Electronica Aplicata

CCOOSSTTIINN TTEEFFNNEESSCCUU NNIICCOOLLAAEE CCUUPPCCEEAA

EELLEECCTTRROONNIICC AAPPLLIICCAATT --SSIISSTTEEMMEE IINNTTEELLIIGGEENNTTEE HHAARRDDWWAARREE--

SSOOFFTTWWAARREE DDEE MMSSUURRAARREE II CCOONNTTRROOLL

BBuuccuurreettii 22000000

ELECTRONIC APLICAT

SISTEME INTELIGENTE HARDWARE-SOFTWARE DE MSURARE I CONTROL 1

CCUUPPRRIINNSS

1. Elemente introductive referitoare la conducerea proceselor industriale dinperspectiva sisteme inteligente hardware-software de msurare i control ..........1

1.1 Introducere...................................................................................................12. Sisteme de achiziie i prelucrare a datelor ......................................................5

2.1 Noiuni generale ..........................................................................................52.2 Sisteme de achiziii de date. Arhitectur. Principalele tipuri de resurseutilizate n cadrul sistemelor de achiziii de date ..............................................5

2.2.1 Multiplexoare analogice utilizate n sisteme de achiziii de date.........62.2.2 Circuite de eantionare-memorare utilizate n sisteme de achiziii dedate.................................................................................................................92.2.3 Circuite pentru conversia datelor utilizate n sisteme de achiziii dedate: convertoare analog-digitale i digital-analogice.................................14

2.2.3.1 Convertoare digital-analogice. Scheme de principiu ..................192.2.3.2 Convertoare analog-digitale. Scheme de principiu .....................25

2.3 Interfee specializate de comunicaie ........................................................352.3.1 Comunicaia de tip serial. Protocoale de transmisie serial a datelor 36

2.3.1.1 Interfaa RS-232 ..........................................................................362.3.1.2 Interfaa I2C .................................................................................40

2.3.1.2.1 Specificaiile interfeei I2C ...................................................412.3.1.2.2 Conceptul de magistral I2C.................................................422.3.1.2.3 Transferurile pe magistrala I2C ............................................43

2.3.1.2.3.1 Transferurile de date pe magistral ...............................442.3.1.2.4 Arbitrarea prioritilor i generarea ceasului........................45

2.3.1.3 Interfaa USB...............................................................................462.3.2 Comunicaia de tip paralel. Protocoale de transmisie paralel a datelor.....................................................................................................................48

2.3.2.1 Interfaa HPIB .............................................................................492.3.2.1.1 Structura bus-ului HPIB .......................................................50

2.3.2.2 Interfaa Centronics .....................................................................532.3.2.2.1 Protocolul de comunicaie Centronics-Handshake ..............55

3. Tipuri de sisteme de achiziii de date ..............................................................573.1 Sistem de achiziii de date cu multiplexare temporal ..............................573.2 Sistem de achiziie sincron de date..........................................................613.3 Sistem rapid de achiziii de date................................................................673.4 Unitatea central de comand....................................................................683.5 Sisteme de achiziie de date cu microprocesor..........................................69

3.5.1 Uniti centrale de prelucrare tradiionale ..........................................693.5.2 Procesoare de semnal: DSP................................................................75

3.5.2.1 Arhitectura unui procesor de semnal...........................................76

ELECTRONIC APLICAT

SISTEME INTELIGENTE HARDWARE-SOFTWARE DE MSURARE I CONTROL2

3.5.2.2 Portul serial sincron al familiei dsp TMS320C2xx.....................813.5.2.3 Portul serial asincron al familiei dsP TMS320C2xx...................82

4. Consideraii generale asupra instrumentaiei virtuale .....................................854.1 Instrumente virtuale...................................................................................854.2 Interfaa calculator - proces de msurare sau control................................904.3 Software pentru instrumentaie virtual ....................................................92

4.3.1 Alegerea platformei software: Unix sau Windows? ..........................944.4 Particulariti ale intrumentaiei virtuale...................................................954.5 Noi instrumente DAQ specializate extind noiunea de instrument virtual97

4.5.1 Transferul de date n bus-ul PCI.........................................................984.5.2 Implementarea DMA pe placa de tip PCI Bus Master. Chip-ul ASICMITE............................................................................................................994.5.3 Windows NT 4.0 aduce mbuntiri importante pentru utilizatorii deinstrumentaie virtual ...............................................................................1014.5.4 Terenul este pregattit pentru noile instrumente DAQ ....................103

4.5.4.1 Tehnici de eantionare utilizate n osciloscoapele numerice ....1044.5.5 DAQScope........................................................................................105

4.5.5.1 De ce este important mrimea memoriei i viteza de transferDMA la un osciloscop? .........................................................................107

4.5.6 DAQArb ...........................................................................................1084.5.7 DAQMeter ........................................................................................109

4.6 Software specializat pentru achiziia datelor...........................................1104.6.1 Software pentru achiziia de date .....................................................1114.6.2 Detalii privind cerinele impuse unui pachet software pentru msurrielectrice......................................................................................................1154.6.3 SCPI (Standard Commands for Programmable Instrumentations) .119

5. Prezentarea microcontrollerului 80C552 (PHILIPS) ....................................1255.1 Arhitectura hardware a microcontroller-ului 80C552.............................125

5.1.1 Memoria intern a microcontroller-ului 80C552 .............................1255.1.1.1 Memoria de program (Program Memory).................................1255.1.1.2 Memoria de date (Data Memory)..............................................1265.1.1.3 Registrele cu funcii speciale.....................................................127

5.1.2 Structura i lucrul cu porturile de intrare-ieire ...............................1305.1.2.1 Programarea i utilizarea temporizatoarelor .............................1325.1.2.2 Interfaa serial SIO0 .................................................................1345.1.2.3 Ieirile modulate n durat .........................................................1355.1.2.4 Seciunea analogic a microcontrollerului ................................1375.1.2.5 Msurarea intervalelor de timp prin utilizarea registrelor decaptare a evenimentelor .........................................................................142

5.2 Prezentarea setului de instruciuni al microcontroller-ului 80C51 .........1435.3 Sistem de dezvoltare cu microcontroller 80C552 ...................................167

5.3.1 Domeniul de aplicabilitate................................................................172

ELECTRONIC APLICAT


5.3.2 Detalierea resurselor sistemului .......................................................1725.3.2.1 Unitatea Central de Prelucrare.................................................1725.3.2.2 Interfaa cu Procesul Controlat..................................................1725.3.2.3 Interfaa cu Operatorul ..............................................................1805.3.2.4 Interfaa cu un Sistem de Calcul................................................183

5.3.3 Resurse software, utilizare................................................................1835.3.4 Rutine de baz pentru manipularea resurselor sistemului................185

6. Sistem universal, modular, de achiziii de date .............................................1956.1 Mrimi de intrare n sistemul de achiziii de date ...................................1956.2 Specificaiile de proiectare ale sistemului de achiziii de date................1956.3 Interfaa specializat de achiziii de date a sistemului ............................198

6.3.1 Interfaa de achiziii de date propriu-zis .........................................1996.3.1.1 Blocul de adaptare a semnalelor analogice ...............................1996.3.1.2 Blocul filtrelor antirepliere........................................................2026.3.1.3 Blocul circuitelor de eantionare-memorare suplimentare .......2056.3.1.4 Blocul convertoarelor analog-digitale.......................................207

6.3.1.4.1 Descrierea funcional a blocului de conversie analog-digital din cadrul interfeei specializate de achiziii de date ...........207

6.3.1.5 Blocul de conversie digital-analogic .......................................2156.4 Unitatea central de prelucrare local cu microcontroller 80C552.........219

6.4.1 Descrierea funcional a UCPL........................................................2196.4.2 Resursele unitii centrale de prelucrare locale a sistemului deachiziii de date..........................................................................................219

6.5 Interfaarea unitii centrale de prelucrare, cu microcontroller 80C552, cuun sistem hardware extern (interfaa de achiziii de date).............................224

6.5.1 Modaliti de cuplare a unitii centrale de prelucrare cu un dispozitivhardware extern .........................................................................................2246.5.2 Descriere funcional a ansamblului unitate central de prelucrarelocal - interfaa specializat de achiziii de date ......................................225

6.6 Estimarea erorilor ce se manifest n cadrul sistemului de achiziii .......2276.6.1 Estimarea erorilor software ..............................................................2276.6.2 Estimarea erorilor hardware .............................................................229

7. Software de analiz a semnalelor electrice....................................................2337.1 Consideraii generale asupra instrumentelor software de analiz asemnalelor electrice .......................................................................................2337.2 Platforma HP VEE pentru Windows. Prezentarea analizorului ESA .....2347.3 Implementarea analizorului ESA ............................................................237

7.3.1 Blocul de prelucrare a fiierului de date de intrare ..........................2397.3.2 Blocurile pentru controlul dispozitivelor de afiare.........................2417.3.3 Dispozitivele de afiare de tip oscilograf .........................................2447.3.4 Blocul de afiare sub form digital a valorilor minime/maxime alesemnalelor de intrare .................................................................................245

ELECTRONIC APLICAT


7.4 Interfaarea instrumentului virtual de analiz a semnalelor electrice, ESA,cu interfaa specializat de achiziii de date ..................................................2467.5 Detalii suplimentare privind implementarea instrumentului virtual ESA.......................................................................................................................2487.6 Resurse suplimentare ale analizorului de semnale electrice, ESA..........248

7.6.1 Analizorul Fourier ............................................................................2527.7 Testarea instrumentului virtual ESA i rezultate experimentale.............2557.8 Listingul programului de achiziie de date ..............................................256

8. Sistem cu microcontroller pentru msurarea i controlul temperaturii .........2678.1 Specificaiile de proiectare ale sistemului pentru msurarea i controlultemperaturii....................................................................................................2678.2 Descrierea funcional a sistemului de msurare a temperaturii.............268

8.2.1 Blocul de msurare a temperaturii....................................................2688.2.1.1 Senzorul de temperatur ............................................................269

8.2.1.1.1 Conectarea senzorului de temperatur ...............................2698.2.1.1.2 Senzorul de temperatur .....................................................2698.2.1.1.3 Modulul surselor de tensiune de referin ..........................2718.2.1.1.4 Senzor de temperatur cu ieire unificat n curent ...........274

