3. A/D prevodník. Digitalizácia EKG signálu.

3.1 A/D prevodník

Analógovo/digitálny prevodník (ADC – Analog to Digital Converter) je elektronické zariadenie,

ktoré prevádza analógový signál na digitálny. Prevod analógového signálu na digitálny je využívaný

pomerne často, keďže signály sa skoro výlučne analyzujú a spracovávajú číslicovo. Príkladom

konkrétnych aplikácií analógovo-digitálneho prevodu sú elektronické diktafóny, mobilné telefóny,

kamery s digitálnym záznamom, automatizované zberače dát v laboratóriách s následným digitálnym

vyhodnotením a archiváciou nameraných dát, či plynový pedál v moderných automobiloch. Opačný

prevod z digitálneho signálu na analógový zabezpečuje D/A prevodník.

3.2 Druhy A/D prevodníkov

1. Komparačné A/D prevodníky

a.) Paralelný A/D prevodník

Paralelný A/D prevodník je najrýchlejším typom A/D prevodníka, pretože prevod prebieha

v jednom časovom okamihu. Kvantovanie vstupného signálu sa vyjadruje v komparátoroch, ktoré

porovnávajú vstupné napätie s odstupňovaným referenčným napätím (vytvára sa v odporovej sieti).

Prevodník s rozlíšiteľnosťou n-bitov obsahuje 2n-1 komparátorov. Vzorkovanie vstupného signálu sa

uskutočňuje zápisom stavu výstupov komparátora do klopných obvodov s príchodom hodinového

impulzu. Dekodér je kombinačný obvod, ktorý prevádza informáciu o výstupoch komparátora na

určitý kód.

Obr. 1 Paralelný A/D prevodník.

b.) A/D prevodník s postupnou komparáciou

Snaha o obvodové zjednodušenie súbežných prevodníkov pri zachovaní relatívne krátkej

doby prevodu viedla k prevodníku s postupnou komparáciou. Prvý komparačný prevodník A/D-1

obsahujúci 15 komparátorov, vykonáva prevod vyšších štyroch bitov výstupného slova. Vstupné

napätie A/D-1 sa prevedie na analógový signál a odpočíta sa od vstupného napätia v diferenčnom

zosilňovači. Zvyškové napätie, ktoré je menšie ako

vstupného rozsahu, sa zosilní (16x). Potom sa

digitalizuje druhým komparačným prevodníkom. Výstup druhého prevodníka je nižšia časť

výstupného slova. Výhodou je, že obsahuje menší počet komparátorov, pri zachovaní vysokej

frekvencie prevodu.

Obr. 2 A/D prevodník s postupnou komparáciou.

2. Kompenzačné A/D prevodníky

Sú to v podstate automatické kompenzátory napätia. Porovnávajú vstupné napätie s

hodnotou spätnoväzobného napätia, získaného pomocou D/A prevodníka z výstupného číslicového

slova. Tento výstup sa mení tak dlho, kým rozdiel oboch napätí nie je minimálny. Potom sa analógovo

číslicový prevod ukončí. Podľa toho, akým spôsobom sa riadi zmena výstupného slova, rozdeľujeme

kompenzačné prevodníky na čítacie, sledovacie a s postupnou aproximáciou. Kompenzačné

prevodníky patria k najpoužívanejším, pretože sú konštrukčne jednoduché a relatívne rýchle.

a.) Kompenzačné čítacie A/D prevodníky

Na začiatku cyklu sa spustením signálu štart vynuluje čítač. Na vstupe je pripojené napätie, na

výstupe komparátora je log.1 a do čítača začnú cez hradlo AND prechádzať impulzy z generátora,

obsah čítača sa s krokom LSB zvyšuje. Z výstupu čítača ide tiež signál do spätnoväzobnej vetvy, v

ktorej je zapojený číslicovo analógový prevodník. Napätie na výstupe D/A prevodníka sa postupne

zvyšuje. Ak dosiahne toto napätie hodnoty vstupného napätia, preklopí sa komparátor do stavu log.0,

tým sa uzavrie hradlo, preruší sa impulz v generátore, čítanie sa zastaví a do pamäti sa zapíše platné

výstupné slovo. Ďalší čítací impulz sa vykoná signálom štart.

