

Primjer 3.9

Izračunati napon rezolucije sklopa ADC 0801 ako je ulaz Uref/2: a) otvoren, b) spojen na napon 1,5 V. 8

a) napon rezolucije = 5 V/ (2 -1) = 5 V/255 = 19,6 mV 8 b) napon rezolucije = 2-1,5 V/ (2 -1) = 3 V/255 = 11,8 mV

Izvodi CS', RD', WR'/RDY i MODE su upravljački ula zi. Ulaz CS' (chip select) je uobičajeni ulaz kojim se omogućuje (stanje 0) ili zabranjuje (stanje 1) pristup si gnala do komponente. Ulazi WR'/RDY (engl. write control input/ready status output), MODE i RD' (engl. read) služe za utvrđivanje jednog od mogućih načina rada AD konvertora s obzirom na Read Free ForINT 30 Days osobine mikroprocesora koji se može spojiti sa konvertorom. Izvod (engl. interrupt output) je izlaz koji prelaskom u stanje 0 pokazuje da je završen ciklus AD konverzije. konverzije. Ako je + ulazni napon većeg iznosa od U ref -1/2 LSB, izlaz OFL' (en gl. owerflow output) po završetku

konverzije daje stanje 0. Osim što pokazuje prekoračenje ulaznog napona, taj izvod se može upotrijebiti za spajanje više sklopova u ka skadu kad se želi postići viša rezolucija. U tabeli 3.4. prikazane su nominalne vrijednosti ulaznih, referentnih i napona napajanja za sklop AD 7821, a na slici 3.27. prenosne karakteristike u spoju unipolarnog i bipolarnog AD konvertora. Ul azni napon konvertora iskazan je pomoću bita najmanje težine mjesta 1LSB = FS/28 = 5 V/256 = 19,53 mV.  DISCOVER NEW BOOKS

Uref (V)

+

Uref V)

GND

+5

-5

+2,5

UDD(V)

USS(V)

+5 +5

-

 READ EVERYWHERE


Uin(V)

Spoj

GND

0-5

Unipolarni

-2,5

(-2,5)-(+2,5)

bipolarni

Tabela 3.4. Nominalne vrijednosti ulaznih, referentnih i napona napajanja sklopa AD7821

Slika 3.26. Simbol sklopa AD7821

Slika 3.27. Prenosne karakteristike sklopa AD7821 u spoju a) unipolarnog AD konvertora b) bipolarnog AD konvertora

Primjer 3.10

Odrediti vrijednost ulaznog napona uz koji će sklop 7821 u unipolarnom spoju na izlazima DB7-DB0 dati stanje 1111 1110.

Za unipolarni spoj AD konvertora 7821 bit će izlazi DB u stanju 1111 1110 kad je ulazni napon jednak FS-2LSB = 5V-2 (5:256) = 5V-0,039V = 4,961 V.


Primjer 3.11.

Odrediti uz pomoć prijenosne karakteristike stanje na izlazima DB sklopa AD7821 u spoju bipolarnog konvertora ako je na ulaz priključen napon: a)1,2V,b)-1,2V. a)

Uu = (FS : 2 + 1,2) : LSB = (5:2 + 1,2)V: 19,53 mV = 189,45 = 189 DB= 18910= (128 + 0 + 32 + 16 + 8 + 4 + 0+ 1) 10 = 1011 1101

b)

Uu = (FS : 2 - 1,2) : LSB = (5 :2 - 1,2)V: 19,53 mV = 66,56 = 67 DB = 6710 = (64 + 0 + 0 + 0 + 0 + 2 + 1) 10 = 0100 0011


 READ EVERYWHERE


Sklop AD7824 sličnih je osobina kao sklop AD7821. Osnovna razlika je u multiplekseru na ulazu koji omo gućava AD konverziju četiri analogna napona (slika 3.28.). Koji će od četiri ulazna napona biti konvertovan, zavisi o stanju ulaza A 0 i A1. Izvodi AIN1AlN4 su ulazi za analogni napon, a DB 0-DB7 su digitalni izlazi. Sklop je predviđen za

jednostruko napajanje tako da se bez dodatnih komponenata komponenata može ostvariti samo unipolarni pretvarač (napajanje  5V, ulazni napon 0 -5 V). Izvodi CS', RD', RDY i INT' su izvodi za upravljanje i sinhronizaciju rada AD konvertora s ostalim sklopovima sistema, prije svega mikroprocesorom.

Slika 3.28. Simbol AD konvertora sa multiplekserom

AD i DA Konverzija

Recommend Documents