8.2.2 Utilizarea resurselor unitii centrale de prelucrare .........................2758.2.3 Etajele de ieire pentru comanda elementelor de execuie...............279

8.3 Software de analiz a rezultatelor ...........................................................2828.3.1 Implementarea analizorului PROTERM..........................................284

8.4 Listingul aplicaiei de msurare i control a temperaturii .......................2859. Implementarea hardware-software a unui instrument de vizualizare asemnalelor (EASY SCOPE) ..............................................................................294

9.1 Descrierea funcional a osciloscopului digital EASY SCOPE..............2949.2 Prezentarea circuitului PIC16C71 (Microchip).......................................298

9.2.1 Descriere general a PIC16C71 .......................................................2999.2.2 Prezentare architectural ..................................................................301

9.2.2.1 Ceasul de sistem / Ciclul instruciune .......................................3039.2.2.2 Fluxul de execuie al instruciunii / Pipeline-ing ......................303

9.2.3 Organizarea memoriei de program (Program Memory) ..................3049.2.4 Organizarea memoriei de date (Data Memory)................................305

9.2.4.1 Registrul STATUS ....................................................................3059.2.5 Porturi I/O.........................................................................................307

9.2.5.1 Registrele PORTA i TRISA ....................................................3079.2.5.2 Registrele PORTB i TRISB.....................................................308

9.2.6 Consideraii de programare I/O........................................................3109.2.6.1 Porturi I/O bidirecionale...........................................................3109.2.6.2 Operaii succesive asupra porturilor I/O ...................................311

9.2.7 Modulul de conversie analog-digital ..............................................3119.2.7.1 Specificaii pentru achiziia A/D ...............................................314

ELECTRONIC APLICAT


9.2.7.2 Particulariti de utilizare a circuitului de conversie analog-digital a microcontroller-ului PIC16C71.............................................315

9.3 Caracteristici constructive. Testare i calibrare EASY SCOPE..............3229.4 Descrierea meniului aplicaiei EASY SCOPE ........................................3239.5 Codul surs n limbaj de asamblare al microcontroller-ului PIC16C71pentru osciloscopul digital EASY SCOPE....................................................3269.6 Codul surs n limbaj C pentru osciloscopul digital EASY SCOPE ......332

10. Traductor inteligent pentru msurarea nivelului .........................................34310.1 Prezentarea hardware a traductorului inteligent de nivel ......................34410.2 Programul de aplicaii NIV.ASM..........................................................348

10.2.1 Descrierea programului de aplicatie NIV.ASM.............................35010.2.1.1 Seciunea de iniializare i declarativ ....................................35010.2.1.2 Seciunea de programare a parametrilor de funcionare .........35210.2.1.3 Seciunea de msurare propriu-zis.........................................355

10.3 Programul de aplicaii NIVOK.ASM....................................................36010.3.1 Seciunea de iniializare i declarativ ...........................................36010.3.2 Seciunea de calibrare a generatorului de curent............................36010.3.3 Seciunea de programare a parametrilor de funcionare ................36110.3.4 Seciunea de msurare propriu-zis................................................363

10.4 Listingul programului de aplicaie NIVOK.ASM.................................366

ELECTRONIC APLICAT


ELECTRONIC APLICAT


11.. EELLEEMMEENNTTEE IINNTTRROODDUUCCTTIIVVEE RREEFFEERRIITTOOAARREE LLAACCOONNDDUUCCEERREEAA PPRROOCCEESSEELLOORR IINNDDUUSSTTRRIIAALLEE DDIINN

PPEERRSSPPEECCTTIIVVAA SSIISSTTEEMMEE IINNTTEELLIIGGEENNTTEEHHAARRDDWWAARREE--SSOOFFTTWWAARREE DDEE MMSSUURRAARREE II

CCOONNTTRROOLL

11..11 IINNTTRROODDUUCCEERREE

Sugestiv, conducerea proceselor industriale, poate fi reprezentat printr-opiramid mprit pe mai multe niveluri (fig. 1.1).

Supravegherea se gsete n piramida conducerii proceselor pe nivelulal treilea, alturi de conducerea procesului, ceea ce arat c, practic, ele nu pot fiseparate.

Achiziii i AcionriControlul Procesului

Supravegherei conducere

GestiuneSupervizareOptimizare

Fig. 1.1 Nivelurile de conducere a proceselor industriale.

Domeniul supravegherii proceselor industriale este destul de vast. Acestaconine aplicaii ncepnd cu simpla achiziie de date i pn la prelucrri foartecomplexe:

analize statistice; gestiunea elaborrii alarmelor; ghid operator; supravegherea aciunilor de conducere ale operatorilor; identificri de parametri i simulri; supravegherea dinamic a rspunsului procesului, etc.La baza piramidei se situaz operaiunile de achiziie din proces a

mrimilor de intrare i de transmitere ctre procesul supravegheat a comenzilorde acionare.

Funciile de baz ale unei aplicaii de supraveghere a unui proces sunt: comunicaia cu procesul;

ELEMENTE INTRODUCTIVE DESPRE CONDUCEREA PROCESELOR INDUSTRIALE


semnalizarea; comunicaia cu programele utilizate pentru prelucrarea datelor; interfaarea om-main; gestiunea alarmelor; gestiunea rapoartelor.Conceptul de aplicaie n timp real poate fi definit astfel:

Aplicaia n timp real, este acea aplicaie care realizeaz unsistem informatic al crui comportament este condiionat deevoluia dinamic a strii procesului la care este conectat.Acest sistem informaional este menit s urmreasc sau sconduc procesul, respectnd condiiile de timp stabilite.Deci, timpul real este o noiune care marcheaz de faptconceptul de timp de reacie relativ la dinamica procesuluipe care sistemul informatic l conduce (supraveghez).

Supravegherea n timp timp real a unui proces este o etap necesarpentru trecerea la pasul urmtor: conducerea procesului.

Calcule conform unorstrategii de conducere

Actualizare baz dedate din reea

Generare rapoarte,semnalizri, alarmri

Culegere de datedin reea

Ceas detimp real

Bazde datereea

R E E A E L E C T R I C

Operator S I S T E M D E C A L C U L N T I M P R E A L

Com

enzi

Fig. 1.2 Schema unui sistem de achiziie i calcul, n timp real, pentrusupravegherea unei reele electrice.

Sistem n timp real este sistemul de automatizare complex cu ajutorulcalculatorului a unor probleme de decizie, mai ales cu caracter operativ, n caretimpul de rspuns este suficient de redus pentru a putea influena n mod

ELECTRONIC APLICAT


semnificativ i pozitiv evoluia obiectivului condus.

n fig. 1.2 este prezentat schema simplificat a unui sistem de achiziie iprelucrare a datelor n timp real, destinat supravegherii proceselor dintr-o reeaelectric, care realizeaz:

culegerea de date; actualizarea bazei de date; calcule conform unor strategii de conducere; supravegherea i corectarea on-line a regimului.

Un sistem de achiziie de date i control al unui proces industrial, asociatcu un microsistem de calcul, se comport ca un sistem inteligent (care poate luadecizii bazate pe informaii anterioare, prelucreaz informaia, efectueazcalcule, dup care, pe baza rezultatelor obinute, adopt o decizie, din mai multesoluii posibile).

Sistemele de achiziie de date asocite cu microsistemele de calcul, n timpreal, au ca principale avantaje:

flexibilitatea i adaptibilitatea la o mare varietate de situaii; creterea gradului de automatizare al unor operaii; mrirea preciziei msurtorilor; fiabilitate bun (numr redus de componente, posibilitatea de

autotestare datorit programelor ncorporate); miniaturizarea echipamentelor; posibilitatea prelucrrii complexe a datelor din proces; simplificarea proiectrii electrice i tehnologice datorit existenei

familiilor de componente ce permit interconectri standard.

ELEMENTE INTRODUCTIVE DESPRE CONDUCEREA PROCESELOR INDUSTRIALE


ELECTRONIC APLICAT


22.. SSIISSTTEEMMEE DDEE AACCHHIIZZIIIIEE II PPRREELLUUCCRRAARREE AADDAATTEELLOORR

22..11 NNOOIIUUNNII GGEENNEERR AALLEE

Ca rezultat al rspndirii pe scar larg, n ultimul timp, a calculatoarelorpersonale i a perfecionrii lor continue, marile firme producatoare de sistemede msurare au cutat s realizeze echipamente care s utilizeze calculatorulpersonal pentru:

achiziia de date din sistemele industriale; reglajul i supravegherea unor parametri sau instalaii (procese); realizarea unor aparate de msurare cu performane ridicate.

n prezent, resursele calculatorului personal sunt utilizate pentru a efectuasarcini cum ar fi: comanda, gestiunea, prelucrarea i afiarea datelor care altfelar fi preluate de un microprocesor, plasat n interiorul instrumentului. Instrumentul de msurare comunic cu PC-ul prin intermediul uneiinterfee care are n mod obligatoriu un convertor analog-digital. Instrumentul demsurare poate fi redus la o simpl cartel de achiziii de date pentru msurtori. n momentul de fa, prin intermediul tastaturii calculatorului se poatecomanda instrumentul de msurare, iar pe display pot fi vizualizate rezultatelemsurtorilor, sub form numeric sau sub form grafic. Aceste rezultate apar ca urmare a prelucrrii datelor brute obinute de lainstrumentul de msurare de ctre calculator, la cererea utilizatorului. De aici,rezult aparate cu pre de cost mult mai sczut.

22..22 SSIISSTTEEMMEE DDEE AACC HHIIZZIIIIII DDEE DDAATTEE.. AARRHHIITTEECCTTUURR..PPRRIINNCCIIPPAALLEELLEE TTIIPPUURRII DDEE RREESSUURRSSEE UUTTIILLIIZZAATTEE NN

CCAADDRRUULL SSIISSTTEEMMEELLOORR DDEE AACCHHIIZZIIIIII DDEE DDAATTEE

Un sistem de achiziie de date cu n canale de intrare poate fi realizat nurmtoarele trei configuraii:

sistem cu multiplexare temporal; sistem cu achiziie sincron de date; sistem rapid de achiziie de date.

