Endüstriyel Otomatik Kontrol Sistemleri

Dönüştürücüler Mustafa Türker GÜLTEPE mturkergultepe.com

2

D

D.A.C

Nedir?

D.A.C

Kavramlar

İÇİNDEKİLER

D.A.C

Yapısı

D.A.C

Devreleri

A.D.C

Nedir?

A.D.C

Yapısı

3

A.D.C

Çalışması

İÇİNDEKİLER

A.D.C

Devreleri

A.D.C

Kullanım

Alanları

F/V

Dönüştürücüler

F/V

Yapısı

A.D.C

Karşılaştırmalar

4

İÇİNDEKİLER

F/V

Devreleri

Yararlanılan Kaynaklar

5

D.A.C., DAC veya D-to-A (Digital to Analog Converter) dilimize dijitalden analoğa dönüştürücü olarak çevirilebilecek özel bir tanımlamadır. Özellikle CD'nin ortaya çıkmasından itibaren, bu medyalara kaydedilen verinin dijital olması sebebi ile, verinin analoğa çevrilmesi amacı ile kullanılmaya başlanmıştır. Bir CD çaların kasasına monte edilmiş halde olabileceği gibi ayrı bir cihaz olarak da kullanılabilir. Özellikle ayrı kullanım profesyonel cihazlarda karşımıza çıkar. Buradaki amaç CD okuma mekanizmasının mekanik titreşimlerinin ve cihaz içerisindeki diğer elektronik bileşenlerin dijitalden analoğa çevirim sırasında etkileşimini minimuma indirmektir. Farklı teknolojilere sahip olsa da, CD, SACD, DVD gibi tüm dijital kayıt platformlarında mutlaka kullanılır.

Şekil 0 - D.A.C.

Dijital/Analog Çeviriciler (DAC), girisindeki sayısal değerlere karsılık analog bir gerilim veya akım üretmektedir. ADC’lerde olduğu gibi bit çözünürlüğü, adım büyüklüğü gibi bir çok kavram DAC’lar için de geçerlidir. Fakat DAC’ları kullanmak ADC’leri kullanmaya nazaran daha kolaydır. Bir çok DAC’da, ADC’lerde olduğu gibi çevrime baslama, çevrimin bitmesini bekleme gibi kontrol islemleri yoktur. DAC’lar sayesinde sayısal olarak çalısan mikroislemci ve

mikrodenetleyiciler ile analog mantıkla çalısan cihazların kontrolünü gerçeklestirmek mümkündür.

Bilgisayar ve dijital sistemler lojik değerler olan 1 ve 0 değerleri ile çalışır. İkilik sistemin basamakları olan bu değerler analog sistemler için anlamlı değildir. Ayrıca dijital değerlerin insanlar için daha anlamlı olan analog değerlere çevrilmesi gerekir.Örnek vermek gerekirse bilgisayarımızda sakladığımız MP3 formatındaki ses dosyaları dijital verilerden oluşur.Bu dosyaları dinlemek istediğimizde bilgisayar sistemimize bağlı olan bir ses kartına ve ona bağlı olan bir hoparlör sistemine gereksinim duyarız.Bu örnekte ses kartının yaptığı işlem sabit sürücülerimizde saklı olan MP3 dosyasındaki dijital verileri (çok sayıda lojik 1 ve 0 değerleri) hoparlör üzerinde sese çevrilecek olan analog değerlere çevirmesidir. MP3 dosyasından faklı dizilimlerde gelen lojik değerler ses kartında farklı değerlerdeki gerilimlere çevrilecek ve bu gerilim değerleri ise hoparlör üzerinde farklı seslere dönüştürülerek kulağımıza ulaşacaktır. 1 ve 0 gibi dijital bilgileri giriş olarak alan ve çıkışında giriş değerlerindeki değişime göre farklı değerlerde akım veya gerilim üreten devrelere veya entegrelere dijital analog çevriciler ve bu dönüştürme işlemine de dijitalden analoga çevirme işlemi adı verilir. dijital analog çeviriciler kısaca DAC olarak da adlandırılır. Dijital analog çevriciler giriş olarak birden fazla dijital değeri alabilir. Dijital giriş değeri sayısı dijital analog çevricinin bağlı olduğu dijital devrenin çıkış sayısına eşittir.Bu konuyu daha iyi anlamak için giriş bölümünde verilen ses kartı örneğini tekrar inceleyelim.Ses kartı ana kart üzerinden bilgisayarın data yoluna bağlıdır.Dolayısı ile ses kartı analog sinyale dönüştürmek üzere kullanacağı dijital değerleri sistem data

D.A.C. nedir?

6

yolundan alır. Bilgisayarımızın data yolu 32 veya 64 bit olabilir. Dolayısı ile ses kartı MP3 dosyasından her seferde 32 veya 64 bitlik dijital veriyi alarak analog veriye çevirecektir. Sonuç olarak bu bit’lerin her birinin bağımsız olarak 1 veya 0 olması dönüşüm sonucunda elde edilecek analog sinyalin akım veya geriliminde değişime yol açar. Böylece biz de hoparlörden farklı tonlarda sesler duyarız. Sonuç olarak girişe uygulanan dijital değerin bit dizilimindeki değişimim çıkıştaki analog sinyalin değerini belirler.

7

Dijital verilerin analog veriye çevrilmesinde

analog çıkışın değerinin belirlenmesinde etkili

olan bazı esaslar ve kavramlar vardır. Çevrim

işleminin daha iyi anlaşılması için bu öncelikle

bu kavramlar aşağıda açıklanmıştır.

1. LSB Dijital değerlerin daha fazla anlam ifade etmesi için çok sayıda bitin bir arada kullanılması gereklidir. Örneğin bir bit ile sadece iki farklı (1 ve 0) durum ifade edilirken iki bit ile dört farklı durum ifade edilebilir (00, 01, 10 ve 11). Dijital devrelerinde daha fazla çıkış durumu ifade etmek için çok sayıda çıkış biti vermesi olası bir durumdur.Ancak bitlerin sayısı çoğalınca dijitalden analoga dönüşüm sırasında bir problem ortaya çıkmaktadır. Çok sayıda giriş biti alan bir DAC bunları çıkışa analog değer olarak aktarırken bitlerin ağırlıklarını (çıkış akım veya gerilimine etki oranını) neye göre belirleyecektir. Bu sorunun çözümü sayı sistemlerinin doğal yapısında çözümlenmiştir. Giriş bitleri peş peşe dizilerek bir ikilik sistemde rakam elde edilirse sağdan sola doğru basamakların değerleri de artmaktadır ve artış oranı sayı sisteminin taban değerine göre üstel şekilde belirlenmektedir. Dolayısı ile girişlerin sıralaması çıkışa etki oranını belirler.

Şekil 1- İkilik sayı sisteminde basamak

değerleri

Binary(ikili) sayılar yazılırken en sağdaki basamağa en düşük değerlikli bit LSB (Least Significant Bit-) olarak adlandırılır. Dönüşüm sırasında analog çıkış üzerindeki değer değişimine en az etkili olan dijital değerdir.

2. MSB Benzer şekilde en soldaki basamağa en yüksek değerlikli bit MSB (Most Significant Bit) adı verilir. Dönüşüm sırasında analog çıkış üzerindeki değer değişimine en fazla etkili olan dijital değerdir.

Şekil 2 - LSB ve MSB

D.A.C. Kavramlar

8

3. Tam Skala (Full scala) Dijital analog çeviricilerde giriş olarak kullanılan bit’lerin hepsinin 1 olması durumuna tam skala (Full sclala ya da FS) denir. Giriş olarak verilen tüm bit’ler anlamlandırıldığı için çıkış voltajı veya akımı maksimum değerde olacaktır. 4. Çözünürlük (Resolution) Dijital analog çeviricilerin giriş değerlerindeki değişime gösterdiği minimum değişime çözünürlük (Resolution) ya da hassasiyet (sensitivity) denir. Çözünürlük değeri LSB olarak kabul edilen bit’in 1, diğer giriş bit’lerinin 0 olduğu durumdaki çıkış gerilimine eşittir. Giriş bit’lerinin değeri kademe kademe arttıkça çıkış voltajındaki artış çözünürlük kadar olacaktır. Çözünürlük değeri ne kadar küçükse giriş bitlerindeki değişime karşılık gelen analog çıkış değerindeki artışlar o kadar az olacak ve hassasiyet artacaktır. Çözünürlük değeri iki değişkene bağlıdır. Tam skalaya karşılık gelen analog çıkış değeri ne kadar büyükse çözünürlük de o kadar büyük olur. Ayrıca giriş bitlerinin sayısı ne kadar fazla ise çözünürlük de artar. Burada dikkat edilecek nokta çözünürlüğün artması demek sayısal değerinin azalması anlamına gelmektedir.

Şekil 3 - Giriş-çıkış ilişkisi

Çözünürlük değerinin matematiksel formülü şöyledir. Çözünürlük = 1 / 2 Giriş bit sayısı Çözünürlük Voltajı = Maksimum Çıkış voltajı * 1 / 2 Giriş bit sayısı Örnek: Maksimum çıkış voltajı 10V olabilen bir bir DAC devresinde 4 adet dijital giriş varsa çözünürlük nedir? Çözünürlük = 1 / 2 Giriş bit sayısı = 1 / 2 4 = 1/16 = 0,0625 başka bir değişle % 6,25’dir. Çözünürlük Voltajı = Maksimum Çıkış voltajı * 1 / 2 Giriş bit sayısı = 10*0,0625=0,625 V Örnek deki DAC devresinin çıkışı 0,046 V

katları şeklinde değişecektir.

5. Giriş-Çıkış İlişkisi Giriş bit’lerindeki değişim çıkış voltajındaki değişim olarak gözlenmektedir. LSB’den MSB ‘ye doğru bit’lerdeki ağırlık değeri artacağından çıkış voltajı üzerindeki etkisi de artacaktır. Birim artış çözünürlük değerine eşittir.Aşağıdaki şekilde yukarda örnekde verilen DAC devresinin giriş-çıkış ilişkisi gösterilmiştir.

9

Şekil 4 - İşlemsel yükselteç

1.3. Çalışma Prensibi Dijital değerlerin analog değerlere dönüştürülmesinde kullanılan temel eleman işlemsel yükselteçlerdir. Dijital analog çeviricilerin çalışma prensiplerini anlayabilmek için işlemsel yükselteçlerin çalışması hakkında bilgi sahibi olmak gereklidir. İşlemsel yükselteçler, girişine uygulanan gerilim değerini yine giriş ve çıkışına bağlanan dirençlerle belirlenen bir oranla çıkışa aktaran devre elemanıdır. Giriş değerinin çıkışa etki oranının belirlenebilmesi sayesinde girişi oluşturan dijital değerlerin çıkışa aktarılma oranı belirlenebilmektedir. İşlemsel yükselteçler elektronik alanında çok farklı amaçlarla kullanılabilmektedir. DAC devrelerinde toplayıcı olarak kullanılabilme özelliğinden faydalanır. Giriş bitlerinin çıkışa etki oranı dirençler ile belirlenerek yükseltilmiş bir analog çıkış elde edilebilir. Şekil 4' te verilen toplayıcı devresinde Vg1,Vg2

ve Vg3 gerilimleri önlerine konulan dirençlerin

büyüklüğü ile ters orantılı olarak çıkışa

aktarılırlar. Ayrıca giriş gerilimi çıkışa

aktarılırken R1,R2 ve R3 dirençlerinin eş değeri

ile Rf direncinin oranına göre yükseltilerek

aktarılır.