Obr. 3 Kompenzačný čítací A/D prevodník.

b.) Kompenzačné sledovacie A/D prevodníky

Majú rovnaký princíp ako čítacie, len je použitý obojsmerný čítač, ktorý môže čítať vpred i

vzad. Napäťový komparátor riadi smer čítania, takže číslicový výstup sleduje zmeny vstupného

napätia. Patrí medzi často používané prevodníky. U čítacieho a stopovacieho prevodníku sa v každom

takte generátora hodinových impulzov menia slová vždy o hodnotu LSB.

c.) A/D prevodník postupnou aproximáciou

Pri použití postupnej aproximácie sa skusmo nastavia jednotlivé váhové bity. Začína sa bitom

MSB a končí bitom LSB. Na začiatku prevodového cyklu sa nastaví hodnota prevodu výstupu

aproximačného registra na 10000000, čomu odpovedá výstup spätnoväzobného D/A prevodníka

UREF/2. Toto napätie sa porovnáva v komparátore so vstupným napätím. Ak je UVST väčšie ako UREF/2,

ponechá sa MSB nastavený na 1, v opačnom prípade sa vráti na 0. V druhom kroku sa skusmo nastaví

druhý váhový bit na 1. Na výstupe teda bude 11000000 alebo 01000000 podľa výsledku

predchádzajúceho kroku. Opäť sa porovná spätnoväzobné a vstupné napätie a aktuálny bit sa nastaví

na 1 alebo sa vráti na 0. Takto sa postupuje až k LSB. U tohto typu prevodníka je doba prevodu kratšia

ako pri čítacom prevodníku a je nezávislá na vstupnom napätí. Zmena vstupného napätia behom

prevodu spôsobí chybu a preto na rozdiel od čítacieho prevodníka musí byť vstup opatrený

vzorkovacím obvodom.

Obr. 4 A/D prevodník s postupnou aproximáciou.

3. Integračné A/D prevodníky

Základom týchto prevodníkov je integrátor, tzn. výstupom prevodníka je číslo zodpovedajúce

priemernej hodnote vstupného napätia za určitú dobu. Vplyv priemerovania vyžaduje zapojiť na

vstup vzorkovací obvod. Použitie integrátora tiež potláča šumové napätia vyšších kmitočtov. Podľa

funkcie rozlišujeme integračné A/D prevodníky s medziprevodom na kmitočet (frekvenciu) a s

medziprevodom na časový interval.

Obr. 5 Integračný A/D prevodník.

4. A/D prevodník s dvojtaktnou integráciou

Tento typ prevodníka sa často používa v multimetroch. Vlastný prevod prebieha vo dvoch

taktoch. Na začiatku meracieho cyklu je integračný kondenzátor vybitý a čítač vynulovaný. V prvom

takte je na vstup integrátora privedené vstupné napätie a čítač číta impulzy kryštálového generátora.

Absolútna hodnota napätia na integrátore sa zvyšuje so strmosťou danou veľkosťou vstupného

napätia. Tento dej prebieha tak dlho, kým nedôjde k zaplneniu čítača (k pretečeniu). V okamihu

pretečenia čítača (všetky výstupy sú v stave L) je spustený druhý takt, prepne sa prepínač a na vstup

integrátora sa pripojí referenčné napätie opačnej polarity, ako je vstupné napätie. Absolútna

hodnota výstupného napätia integrátora sa zmenšuje. Akonáhle dosiahne nulové hodnoty, preklopí

komparátor a tým sa ukončí prevod. Výhodou prevodníka s dvojtaktnou integráciou je, že je

eliminovaný vplyv časovej nestability RC prvkov integrátora a frekvencie oscilátora. Dôležitá je

presnosť a stabilita referenčného napätia.

Obr. 6 A/D prevodník s dvojtaktnou integráciou.

5. Sigma-delta prevodník

Umožňujú dosiahnuť veľmi vysokú linearitu prevodu pri vysokom rozlíšení, až 24 bitov.