Un sistem de achiziie de date utilizat pentru achiziia i prelucrareadatelor ntr-un sistem (fig. 2.1) este compus din urmtoarele module funcionaleprincipale:

1. convertoare de intrare;

SISTEME DE ACHIZIIE I PRELUCRARE A DATELOR


2. circuite de multiplexare analogic;3. circuite de eantionare-memorare (E/M);4. circuite pentru conversia datelor - convertoare analog-digitale (CA/D)

i digital-analogice (CD/A);5. registre tampon (buffer-e);6. unitatea central de prelucrare (P);7. interfaa de interconectare cu calculatorul personal.

Microprocesor P Memorii ROM Memorii RAMCircuit

interfa paralel

MAGISTRALADE ADRESE

CeasSf

rit

conv

ersi

eSt

art

conv

ersie

Convertoranalog-digital

EOC

STA

RTCircuiteantionare-memorare

Comand E/M

Multiplexoranalogic

Adres canal

Etajadaptare

Alte

can

ale

1 Semnal de studiat

MAGISTRALA DE CONTROL

Dat

e

Selecii

Decodificator

MAGISTRALA DE DATE

Sele

cie

Sele

cie

Sele

cie

Adr

ese

Adr

ese

Adr

ese

Adr

ese

Dat

e

Dat

e

Dat

e

Dat

e

Com

enzi

Com

enzi

Com

enzi

Com

enzi

Fig. 2.1 Structura general a unui sistem de achiziii de date.

n continuare vor fi prezentate aspectele eseniale, parametrii caracteristicii vor fi enumerate recomandri de proiectare ale acestor componente de bazdin cadrul sistemelor de achiziii de date.

22..22..11 MMUULLTTIIPPLLEEXXOOAARR EE AANNAALLOOGGIICCEE UUTTIILLIIZZAATTEE NNSSIISSTTEEMMEE DDEE AACCHHIIZZIIIIII DDEE DDAATTEE

n multe situaii este necesar s fie transmise mai multe informaii peacelai canal; cum acest lucru nu se poate face simultan, se recurge la o partajare

ELECTRONIC APLICAT


n timp a canalului, denumit multiplexare. Operaia invers se numetedemultiplexare. Operaia de multiplexare/demultiplexare analogic necesitdispozitive de comutare care s direcioneze semnalul util pe un canal dorit. nvarianta sa cea mai simpl, un multiplexor analogic poate fi asimilat cu uncomutator rotativ cu n2k = poziii sau cu un ansamblu de n2k = comutatoare,dintre care numai unul este nchis, n timp ce toate celelalte sunt deschise,comandat de un sistem logic care permite cuplarea uneia din intrri la ieire (fig.2.2). Deoarece comutatoarele sunt bilaterale, rezult c un multiplexor analogicpoate fi utilizat i ca demultiplexor analogic, prin simpla schimbare a sensului.

+

_

0

1

2 -1n

Decodificator

2

RegistruAdrese Activare

Intrrianalogice Ieire

Aplicaie

Fig. 2.2 Structura unui multiplexor analogic.

Parametrii multiplexoarelor/demultiplexoarelor analogice sunt: rezistena n starea deschis (off): offR [M]; rezistena n starea nchis (on): onR []; curentul de pierderi n starea deschis: offI [nA, A, mA]; timpul de comutare direct (nchidere): ont [ns, s]. Este definit ca

intervalul de timp de la aplicarea comenzii de nchidere pn cesemnalul de ieire atinge o valoare egal cu cea de la intrare (cu oprecizie impus, de exemplu 1%);

timpul de comutare invers (deschidere): offt [ns, s]. Este definit caintervalul de timp de la aplicarea comenzii de deschidere pn lareducerea curentului la valoarea curentului de pierderi, offI , la valoareaspecificat n catalog;

banda de frecvene: B .Multiplexorul analogic permite utilizarea unui singur convertor analog-

digital pentru mai multe canale analogice de intrare (sisteme de achiziii de datecu multiplexare temporal). Utilizarea multiplexoarelor reprezint o soluie



economic viabil i n cazul semnalelor de intrare de nivel redus, pentru caremultiplexarea se realizeaz cu costuri ridicate.

Elementul principal al multiplexoarelor analogice l constituie elementulde comutare, care poate fi realizat n mai multe variante constructive:

cu relee obinuite; cu relee cu mercur; cu relee reed; cu elemente semiconductoare (tranzistoare bipolare, diode Schottky,

tranzistoare TEC-J, tranzistoare CMOS).Primele trei variante constructive, utiliznd elemente electromecanice,

conduc la investiii iniiale reduse, compensate ns de costuri ridicate deexploatare, fiabilitate i durat de funcionare reduse. De aceea, utilizarea loreste recomandabil doar n situaiile n care este nevoie s fie mutiplexatesemnale cu nivele mari.

Fiecare tip constructiv de multiplexoare analogice, realizat cu elementesemiconductoare, sunt caracterizate de unele performane notabile, dar i deincoveniente mai mult sau mai puin surmontabile. Astfel:

comutatoarele cu diode rapide au timp de comutaie de valori foartereduse (1 ns), ns rezistenele reziduale (n stare nchis, respectivdeschis) onR i offR au valori neperformante, n comparaie cu altetipuri;

comutatoarele cu tranzistoare bipolare au timpi de comutaie mici irezistene reziduale onR de valori reduse, necesit cureni de comandimportani, dar offR are o valoare relativ mic, ceea ce conduce la otransparen mare a comutatorului;

comutatoarele cu tranzistoare cu efect de cmp TEC-J au rezistenaonR de ordinul zecilor de ohmi, timpi de comutaie medii, ns necesit

circuite de comand complicate (translatoare de nivel pentrucompatibilizarea comenzilor);

comutatoarele cu tranzistoare complementare CMOS sunt cele maiavantajoase i cele mai folosite. Ele sunt caracterizate prin timpi decomutaie satisfctori, rezistena onR de valoare relativ mic i offRde valoare ridicat. n acelai timp ele pot fi comandate foarte simplu,iar transparena crete doar la frecvene nalte ( 85 1010 Hz).

n prezent, datorit evoluiei explozive a tehnologiei dispozitivelorsemiconductoare CMOS, au fost realizate multiplexoare analogice ce pot fidirect interfaate cu un microprocesor. Acestea dispun de un registru ce poatememora adresa de canal prin executarea unei instruciuni de scriere la adresaspecific alocat multiplexorului. De asemenea, majoritatea multiplexoareloranalogice realizate n tehnologie CMOS sunt caracterizate de proteciadispozitivului la aplicarea unor supratensiuni pe intrri, cu valori de 5-6 ori mai

ELECTRONIC APLICAT


mari dect semnalele manipulate n funcionare normal. Proteciile sunt activepentru canale n stare on sau off n cazul dispozitivelor n stare de funcionare(alimentate), i chiar pentru circuite nealimentate. Un canal deschis, cruia i seaplic o supratensiune, este comutat automat n stare off, realiznd proteciaetajelor electronice conectate la ieirea multiplexorului. Un exemplu tipic deastfel de multiplexor analogic interfaabil i cu protecie la aplicarea desupratensiuni accidentale pe intrri este circuitul MAX368, produs de firmaMaxim.

22..22..22 CCIIRRCCUUIITTEE DDEE EEAANNTTIIOONNAARREE--MMEEMMOORRAARREEUUTTIILLIIZZAATTEE NN SSIISSTTEEMMEE DDEE AACCHHIIZZIIIIII DDEE DDAATTEE

Un circuit de eantionare-memorare realizeaz prelevarea, la un momentdat, valorii unui semnal analogic i memorarea analogic a acesteia (fig. 2.3a).

n modul de lucru eantionare (sau urmrire), determinat de nivelullogic 1 al semnalului de comand ME/ , circuitul de eantionare-memorarefuncioneaz ca repetor. n modul de lucru memorare (sau meninere),determinat de nivelul logic 0 al semnalului de comand ME/ , circuitul deeantionare-memorare funcioneaz ca o memorie analogic, memornd labornele unei capaciti semnalul de intrare eantionat anterior (fig. 2.3b).

Circuitele de eantionare-memorare se utilizeaz n sistemele de achiziiei distribuie de date. Astfel, ntr-un sistem de achiziii de date, ieirea circuituluide eantionare-memorare este conectat la intrarea convertorului analog-digital(CA/D). n intervalul corespunztor efecturii unei conversii analog-numerice,circuitul de eantionare-memorare este comandat n stare de memorare pentru amenine constant tensiunea la intrarea convertorului analog-digital. Se obineastfel mrirea valorii limitei superioare a domeniului de frecvene ale semnaluluide intrare pentru care CA/D poate fi utilizat la rezoluia maxim (specificat denumrul de bii ai rezultatului conversiei). Acest deziderat este realizat dactensiunea de la intrarea convertorului analog-digital nu se modific, pe durataefecturii conversiei, cu mai mult de 1/2 LSB. n sistemele de distribuie adatelor, circuitele de eantionare-memorare sunt utilizate pentru reconstituireasemnalelor multiplexate n timp.

Circuitele de eantionare-memorare sunt caracterizate de o serie deparametri (fig. 2.4), grupai n mai multe caracteristici:

caracteristici de urmrire (fig. 2.4a): eroarea staionar - reprezint abaterea de la amplificarea unitar

sau de la cea specificat prin datele de catalog;



Circuit deeantionare-memorare

E/M

Ui Ue

EantionareMemorare

tt1 t2 t3

U , i Ue

Ui

Ue

a) structur funcional b) operaia de eantionare-memorareFig. 2.3 Circuit de eantionare-memorare.

eroarea de decalaj - reprezint valoarea ieirii pentru o tensiune deintrare nul;

Intrare

Ieire

Eroare staionar

Eroarede decalaj

Timp de stabilire

Intrare

Ieire

Ieire idealEroare de decalaj

Timp destabilire

Timp deapertur

Eantionare (E)Memorare ( )M

a) caracteristici de urmrire b) caracteristici de tranziie E/M

Intrare

IeireIeire ideal

Cdere

Ptrundere

Intrare

Ieire

Timpi destabilire

Timp deachiziie

Eantionare (E)Memorare ( )M

c) caracteristici de memorare d) caracteristici de tranziie M/EFig. 2.4 Erori ale circuitelor de eantionare-memorare.

timpul de stabilire - reprezint intervalul de timp necesar pentru

ELECTRONIC APLICAT


atingerea valorii dorite a ieirii, cu o toleran maxim specificat; caracteristici de tranziie eantionare-memorare (fig. 2.4b):

timpul de apertur - reprezint intervalul de timp dintre comandade memorare i momentul efectiv al comutrii circuitului n regimde memorare;

incertitudinea timpului de apertur - reprezint variaia timpului dedeschidere a comutatorului regimului de eantionare-memorare,dup primirea comenzii de memorare;

eroarea de decalaj la memorare - este determinat, n principal, decomutarea trzie a circuitului de memorare i a regimuluitranzitoriu de ncrcare a condensatorului de memorare;

caracteristici de memorare (fig. 2.4c): cderea - reprezint tendina de scdere a nivelului de la ieire fa

de cel ideal, datorit descrcrii condensatorului de memorare; ptrunderea - caracterizeaz influena intrrii asupra ieirii,

datorat imperfeciunilor circuitelor de comutare analogic; caracteristici de comutare memorare-eantionare (fig. 2.4d):

timpul de achiziie - reprezint intervalul minim necesar deeantionare, pentru a se obine o tensiune de ieire dorit, egal cusemnalul aplicat la intrare cu o toleran dat. cest parametrudepinde aproape liniar de valoarea capacitii de memorare;

timpul de stabilire la tranziia memorare-eantionare - reprezintintervalul de timp dintre comutarea propriu-zis i atingerea uneivalori a ieirii corespunztoare intrrii, cu o toleran maximspecificat.