10

DAC’ları farklı şekilde sınıflandırabiliriz. Digital Analog çevirim tekniklerine göre, upsampling yapıp yapmadıklarına göre veya çıkışının lambalı, discrete transistorlu veya opamplı olmasına göre. Esasında hemen bütün DAC’lar belli modüllerden oluşur; Input katı, Digital Filter ve Upsampling katı, Digital-Analog dönüşüm katı ve çıkış katı. Bu noktada DAC'lerden ses sistemi üzerinden bahsedersem somut bir örnek üzerinden daha akılda kalıcı bir yapı oluşturur diye düşünüyorum.

Şekil 5 - DAC Block Diagramı

Şekil 5’te block diagramı verilmiş olan DAC’ı detaylı olarak incelersek;

A. Input Bölümü

Şayet DAC ayrı bir kutu ise cdp içindeki DAC bölümünden bahsetmiyorsak hemen herbir DAC’ın input bölümünde bir Receiver Chip karşımıza çıkar. Burada kullanılan protokol genellikle S/PDIF’dir veya AES/EBU’dur. S/PDIF aslında cd teknolojilerinin mucitleri olan Sony ve Philips şirketlerinin belirlediği bir standarddır ve açık hali de Sony Philips Digital InterFace’dir. Sayısal formattaki sinyal ya metal bir tel üzerinden elektronlarla veya fiber

optik bir kablo üzerinden kodlu ışık demetleriyle “Toslink” üzerinden DAC’a iletilir. TOSLink’den bahsederken açık hali olarak TOShiba LINK’in mucidinin de Toshiba olduğunu söylemeden geçmeyelim.

AES/EBU (AES = Audio Engineering Society, EBU = European Broadcasting Union) S/PDIF’e çok benzer bir standarddır ve daha çok profesyonel ekipmanlarda ve hi-end hifi’de göze çarpar. S/PDIF ile AES/EBU arasındaki temel farklar sinyal seviyesi ve empedans’larıdır.

Kodlama her ikisinde de Biphase Mark Code’dur. AES/EBU standardı piyasada çok daha fazla balanced kullanım olarak görülür.

Aslında hem AES/EBU’nun hem de S/PDIF’in balanced ve unbalanced şekli vardır ama cihaz üreticileri çok yaygın olarak unbalanced için S/PDIF’i balanced için de AES/EBU standardını tercih etmektedirler. S/PDIF ve AES/EBU da kullanılan biphase mark code kodlaması şekil 2’de verilmiştir. Şekilde de görüldüğü üzere kodlanmış sinyalin içinde data ve clock birleşik halde yer almaktadır.

D.A.C.'nin Yapısı

11

Şekil 6 - Clock, Data ve kodlanmış sinyal

Transport veya CD Player’ın içine bakarsak ses sinyali olarak cdp içinde dolaşan digital sinyalin protocolu I²S’dir. I²S (Inter-IC Sound Interface) Philips tarafından geliştirilmiştir. I²S temelde S/PDIF veya AES sinyalindeki clock ve data’nın ayrıştırılmış şeklidir. Veya başka bir deyişle bir transport içindeki sinyalin S/PDIF veya AES’e dönüştürülmeden evvelki şekli I²S’dir diyebiliriz. I²S formatındaki digital sinyal uzun mesafeli taşınamaz, hassas ve dış faktörlerden kolaylıkla etkilenir. Bu nedenden dolayı I²S sinyali transport veya cdp dışına çıkartılırken S/PDIF veya AES’e dönüştürülür. Esasen DAC da giriş bölümünde S/PDIF veya AES üzerinden sinyali kabul ettikten hemen sonra I²S’e çevirir ve sinyal analog’a dönüşmeden evvel entegreler arasında I²S olarak dolaşır. Çok nadir olarak da olsa Transport ile DAC bağlantısı olarak I²S protokolünün kullanıldığı yerler de vardır. Bu durumda I²S kablosu çok kısa tutulmaktadır.

Şekil 7’ deki I²S formatını yakından incelediğimizde bu formatın çok temel sinyallerden oluştuğunu görebiliriz.

SD, 16 bit, 18 bit, 20 bit, 22 bit veya 24 bit

olarak serial data’yı temsil eder. I²S standardı

içinde data boyutu 28 bite kadar uzatılabilir.

SCK Serial Bit Clock’u temsil etmektedir. Herbir

data biti eş zamanlı clock darbesiyle dikkate

alınır. Temsili olarak anlatmak gerekirse clock

darbesi geldiğinde elektronik kapı açılır data

biti içeri alınır ve kapı kapatılır, sonraki clock

darbesi bir sonraki data bitini kabul eder.

Clock sinyali olmadan data bitleri dikkate

alınmaz. Data bitlerinde zamanlama çok

önemli değilken clock’un zamanlaması jitter

açısından çok önemlidir. Clock’daki bir kayma

veya bir zamanlama hatası jitter dediğimiz

hatalara sebebiyet verir ki jitter hataları insan

kulağı tarafından kolaylıkla farkedilir.

WS sinyali Word Select veya Word Clock’u temsil eder. Örneğin SD sinyali 16 bitlik ise bu 16 bitlik word’un başladığını veya bittiğini ifade etmek için kullanılır. Right ve Left kanal için ayrı ayrıdır. Yüksek anlamlı bit ilk başta veya en sonda olabilir. WS sinyali oluştuğunda tek tek bit katarı olarak alınan bitler 16 bit olarak birleştirilir ve bir hamlede proses edilmek üzere başka bir tampon bölgeye aktarılır.

Bütün bu formatlardan ayrı olarak bilgisayarı kaynak olarak kullandığımızda karşımıza çıkan USB ve Firewire interface ve formatları da vardır.

Şekil 7 - I2S Bileşenleri

Bilgisayardan müzikte isochronous dediğimiz protokol kullanılır. Isochronous burada belirli bir datanın sürekli aynı hızla bir yerden başka bir yere transferini ifade eder. Bilgisayardan müzikte taşınan datanın boyutu ve hızı bilgisayarın işlemcisinde process ettiği data ve ulaştığı hıza göre çok daha düşük kalmasına rağmen bu datanın hızının değişmemesi ve sürekliliği çok önemlidir. İşte bu sürekliliği data bandwidth’ini garanti eden Isochronous mode sağlamaktadır. Aslına bakarsak böylelikle bir anlamda USB ve Firewire üzerinden taşınan digital müzik datası CDP’nin transportundan taşınan müzik datasına fazlasıyla benzetilmiştir. Her ikisinde de sistem digital

12

datayı arkaya bakmadan sürekli bir şekilde bir yerden bir yere transfer eder. Bu benzerliğin bir devamı olarak ve burada kullanılan standardlar yüzünden Bilgisayardan müzikte acaba yapılıyor mu dediğimiz Error Detection ve Correction yapılmamaktadır. Yani Bilgisayar kaynağından DAC’a iletilen digital data DAC tarafında kontrol edilip hata varsa yeniden transferinin talep edilmesi gerçekleşmez. Gerekli olup olmadığı bir tartışma konusu olan error correction yani “bit perfect” dediğimiz olgunun hayata geçebilmesi için audio interface standard’larının değiştirilmesi ve mevcut standardın yerine başka standardların kullanılması gerekmektedir. Örneğin yeni bir çalışma şekliyle DAC ile bilgisayar arasındaki transfer hızı arttırılıp DAC tarafında bir tampon bellek veya disk olabilirse DAC’ın output’unun sürekliliği bozulmayacak şekilde bit perfect çalışma gerçekleştirilebilir.

Günümüzde transport – dac combo’su olarak ve standalone cihaz olarak bu olguyla çalışan cd / sadc player’lar artık üretilmeye başlanmıştır . Bu tür cihazlara örnek olarak PS Audio Perfectwave Transport – Dac combo, Naim Hdx , ve diğer benzeri cihazları verebiliriz. Bu cihazlar digital anlamda bit perfect olarak çalışabilmektedirler . Tabii bir yanlış anlamaya sebebiyet vermemek açısından bit-perfect demek ideal sesi yakalamak anlamını hiçbir zaman taşımaz . Bit perfect olmayan ama çok daha iyi audio performansı verebilen cihazlar mevcuttur.

Bilgisayardan müziği bir kenara bırakıp tekrar

S/PDIF ve AES/EBU receiver’lara dönersek

piyasadaki S/PDIF ve AES/EBU Receiver

chiplerinin belli başlı yarı iletken üreticileri

tarafından geliştiridiğini görebiliriz. DAC

kutularının içine baktığımızda Texas

Instruments’den DIR9001, Cirrus Logic’den

8414,8416, Wolfson’dan WM8804/8805 ve

Japon Asahi-Kasei’den AK4114/AK4115’i gibi

entegreler receiver chip olarak karşımıza çıkar.

Receiver chip’ler birbirlerinden az çok farklılık

gösterseler de öne çıkan özellikleri kabul

ettikleri word genişliği ve hızıdır. Kimi receiver

chip’ler sadece 18 bit 48khz’e kadar data kabul

ederken kimi chip’ler 24bit 192 Khz’e kadar

digital müzik datası kabul etmektedir. Bir diğer

farklılık da clock kullanımındadır. Hemen

herbir receiver chip input olarak kabul ettiği

digital datayı ayrıştırıp bir sonraki aşamaya

iletirken ya inputtan aldığı sinyalin içinden

ayrıştırdığı ve recover ettiği clock’u kullanır

veya dışarıdan verilen clock’u kullanarak

datayı sonraki aşamaya iletir. Genellikle bu

özelliğin seçimi için entegrenin bir pini

kullanılmıştır. Örneğin TI DIR9001’de 28 no’lu

pin CKSEL (Clock Selector) bu iş içindir. Sonuç

olarak clock kullanımı DAC kutusu yapanların

tercihine göredir. Bazı DAC’larda hiç clock

generator yoktur, input’tan aldığı clock’u

kullanır, bazı DAC’larda sadece DAC’ın içinde

bir clock generator bulunur, bazı DAC’lar ise

aynı zamanda clock sağlayan başka bir dış

üniteden de clock kabul eder. Dışarıdan clock

kabul eden DAC’lar ve CDP’ler genellikle hi-

end sınıfındadır ve pahalıdırlar.

13

Şekil 8 – Curve Fitting (Eğri Geçirme))

Öncelikle hemen belirtmek gerekir ki bazı NOS DAC kutularında bu kısım hiç yoktur. Örneğin DIY olarak yaygın bir şekilde TDA154X dac entegreleriyle DAC kutusu yapanlar upsampling ve digital filter çoğunlukla kullanmazlar. Ama esasen 16 bitlik çok eski bu dac entegreleri için dahi zamanında upsampling chip’leri yapılmıştır. Örneğin SAA7220 upsampling chip’i TDA1541 dac entegresiyle birlikte kullanılır ve word genişliğini arttırmadan 4x upsampling yapabilme özelliğine sahiptir. Buradan da TDA1541’in 176 Khz’e kadar digital data kabul ettiğini anlayabiliriz.