Rýchlosť prevodu je ale nižšia. Možno digitalizovať v pásme do desiatok kHz-nízkofrekvenčné pásmo.

Prevodník sa skladá zo sigma-delta modulátora a číslicového filtra. Základnými obvodmi modulátora

sú dolnopriepustný filter (integrátor), napäťový komparátor a preklápací obvod typu D (preklápaný

hodinovým signálom s frekvenciou f0). Ďalej je tu spätnoväzobná vetva s jednobitovým D/A

prevodníkom, čo je vlastne prepínač dvojhodnotového signálu UREF. Tento signál sa odpočíta od

vstupného napätia v diferenčnom zosilňovači. V prevodníku vzniká kvantizačný šum, ktorý je

rovnomerne rozložený v pásme spektra frekvencií od 0 do (f0)/2. Ak vzorkujeme kmitočtom f0/K, kde

K sa nazýva koeficient nevzorkovania (býva 10 - 104), zníži sa efektívny výkon kvantizačného šumu a

dôjde k zvýšeniu efektívneho čítania prevodníka. Sigma-delta prevodníky sa hodia pre meranie

jednosmerných alebo pomaly sa meniacich napätí.

Obr. 7 Sigma-delta prevodník.

3.3 A/D prevodník MCP3201

MCP3201 je 12-bit A/D prevodník s postupnou aproximáciou. Komunikácia je zabezpečená

prostredníctvom jednoduchého sériového rozhrania, ktoré je kompatibilné s SPI protokolom.

Prevodník je napájaný z nesymetrického zdroja (single supply) v rozmedzí 2.7 – 5.5 V. V stave

nečinnosti odoberá prúd 500 nA (max. 2 A) a pri činnosti maximálne 400 A (pri 5V). Maximálna

vzorkovacia frekvencia je 100 000 vzoriek/s (100 ksps) pri napájaní 5V. Zapojenie vývodov a blokový

diagram je na obr. 8.

Obr. 8 Zapojenie vývodov a blokový diagram prevodníka MCP3201

V nasledovnej tabuľke je uvedený význam jednotlivých pinov.

Tab. 1 Funkcia jednotlivých vývodov prevodníka MCP3201.

Pozitívny analógový vstup (IN+) sa môže meniť v rozmedzí IN- až VREF + IN-. Negatívny

analógový vstup (IN-) sa môže líšiť ±100mV od VSS. Pin CS/SHDN sa používa pre začatie komunikáce

so zariadením keď je nastavený na log.0. Keď je pin nastavený na úroveň log.1 tak sa ukončí prevod

a obvod sa uvedie do stavu nízkej spotreby energie (low power standby). Medzi jednotlivými

prevodmi sa musí pin CS/SHDN uviesť do stavu log.1. Hodinový signál (CLK) sa používa pre

inicializáciu konverzie a na „vysúvanie“ jednotlivých bitov z každého prevodu. Na pin DOUT sa

„vysúvajú“ výsledky A/D prevodu.

Princíp prevodu

Úroveň napätia, ktorá sa má previesť je zadržaná pomocou zadržiavacieho kondenzátora

(holding capacitor). Na dosiahnutie kvalitného prevodu musí byť zabezpečená dostatočná doba

nabíjania kondenzátora (1.5 násobok periódy hodinového impulzu CLK). Takisto musí byť

zabezpečená dostatočná frekvencia hodinového impulzu, pretože postupom času dochádza k strate

náboja na zadržiavacom kondenzátore. Čas medzi koncom periódy vzorkovania (obr. 9) a okamihom,

kedy je „vysunutých“ všetkých 12 bitov nesmie prekročiť 1.2 ms (predstavuje efektívnu hodinovú

frekvenciu 10 kHz). Nedodržanie tohto kritéria spôsobuje chyby prevodu.