Uzual, n cadrul sistemelor de achiziii de date sunt utilizate: circuite de eantionare-memorare n bucl de reacie; circuite de eantionare-memorare cu integrare.n timpul operaiei de eantionare, bucla de reacie negativ din fig. 2.5

permite eliminarea erorii de mod comun i a erorii de offset, ieirea fiind forats urmreasc intrarea. Ca efect, tensiunea la bornele capacitii de memorare C,pe durata ct comutatorul K este nchis, este egal cu:

1AAUU ie

= (2.1)

n care A reprezint amplificarea n bucl deschis a amplificatorului operaionalA1(de valoare foarte mare). Se obine astfel egalitatea ntre Ue i Ui.

Precizia ridicat este obinut n detrimentul rapiditii, deoarece pe durataregimului de memorare amplificatorul A1 este saturat, ntoarcerea lafuncionarea liniar, pentru operaia de eantionare, determin creterea timpuluide achiziie, care poate atinge mai multe zeci de s.



++

__

C

K

U ti( )

U te( )

A U( -e Ui)A1

A2

E/M

Fig. 2.5 Circuit de eantionare-memorare cu bucl de reacie negativ.

n fig. 2.6 sunt prezentate dou variante de circuit de eantionare-memorare cu integrare. n montajul din fig. 2.6a capacitatea de memorare C esteizolat n raport cu masa circuitului, iar comutatorul K funcioneaz n comutaiede curent, comanda fiind simplificat. Ca i n cazul precedent, primulamplificator este saturat pe durata regimului de memorare. Evitarea saturriiieirii amplificatorului A1 este ilustrat n schema din fig. 2.6b.

+

_

+

_ CKU ti( )

U te( )E/M

A1A2 +

_

+

_CK

U ti( )U te( )

R

R

E/M

A1A2

a) b)Fig. 2.6 Circuite de eantionare-memorare cu integrare.

n tabelul 2.1 sunt prezentate cteva tipuri de circuite de eantionare imemorare, produse de firme cum ar fi: Analog Devices, National, Burr-Brown iDatel-Intersil.

Circuitele de eantionare-memorare disponibile la momentul actualacoper o palet larg i divers din punct de vedere a performanelor, la celedou extreme aflndu-se, pe de o parte, circuitele de eantionare-memorarerapide, dar cu o exactitate sczut, respectiv cele lente, dar cu exactitate bun nceea ce privete deriva, decalajul etc.

Aplicaiile ce necesit utilizarea circuitelor de eantionare-memorareacoper i ele o palet larg de frecvene i viteze de variaie a semnalelor deeantionat. n general, semnalele rapid variabile nu necesit o precizie deosebit,din aceast cauz, n regim tranzitoriu, viteza constituie parametrul principal,ceea ce nseamn timpi de achiziie i de stabilire mici. O situaie mai dificileste atunci cnd se cere o vitez ridicat de eantionare i, n acelai timp, oprecizie bun.

ELECTRONIC APLICAT


Tabelul 2.1 Principalele caracteristici ale unor circuite de eantionare imemorare

TipulTimpul

deachiziie

PreciziaTimpul

deapertur

Timpulde

stabilireTehnologie; Particulariti

AD582 6 s25 s0,10 %0,01 % 150 ns 0,5 s monolitic, uz comun

AD583 4 s5 s0,10 %0,01 % 50 ns - monolitic, rapid

LF398 4 s6 s

0,10 %0,01 % 150 ns 0,8 s monolitic, uz comun

SHC298 9 s10 s0,10 %0,01 % 200 ns 1,5 s monolitic, uz comun

AD346 2 s 0,01 % 60 ns 0,5 s hibrid, condensator de memorareintern

SHC85 4 s 0,01 % 25 ns 0,5 shibrid, condensator de memorareintern, timp ridicat de reinere a

tensiuniiHTS0025 20 ns 0,01 % 20 ns 30 ns hibrid, extrem de rapid

Pentru semnale caracterizate printr-o vitez de variaie mai sczut, sealeg circuite de eantionare-memorare cu performane satisfctoare de vitez,dar cu performane bune n ceea ce privete dispersia la deschidere, deriva dezero i rata de descrcare a condensatorului de memorare.

+

_

U ti( )U te( )

R

R

C

K

Circuit decomandE

M

E

M A

Fig. 2.7 Circuit de eantionare memorare cu blocare.

Pentru memorarea valorilor semnalelor, n vederea conversiei analog-digitale, cea mai des utilizat metod de eantionare este eantionarea prinblocare. n aceeast metod, valoarea semnalului este memorat din primul



moment al eantionrii.Un exemplu de circuit care utilizeaz aceast metod de eantionare, este

circuitul de eantionare-memorare cu integrare, varianta inversoare, a cruischem funcional este prezentat n fig. 2.7.

22..22..33 CCIIRRCCUUIITTEE PPEENNTT RRUU CCOONNVVEERRSSIIAA DDAATTEELLOORRUUTTIILLIIZZAATTEE NN SSIISSTTEEMMEE DDEE AACCHHIIZZIIIIII DDEE DDAATTEE::CCOONNVVEERRTTOOAARREE AANNAALLOOGG--DDIIGGIITTAALLEE II DDIIGGIITTAALL--

AANNAALLOOGGIICCEE

Conversia datelor reprezint principala operaie realizat n cadrulsistemelor de achiziie i reprezint transformarea semnalelor din formanalogic n form digital sau invers.

Convertorul analog-digital reprezint componenta principal a oricruisistem de achiziii de date. Acesta realizeaz transformarea tensiunii analogicede la intrare ntr-un cod numeric binar (fig. 2.8a).

Acest rezultat reprezint cea mai bun aproximaie numeric a tensiuniide la intrare. Msura acestei aproximaii este reprezentat de numrul de bii airezultatului conversiei.

ntr-un sens mai larg, procesul de conversie analog-digital poate ficonsiderat ca o plasare a mrimii de intrare ntr-un interval de cuantizare,obinut prin divizarea intervalului de variaie a acesteia ntr-un numr de claseegale.

Atunci cnd mrimea exprimat numeric la intrare este transformat nmrime analogic la ieire se realizeaz o conversie digital-analogic (fig. 2.8c).

Ui

Uref

Ieirenumeric

CA/D

n

0 000=1/8 001=1/4 010=3/8 011=1/2 100=5/8 101=3/4 110=7/8 111=

18

14

38

12

58

78

34

0

Semnal analogic de intrare

Sem

nal d

e ieir

e al

CA

/D

Cod

UiNiveluricuantificate (U /Ui ref)

a) structura funcional a CA/D b) caracteristica de transfer ideal a CA/D

ELECTRONIC APLICAT


U0

Uref

Intrarenumeric

CD/A

n

7/8Uref6/8Uref5/8Uref4/8Uref3/8Uref2/8Uref1/8Uref

0

Semnal digital de intrareSe

mna

l ana

logi

c de

ieir

e

Cod

U0

000

001

010

011

100

101

110

111

c) structura funcional a CD/A d) caracteristica de transfer ideal a CD/AFig. 2.8 Convertoare analog-digitale i digital analogice: reprezentare

funcional i caracteristic ideal de transfer.

Circuitele de conversie a datelor utilizate n cadrul sistemelor de achiziiide date sunt caracterizate printr-o serie de parametri, cum ar fi:

gama de variaie a intrrii (pentru CA/D) sau a ieirii (pentruCD/A)(domeniul de lucru), reprezentnd domeniul maxim de variaie amrimii analogice (de obicei tensiune) i exprimat n uniti absolute(V, mV, mA) sau relative (dB);

caracteristica de transfer, reprezentnd dependena mrimii de laieirea convertorului fa de mrimea de intrare; pentru un convertoranalog-digital caracteristica de transfer ideal este o funcie scar (fig.2.8b) iar pentru un convertor digital-analogic este un set de punctedispuse pe o dreapt (fig. 2.8d);

rezoluia reprezint numrul total de coduri distincte de ieire aleconvertorului analog-digital, respectiv numrul total de nivele de ieirepentru un convertor digital-analogic. Uzual rezoluia se exprim n bii,n procente din valoarea domeniului de lucru, sau n numr de nivelede cuantificare (CA/D) sau de ieire (CD/A). Rezoluia teoretic a unuiconvertor de N bii este N2 ; rezoluia real poate fi ns mai mic,datorit erorilor. Acest parametru important al convertoarelor sedetermin ca reprezentnd valoarea variaiei minime a mrimii deintrare ce provoac modificarea a dou coduri consecutive de ieire(CA/D), respectiv valoarea variaiei minime a mrimii analogice de laieire (CD/A). Rezoluia poate fi prezentat ca fiind N2

1 din domeniul

de lucru.