Upsampling & Digital Filtering yapan entegrelerin bir başka adı da interpolating digital filter’dır. Upsampling olayı aslında bir tür interpolasyondur. Bir nevi discrete

noktalara yakın mesafelerden bir eğri geçirme işlemidir. Ama tabii bu işlem digital domain’de yapıldığından örnekleme sayısının arttırılması gibi de düşünülebilir. Basit olarak düşünürsek örneğin standard cd formatında 16bit 44Khz müzik datası içinde peşpeşe gelen iki değer 16 ve 32 ise bu iki değerin arasına (16+32) / 2 = 24 şeklinde bir değer ilave etme işlemi upsampling’dir. Bu işlemin sonucunda 88Khz’lik upsample edilmiş bir veri elde etmiş oluruz. Bu işlemde word genişliğini arttırmaya ihtiyaç olmamıştır çünkü 16 ve 32’nin toplamının yarı bölümü tam bir değer vermektedir. Ama şayet peşpeşe gelen bu iki değer 17 ve 32 olsaydı toplamın yarıya bölümü kesirli bir değer verecekti ve elde edeceğimiz değeri 16 bitlik bir word’e yerleştirdiğimizde yuvarlama yapıyor olacaktık. İşte bu yüzden pek çok upsampling chip’i upsample işlemini yaparken aynı zamanda word genişliğini de arttırır ki kesirli bir değerde yuvarlama yapılmasın ve hata oluşmasın. O yüzden pek çok DAC upsampling sonrasında cd’lerdeki standard 16 bitlik word genişliğini 18 bit 20 bit veya 24 bit’e taşır. Yine bu bilgiye dayanarak önceden üretilen Philips TDA1541 ve onun eşleğini SAA7220’nin 16 bit olmasından dolayı bu eski entegrelerde upsampling sonrasında yuvarlama hatalarının olabileceğini tespit edebiliriz. Diğer taraftan 16 bitlik dac chip’lerini paralel kullanarak çok daha geniş bit uzunluklarına ulaşma teknikleri vardır.

Burada belirtilmesi gereken önemli bir konu da upsampling & digital filter entegrelerinin dac entegresinden bağımsız düşünülemeyeceğidir. Upsamping sonrasında elde edilen sayısal müzik datasının word genişliği ve hızı mutlaka dac entegresiyle uyumlu olması gerekir. Örneğin upsampling sonrası 24 bit 192 Khz bir output elde ediliyorsa dac entegresinin de bunu kabul edebilir yetenekte olması gerekir. Dolayısıyla upsampling entegreleriyle dac entegreleri uyumlu olarak üretilirler.

Digital filtreleme konusuna gelirsek teorik olarak bir cd kaydı içinde 22Khz’in üstünde bir ses sinyali olmaması gerekir ama pratikte cd yapımı aşamasında veya okuma sırasında bu tür parazit sinyaller audio sinyalinin arasına karışabilmektedir. O yüzden kulağın

14

duyamayacağı 22 Khz’nin üstündeki sinyallerin ortadan kaldırılması esastır. Digital ortamda oversampling sonrasında bu tür parazit sinyallerin filtrelenmesi analog ortama göre çok daha kolay yapıldığından hemen her upsampling chip’i aynı zamanda digital filter olarak da çalışır ve 22 Khz’in üstündeki sinyalleri yok eder.

Şekil 8’deki örnekte (yukarıda) 8x upsample sırasındaki Curve Fitting (eğri geçirme) işlemlerini görüyoruz. Curve Fitting işlemi upsampling’in ve hatta DAC’ın en önemli aşamalarından birisidir. Curve fitting digitalden analog’a çevrim öncesinde temel alınacak sayısal noktaları belirleyen aşamadır. Bu işlemin nasıl yapıldığı konusunda üreticiler pek fazla bilgi vermezler. Ama şekilde de göreceğimiz gibi 16 bitlik cd datasını first order curve fitting işleminden geçirirsek orijinalden oldukça uzak bir sinyal şekli elde ederiz. Order seviyesi arttıkça upsample edilmiş noktalardan oluşacak eğrinin orijinale yaklaştığını, 12th order curve fitting’de ise ideal eğrinin yakalandığını görüyoruz. 12th order teoride çok uygun gözükse de pratikte gerçekleştirilmesi son derece zordur.

Pek çok bilinen oversampling digital filter entegresi bilinen yöntemlerle interpolasyon yaparken bazı üreticiler bu aşamada kendilerine özel bazı farklı yöntemlerle upsampling yapar. Bunlardan bazıları Wadia, DCS, ARC v.s. gibi hi-end üreticilerdir. Örneğin Wadia’da 2x, 4x veya 8x upsampling’den çok daha yüksek bir oranla 64x olarak upsampling yapılmaktadır. 64x olarak yapılan upsampling yöntemi de yukarıdaki şekilde verilen 12th order curve fitting’e oldukça uygun yapıldığından neredeyse orijinale çok yakın bir sinyal elde edilmektedir.

Bana göre bu konu içinde bahsedilmesi gereken bir de JVC’nin Victor Company ile ortaklaşa geliştirdirdiği K2 processor bulunur. ‘Digital K2’ processor digital audio sinyalinin işlendiği her aşamada kullanılabilir. CD üretiminde, playback aşamasında upsampling sırasında v.s.. Özelliği digital sinyalin içindeki parazitleri ve jitter’ı özel bir teknikle düzeltiyor olmasıdır. Bu tekniğin patent’i JVC’e aittir ve

paylaşılmamıştır. Şekil 9’da ‘Digital K2’ fonksiyonunu görebiliriz.

Şekil 9 – JVC Digital K2 Processor

Konuyu sonlandırırken tekrar konunun başına dönersek NOS DAC’lar oversampling yapan dac’lardan daha başarılıdır veya değildir diyemeyiz. Her iki tarafta da çok başarılı dac’lar mevcuttur. Örneğin TDA1541 ile yapılmış olan Zanden NOS DAC ses kalitesi son derece başarılıyken oversampling yapan Accustic Arts tube dac da çok başarılıdır.

C. Dac Bölümü (Digital’den Analog’a çevirim)

Digital’den Analog’a dönüşümde kullanılan entegrelerde temel olarak iki ayrı teknik kullanılır. 1 Bit Dac’lar ve R-2R Dac’lar. 1 Bit dac’ların 2-3 bit olarak türevleri de bulunur ama temelde bunlar da Delta Sigma modulasyonu kullandıkları için aynı sınıfa girerler. R-2R dac’lar word genişliği kadar biti bir anda process edip analog değere erişirler. Bir sonraki analog değer de aynı yöntemle hesaplanır ve genelde bir integratör yöntemi vasıtasıyla peşpeşe gelen iki analog değer smooth’laştırılır ve akıcılık sağlanır. 1 Bit dac’lar tamamen farklı çalışırlar. Aslında standard 16 bitlik PCM Redbook cd formatı R-2R dac’lara çok uygunken 1 bit dac’lara bu yapı hiç uymaz 1 bit’in kodlaması çok farklıdır. 1 bit kodlamayı sacd medyasında dsd olarak görebiliriz. Cd formatındaki datanın 1 bit dac ile process edilmesi için 16 bitlik audio datasının yeniden 1 bit olarak encode edilmesi gerekmektedir. 1 Bit dac’ların çalışma prensibi

15

temelde son gelen bitin değerine göre anlık olarak mevcut analog değeri arttırılıp azaltılması şeklindedir.

1 Bit dac’ların çalışma prensibini anlamak için şekil 6 ‘daki Delta Modulation Coding’i inceleyebiliriz.

Şekil 10’da sinus olarak gördüğümüz bir analog

sinyalin direkt olarak 1 bit encode edilme

işlemini (adc) görüyoruz. Şekil 11’de de

gördüğümüz üzere örneklenip hesaplanan her

yeni değer bir önceki seviye ile karşılaştırılır.

Yeni seviye sample edilen önceki değerden

daha büyükse son defa encode edilen 1 bit

negatif olarak eklenir. Küçükse 1 bit pozitif

olarak eklenir. Sonuç olarak delta dediğimiz

çok küçük farklar negatif veya pozitif olarak

eklenerek 1 bit kodlama yapılır. Ve bu şekilde

Şekil 6’da yeşil renkte gördüğümüz 1 bit

kodlama mavi renkteki analog sinyali temsil

edebilmektedir . Yine bu şekilden bir örnek

vermek gerekirse t=1.1 anındaki değer -0.75

‘dir. Sistemin hafızasında önceki değer olarak -

0.75 tuturken t=1.11 anına geldiğimizde -0.76

değerini elde edersek bu iki değerin farkına

bakarız ve fark negatif olduğundan eklenecek

1 bit negatiftir diyebiliriz . Böylelikle her yeni

gelen değer için (+) veya (-) olarak 1 bit

eklenerek dsd stream oluşturulur.

Şekil 10 – 1 Bit Delta Encoding Block Diagramı

Şekil 11 - Düşük Frekanslı 1 Bit Kodlama

Delta Modulasyonun daha fazla geliştirilmiş ve bugün piyasadaki 1 bit dac’larda kullanılan şekli Sigma Delta modulasyonudur. Temel olarak aynı prensiple çalışır. Burada dikkat edilmesi gereken husus delta modulasyon yaparken örnekleme frekansını belli bir değerin altına düşüremeyeceğimizdir. Redbook CD Audio sinyali için 16 bit/44 Khz yeterli olurken, 1 Bit encoding yapılacaksa 44 Khz son derece yetersiz kalır. Zaten teorik olarak da baktığımızda aynı resolution’u yakalamak için 1 bit için en az 704 Khz kullanılmalıdır (16x44Khz=1x704Khz) . Günümüzde piyasada Sacd olarak karşımıza çıkan dsd formatında bu standardın biraz daha üstüne çıkılmış ve 1.4112 Mhz kullanılmıştır. Bu resolution’un PCM olarak karşılığı en kötü durumda yaklaşık 16/88 Khz’dir. Ancak dsd’nin yapısı gereği bu karşılaştırma çok doğru olmaz , 1 Bit dsd’e haksızlık yapmış oluruz .1 Bit dsd formatı 16/44 PCM sinyalinden çok daha fazla resolution’a sahiptir çünkü dsd kodlaması gereği analog sinyalin çok fazla inişli çıkışlı olmadığı durumlarda 16 bitin göreceği işi 1 bit ile dahi görebilirsiniz . Analog sinyal tepedentepeye seyrettiği durumlarda ise 1 bit dsd’nin bu avantajı kaybolur ama tabii yine de en kötü durumda bile 16/88Khz standardını yakaladığından bir sorun teşkil etmez.

1 Bit kodlamayı olması gerekenden

daha düşük bir frekansta uygulamaya

kalkarsak şekil 8’deki durum oluşur. 1

Bit kodlama analog sinyalin gerisinde

kalır.

16

Şekil 12’deki başlangıç noktasına baktığımızda hızla negatif tepe değerine inen analog sinyale yetişemeyen 1 bit kodlamayı görüyoruz. Bunun nedeni yeterince yüksek olmayan örnekleme frekansıdır. Genelde Sigma Delta Modulasyonuyla 1 bit çalışan dac’ların hemen hepsinde 1.4 Mhz veya 2.8 Mhz gibi yüksek değerleri tespit edebiliriz. R-2R Dac’lar 1 Bit dac’lara göre daha eski ve basittirler. Kolay anlaşılır bir çalışma prensibi vardır, word genişliği kadar bitler dizilir ve aynı anda process edilerek analog değere ulaşılır. Şekil 12’de 5 bitlik R-2R resistor network’u görüyoruz. Bu resistor network’unu 16 bitlik veya 24 bitlik de düşünebiliriz. Bit sayısı artsa da çalışma prensibi yine aynı şekilde olacaktır.