Ak je úroveň napätia na IN+ rovná alebo menšia ako na IN-, tak výstupný kód bude 000h. Ak

bude napätie na IN+ rovné alebo väčšie ako {[VREF + (IN-)] - LSB}, potom bude výstupný kód FFFh. Ak

bude úroveň napätia na IN- väčšia ako 1 LSB pod VSS, tak napätie na IN+ musí byť pod VSS, aby bol

výstupný kód 000h. Podobne, ak je napätie na IN- väčšie ako 1 LSB nad VSS, tak výstupný kód bude

FFFh iba v prípade, že napätie na IN+ bude vyššie ako VREF.

Vstupné referenčné napätie (VREF) určuje rozsah vstupného analógového napätia a veľkosť

LSB podľa nasledovného vzťahu:

12

2 4096

REF REFV Vveľkosť LSB (1)

So znižujúcim sa referenčným napätím sa úmerne znižuje veľkosť LSB. Teoretický digitálny výstup A/D

prevodníka je funkciou analógového vstupného signálu a referenčného napätia:

4096 = IN

REF

VDigitálny výstup

V

, (2)

kde VIN = analógové vstupné napätie = V(IN+)-V(IN-)

VREF = referenčné napätie.

Sériová komunikácia

Komunikácia so zariadením sa vykonáva prostredníctvom štandardného SPI kompatibilného

sériového rozhrania. Komunikácia so zariadením MCP3201 začína keď nastavíme CS na log.0.

Zariadenie začína vzorkovať analógový vstup s príchodom prvej nábežnej hrany CLK po CS =log.0.

Vzorkovacia perióda končí s príchodom dobežnej hrany druhého CLK. V tomto okamihu sa na výstupe

DOUT objaví nulový bit. Nasledujúcich 12 CLK impulzov posunie postupne na výstup výsledok prevodu

počínajúc od MSB. Jednotlivé bity sa objavujú na výstupe DOUT vždy pri zostupnej hrane CLK. Ak

ponecháme CS na log.0, tak sa na výstup začnú posielať bity počnúc od LSB s každým ďalším CLK

impulzom (obr. 10). Prevod je ukončený privedením úrovne log.1 na CS .

Obr. 9 Komunikácia s MCP3201 (vysúvaním bitov v smere od MSB).

Obr. 10 Komunikácia s MCP3201 (vysúvaním bitov v smere od LSB).

3.4 Prípravok A/D

Na digitalizáciu analógového signálu bol vytvorený prípravok A/D, ktorý sa pripája

konektorom k prípravky RS232/TTL. Prípravok A/D obsahuje 12-bitový prevodník MCP3201.

S prevodníkom priamo komunikuje mikroprocesor AT89C2051. S mikroprocesorom komunikuje

počítač pomocou sériovej linky RS232. Zapojenie prípravku A/D je uvedené na obr. 11. Na obr.12 je

doska plošných spojov s osadením súčiastok. Prevodník je napájaný napätím 5 V. Na VREF je privedené

napájacie napätie (VREF = VDD). Vývod IN- je pripojený na GND (IN- = VSS). To znamená, že prevodník je

schopný prevádzať analógový signál v rozsahu 0 V až 5 V. Analógový signál sa privádza k svorkovnici

SL1. Signál je privádzaný k vstupu IN+ cez rezistor s odporom 10 k kvôli limitácii prúdu.

Obr. 11 Elektrická schéma zapojenia prípravku A/D.

Obr. 12 Doska plošných spojov s osadením súčiastok.

3.5 Ovládanie prípravku A/D

Prípravok komunikuje s PC pomocou sériovej linky. Dáta sú do počítača posielané po linke RD (Read Data). Prevodník začne svoju činnosť po privedení log.0 na linku RTS (Request To Send). Dáta sú posielané vo formáte uint16 (2 bajty). Parametre prenosu sú nasledovné: rýchlosť 9600 Baudov s jedným stop bitom (v MATLABe s=serial('COM1','BaudRate',9600,'StopBits',1)). Na načítanie údajov zo sériového portu sa v programovom prostredí MATLAB používa funkcia fread. Posielanie dát indikuje LED3, ktorá je označená ako TD. Prevodník prestane prevádzať analógový signál a posielať vzorky po privedení log.1 na linku RTS.