Acest parametru nu trebuie considerat ca o performan specific aconvertorului, ci un parametru de proiectare. Plecnd de la o aplicaieconcret, pentru care se impune prelevarea unei mrimi cu o preciziedat, se poate determina rezoluia minim a convertorului ce va fifolosit;

timpul de stabilire caracterizeaz viteza de rspuns a circuitului ireprezint timpul scurs ntre aplicarea unui semnal de intrare de tiptreapt ideal i pn la obinerea ieirii dorite cu o aproximaiespecificat (de regul 1/2 LSB) (fig. 2.9). Timpul de stabilire includemai multe intervale de timp specifice, cum ar fi: timpul de propagare

pt (pn la nceperea unui efect observabil la ieire), timpul de creterect (pn la prima atingere a nivelului de ieire dorit), timpul de

restabilire rt (dup supracreterea ieirii) i timpul de relaxare liniarat (amortizarea eventualului rspuns oscilant). Este un parametru

specific convertoarelor digital-analogice i se exprim n uniti detimp, indicnd i limitele intervalului de aproximaie n jurul ieiriispecificate;

timpul de conversie, CONVt , reprezint intervalul de timp necesar unuiconvertor s obin mrimea de ieire pornind de la o mrime deintrare dat (timpul necesar obinerii codului numeric de ieirecorespunztor mrimii analogice de intrare). Variaia tensiunii deintrare, pe parcursul procesului de conversie, introduce o eroare nvaloarea semnalul de ieire. n cazul convertoarelor digital-analogiceacest timp poate fi considerat a fi chiar timpul de stabilire;

timpul de revenire (relaxare), revt , reprezint timpul necesar unuiconvertor pentru a putea opera din nou corect;

rata de conversie este o msur a vitezei convertorului i este definitde inversul sumei timpilor de conversie i de revenire:

revCONVCONV tt

1R+

= (2.2)

n majoritatea situaiilor, timpul de revenire este mult mai mic decttimpul de conversie, astfel nct rata de conversie poate fi aproximatdoar ca invers al timpului de conversie. n cazul convertoarelor rapidei foarte rapide, timpul de revenire trebuie luat n calcul pentruestimarea ratei de conversie;

timpul de conversie pe bit este timpul echivalent de generare a unuibit (parametru caracteristic pentru convertoare analog-digitalesecveniale);

viteza de variaie a ieirii (slew-rate) a unui convertor D/A reprezinto caracterizare a intervalului de timp necesar ieirii s execute excursia

ELECTRONIC APLICAT


maxim n cadrul domeniului de variaie.

Conversia analog-digital estecaracterizat n sine prin eroarea decuantizare. Datorit formei caracte-risticii de transfer (n scar), acodificrii unice a unui ntreg intervalde cuantizare, apare o incertitudine de1/2 LSB, nul la mijlocul inter-valului i maxim la ambele capete.Influena erorii de cuantizare poate fidiminuat prin mrirea numrului debii ai codului de ieire a conver-torului.

Fiecare cuant (mrime aintervalului) a unei astfel de divizri

reprezint o valoare a mrimii analogice, pe care se disting nivelurile semnaluluide intrare, prezentate prin dou combinaii de coduri nvecinate. Aceast cuantpoart denumirea de bitul cel mai puin semnificativ (LSB).

Astfel:

Nmaxi

2ULSBq == (2.3)

unde: q este cuanta, iar maxiU gama de variaie a semnalului analogic de intrare.Caracteristicile reale ale circuitelor de conversie a datelor pot diferi de

caracteristicile sale ideale (fig. 2.10). Caracteristica de transfer a convertoruluianalog-digital poate fi translatat n raport cu cea ideal (fig 2.10a). Aceasteroare se numete eroare de decalaj (offset) i se poate pune n evidenaplicnd la intrare o mrime nul i msurnd ieirea.

Eroarea determinat de modificarea pantei caracteristicii de transfer realefa de cea ideal, eroarea iniial fiind nul, se numete eroare de amplificare(de gam) (fig. 2.10b). Pentru majoritatea CA/D erorile de decalaj i deamplificare sunt mici i pot fi complet eliminate prin reglaj prealabil.

Mai dificil de eliminat sunt erorile legate de neliniaritatea caracteristicilorde transfer, care nu pot fi nlturate prin reglare prealabil. Convertoareleanalog-digitale sunt caracterizate de dou tipuri de neliniariti: cea integral,respectiv cea diferenial:

neliniaritatea integral definete gradul n care caracteristica detransfer a unui convertor se abate de la forma teoretic (ideal) dedreapt, considernd erori de decalaj i de amplificare nule (fig. 2.10c);

Timp de stabilire

tp tc tr tat

Ieire

U0+1/2 LSB

-1/2 LSB

SR

Fig. 2.9 Timpul de stabilire.




Sem

nal d

e ieir

e al

CA

/D

Eroarea dedecalaj

0 Ui maxSemnal analogic de intrare

Sem

nal d

e ieir

e al

CA

/D

Eroarea deamplificare

0 Ui max

a) eroarea de decalaj b) eroarea de amplificare


Sem

nal d

e ieir

e al

CA

/D

Neliniaritateaintegral

0 Ui maxSemnal analogic de intrare

Sem

nal d

e ieir

e al

CA

/D

Neliniaritateadiferenial

Pasul decuantizare neideal

Codulomis (001)

0 Ui max

c) neliniaritatea integral d) neliniaritatea diferenialFig. 2.10 Erorile convertoarelor analog-digitale.

neliniaritatea diferenial caracterizeaz uniformitatea intervalelor decuantizare ale unui convertor analog-digital. Dac neliniaritateadiferenial depete 1 LSB, aceasta conduce la o comportarenemonoton a caracteristicii de transfer (n semnalul numeric de ieirepoate lipsi una din combinaiile de cod - fig 2.10d). Neliniaritateadiferenial este afectat de metoda de conversie; ea tinde s fiemaxim atunci cnd convertorul trece prin toate intervalele decuantizare secvenial.

Precizia reprezint capacitatea circuitelor de conversie de a respecta custrictee caracteristica de transfer ideal, reflectnd capacitatea convertoarelor de

ELECTRONIC APLICAT


a nu fi afectate de erori sistematice i aleatoare. Precizia absolut caracterizeazfuncionarea unui convertor n ansamblu, reflectnd orice anomalie acaracteristicii de transfer. Precizia relativ este influenat doar de liniaritateacaracteristicii de transfer.

Precizia total de conversie se realizeaz numai n cazul cnd aceasteroare nu depete rezoluia convertorului. Astfel, pentru un convertor curezoluia de N bii, caracterizat de timpul de conversie CONVt , este necesarndeplinirea urmtoarei condiii:

CONVN

maxi

max

i

t2U

tdUd

(2.4)

22..22..33..11 CCOONNVVEERRTTOOAARREE DDIIGGIITTAALL--AANNAALLOOGGIICCEE.. SSCCHHEEMMEEDDEE PPRRIINNCCIIPPIIUU

Conversia datelor presupune ca oricrei mrimi analogice s i se asociezeo reprezentare numeric corespunztoare; codurile utilizate pot fi ponderate sauneponderate., prezentnd avantajul unei exprimri naturale i compatibilitate cucircuitele de calcul numeric. n cazul unui cod ponderat, o cifr din cadrul unuinumr are semnificaia valorii sale propriu-zise, ct i a ponderii datoratepoziiei sale n cadrul numrului. Conversia digital-analogic presupunetransformarea valorii i ponderii cifrelor numrului ntr-o mrime de ieireanalogic corespunztoare (tensiune sau curent).

Considernd un numr ntreg binar de N bii, de forma:=

=

1N

0i

ii012N1N 2BBB...BB (2.5)

Ponderea cifrei 1iB (ce ocup poziia i ncepnd cu LSB) este 1i2 ; aadarponderea sa crete de la dreapta spre stnga de la valoarea 1 (ponderea LSB) lavaloarea 1N2 (ponderea MSB). Aceleai observaii sunt valabile i pentru unnumr subunitar de N bii , de forma:

=

=

N

1i

iiN1N21 2BBB...BB (2.6)

Procesul de conversie digital-analogic poate fi considerat similar cuprocesul de transformare a unui numr din sistemul de numeraie binar nsistemul de numeraie zecimal: se asociaz fiecrei cifre binare 1 o anumitvaloare a unei mrimi electrice care se nsumeaz ponderat conform rangului pecare l ocup n cadrul reprezentrii numerice. Deoarece ponderea cifrelordescrete cu factori de forma i2 , o soluie simpl pentru realizarea operaiei deponderare ar consta n utilizarea unor reele rezistive divizoare, cu mai multenoduri, avnd ntre noduri consecutive un raport de divizare de 1/2. Majoritatea



convertoarelor digital-analogice moderne folosesc scheme cu sumare de cureni,care sunt mai stabile, mai rapide i mai uor de realizat. Schema bloc a unuiastfel de convertor este prezentat n fig. 2.11.

+

_U0

RrI

Interfadigital

(numeric)Reea de

comutatoareReea derezistene Referin

de tensiuneN

Fig. 2.11 Schema bloc simplificat a unui convertor digital-analogic.

Interfaa digital (numeric) asigur compatibilitatea convertorului cusemnale TTL/CMOS i produce semnale de comand pentru o reea decomutatoare analogice. Aceste comutatoare controleaz curenii aplicai uneireele rezistive de precizie, care realizeaz ponderarea lor, pentru a obine, prinsumare, valoarea analogic corespunztoare. Valorile curenilor care circul prinreea sunt determinate de valorile rezistenelor ce compun reeaua i de mrimea(tensiune sau curent) de referin ce intr n compunearea convertorului. Ieireapoate fi constituit chiar de suma curenilor din reea sau de o tensiune obinutprin transformarea curent-tensiune.

Convertorul prezentat anterior funcioneaz n permanen: la fiecaremodificare a intrrii, ieirea reacioneaz corespunztor. Dac se doretemeninerea valorii analogice de ieire i n absena unei mrimi de intrare valide,se poate recurge la memorarea acesteia ntr-un registru ncrcat adecvat, doar lamomentele de timp la care se dorete modificarea ieirii.

Pentru implementarea convertoarelor digital-analogice, aa cum a fostprecizat anterior, metoda consacrat const n utilizarea reelelor rezistive.