Herbir clock cycle’ında bu direnç networku kullanılarak analog değer hesaplanır ve çıkışa verilir. Burada önemli olan dirençlerin karakteristiklerinin bozulmaması herzaman aynı değerde kalmalarıdır. O yüzden bu dirençler çok özel seçilirler. Ama yine de 24 bitlik bir R-2R dac’da fazlasıyla direnç olacağını bu dirençlerin hepsinin hatasız çalışması gerektiğini dikkate almamız gerekir.

Şekil 12 - Düşük Frekanslı 1 Bit Kodlama

R-2R dac’larla 1 Bit dac’ları karşılaştırdığımızda birisi diğerine göre daha üstündür diyemeyiz her iki dac türünden de çok iyi örnekler vardır ama 1 bit dac’larda analog’a çevirim çok daha

az elemanla ve daha kolay bir şekilde yapıldığından R-2R dac’lara uygun olup 1 bit dac’a hiç uygun olmayan cd datası günümüzde yeniden 1 bit olarak encode edilerek 1 bit dac’lara uyumlu hale getirilmek suretiyle analog conversion yapılmaktadır. Daha sonradan çıkan dsd formatında ise direkt olarak 1 bit formatı kullanılmıştır.

Şekil 13 – R-2R Resistor Network

R-2R dac entegresi örneği olarak pek çok hi-end cihazda kullanılan TI BB PCM1704 ‘ü, 1 Bit dac örneği olarak da yine TI BB’den DSD1700’ü verebiliriz. Bunların yanında yine Delta Sigma Modulasyonu prensibiyle çalışan (1 bit mantığıyla) multi bit dsd özellikli Analog Devices’dan AD1853 ve Wolfson’dan WM8740 entegreleri de yaygın olarak kullanılmaktadır. Multi- bit dsd veya 1 bit çalışan dac entegrelerinin pek çoğu yukarıda daha önce de bahsettiğim gibi input olarak 16-20 veya 24 bit olarak datayı kabul eder, kendi içinde dsd kodlamasını yapar ve sayısal sinyali bundan sonra analog’a dönüştürür.

D. Conversion & Analog Filtering

Sinyal sayısal’dan analog’a dönüştürülme

esnasında elemanlar birbirini etkilemesin,

gürültü oluşmasın diye elektriksel seviye

genellikle çok düşük tutulur ve akım

17

prensibiyle çalışılır. Bu sinyalin çıkışa verilmesi

olanaksızdır, yükseltilmesi gerekir ancak

bunun istisnaları da vardır. Örneğin BB PCM56

dac entegresinin içine yerleştirilmiş olan

opamp’ı sayesinde bu entegre direkt olarak

dışarı çıkış verebilir.

Analog’a dönüşümden hemen sonra analog değer yükseltilirken ilk aşamada pek çok üretici opampları tercih eder, çünkü opampların giriş empedansları çok yüksektir ve dolayısıyla giriş işaretine olan etkisi minimal olur, orijinalliği bozulmaz. Bu işlem aslında bir akım gerilim dönüşümüdür, o yüzden I/V conversion ( I (akım) V (Gerilim)) olarak adlandırılır.

Yine bu aşamada analoga dönüşüm sırasında faz değişmişse faz düzeltme işlemi de yapılır.

Yükseltilme işlemi yapılırken aynı zamanda analog filtreleme de yaygınlıkla yapılan bir işlemdir. Bu filtre çok keskin tercih edilmez zira üstlerin kırpılma riski vardır. Yükseltme ve analog filtreleme opamp’larla yapıldığı gibi discrete transistorlarla da yapılabilir. Sonuçta zaten opamplar da transistorlardan meydana gelmektedir. O yüzden çıkışın transistorlu ve opamplı olması benzer sonucu doğurur.

Bütün bunlardan farklı olarak dac çıkışında lamba katı kullanımı da bir tercih sebebidir. Bu şekil kullanıma tube buffer adı verilmektedir. Aslında tube buffer dac içinde olabileceği gibi dışarıdan external bir kutuyla da yapılabilir. Dışarıdan tube buffer kullanırken DAC kutusu içindeki yükseltme bölümündeki katların çok fazla sayıda olmaması ve tube buffer’ın da çok fazla kattan yapılmış olmaması uygun olacaktır. Diğer türlü analog audio sinyali gereksizce çok fazla elemandan geçerek anfiye ulaşır bu da sese negatif etki edecektir.

Sonuç olarak bir taraftan sürekli gelişen dac teknolojilerinin yanında hala çok eski dac entegreleriyle oldukça başarılı dac kutuları yapılabilmektedir. En nihayetinde duyduğumuz ses önemli olduğuna göre kesin olarak bu dac teknolojisi şu dac teknolojisinden daha iyi diyemiyoruz. Bununla birlikte dac teknolojilerinin amacı sürekli

olarak analog kayıt dünyasının standard’larını yakalamak olmuştur.

18

1. R-2R Merdiven Tip DAC

Bu devrede dirençlerin değerlerinin R-2R olarak sıralanması ve çıkış dalga şeklinin merdiven basamağı şeklinde artması sebebiyle bu tip çeviriciler R-2R merdiven tipi D/A çevirici adını alır. Şekil 14’te verilen R-2R merdiven tip DAC devresinde X ile gösterilmiş düğüme A,B,C ve D ile gösterilmiş dijital girişlerin etkileri farklıdır. Önünde çok direnç değeri olan dijital giriş X noktasına daha az akım ulaştıracaktır ve bunun sonucu olarak da çıkıştaki etkisi daha az olacaktır. D en değerliksiz bit (LSB) olup devrenin çözünürlüğünü belirler. Referans geriliminin 16’da 1’i kadar çıkışı etkiler. Her bir basamak değeri D’nin etkilediği değer kadar artar. A

ise en değerlikli bit (MSB) olup çıkışa tam skala değerinin yarısı olarak etki eder.

Şekil 14 - R-2R merdiven tip DAC

2. Ağırlık Dirençli Tip DAC

Şekil 15 - Ağırlık dirençli tip DAC

Bu devrede dirençlerin değerlerinin ağırlık dirençli olarak sıralanması dijital girişlerin önüne koyulan dirençlerin, dijital girişin çıkışa yansıtılma oranını ile ters orantılı bir şekilde belirlenmesinden kaynaklanır. Dirençler arasındaki oran belirlenirken 2’nin katları şeklinde gidilmesi gereklidir. Şekil 15'te verilen ağırlık dirençli tip DAC X ile gösterilmiş düğüme A,B,C ve D ile gösterilmiş dijital girişlerin etkileri farklıdır. Önünde yüksek direnç değeri olan dijital giriş X noktasına daha az akım ulaştıracaktır ve bunun sonucu olarak da çıkıştaki etkisi daha az olacaktır. D en değerliksiz bit (LSB) olup devrenin çözünürlüğünü belirler. Referans geriliminin 16’da 1’i kadar çıkışı etkiler. Her bir basamak değeri D’nin etkilediği değer kadar artar. A ise en değerlikli bit (MSB) olup çıkışa tam skala değerinin yarısı olarak etki eder.

D.A.C. Devreleri

19

3. DAC Entegreleri 3.1. DAC 0800 DAC0800 entegresi yüksek hızda çalışan 8 bit dijital veriyi analog veriye çevren bir entegre devredir. Simetrik bir güç kaynağı ile beslenmelidir. Referans geriliminin 40’da 1’i kadar çıkışı etkiler. Şekil 16 - DAC 0800 entegresini yapısı ve devresi

3.2. MC1408 Çok popüler ve ucuz bir entegre devre D-A çevirici MC1408 veya eş değeri olan DAC0808 ‘dir. MC1408 standart 16 bacaklı DIP paket olarak gelir ve +5V ’luk Vcc ile minimum -5V, maximum -15V ‘luk VEE gerilimi gerektirir. MC1408’de, bir R/2R merdiven tipi D/A çevirici, akım yükseltecinden gelen referans akımını, 8 ikilik ağırlıklı akıma böler. Bipolar transistör anahtarlar (A1-A8), girişlerindeki ikilik bilgiye göre ikilik ağırlıklı akımları çıkış hattına bağlar. En yüksek değerlikli biti taşıyan girişin A1, en düşük değerlikli taşıyan girişin A8 ile gösterilmiştir. MSB ve LSB etiketlendirilmeleri normal etiketlendirilmenin tersinedir. Bu nedenle kullanılacak bir entegrenin veri sayfası dikkatle incelenmelidir. Şekil 17 MC1408’in blok diyagramını, bacak bağlantısını ve tipik uygulamasını göstermektedir. MC1408’in bir işlemsel yükselteç (op-amp) ve bir dirençle gerilime çevrilebilen akım çıkış vardır.

20

Şekil 17 - MC1408 entegresini yapısı ve devresi 1.4.3. ZN425E ZN 425E entegresi hem analog dijital hem de dijital analog çevrim için kullanılabilen bir entegredir. Entegre 8 nu lı ayağından uygulanan 5V gerilimle çalışır.8 bit dijital girişe sahiptir.Kendi ürettiği 2.5V referans gerilimine sahiptir.Dijital analog çevrimi sırasında clock palsine gerek duymaz.Analog dijital çevirici olarak çalıştığında 4 nu lu ayağından clock palsi verilir ve içindeki 8 bit’lik sayıcı devreye girer.Sayıcı 3 nu lu bacaktan resetlenebilir.2 nu lı bacak ise entegrenin çalışma modunu ayarlamak için kullanılır.

21

Şekil 18 - ZN425E entegresini yapısı ve devresi 1.5. Mikroişlemci Uyumlu DAC’ler Mikroişlemciler dijital veri ile çalışan elemanlardır. Mikroişlemcilerin çalışması sırasında data yolu adı verilen bir gurup iletken hat üzerinde sürekli dijital veri akışı olmaktadır.Bu veriyi mikroişlemci dışında bir analog devrede değerlendirmek istersek bir dijital analog dönüştürücü kullanmalıdır.Ancak yukarda anlatılan devreler ve entegrelerin mikroişlemciler ile uyumlu çalışması mümkün değildir.Mikroişlemciler ürettiği kontrol sinyalleri sayesinde çevre birimlerinin çalışmalarını idare edebilirler.Bu nedenle mikroişlemciler ile uyumlu olan dijital analog dönüştürücülerin mikroişlemciden gelen data hatlarının yanında kontrol hatalarından da giriş kabul etmesi gerekmektedir.Bu amaçla üretilmiş dijital analog dönüştürücülere mikroişlemci uyumlu DAC adı verilir. Mikroişlemcilerin data ve kontrol hatlarının sayısı değişkendir. Bu nedenle mikroişlemci uyumlu DAC entegreleri belirli bir mikroişlemci ile uyumlu olacak şekilde üretilir.Bu uyumun anlamı çalışma hızı,data hattı sayısı denkliği ve kontrol sinyalleri ile DAC entegresinin kontrol edilebilmesi olarak özetlenebilir.