Vzorkovacia frekvencia prevodníka je prednastavená na 100 Hz. Frekvenciu je možné zmeniť pomocou vyslania dvoch bajtov, ktoré zmenia hodnotu 16-bitového časovača mikroprocesora. Bajty sa posielajú po jednom (typ uint8). Prijatie prvého bajtu je indikované LED1 (blikne 3x) a prijatie druhého bajtu je indikované rovnako pomocou LED2.

Postup nastavenia vzorkovacej frekvencie A/D prevodníka je vysvetlený na príklade pre 100 Hz. Mikroprocesor číta impulzy s frekvenciou f = 2 MHz, to znamená, že sa hodnota čítača zakaždým zvýši o jednotku po uplynutí 0,5 µs (1 / 2 MHz). Maximálna hodnota 16-bitového čítača je 65 535 (216-1). Ak má byť Fvz = 100 Hz, tak sa musí prevod uskutočniť každých 10 ms (Tvz = (1/100) s). Aby sme dosiahli tento čas, tak musí čítač napočítať 20 000 impulzov (10 ms/0,5 µs). Prevod sa vždy uskutoční po pretečení čítača, t.j. keď jeho hodnota bude o 1 väčšia ako je jeho maximálna hodnota. To znamená, že do prípravku A/D musíme poslať hodnotu: 65 536 – 20 000 = 45 536 Jedná sa o 16-bitovú (dvojbajtovú) hodnotu, ktorú musíme rozdeliť na horný a dolný bajt. Využijeme MATLAB: dec2hex(45536)

ans = B1E0 %hexadecimalne cislo (dvojbajtove) hex2dec('B1') ans = 177 %horny bajt v dekadickej forme hex2dec('E0') ans = 224 %dolny bajt v dekadickej forme

Z vyššie uvedeného vyplýva, že pre nastavenie vzorkovacej frekvencie 100 Hz je potrebné do prípravku vyslať 1. bajt = 177D a 2. bajt = 224D.

3.6 Úlohy

Úloha č. 1: Vypočítajte aké hodnoty bajtov v dekadickej forme je potrebné zaslať do prevodníka, aby vzorkovacia frekvencia nadobúdala hodnoty podľa tabuľky (postup opísaný v kapitole 3.5).

Fvz [Hz] 1. bajt 2. bajt

100 177D 224D

200

300

Úloha č. 2: Pripojte prípravok RS232 I/O pomocou kábla k sériovému portu počítača. Na kontaktnom poli vzájomne prepojte dátové linky TD (Transmitt Data) a RD (Receive Data). V programovom prostredí MATLAB vyšlite (fwrite) na sériový port jeden bajt v podobe čísla v dekadickej forme. Následne zapísanú hodnotu prečítajte (fread) a zobrazte jej hodnotu. Na sériový port vyšlite ľubovoľný reťazec. Reťazec potom z portu prečítajte po jednotlivých bajtoch. Pri zápise a čítaní z portu sledujte počet bajtov v prijímacom bufferi (BytesAvailable).

Úloha č. 3: Vzájomne prepojte prípravky RS232 I/O, RS232/TTL a A/D. Na kontaktnom poli si pripravte deliče napätia tak, aby bolo možné na vstup A/D prevodníka priviesť napätia 1/2UREF, 1/3UREF a 2/3UREF. Na vstup A/D prevodníka postupne pripojte napätia UREF, 2/3UREF, 1/2UREF, 1/3UREF a USS. V programovom prostredí MATLAB načítajte hodnotu napäťovej úrovne na výstupe A/D prevodníka. Hodnotu preveďte podľa vhodného vzťahu na zodpovedajúce napätie vo voltoch.

Úloha č. 4: V programovom prostredí MATLAB vytvorte grafické užívateľské rozhranie (GUI), ktoré umožní zobraziť priebeh napätia na vstupe A/D prevodníka v reálnom čase.

Úloha č. 5: K vstupu A/D prevodníka pripojte vhodným spôsobom fotorezistor tak, aby bolo možné vo vytvorenom GUI pozorovať zmeny napätia v závislosti od osvitu fotorezistora.

Úloha č. 6: Zopakujte úlohu č. 4 s tým rozdielom, že fotorezistor nahradíte NTC termistorom.