Convertoarele digital-analogice cu reele ponderate binar (fig. 2.12a)conin un grup de rezistene de valori N,1i R,2R ii == , conectate mpreun launa dintre extremiti. Numrul rezistenelor din reea este determinat denumrul de bii N ai cuvntului de intrare. Fiecare intrare logic, iB , comandcte un comutator analogic, iK , ce conecteaz cte o rezisten a reelei la sursade tensiune de referin , refU , genernd un curent iI . Tensiunea de ieire poatefi calculat conform relaiei:

===

==

=

1N

0i

ii

rNref

N

1iiir

ref

N

1ii

refir0 2BR

R2

U2B

RRU

R2UBRU (2.7)

ELECTRONIC APLICAT


Expresia (2.7) arat c mrimea de ieire este o fraciune din mrimea dereferin refU i proporional cu numrul aplicat la intrare. Convertorulprezentat funcioneaz doar unipolar. Pentru o funcionare bipolar, schema semodific aducnd n nodul de sumare a curenilor un curent egal cu jumtate dinvaloarea corespunztoare captului de gam (fig. 2.12a cu linie punctat).

Convertoarele digital-analogice bazate pe acest principiu se numesc iconvertoare digital-analogice cu cureni ponderai, deoarece schema utilizeazsumarea unor astfel de cureni.

Simplitatea structurii prezentate n fig. 2.12a trebuie pus n balan cuinconvenientul major al stabilitii i preciziei. Deoarece legea de variaie arezistenelor reelei este exponenial, la un numr mare de bii, valorile lor sedistribuie pe un interval foarte mare. Acest lucru face dificil realizarea lor cuprecizii ridicate i cu caracteristici de temperatur identice.

Un alt tip de reele rezistive utilizate pe scar larg n construciaconvertoarelor digital analogice, ct i n alte circuite de instrumentaie(convertoare analog-digitale, amplificatoare i atenuatoare programabile, etc)sunt reelele rezisitve R-2R. Schema unei astfel de reele care permite o rezoluiede N bii (fig. 2.12b) prezint caracteristicile unei legri n cascad de divizoarecu 2, comandate fiecare de cte un bit al cuvntului de la intrare. Reeauarezistiv conine rezistene de valoare R conectate n serie i rezistene devaloare 2R conectate n paralel. Fiecrui bit iB al cuvntului de intrare i esteasociat cte un comutator cu dou poziii, care conecteaz terminalelerezistenelor 2R la mas ( iB =0) sau la referin ( iB =1). Comanda poate fifcut n tensiune sau n curent. Rezistena de valoare 2R conectat npermanen la mas are rolul ca rezistena echivalent a circuitului msuratntre bornele de ieire s fie ntotdeauna R.

K1

I2

IN

I1

-I

B1

B2

BN

K2

KNUref

-Uref2R

2 R2

2 RN

2 R1

+

_U0

RrI

a) Convertor digital-analogic unipolar/bipolar cu reea ponderat binar.



K1

B1

BN-1

KN-1

BN

KN

Uref

U0

2R

R R R

2R 2R 2R

N N-1 1

b) Structura reelei rezistive R-2R.

I2 INI1

+

_U0

RrI

K1

B1B2

K2

BN

KN

2R

R R

2R 2R 2R

UrefN21

c) Convertor digital-analogic cu reea R-2R inversat.

ELECTRONIC APLICAT


K1KN-1KN

2R

R R

2R2R 2R 2R

BN

BN-1

B1

N N-1 1

I0 I0 I0

Iout

d) Reea R-2R comandat cu generatoare de curent.Fig. 2.12 Principii de implementare ale convertoarelor digital-analogice.

n cazul structurii din fig. 2.12b, tensiunea de la ieire este descris prinrelaia:

==

==

1N

0i

iiN

refN

1iii

ref0 2B2U

2BUU (2.8)

Reelele rezistive R-2R comandate n tensiune sunt simple i ieftine, darau o liniaritate relativ redus datorit comportrii comutatoarelor analogice.Comutatoarele analogice CMOS au o rezisten onR variabil, dependent detensiunea dren-surs a tranzistorului cu efect de cmp. Rezistenelecomutatoarelor se sumeaz cu cele ale reelei, determinnd erori de neliniaritateprin modificarea factorilor de divizare de la o celul la cealalt.

O variant a conversiei digital-analogice utilizeaz conexiunea invers,schimbnd rolul ieirii cu cel al intrrii (fig. 2.12c). n aceast situaie,comutatoarele se gsesc practic la acelai potenial, iar rezistenele reelei suntparcurse de cureni de valori constante, de tip R2

Ui

ref

, N,1i = , indiferent de

poziia acestora. Valorile logice ale biilor cuvntului de intrare comand poziiacomutatoarelor; acestea determin sumarea componentei i de curent n nodul deintrare al convertorului curent-tensiune sau conectarea acestei componente lamas. Dezavantajul major al acestei structuri este reprezentat de valorile relativmari ale timpului de stabilire, datorate sumrii capacitilor parazite.

Tensiunea de ieire a acestui tip de convertor digital-analogic estecaracterizat de expresia (2.7).

Reelele R-2R pot fi comandate direct n curent, folosind generatoare de



curent comutate (fig. 2.12d). Aceast schem este frecvent utilizat n cadrulconvertoarelor digital-analogice moderne, datorit performanelor sale de vitez.

Din punct de vedere al interfarii convertoarelor digital-analogice ncadrul sistemelor de achiziii de date, trebuie remarcat ca circuitele din primageneraie foloseau o interfa minimal cu circuitele numerice, cu rolul deadaptare a nivelelor logice de comand. Circuitele din generaiile recente coninintegrate unul sau mai multe converotare digital-analogice, registre de memorarea cuvntului numeric de intrare i o logic de comand. Aceste resurse permitinterfaarea simpl i unitar cu microcontroller-e i microprocesoare a crormagistral de date difer ca dimensiune de lungimea cuvntului de comand,respectiv programarea convertoarelor multiple (fig. 2.13).

Registrude intrare

RegistruCD/A

CS

WR

LDAC CLR

Ctre CD/A

N

N

N

RegistruCD/A_1

RegistruCD/A_2CS

SCLK

LDAC

Ctre CD/A_1

Ctre CD/A_2

12

1212

12

Reg

istru

de

depl

asar

e(2

4 bii)

DIN

Registrude intrare

LOWRegistrude intrare

HIGH

RegistruCD/A

CSL

WR

CSH

LDAC CLR

Ctre CD/A

N

N

8

8

8

Fig. 2.13 Interfaarea convertoarelor digital-analogice cu magistrala unuimicroprocesor.

ELECTRONIC APLICAT


Logica de comand permite memorarea intrii digitale sub forme diferite(12 bii - un singur ciclu de programare, 8+4 bii - dou cicluri de programare,intare serial), precum i selectarea modului de lucru (ieire unipolar saubipolar).

O categorie aparte de convertoare digital-analogice o constituie circuitelede conversie cu transformare intermediar n timp. Aceste circuite folosesctransformarea mrimii numerice ntr-o mrime intermediar (durat saufrecven), ce produce ulterior mrimea de ieire analogic proporional prin-tr-un procedeu oarecare (filtrare, transfer de sarcin i integrare, etc). n aceastcategorie pot fi ncadrate convertoarele digital-analogice cu midulaie n durat aimpulsurilor (coninute n structura majoritii microcontroller-elor moderne ndfi utilizate n aplicaii n care nu sunt necesare performane deosebite) iconvertoarele digital-analogice cu transformare frecven-tensiune.

22..22..33..22 CCOONNVVEERRTTOOAARREE AANNAALLOOGG--DDIIGGIITTAALLEE.. SSCCHHEEMMEE DDEEPPRRIINNCCIIPPIIUU

Convertorul analog-digital realizeaz transformarea mrimii analogice dela intrare ntr-o mrime numeric la ieire. Generaliznd, procesul de conversieanalog-digital poate fi considerat ca o plasare a mrimii de intrare ntr-uninterval de cuantizare, obinut prin divizarea intervalului de variaie a acesteiantr-un numr de clase egale. Prima operaie definete aspectul temporal alconversiei, n timp ce a doua operaie definete chiar modul de obinere aechivalentului numeric al mrimii analogice.

Convertoarele analog-digitale sunt realizate pe baza unor soluiiprincipiale extrem de diverse, fiecare dintre acestea prezentnd att avantaje, cti devavantaje. Pn n acest moment nu s-a gsit un principiu de funcionarecare s asigure simultan obinerea ieftin de rezoluii mari, viteze ridicate, eroride neliniaritate foarte reduse, etc. De aceea, alegerea unui anumit tip deconvertor analog-digital se face n funcie de cerinele aplicaiei, urmrindobinerea performanelor dorite cu efort material minim.

Convertoare analog-digitale paralele. Ideea simpl a inversriiprocedeului de conversie digital-analogic cu ponderarea controlat numeric aunei mrimi de referin, conduce la folosirea comparrii mrimii de intrare cuun ir de valori de referin (reprezentnd limitele intervalelor de cuantizare),pentru obinerea conversiei analog-digitale. Tensiunea de referin este aplicatunei reele rezistive de precizie, astfel nct fraciunea din tensiunea de referinaplicat intrrii inversoare a fiecrui comparator s fie cu un LSB mai maredect cea aplicat comparatorului de pe rangul anterior. Comparatoarlerealizeaz atribuirea mrimii de intrare (de pe intrrile neinversoare) unuiinterval de cuantizare; toate comparatoarele ale cror referin este mai mic



dect tensiunea de intrare produc un nivel logic 1 la ieire, celelaltecomparatoare vor furniza la ieire nivele logice 0. Ieirile reelei de 12N comparatoare sunt aplicate unui codificator logic cu prioriti care are rolul de afurniza la ieire codul numeric dorit (fig. 2.14).

Acest tip de convertor obine biii cuvntului de ieire simultan iindependent de valoarea sau polaritatea intrrii; de aici, denumirea de convertoranalog-digital paralel sau flash. Numrul mic de operaii, precum i simplitatealor, determin viteza foarte ridicat a acestui tip de convertor. Principalul sudezavantaj const n rezoluia limitat, datorat creterii exponeniale anumrului de comparatoare odat cu creterea numrului de bii de ieire. Esteutilizat n conversia rapid a semnalelor video (televiziune, radar), ct i casubansamblu n implementarea altor tipuri de convertoare rapide.

+

_

+

_

+

_

+Uref

Ui

-Uref

R

R

R

R

C2 -2N

C1

C2 -1N

Codi

ficat

or d

e pr

iorit

i(2

-1 n

ivel

e la

b

ii de

ieir

e)N

N

B B B0 1 -1... N

Fig. 2.14 Convertor analog-digital paralel (flash).