22

Şekil 19 - Mikroişlemci uyumlu DAC’ler

23

Bilgisayar ve dijital sistemler lojik değerler olan 1 ve 0 ile çalışırlar. İkilik sistemin basamakları olan bu değerler analog sistemler için anlamlı değildir.Analog devreler geniş bir gerilim bandında çıkış verebilirler.Bu konuyu şu örnekle açıklayalım.Elektronik terazi veya termometre gibi cihazlar ortamdaki fiziksel değişikliği sensörleri ile algılar.Sensör bulunduran bir analog devre ortamdaki ölçülmekte değişime çıkış gerilimindeki veya akımındaki değer değişimi ile tepki verir.Ancak bu değerler bir ölçü aleti kullanmıyorsak bizler için anlamlı değildir.Ölçülen sıcaklığın veya ağırlığın insanlar için anlamlı olan sayı sistemleri ile ifade edilmesi gerekir.Örneğin 60 kg veya 35 derece gibi.Bu noktada da devreye giren A-D çevriciler sayesinde sensörlerden gelen analog sinyalleri önce ikilik sayı sisteminin rakamları ile ifade edilen dijital veriye çevrilir.Bu aşamadan sonra dijital devreler kodlayıcı ve display devrelerden geçerek insanlar için daha anlamlı olan onluk sayı sistemine çevrilebilir.Bu öğrenme faaliyeti ile bir analog devrenin çıkışını dijital bir devreye giriş olarak bağlayabilmek için kullanılan A-D çevricileri öğreneceksiniz. Basınç, sıcaklık veya ışık şiddeti gibi ortam değişikliklerini ölçen sensörler akım veya gerilim büyüklüklerini çıkışlarında genellikle analog olarak verirler. Bilgisayar sistemleri ve diğer dijital devreler ise bu değerleri kullanamazlar. Akım ve gerilim gibi analog sinyallerin dijital sinyallere dönüştürme işlemine yapan devrelere de analog-dijital çevirici kısaca ADC denir.

NİÇİN A/D ÇEVİRİCİ ?

Dünyada, pek çok büyüklük analog olarak ortaya çıkar. Örneğin ısı, basınç, ağırlık gibi büyüklükler hep analog olarak değişirler. Bunlarda sadece 0 ve 1 gibi iki değer değil, minimum ile maximum arasında çok geniş bir yelpazede çeşitli değerler söz konusu olabilir. Söz gelişi bir ağırlık 10 gram olabileceği gibi, 1 kilo, 5 kilo, 120 kilo veya 4 ton da olabilir.

Dış dünyanın daha çok analog değerlerden oluşmasına karşılık , bilgi işleyen cihazlar (dijital sistemler, mikroişlemciler, bilgisayarlar) dijitaldir. Çünkü, dijital sistemler, bilgiyi daha güvenli, daha hızlı işler ve değerlendirir. Elde edilen bilginin tekrar dış dünyaya aktarılması da (örneğin görüntülenmesi) analog veye dijital biçimde olabilir. Bütün bu nedenlerle analog değerlerin dijitale, dijital değerlerin de analog değerlere çevrilmesi gerekir.

Dış dünyadaki fiziksel değişiklikler (ısı, basınç,

ağırlık), sensör (algılayıcı) ve transduser’ler

(çeviriciler) kullanılarak elektrik gerilimine

çevrilir. Bu gerilim analog bir gerilimdir. Daha

sonra bu analog gerilim Analog/Dijital (A/D)

çevirici Yardımı ile dijitale çevrilir. Dijital

sistem bu bilgiyi istenilen bir biçimde işler ve

bir sonuç elde eder. Bu sonuç dijital veya

analog olarak olarak değerlendirilmek

istenebilir. Eğer elde edilen sonuç analog

olarak değerlendirilecekse (örneğin bir

hoparlörün sürülmesi) tekrar analoğa

çevrilmesi gerekebilir. Dijital işareti analog

işarete çevirme işlemini Dijital/Analog (D/A)

çeviriciler yapar.

A.D.C. nedir?

24

Bir analog sinyal dijital sinyale çevrilirken

belirlenen zaman dilimlerinde örnekleme

yapılmalıdır. Bir referans gerilimi baz alınarak

örneklenen her giriş gerilimine karşılık gelen

bir dijital değer belirlenir. Analog işaretlerin

dijitale dönüştürülmesi, örnekleme,

basamaklama ve kodlama olmak üzere üç

aşamada yapılır.

Şekil 20 - ADC’lerin çalışma prensibi Şekil 21 - Analog sinyal örneklemesi ve basamaklanması Analog sinyaller zaman ve genlik olarak sürekli sinyallerdir. Bunları dijitalleştirmek için önce belli aralıklarda örnekler alınması gerekir. Örnekleme sıklığı uygun seçilmesi gerekir. Alınan örnekler genlikleri herhangi bir değerde olabilir. Buna karşılık işaretin dijitale çevrilebilmesi için kullanılacak seviye sayısının sınırlı olması gerekir. Bu sayı, her bir örnek için kullanılacak kod uzunluğu ya da bit sayısı tarafından belirlenir.

Örnek olarak 8-bit’lik bir kodlama yapılacaksa 28 = 256 seviye, 3-bit’lik bir kodlama yapılacaksa sadece 23 = 8 seviye kullanılabilir. Seviye veya basamak sayısının artması dönüşüm kalitesini belirler. Daha iyi kalite için daha çok bit ve daha çok basamak kullanmak gerekir. Örnekleme yolu ile çevirmede karşılaşılan sorun belirli bir analog değer aralığına bir dijital değerin karşılık gelmesidir. Örnekle açıklamak gerekirse 1.5 volt için 111 dijital çıkışını veren bir çevirici 1.7 volt için de aynı çıkışı verebilir.

A.D.C.'nin Yapısı

25

1. A/D ÇEVİRİCİNİN ÇALIŞMA PRENSİBİ

Analog/Dijital (A/D) çeviriciler özel bir

kodlayıcı tipidir.

Şekil 22 - Analog/Dijital (A/D) Çevirici blok

diyagramı

A/D çeviricilerde giriş sinyali analog olarak

değişen bir gerilimdir. Yukarıdaki blok

diyagramda ki giriş gerilimi 0 volt ile 3 volt

arasında değişmekte ve bu arada bulunan

herhangi bir değeri alabilmektedir. Çıkışta ise

girişteki analog değere göre bir binary sayı

elde edilmektedir. Aşağıda ki tabloda, çeşitli

analog giriş gerilimlerine göre, devre çıkışında

elde edilen binary sayılar görülüyor. Tablodan

da anlaşıldığı gibi girişe uygulanan gerilim 0

volt iken çıkıştaki dijital değer “0000“, girişe

uygulanan gerilim +3 volt olduğunda ise çıkışta

“1111” binary sayısı elde edilmektedir.

Girişteki gerilim 2.4 volt olduğunda

çıkışta “1100” binary sayısı

oluşmaktadır.

A.D.C.'nin

Çalışma Prensibi

26

Tablo 1 A/D çeviricinin çeşitli analog giriş

gerilimine göre, dijital çıkış tablosu

2. İDEAL ADC ve ÇÖZÜNÜRLÜK

İdeal 3 bit bir ADC’nin giriş çıkış karakteristiği

şekil 1.3’de görülmektedir.Vin’nin 0 volt ile

tam skala voltajı Vfs=7 volt arasında sürekli

değiştiğini düşünelim; 3 bit ADC 23=8

muhtemel çıkışa

sahip olacaktır. Bunlar binary 000 ile 111

arasındadır. Her bir ilave volt dijital çıkışı 1 LSB

(Düşük değerlikli bit) arttıracaktır. Şimdi

ADC’nin çözünürlüğünü tanımlayalım.

Analog Giriş

(Volt)

Dijital

Çıkış

D C B A

0 0 0 0 0

0.2 0 0 0 1

0.4 0 0 1 0

0.6 0 0 1 1

0.8 0 1 0 0

1.0 0 1 0 1

1.2 0 1 1 0

1.4 0 1 1 1

1.6 1 0 0 0

1.8 1 0 0 1

2.0 1 0 1 0

2.2 1 0 1 1

2.4 1 1 0 0

2.6 1 1 0 1

2.8 1 1 1 0

3.0 1 1 1 1

27

Şekil 23 - 3 bit D/A çevirici’nin analog giriş

gerilimine karşı dijital çıkış kodu

3. KUANTALAMA HATASI

İdeal bir DAC, kuantalama belirsizliği nedeniyle

çevirme işlemi sırasında, değeri azaltılamayan

bir hataya sebep olur.

Şekil 23’te analog 1 volt girişi için

Analog/Dijital çevirici’nin çıkışının lojik 001

olduğu görülmektedir. Lojik 001 çıkışı 0,5 volt

ile 1.5 volt aralığındaki girişler için elde edilir.

Dolayısıyla Vin değerinde bir belirsizlik oluşur.

Bu hata payı +1/2 LSB veya –1/2 LSB kadardır

ve “kuantalama hatası” olarak adlandırılır.

Kuantalama hatası bütün Analog/Dijital

çevirici’lerde mevcuttur. Bu hata analog girişin

daha fazla parçalara ayrılması ile yani

çözünürlüğün arttırılması ile azaltılabilir.

28

Analog/Dijital Çevirme işleminin

gerçekleştirilebilmesi için düzinelerce işlemler

gurubu tasarlanmıştır. ancak standart olarak 3

gruba ayrılırlar. Çevirme süresine (bir A/D

çevirinin tamamlama süresi) göre yavaş, hızlı

ve çok hızlı olarak sınıflandırılırlar.

Tamamlamalı A/D çevirici yavaş, ardarda

yaklaşık çevirici hızlı, flaş çevirici ise çok

hızlıdır. Tablo 2’de bu çeviricilerle ilgili

karşılaştırmalar görülmektedir.

Tablo 2. Çeşitli A/D çeviricilerin

karşılaştırılması

Tamamlamalı A/D Çevirici çok yavaştır fakat DC voltaj ölçümleri ve hat frekans gürültüsünün izolesi için çok uygundur. Uzun çeviri zamanı çok yüksek çözünürlüğe imkan sağlar. Ardarda çevirici hızlı ve doğrudur ve 1mikrosaniye’nin altında çeviri zamanına sahiptir. Flaş çevirici çok hızlıdır ve sürekli çevirileri gerçekleştirmek için gereklidir. Çeviri zamanı 50 nanosaniye’nin altına inebilir. Özellikle 8 bitin üstünde ki çözünürlüklerde çok pahalıdırlar.

1. İNTEGRASYONLU A/D ÇEVİRİCİ

İntegrasyon tipi A/D Çeviriciler, çevirme

işlemini dolaylı yoldan gerçekleştiren

düzenlerdir. Analog giriş işareti, ilk önce,

süresi analog giriş gerilimi ile orantılı bir

zamanlama darbesine çevrilir. Bu zamanlama

darbesinin süresi, darbenin başlangıcı ile sonu

arasında kararlı bir referans frekansının dijital

bir formatta sayılmasıyla ölçülür. Bu temel ilke

nedeniyle, söz konusu tipteki çeviriciler dolaylı

ya da genişlik modülasyonlu çeviriciler olarak

ta isimlendirilir.