Convertoare analog-digitale analog-seriale i numeric-paralele. O altsoluie de obinere a unor convertoare rapide const n cascadarea unor celuleelementare de conversie ce conin amplificatoare i comparatoare (fig. 2.15).

Celula elementar (fig. 2.15a) conine dou amplificatoare difereniale cuamplificarea egal cu 2, ce produc ieiri cu tendine de variaii contrare; ieirileamplificatoarelor difereniale sunt selectate cu ajutorul unui multiplexoranalogic comandat de ieirea unui comparator avnd tensiunea de prag egal cujumtatea tensiunii de referin. Aceast tensiune de prag este obinut prin

ELECTRONIC APLICAT


divizarea cu 2 (cu ajutorul unui divizor rezistiv de precizie) a tensiunii dereferin a convertorului. Caracteristica de tranfer a circuitului elementar esteprezentat n fig. 2.15b.

n aceste condiii, se poate preciza expresia ieirii analogice:

( )



poate fi realizat prin utilizarea unuicircuit de eantionare-memorare.

Timpul complet de conversie estedeterminat de ntrzierea global princelulele lanului. Cu toate acestea, fiecarebit poate fi memmorat imediat ce esteobinut, astfel nct o nou conversiepoate fi demarat dup obinereaprimului bit. Utiliznd acest principiu,rata de conversie este determinat detimpul de obinere a unui singur bit.Acest tip de convertor permite, cu oschem numeric adecvat (pipeline pefiecare bit - fig. 2.16), obinerea unuicuvnt la rata de conversie a unei singurecelule.

Structurile descrise anterior igsesc aplicaii n domeniul convertoa-relor video utilizate n achiziii deimagine. n practic, numrul de celule

ce pot fi cascadate este limitat din considerente tehnologice. Ca urmare, acest tipde convertor se utilizeaz n scheme mixte, mpreun cu cele paralele(convertoare analog-digitale analog-seriale i digital-paralele pentru rangurilesuperioare i convertoarele analog-di-gitale paralele pentru rangurile infe-rioare).

n momentul de fa se constat o revenire spectaculoas a ideii expuse,odat cu dezvoltarea arhitecturilor sisto-lice de prelucrare a semnalelor.

Convertoare analog-digitale serie-paralel. O soluie de compromis, carepoate fi exploatat foarte eficient la obinerea unor rezoluii i viteze ridicate,este utilizarea tehnicii cu corecie de subdomeniu.

Un convertor analog-digital de N bii (numr par), funcionnd peprincipiul amintit, folosete dou convertoare analog-digitale de 2N bii carevor furniza mai nti partea mai semnaificativ a rezultatului i apoi partea maipuin semnificativ.

n fig. 2.17a este prezentat un convertor analog-digital rapid de 8 bii. Unciclu de conversie al acestui convertor poate fi rezumat astfel:

se furnizeaz din exterior comanda de start conversie, careiniializeaz logica intern de sincronizare;

circuitul de eantionare-memorare este comandat n starea dememorare ( 0ME/ = );

se activeaz funcionarea primului convertor analog-digital paralel,activnd semnalul 1Clk ;

CA1

D11

D21

D31

D41

D11

D22

D32

D11

D23

D11

CA2 CA3 CA4

B1 B2 B3 B4

Clk1

Clk2

Clk3

Clk4

Uref

Ui

Fig. 2.16 Convertor analog-digitalrapid cu timp de conversie egal cu

timpul de obinere a unui bit.

ELECTRONIC APLICAT


Buffer 1

Buffer 2

Reg

istru

(8 b

ii)

Logic decontrol i

sincronizare

Registru(4 bii)

CA/D

par

alel

(4 b

ii)

CA/D

par

alel

(4 b

ii)Circuit deeantionare-memorare

CD

/A ra

pid

(4 b

ii) _+

Start

E/M

Ui

DRDY

B1

B1

B2

B2

B3

B3

B4

B4

B5B5

B7B7B6B6

B8B8

MSB

LSB

Clk1Clk2Clk3Clk4

a) Convertor analog-digital de 8 bii cu corecie de subdomeniu

Buffer 1

Reg

istru

(10

bii)

Logi

c de

cor

ecie

num

eric

Logic decontrol i

sincronizare

CA

/D p

aral

el(3

bii)

CA/D

par

alel

(8 b

ii)Circuit deeantionare-memorare

CD/A

rapi

d(3

bii) _

+

Start

E/M

Ui

DRDYB1B2B3B4B5

B7B6

B8B9B10

Clk1Clk2

Clk3Clk4

A

b) Convertor analog-digital de 10 bii cu corecie numeric de subdomeniuFig. 2.17 Convertoare serie-paralel.

dup ncheierea conversiei, se ncarc registrul intermediar cu cei maisemnificativi 4 bii ai valorii analogice convertite, activnd semnalul

2Clk ; aceeai valoare numeric se aplic i convertorului digital-analogic de

precizie. Acest convertor va produce la ieire o valoare analogicfoarte apropiat de cea a intrrii, mai puin eroarea de cuantizare. Dupexpirarea timpului de stabilire, se activeaz funcionarea celui de-aldoilea convertor analog-digital paralel, activnd semnalul 3Clk . Acestconvertor primete ca semnal analogic de intrare rezultatul difereneidintre tensiunea de intrare i versiunea sa cuantizat (de la ieireaCD/A);



la sfrsitul conversiei, se poate ncrca, activnd semnalul 4Clk ,registrul de 8 bii de la ieire att cu cei mai puin semnificativi biiabia obinui, ct i cu biii cei mai semnificativi memorai n registrulintermediar;

dup ncrcarea registrului de ieire, se poate activa semnalul DRDY ,semnaliznd faptul c este disponibil un nou rezultat al conversiei.

Convertorul cu corecie de subdomeniu este cunoscut i sub denumirea deconvertor analog-digital serie-paralel i reprezint una dintre soluiile decompromis ntre cost i performane. Cu toate acestea, liniaritatea diferenialeste sczut, mai ales la tranziia de la bitul 2N la bitul ( ) 12N + ; aceasteroare poate depi cu uurin 1 LSB i ca urmare poate provoca omiterea unorcoduri i abateri de la monotonie. Problema poate fi rezolvat cu ajutorul uneitehnici de conversie analog-digital paralel, numit corecie numeric desubdomeniu (fig. 2.17b). Convertoarele ce folosesc corecia numeric desubdomeniu au o arhitectur similar cu cea prezentat anterior, dar semnalulanalogic este cuantizat suplimentar; rezoluia astfel obinut este utilizat ncadrul unui circuit numeric de corecie a erorilor incrementale, erori inerenteconvertoarelor analog-digitale cu corecie de subdomeniu ce folosesc tehnologiiuzuale.

n figura 2.17b este prezentat un convertor analog-digital de 10 bii. Ceimai semnificativi 3 bii sunt obinui cu un convertor A/D paralel; ei suntintrodui ntr-un convertor D/A de 3 bii cu precizie de 12 bii, pentru a puteapstra precizia ieirii corespunztoare rezoluiei de 10 bii. Diferena dintrevaloarea intrrii i valoarea corespunztoare ieirii convertorului D/A esteamplificat i aplicat la intrarea celui de-al doilea convertor A/D paralel de 8bii, cu ajutorul cruia se obin biii mai puin semnificativi. Dup cum se poateobserva, acest convertor produce un bit suplimentar, folosit pentru corecianumeric de subdomeniu. Aceast corecie contribuie substanial lambuntirea liniaritii.

Convertoarele analog-digitale serie-paralel sunt frecvent utilizate nsistemele de achiziie a semnalelor video.

Convertoare analog-digitale cu reacie. Dei simple ca principiu,convertoarele analog-digitale paralele sunt limitate ca rezoluie datoritcomplexitilor tehnologice (numrul mare de comparatoare determin cretereadimensiunilor fizice, puterea disipat i preul de cost). Ideea comparrii mrimiianalogice de intrare cu un set de valori de referin este aplicabil, ntr-ovariant mai economic, secvenial, n cadrul convertoarelor analog-digitale cureacie. Cu un singur comparator, un convertor digital-analogic destinatgenerrii treptelor de referin i o logic secvenial (numrtor/registru) caregenereaz numeric limitele intervalelor de cuantizare se obine un convertoranalog-digital cu reacie.

Mrimea analogic de intrare este comparat cu mrimea de referin

ELECTRONIC APLICAT


generat de ansamblul convertor digital-analogic-logic de control; funcie derezultatul comparrii, logica de control decide urmtoarea valoare logic pe careo va produce n pasul urmtor (fig. 2.18a). Algoritmul de conversie poate fiimplementat n mai multe variante, din care rezult i tipurile convertoarelorA/D cu reacie:

convertor analog-digital cu numrare (fig. 2.18b); convertor analog-digital cu urmrire (fig. 2.18c); convertor analog-digital cu aproximaii succesive (fig. 2.18d).

+

_C

U ti( )

Uref

Logic decontrol

ClockStartEOC

N

Convertor digital-analogic (CD/A)

a) Schema bloc a unui convertor analog-digital cu reacie.

Numrtor

Clock

Start

Busy

N

UrefConvertor digital-analogic (CD/A)

+

_C

U ti( )

Qi

Clk Reset

R

SQ

UN

t

Ui

UN

U

StartClk

b) Convertor analog-digital cu numrare

C

U ti( )

Uref

Clock

N


Numrtorreversibil ClkU/D

Qi

UN

+

_

t

Ui

UN

U/D

U

c) Convertor analog-digital cu urmrire



C

U ti( )

Uref

Registru deaproximaiisuccesive

Start

EOC

N


Qi

UN

DSSC

EOC

+

_

t

Ui

UN

U /Ui ref

1 1 0 0 ...

1/8 0

2/83/84/85/86/87/88/8

d) Convertor analog-digital cu aproximaii succesiveFig. 2.18 Convertoare analog-digitale cu reacie.