İntegrasyon tipi çeviricinin yapı ilkesi şekil

224’te gösterilmiştir. Devrenin çalışması

aşağıdaki biçimde özetlenebilir:

Çevirme turunun başlamasından önce sayıcı sıfırlanır ve S1 anahtarı kapalı konuma getirilir. Çevirme turu başlayınca S1 anahtarı açılır ve I1 akım kaynağı C1 kondansatörünün uçlarında lineer olarak artan bir rampa gerilimi üretir. Bu süre boyunca sayıcı, saat işaretlerini saymaya başlar. C1 kondansatörünün uçlarındaki gerilim VA giriş seviyesine ulaşınca, karşılaştırıcı konum değiştirir ve çevirme turunu sona erdirir. Sayıcıdaki sayı analog giriş işaretinin sayısal karşılığı olur.

A.D.C. Devreleri

29

Şekil 24-İntegrasyon tipi A/D çeviricinin yapısı

Şekil 24’te verilen devre, rampa işaretinin

başlangıcındaki belirsizlik ve I1 ile C1

değerlerinin kesin olarak kontrol edilmemesi

sebebi ile pratikte çok az kullanılır. Söz konusu

hatların giderilmesi amacıyla daha karışık

yapılar gerçekleştirilmesi yoluna gidilmektedir.

Bu yapıların arasında tek eğimli çift eğimli

integrasyon tekniklerine dayanan düzenleri

saymak mümkündür.

En popüler versiyonu çift eğimli A/D

çeviricidir. Bu ADC’ler analog ve dijital

teknolojinin birleştiği kompleks devrelerdir.

Üretici firmaya bağlı olarak değişik şekillerde

üretilebilirler. Örneğin İntersil’in 7106veya

7107 entegreleri, bu entegreler hakkında

ileriki bölümlerde ayrıntılı bilgi verilecektir.

2. ARDIŞIL YAKLAŞIMLI ADC

Şekil 25’teki blok diyagram bir DAC’tan bir

komparatörden ve birbirini izleyen ardışıl

yaklaşım yazmacından (Succesive

Approximation Register) (SAR) oluşmaktadır.

Analog giriş voltajı Vin için bir terminal

bulunmaktadır. Dijital çıkış seri yada paralel

formda elde edilebilir. En az 3 kontrol

terminali gerekmektedir.

Çevirimi başlat (Start Conversion) bir A/D

çevirimini başlatır ve “çevirim sonu” (end of

conversion) çevirimin ne zaman bittiğini

belirler. Harici saat terminali ise her bir

çevirimin bitiş zamanını ayarlar.

Şekil 25 - 3 bit ardışıl yaklaşımlı A/D

çeviricinin blok diyagramı

Açıklamalar Şekil 26’ya göre yapılacaktır. Bir

“çevrime başla”komutunun girişi bir

Analog/Dijital çevrim periyodunu başlatır.

Birbirini izleyen yaklaşıklık yazmacı (SAR) bir

dijital numaralar dizisini DAC’ın her bir bit

girişine bir numara gelecek şekilde DAC’a

bağlar. DAC her bir numarayı analog çıkış

voltajı Vo’ya çevirir. Analog giriş voltajı Vin ile

Vo karşılaştırıcıda karşılaştırılır. Karşılaştırıcı

SAR’a Vin’in Vo’dan büyük yada küçük olduğu

bilgisini her bir bit için verir. 3 bit çıkış için 3

karşılaştırma yapılır.

30

Karşılaştırmalar MSB ile başlar ve LSB ile biter. LSB’nin karşılaştırılmasından sonra SAR “çevrim sonu” sinyali gönderir. Bu anda Vin’in dijital karşılığı SAR’ın dijital çıkışında elde edilir. 3. FLASH ADC(Paralel Karşılaştırıcılı)

Girişten uygulanan analog sinyal C1, C2, C3 ile

açıklanan üç çıkıştan dijital işarete

dönüştürülmektedir. Devreye ayrıca standart

referans gerilimi uygulanmaktadır. Sırayla 1.

karşılaştırıcıya +3/4 Volt, 2. karşılaştırıcının

girişine +V/2 ve 3. karşılaştırıcıya +V/4

referans gerilimleri mukayese (kıyaslama) için

uygulanmaktadır. Böylece sistem 0 ile +5V

gerilimi arasındaki analog gerilimlerini

kıyaslayarak üç dijital değer verilebilir.

Burada her karşılaştırıcı kendi referans gerilimi

aşıldığında çıkış vermekte ve çıkışı “HIGH”

olmaktadır. Eğer giriş seviyesi 0 ile +V/4

arasında bir değerde ise bütün çıkışlar “LOW”

(0) durumunda olur. Giriş gerilimi +V/4’ü

hafifçe aştığında 3. karşılaştırıcı çıkış verir ve

C1=HIGH (1) olur. +V/2 gerilimi değerine kadar

sadece C1=1, C2=0 ve C3=0 durumu elde

edilecektir.

Analog giriş gerilimi +V/2 seviyesini aştığında

2. karşılaştırıcı çıkışında “1” durumuna döner.

+V/2 seviyesinden 3V/4 seviyesine kadar C1 ve

C2 çıkışları “1” , C3 çıkışı “0” durumunda

bulunur. Giriş gerilimi +3V/4 seviyesini

aştığında C3 çıkışı da “1” olur. Çünkü bu

karşılaştırıcı +3V/4 ile +V gerilimi arasında

çalışmaktadır.

Vin : 0’dan 10V’ta analog giriş gerilimi

C1, C2,C3 : Karşılaştırıcı çıkışı

Şekil 26 - Eş zamanlı A/D çevirme. (a) Mantık

devresi; (b) Giriş gerilim seviyelerine bağlı

olarak karşılaştırıcı çıkış işaretleri(dijital)

4. Paralel Tip ADC Analog büyüklüklerin sayısal işaretlere dönüştürülmesinde kullanılan en kolay ve hızlı çevirici paralel tip ADC çeviricidir. Paralel tip ADC’lerde opamplı karşılaştırıcı kullanılmaktadır. Opamplı karşılaştırıcı devresinde opamp geri beslemesiz olarak kullanılır ve opamp girişlerinden biri referans olarak kullanılır. Diğer girişin referanstan büyük ya da küçük olmasına göre opamp çıkışı pozitif veya negatif bir değer alır. Opamplarda eviren(-) giriş referans olarak kullanıldığında diğer girişe uygulanan gerilim referans gerilimdenbüyük olursa çıkış gerilimi pozitif olacaktır. Şekil 27 - Ortamın ısı değişikliğini opamplı karşılaştırma yöntemi ile kontrol edilmesi

31

Şekil 27’de verilen devre ile opamplı karşılaştırmanın nasıl yapıldığını daha iyi anlayalım. Devre öncelikle oda sıcaklığını referans alabilmek için 10k pot ile oynayarak Led1’in yanık Led2’nin sönük konumda olamasını sağlayalım. Led1’in yanması için opamp çıkışının negatif olması gerekir. Vg ile verilen giriş geriliminin Vref ile verilen referans geriliminden küçük olması ile bu olay mümkün olacaktır.NTC ısı etkisine tutulursa direnci düşecektir (odanın ısınması durumunda). NTC’nin direncinin düşmesi sonucunda Vg’nin değeri yükselecek ve Vref ile belirtilen referans gerilimi aştığı anda opamp çıkışı pozitif olacaktır Lad1 sönüp Led2 yanacaktır. Şekil 27’de verilen devrenin çalışma mantığını kullanan çok sayıda karşılaştırıcı, opamp paralel olarak ve her birinde basamaklı olarak artan referans gerilimi kullanıldığında Paralel tip ADC elde edilir. Paralel tip ADC’de çevrilecek olan analog sinyal tüm karşılaştırıcı girişlerine aynı anda paralel olarak uygulanır. Karşılaştırıcıların diğer girişlerine ise referans gerilimi uygulanır. Şekil 28’de verilen paralel tip ADC de uygulanan referans gerilimini 4 V olduğunu düşünürsek V3 noktasında 3 V, V2 noktasında 2 V ve V1 noktasında 1 V bulunmaktadır. Uygulanan analog gerilime bağlı olarak karşılaştırıcıların çıkışları lojik 0 ya da 1( pozitif olması lojik 1 durumudur) durumunu alır. Bu çıkışlar bir kodlayıcı devre ile ikili sayı sistemine çevrilerek dijital çıkışlar elde edilir. Şekil 28 - Paralel tip ADC

Şekil 28’de verilen devrede Vin gerilimi 2.25 volt olursa 2 ve 3 numaralı opamplara uygulanan referans geriliminde büyük olacağında bu opampların çıkışı pozitif olacaktır.2.25 volt gerilim 3 numaralı opampın çıkışını pozitif yapmaya yetmeyecektir. Sırası ile A3 , A2 ,, A1(011) lojik değerlerini alacaktır.Bu değerde kodlandığında (10) çıkışı elde edilecektir. 5. Sayma Metotlu ADC A-D çevirimde kullanılan bir diğer yöntem lineer rampa kaynağı, karşılaştırıcı ve sayıcılardan oluşmuş Sayma metotlu ADC çeviricilerdir. Lineer rampa kaynağı, değişmeyen eğimli bir referans voltajının sağlanması için kullanılır. Şekil 29 - ZN425E Çevirimin başlangıcında sayıcı reset, rampa kaynağı çıkışı 0V yapılır. Karşılaştırıcının + girişine uygulanan analog giriş gerilimi, girişinden büyük olduğundan çıkış yükseğe çekilecektir. Bu durumda rampa kaynağı tarafından rampa üretilmeye başlanacak sonra VE kapısının çıkışında tetikleme sinyali görüleceğinden sayıcı sayma işlemine başlayacaktır. Bu işlem rampa kaynağı tarafında üretilen rampa geriliminin, analog giriş geriliminden büyük olmasına kadar devam edecektir. Böylece karşılaştırıcı çıkış alçağa çekilecek, VE kapısının çıkışı lojik-0 olacak ve tetikleme sinyali gitmeyen sayıcı sayma işlemini bitirecektir .

32

Şekil 30 - Sayma metotlu ADC 6. HASSAS YAKLAŞIMLI (SAR) A/D ÇEVİRİCİ:

Şekil 31 - SAR A/D Çevirici

Şekil 31'deki A/D çevirici 3 ana kısımdan

oluşmuştur.

1. Karşılaştırıcı

2. D/A Çevirici

3. Hassas Yaklaşım Registeri

Bu devre ile analog bilgi, sayısal bilgiye çevrilir

ve D/A çeviricinin çıkışı V0, Vin girişi ile

karşılaştırılır. Bu yöntem, ağırlığı bilinmeyen

bir cismi, bilinen ağırlıklar yardımı ile hassas

bir terazide tartma işlemine benzer. Denge

sağlanana kadar, büyük ağırlıktan küçük

ağırlıklara doğru giderek yeni ağırlıklar eklenir.

İşlemin sonunda en küçük ağırlık kullanılarak,

cismin ağırlığı belirlenir.

7. SAYMA METODLU A/D ÇEVİRİCİ:

(a) Mantık diyagramı (b) Dalga şekli

Sayıcı (counter) sıfırdan itibaren saymaya

başlarken, sayıcının sürdüğü merdiven devresi;

Şekil 31 (b)'de görüldüğü gibi merdiven basa-

mağı şeklinde çıkış gerilimi üretir. Burada

gerilim, herbir sayım adımında bir basamak

artar. Hem basamak giriş gerilimi, hem de

analog giriş gerilimi alan karşılaştırma devresi,

basamak gerilimi giriş geriliminin üzerine

çıktığı zaman sayımı durdurmak için bir sinyal

üretir. O andaki sayısal çıkış, sayıcının

değeridir.

33

Şekil 32 -

Merdiven sinyalinin belirlediği gerilim

değişmesinin miktarı, merdiven devresine

uygulanan referans gerilimine ve kullanılan

sayım bitlerinin sayısına bağlıdır.

8. ADC Entegreleri Analogdan dijitale çevirme işlemini yapan devreler entegre şeklinde piyasaya sürülür. www.alldatasheet.com internet sayfasından da ihtiyacımıza uygun A-D çeviricileri bulabiliriz. Bu A-D çeviricilerden bazıları şunlardır; ZN425E, ADC0800, ADC0804 8.1. ZN425E Şekil 33 - ZN425E A/D çevirici

Bu entegre analog dijital çevirici olarak çalıştığında 4 nu lı ayağından clock palsi verilir ve içindeki 8 bitlik sayıcı devreye girer. Sayıcı 3 nu lı bacaktan resetlenebilir. 2 nu lu bacak ise entegrenin çalışma modunu ayarlamak için kullanılır. Sayıcıyı resetlemek için 3 numaralı ayaktaki RST girişi 0 yapılır. Entegreyi A-D çevirici olarak kullanmak için 14 numaralı analog çıkış bir karşılaştırıcının eviren girişine bağlanır. Karşılaştırıcının evirmeyen girişine ise ölçülecek analog gerilim uygulanır. 8.2. ADC0800 8 bit dijital çıkış veren bir ADC entegresidir.(-5V,5V) ile 10V arasında analog giriş alır. Çıkışları 3 konumlu kilitli tampon üzerinden verilir.Giriş değişimine çıkışta tepki süresi 50 μs’dir.Clock girişine 50-800 kHz aralığında pals uygulanabilir. İç yapısında 256 paralel direnç , analog anahtarlar, seçim ve kontrol devresi ,karşılaştırıcı ve 8 bit üç konumlu tampon bulunur.

34

Şekil 34 - ADC0800 A/D çevirici Test Devresi 8.3. ADC0804 Analog dijital dönüştürücü olarak yaygın olarak kullanılan entegredir. Özellikleri arasında 8-Bit çözünürlük, 100-ms dönüşüm süresi,135-ns erişim süresi, sıfırlama gereksinimi yoktur, entegre içi saat üreteci (On-chip clock generator), tek 5 Volt’luk besleme gereksinimi, 0Volt - 5Volt arası giriş gerilimi, TTL ve CMOS uyumlu mikroişlemci kontrollü veya serbest çalışabilme, ardışıl yaklaşım tekniği ile dönüşüm sayılabilir. ADC0804; 8 bit’lik, ardışıl yaklaşımlı, 256R merdiven tipi devre modelini kullanan bir CMOS entegredir. 3 durumlu çıkış içeren ADC0804 entegresi, genel mikroişlemci veri yollarını sürebilecek şekilde dizayn edilmiştir. Mikroişlemciler, ADC0804’ü hafızada bir yer veya giriş-çıkış portu olarak görebilir. ADC0804’ün referans gerilimi, REF/2 bacağının açık olması durumunda Vcc gerilimi ile analog toprak arasındaki gerilimdir. Ayrıca REF/2 bacağına bağlanacak analog aralık ayar devresi ile daha küçük gerilim değerleri de referans gerilimi olarak seçilebilir. ADC0804, harici bir saat sinyali ile çalışabilir veya sadece ek bir direnç ve kondansatör ile entegrenin iç saat üretecinin sağlayacağı saat sinyali ile çalışabilir. ADC0804C entegresi, 00C ile +700C arasında çalışabilecek şekilde, karakterize edilmiştir. ADC0804 entegresinde dijitale dönüştürülecek analog gerilim; 6 nu’lu bacak Vin(+) ve 7 nu’lu bacak Vin(-) diferansiyel girişlerinden uygulanmalıdır. Uygulanan gerilim 0 (sıfır)

veya negatif bir değer ise çıkışta alınacak değer 00000000’dır. Dijital ve analog topraklar birbirlerine bağlanabilir, fakat paraziti en aza indirmek için iki bacak da ayrı ayrı topraklanmalıdır. Şekil 35'te verilen devre ile bir sensörden elde edilen analog değerler dijital değere çevrilmesinde kullanılan devre şeması verilmiştir. Şekil 35 - ADC0804 A/D çeviriciyle bir sensörden giriş alma devresi 8.4. Mikroişlemci Uyumlu ADC’ler Mikroişlemciler dijital veri ile çalışan elemanlardır. Çalışma ortamından sensörler ile ölçülen değerlerin mikroişlemci tarafından değerlendirilmesi için dijital değerlere çevrilmesi gerekir. Ancak yukarıda anlatılan ADC devreleri ve bazı ADC entegrelerin mikroişlemciler ile uyumlu çalışması mümkün değildir. Mikroişlemciler ürettiği kontrol sinyalleri sayesinde çevre birimlerinin çalışmalarını idare edebilir. Bu nedenle mikroişlemciler ile uyumlu olan A-D’ler mikroişlemcinin data hatlarına bağlandığı gibi kontrol hatalarından da giriş kabul etmesi gerekmektedir. Bu amaçla üretilmiş A-D çevricilere mikroişlemci uyumlu ADC adı verilir. Şekil 36'da bir sensör üzerinden ADC0804 entegresi ile mikroişlemciye veri aktarımı gösterilmiştir. Entegrenin 1,2,3 ve 5 numaralı bacakları mikroişlemci ile uyumlu çalışmayı sağlamak 11-18 arası bacakları ise veri girişi için kullanılmıştır.

35

Şekil 36 - ADC0804 A/D entegresinin mikroişlemci ile çalıştırılması

36

Buraya kadar ele alınmış olan A/D çevirici yapılarının temel özellikleri, karşılaştırma amacıyla aşağıdaki tabloda toplu biçimde verilmiştir.

Tablo 2. Çeşitli A/D çevirici yapılarının

karşılaştırılması

Çeşitli A.D.C.

Devrelerinin

Karşılaştırılması

37

1. Mikroişlemciler için A/D Çeviriciler

Mikroişlemci ADC’yi hafıza haritası (memory

map) içinde “sadece okunur” (read only) adres

olarak görür. Şekil 37’de görüldüğü gibi ADC

bir üç durumlu hafıza tampon yazmacı” na

sahip olmalıdır.(MBR) Bu MBR “Başta çalışma

durumunda”, ADC’nin son çeviriminden doğan

bir dijital kod içerecektir. Aynı zamanda veri

yolundan ayrılacaktır.

Mikroişlemci bir ADC’nin çip seçme terminalini

düşük seviyede tutarak o ADC’yi seçmek için

adres yolu ve kod çözücüleri kullanır. Çip

seçme terminalinin düşük seviyede olması

ADC’ye okuma/yazma (read/write)

terminaline bir komutun gelişini bildirir. Eğer

mikroişlemci R/W terminalini düşük seviyede

tutmuş ise ADC Vin’i dijital kod’a çevirir ve

bunu MBR’sine yükler yada yazar. Çip seçme

terminali düşük seviyede ve R/W ucu yüksek

seviyede ise ADC’nin MBR’si veri yoluna

bağlanır.

“Oku” komutunun varlığı mikroişlemcinin

ADC’nin hafıza tampon yazmacından (MBR)

veri okunacağını gösterir. Bu durumda ADC’nin

üç durumlu dijital çıkışı yüksek empedanstan

düşük empedansa geçmeli ve veri yoluna

bağlanmalıdır. Yaz (write) komutu ise ADC’nin

çeviriye başlamasını sağlar. Mikroişlemci

böylece ADC’ye;

1. Bir çevrim gerçekleştir,

2. Çevrim sonucunu hafızana yükle,

3. Ben isteyene kadar sonucu bana söyleme emrini vermiş olur.

Sonuç olarak Mikroişlemci uyumlu ADC’nin durum bildirme (status) terminali vasıtası ile bilgi vermesi gerekir. Bunun için, ADC eğer bir çevirme işlemi gerçekleşmeye başladı ise status terminalini yüksek seviyeye çeker ve eğer çeviri işlemi bitti ise bu terminali düşük seviyeye çeker ve verinin doğru ve okunmaya hazır olduğunu bildirir. Bütün önemli özelliklerin anlatımı için 20 uçlu AD670 çeviricisi incelenecektir. Şekil 37 - Mikroişlemciler için A/D çevirici

1. Mikroişlemci Uyumlu A/D Çevirici, AD670

AD670, 8 bit ardışıl yaklaşımlı ve mikroişlemci

uyumlu bir A/D çeviricidir. Şekil 38'de yukarıda

açıklanan özelliklere ek olarak devre içi bir

saat, referans gerilimi ve entrumantasyon

yükseltecine sahiptir. Sadece 5V besleme ile

çalışır. Terminallerinin işleyişi aşağıda

açıklanmıştır.

A.D.C.'lerin

Kullanım Alanları

38

1.1 Analog giriş Voltajı terminalleri

Dört analog giriş terminaline sahiptir. Bunlar

16, 17,18, ve 19’dur. Bunlar bir

entrumantasyon yükseltecinin girişleridir ve

ünipolar veya bipolar olabilir. Aynı zamanda

çözünürlük ayarı pinler yardımı ile yapılabilir.

Şekil 3.2(b)’de 0-2.55V giriş ve çözünürlük =

10mV/LSB için çalışma görülmektedir. Şekil

3.2(c)’de ise giriş 0-255mV ve çözünürlük =

1mV/LSB’dir.

Şekil 38 - AD670’in bacak bağlantıları

1.2 Dijital çıkış terminali

1 ve 8 (dahil) arasındaki uçlar üç durumlu, tamponlu ve mandallamalı dijital çıkışlarıdır. Bunlar sırasıyla D0-D7 şeklinde çıkış verir. Mikroişlemci AD670’e bir çeviriyi gerçekleştirme (write) emrini verdiğinde, ADC’nin MBR’sine mandallanır. Üç durumlu çıkış anahtarı, mikroişlemci okuma komutu gönderene kadar yüksek empedans gösterir. Yani ADC’nin MBR’si (Hafıza tampon yazmacı) normalde veri yolundan ayrıdır.

39

1.3 Giriş seçim terminali

11 numaralı uç BPO/UPO terminalidir ve

mikroişlemcinin, ADC girişlerinin bipolar yada

unipolar olmasını belirlemesini sağlar. Bu ucun

düşük seviyede olması unipolar giriş seçiminin

yapıldığını gösterir. 0-2,55vV veya 0-255mV

kademeleri kullanıcı tarafından, Şekil 38’de ve

c’de görüldüğü gibi seçilir. 11 nolu ucun

yüksek seviyede olması ise bipolar giriş

yapılacağını gösterir. Giriş kademeleri ise

1.28V (Şekil 3-2(b)) veya 128mV (Şekil 3-

2(c)) olacaktır.

1.4 Çıkış seçim terminali

Şekil 38'deki 12 nolu uç “21s/BIN” terminalidir.

Bu uç mikroişlemcinin ADC çıkış formatını

2’nin tümleyeni veya binary kod olarak

belirlenmesini sağlar.

1.5 Mikroişlemci kontrol terminalleri.

Şekil 38’de görüldüğü gibi 13.14 ve 15 nolu

uçlar mikroişlemci tarafından AD670’in

kontrolü için kullanılır. 14 nolu uç çip seçme

(CS), 15 nolu terminal çip yetkilendirme (CE)

uçlarıdır. 13 nolu uç ise yazma/okuma (R/W)

veya bazen yazma/çevirme ucudur.

Eğer CS, CE ve R/W uçlarının hepsi düşük

seviyede tutulursa ADC sürekli çevirme yapar.

Her 10 s’de bir çevirme yapar. Her bir

çevirimin sonucu çıkış tampon yazmacına

mandallanır. Bununla birlikte dijital çıkış kodu

henüz veri yoluna bağlı değildir çünkü çıkışlar

yüksek empedans durumundadır. Bu çalışma

yaz/çevir çalışmasıdır. Bu durumda

mikroişlemci ADC’ye çevirim sonucunu çıkış

tampon yazmacına yazmasını söyler. Eğer CS

veya R/W veya CE yüksek seviyede ise AD670

seçili durumda değildir ve en son çeviri

soncunu yazmaçta saklar. 9 nolu durum

bildirme (status) ucu çeviri boyunca yüksek

seviyede kalır. Çevirme tamamlandığında 9

nolu uç, mikroişlemciye verinin doğru ve

okunmaya hazır olduğunu bildirmek için,

düşük seviyeye geçer. Mikroişlemci, durum

bildirme , CS ve CE uçları düşük seviyede iken,

veriyi okumak için R/W ucunu yüksek seviyeye

çeker. Bu mikroişlemcinin okuma komutudur.

AD670’in tamponu geçirgen (transporant) hale

dönüşür ve 8 dijital çıkışı veri yoluna bağlanır.

CS ucu yüksek seviye veya CE yüksek seviye

veya R/W düşük seviye oluncaya kadar veriler

veri yolunda kalacaktır.

2. Mikroişlemci Uyumlu A/D Çevirici,

ADC0801

Mikroişlemci’nin mikroişlemci uyumlu bir

A/D çevirici ile iletişim kurması için aşağıdaki

işlemleri gerçekleştirmesi gerekir.

40

Şekil 39 - Mikroişlemci uyumlu A/D çevirici

2.1 A/D çeviricinin LCD Displey sürücü olarak

kullanılması

2.1.1 7106 entegresi

7106, 3.5 dijitlik CMOS analog-dijital çevirici

entegredir. 0.05٪ doğruluk istenen ölçüm

sistemleri için gerekli olan tüm aktif elemanları

içlerinde bulundururlar. 7 segment kod

çözücü, polarite, dijit sürücüler, referans

gerilim kaynağı ve clock devresi entegrenin

içerisine yerleştirilmiştir.

7106, çift eğimli çevirme (Dual Slope

Conversion) yekniğini kullanarak A/D çevirme

işlemi yaparlar.

7106, düşük güç harcadığı için 9V pil ile

çalışabilir ve portatif ölçü aletleri uygulamaları

için idealdir.

41

2.1.2 7106 ile yapılmış LCD Display sürücü

Şekil 40 - 7106’nın LCD sürücü olarak

kullanılması

42

2.2 TSC7135 entegersi ile yapılan DVM

Şekil 41 - 7135 ile yapılmış 4.5 dijitlik dijital

voltmetre

TSC7135, Teledyne firması tarafından 4.5

haneli A/D çevirici olarak üretilmiş bir entegre

devredir. Dışarıdan bağlanan display sürücü

entegresinin, displaylerı çoğullamalı olarak

sürmesini sağlar. Giriş uçlarında direnç

yokken, maksimum 2V DC giriş gerilimi

ölçebilir. Giriş uçlarına gerilim bölücü direnç

grubu bağlandığı zaman, ölçme kapasitesi ve

alanı genişler. Şekil 41'de TSC7135 ile yapılmış

4.5 haneli dijital voltmetre devresi

görülmektedir. Devre, ortak anodlu displeyleri

sürecek şekilde düzenlenmiştir. Bağlantı şekli

değiştirilerek ortak anodlu displayleri de

sürmesi sağlanabilir. TSC7135, displayleri

çoğullamalı olarak sürer. 22 nolu frekans giriş

ucuna, 120KHz’lik kare dalga üreten bir

osilatör bağlanmalıdır.

43

3.ADC’nin Darbe Genişlik Modülatörü Olarak

Kullanılması

TL507, mikroişlemciler vb. sistemler için A/D

çevirme işleminde kullanılan küçük yapılı bir

entegre devredir. Çıkışına bağlanan 4 bitlik

veya 8 bitlik sayıcılarla birlikte kullanıldığı

zaman, analog giriş sinyalini, 4 bitlik veya 8

bitlik dijital sinyale çevirir. TL507, darbe

genişlik modülatörü (pulse width modülatör)

olarak tasarlandığı için A/D çevirme işlemini

bu tekniğe göre yapar.

TL507’nin clock girişine bir osilatör bağlandığı

zaman, giriş ucundan uygulanan tüm kare

dalga sinyallerin darbe genişliklerini değiştirir.

Yani modüle eder. Şekil 42'de bu entegrenin

basit bağlantı şeması görülmektedir.

Şekil 42 - Darbe genişlik modülatörü

44

Frekans / Gerilim (F/V) çeviriciler,

girişlerindeki herhangi bir dalga şeklinin

frekansı ile lineer olarak değişen bir çıkış

gerilimi üretirler. Devrenin girişine 20Mhz 'e

kadar giriş uygulanabilir. Giriş frekansının

dalga şekli önemli değildir. Her türlü dalga

şekli ile çalışabilir.

Şekil 43 - Dönüştürücülerin blok diagramı

F/V

Dönüştürücüler

45

Tüm frekans dönüştürücüler şu temel

prensiple çalışırlar: 50 Hz doğru akıma

çevrilen alternatif voltaj akım kaynak

dönüştürücüsünden (SRI) iç devrelerden

direk voltaj orta devresinin içine

beslenir ve enerji kapasitörde depolanır.

Dış devre dönüştürücüsünün içindeki

akım dönüştürücü makine (SR2) orta-

devreyi direk voltaja çevirir. UZ yeni

alternatif voltaj sisteminin içerisindeki

elektronik devreleri (kapakları)

kullanarak, çeşitli f frekansı ve U voltajı

elde eder; bu nedenle alternatif akım

motoru çeşitli hızlarda çalışmaya

müsaittir. Akım dönüştürücü 1 burada

redresör (dalga akımını doğru akıma

çeviren motor) gibi çalışır, akım

dönüştürücü 1 bir dönüştürücüdür.

Şekil 44 - F/V Çevirici/Dönüştürücü

Her ne kadar kontrol elektronik elemanları

genelde analog olsalar da, dijital teknoloji

günümüzde mikroişlemciler ve LSI devrelerde

kullanılmaktadır. Bütün bunlar, dönüştürücü

çıkış noktasında frekans-orantılı voltaj

regülasyonunu sağlar, kontrol etme ve sistem

görüntüleme görevini yerine getirir ve

operasyonel verileri görüntüler, böylece

dönüştürücü ve motor optimal değerlerde

aşırı yüklenmeye maruz kalmadan çalışır.

Dönüştürücülerin

Temel Yapısı

46

1. Frekansı voltaja çeviren devre.

(TC9400 entegresi kullanılmış.)

Şekil 45 - F/V devresi

Devre giriş frekansına göre çıkışta voltaj üretir.

Entegrenin 14 nolu bacağına 10-15 Volt DC

gerilim verilir. R3 direnci, çıkış voltajını

belirlemekte kullanılır. Giriş sinyal genliği 4V

ile V+ voltajı arasında olmalıdır. Bunun

nedeni1 diyotunun değerinin 6.2V’a

ayarlanmış olmasıdır.Çıkış voltajı şöyle

hesaplanır:

V out = V ref x C ref x F in

V out: Çıkış voltajı,C ref: C4 Kondansatörü,

Fin: Giriş Frekansı

V ref : Referans Voltajı

F/V Devreleri

47

2. JAC - FREKANS VOLTAJ ÇEVİRİCİ KARTLARI

Şekil 46 - F/V çevirici kartı

Şekilde örnek bir F/V çevirici kartı

gösterilmiştir. Tablo 3'te de ürün hakkında

bilgiler yer almaktadır.

48

Tablo 3 - F/V kartı

Motion

Maksimum Çıkış Büyüklüğü 6,553,500 pps

Enkoder up/down sayıcısı 2 adet 28bit sayıcı

Darbe Çıkış Modu Tek faz : CLOCK,DIR

İki faz : CW, CCW

Darbe Handle up/down sayıcısı 2 adet 28bit sayıcı

Lineer Interpolasyon // Herhangi 2'den 4 axis'e kadar

Acceleration / Deceleration mode linear, S-curve

Dairesel Interpolasyon // Herhangi 2 eksen

Homing modu 14 tip

Digital I/O Bloğu

Özel hareket girişleri Her eksen için; SRDY,ALM,LS+,LS-,SD,ORG,PCS,LTC,INP

Her kart için ;EMG

Özel hareket çıkışları Her eksen için; CMP,SVON,ERC,FIN

Genel Girişler 8 bit, foto-izoleli

Genel Çıkışlar 8 bit, foto-izoleli

TTL I/P 8 bit

Özel I/O Bloğu

D/A 8 bit, 0-10Vdc

Genel

Card ID Dönel anahtarlama ile 16 bölge ayarlaması

Harici Besleme DC 24V ± 4V

İzolasyon Direnc 1000Vdc'de 1000M Ohm (min)

İşletim Sıcaklığı 0'dan +70 C dereceye kadar

İzolasyon Gerilimi 2500Vac 1Min

Depolama Sıcaklığı -20'den +80 C dereceye kadar

I/O konnektör 2 68pin dişi mini scsi konnektör

25p D-tipi konnektör

İşletim Nem Oranı 5~95% RH, (yoğunlaşma olmaksızın)

Boyutlar (mm) 160 x 111

Desteklediği İşletim Sistemleri

İşletim Sistemleri Windows NT/98/2000/ME/XP/Vista & Linux O.S.

Kütüphaneler DLL & VI Libary

Yazılım Dilleri Visual C++, Visual Basic, Borland C/C++ Builder, Borlad Delphi, LabVIEW vb...

Örnek Kaynak Kodları C++, Visual Basic

49

1- Zekeriya Sezgin, Türkçe Analog Digital Çevirici Bilgileri, http://320volt.com/turkce-analog-dijital-cevirici-bilgileri/

2- http://tr.wikipedia.org/wiki/D.A.C. 3- http://tr.wikipedia.org/wiki/A.D.C. 4- Isısan Buderus Servis ve Eğitim Müdürlüğü, www.isisan.com/buderus 5- Antrak Gazetesi, http://www.antrak.org.tr/gazete/092001/adnan.htm 6- http://www.inverterinvertor.com/nasil-calisir.html 7- http://www.devreyapimi.com/2012/03/03/frekans-voltaj-cevirici-devre/ 8- http://sanpaotomasyon.com/?home=2&ur=63&t1=JAC&t2=FREKANS%20VOLTAJ%20ÇEVİRİCİ%2

0KARTLARI&t3=FVC01&t4=FVC01%20-%20Frekanstan%20Voltaja%20Geçiş%20Modulü 9- www.hiwtc.com 10- www.stereomecmuasi.com, http://stereomecmuasi.com/2011/10/digital-analog-ceviriciler-

bolum-i.html (Bölüm I-II-III-IV)

Yararlanılan Kaynaklar