Convertorul A/D cu numrare folosete cel mai simplu algoritm degenerare a treptelor de referin: parcurgerea lor consecutive (numrare), de lalimita inferioar a gamei de lucru i pn la depirea valorii analogice de laintrare (fig. 2.18b). Logica de control are la baz un numrtor, iniializat lanceputul fiecrui ciclu de conversie; numrul de bii ai acestuia este egal curezoluia convertorului D/A i a circuitului de conversie realizat. SemnalulStart determin reset-area numrtorului i valideaz intrarea de ceas anumrtorului prin set-area bistabilului de tip RS; n acelai timp, convertorulD/A produce o tensiune NU la limita inferioar a domeniului de lucru.Dispunnd de semnal de ceas, numrtorul ncepe s se incrementeze, crescndi tensiunea de referin NU trept cu treapt. La atingerea valorii semnalului deintrare, comparatorul i schimb starea de la ieire, reset-eaz bistabilul ioprete ceasul de numrare, finaliznd procesul de conversie. Ieirea acestuibistabil poate fi utilizat drept semnal conversie n curs de desfurare.

Se poate observa uor c durata conversiei nu este constant, ea depinzndde valoarea mrimii analogice aplicate la intrare. Dei timpul de conversie poatefi redus prin creterea frecvenei ceasului, limita sa superioar este determinatde timpul de propagare pentru numrtor i circuitele porii, de timpul destabilire al CD/A i al comparatorului.

Dei avantajul major al acestei structuri rezid n simplitatea sa, acestconvertor cu reacie e caracterizat de un timp de conversie ridicat, dependent devaloarea intrrii, precum i de o rejecie slab a perturbaiilor (determinat devariaia impedanei de intrare).

nlocuind n schema precedent numrtorul cu incrementare cu unulreversibil (cu incrementare/decrementare) i comandnd sensul de numrare nfuncie de rezultatul comparrii mrimii de intrare cu treptele de referin, seobine un convertor analog-digital cu urmrire (funcionare continu) (fig.2.18c). Ieirea comparatorului reprezint, de fapt, codificarea pe un bit atendinei de variaie a semnalului de intrare. Dac semnalul de intrare esterelativ constant, dup egalizarea semnalului NU cu mrimea de la intrare, ieirea

ELECTRONIC APLICAT


comparatorului la oscila, odat cu NU , eroarea conversiei fiind 0,5 LSB.Valoarea numeric corespunztoare intrrii va fi oricare dintre strilenumrtorului reversibil (aproximaie prin lips sau adaos).

Problema fundamental a acestor dou tipuri de convertoare A/D cureacie const n posibilitatea apariiei distorsiunilor de neurmrire, cauzate deviteza constant de incrementare/decrementare a numrtorului (limiteaz vitezade variaie a semnalelor aplicate la intrare). n practic, banda de frecvene asemnalului de intrare este limitat la valori de ordinul ctorva kHz.

nlocuind numrtorul din bucla de reacie a convertorului cu un registrude deplasare special, denumit registru de aproximaii succesive, determineliminarea dezavantajelor menionate anterior. Se obine, astfel, un convertoranalog-digital cu aproximaii succesive.

n fig 2.18d este prezentat schema funcional a convertorului analog-digital cu aproximaii succesive pentru N=3 i se prezint principiul lui defuncionare.

Conversia ncepe cu iniializarea la valoarea 1 a bitului celui maisemnificativ (MSB) n cadrul registrului de aproximaii succesive. Aceastacorespunde primei evaluri a valorii semnalului de intrare cu jumtatea valoriidomeniului de intrare. Se compar semnalul de ieire al CD/A corespunztoracestei valori cu tensiunea de intrare i se comand de reset-area valorii bituluicelui mai semnificativ dac evaluarea primar depete valoarea semnalului deintrare; n caz contrar aceeast valoare este validat i este memorat. n tactulurmtor controlerul fixeaz valoarea 1 pentru urmtorul bit i, din nivelulsemnalului de intrare, comparatorul decide memorarea sau reset-area striiacestui rang. Conversia continu n mod similar, pn se evalueaz bitul cel maipuin semnificativ (LSB). n acest moment, cuvntul coninut n registrul deaproximaii succesive (transferat i n registrul de ieire) reprezint cea mai bunaproximaie numeric a semnalului analogic de intrare. Dac datele se obindirect de la ieirea registrului de aproximaii succesive, trebuie menionat cacestea devin stabile doar dup sfritul conversiei (n rest ele reproduc procesulde aproximare); n consecin, logica extern trebuie adaptat n modcorespunztor.

n metoda de conversie bazat pe aproximaii succesive, semnalul deieire al CD/A crete neliniar pn la nivelul semnalului de intrare pe perioada aN tacte (pentru convertorul cu rezoluia de N bii). Ca rezultat, procesul deconversie dureaz un timp considerabil mai redus i, n plus, timpul de conversieeste constant i nu depinde de nivelul, semnul sau modului de variaiesemnalului de la intare.

Metoda aproximaiilor succesive este cea mai rspndit metod deconversie analog-digitale pentru convertoarele de uz general, cu rate deconversie medii i ridicate (timpi de conversie cuprini ntre 1 i 25 s).

Convertoare analog-digitale cu transformare tensiune-timp. Aceste



tipuri de convertoare realizeaz transformarea mrimii analogice de intrare ntr-un interval de timp proporional, care este msurat numeric. Din aceastcategorie fac parte:

convertorul analog-digital cu generator de ramp; convertorul analog-digital cu integrare n dubl pant; convertorul analog-digital cu integrare n mai multe rampe.Convertoarele analog-digitale cu integrare n dubl pant sunt

caracterizate de o precizie i o liniaritate excelente, o bun rejecie a semnalelorparazite (datorit integrrii), n pofida timpului de conversie de valoare mare.Majoritatea circuitelor sunt monolitice, realizate n tehnologie CMOS, fiindextrem de rspndite n echipamente de msurare numerice clasice (aparateportabile, de tablou sau de laborator).

Trebuie menionat faptul c majoritatea convertoarelor analog-digitale degeneraie recent dispun de o interfa specializat, versatil cu microprocesoarepe 8 sau 16 bii, ceea ce simplific mult interfaarea acestor circuite n cadrulsistemelor inteligente de achiziii de date.

Firmele productoare de convertoare analog-digitale ofer dispozitive cuo palet larg de performane. Metoda de conversie utilizat (cu aproximaiisuccesive, cu integrare cu dubl pant, conversie paralel, etc) i tehnologia derealizare a schemei (monolitic, hibrid sau modul) determin caracteristicileeseniale ale convertoarelor analog-digitale - rapiditatea, rezoluia, preul.

Paleta de variaie a unor caracteristici ale CA/D, realizate n practic, suntprezentate n fig 2.19.

CA/D cu conversie paralelCA/D cu aproximaii succesiveCA/D cu integrarecu dubl pant

hibrid/modul

hibrid/modul

monolit

monolit

hibrid/modul

1s 100ms 10ms 1ms 100s 10s 1s 100ns 10ns

Timpul de conversie

Rapiditatea

Preu

l rel

ativ

Fig. 2.19 Paleta caracteristicilor CA/D produse n serie.

ELECTRONIC APLICAT


Tabelul 2.2 Principalele caracteristici ale unor convertoare analog-digitale.

Tipul Rezoluia Metoda deconversieTimpul deconversie

Tensiuneade

alimentare

Tehnologia derealizare

ADC0804 8 cu aproximaiisuccesive 100 s +5V monolitic

AD7574 8 cu aproximaiisuccesive 15 s +5V monolitic

AD570 8 cu aproximaiisuccesive 25 s +5V, -15V monolitic

TSC7109 12 cu integraredubl pant 33 ms +5V monolitic

ADC0808 8 cu aproximaiisuccesive 100 s +5V monoliticAD5010 6 paralel 10 ns 5V monoliticAD579 10 cu aproximaiisuccesive 2,2 s +5V, 15V hibrid

AD574 12 cu aproximaiisuccesive 25 s +5V, 15V hibrid

ADC868 12 cu aproximaiisuccesive 0,5 s +5V, 15V hibrid

HS9516 16 cu aproximaiisuccesive 100 s +5V, 15V hibrid

ADC71 16 cu aproximaiisuccesive 50 s +5V, 15V hibrid

n tabelul 2.2 sunt prezentate sintetic principalele caracteristici ale unorCA/D uzuale, realizate de firmele National Intersil, Analog Device, Teledyne,Texas Instruments i Hybrid System.

Se constat o varietate mai larg a CA/D cu aproximaii succesive,utilizate n majoritatea cazurilor n cadrul proceselor care necesit conversiaanalog-digital. Cele mai ieftine sun convertoarele analog-digital monolitice.Aceste CA/D sunt realizate n tehnologie bipolar i CMOS.

Convertorul analog-digital optim pentru msurtori i achiziii de date nreele electroenergetice este CA/D cu aproximaii succesive, care asigur vitezebune de conversie, precizie ridicat, rezoluia fiind un compromis ntre vitez iprecizie.

22..33 IINNTTEERRFFEEEE SSPPEE CCIIAALLIIZZAATTEE DDEE CCOOMMUUNNIICCAAIIEE

Tehnicile de msurare pot fi implementate la nivel fizic prin blocurifuncionale cu destinaie precis (aparatele de msurare) sau prin module carepot realiza funcii multiple (eantionare, conversie, memorare) i a cror selecieeste fcut de o unitate central (eventual PC). n cazul aparatelor de msurare



numerice, dotarea acestora cu interfee de comunicaie (serial sau paralel)permite interconectarea lor cu uniti de calcul puternice i, deci, lrgireaconsiderabil a ariei funciilor ce pot fi efectuate de sistemul astfel realizat.

Aparatele numerice memoreaz datele sub form de caractere reprezentateadesea pe 8, 16 sau 32 de bii. Biii care formeaz un caracter se pot transmite ladistan ctre un alt sistem numeric fie prin transmiterea simultan a cte 8 bii(comunicaie paralel), fie prin transmiterea succesiv a biilor care formeaz uncaracter (comunicaie serial). n primul caz, se utilizeaz 8 linii de date i altelinii (conductoare) pentru semnalul de referin (GND) i cele de control alcomunicaiei. n al doilea caz, informaia prezent de obicei sub form paraleleste apelat de un registru de deplasare paralel-serie, comandat de un semnal detact, transmis printr-o singur pereche de conductoare i apoi, la recepie,reconstituit n format paralel prin intemediul registrului de deplasare serie-paralel.

22..33..11 CCOOMMUUNNIICCAAIIAA DDEE TTIIPP SSEERRIIAALL.. PPRROOTTOOCCOOAALLEE DDEETTRRAANNSSMMIISSIIEE SSEERRIIAALL AA DDAATTEELLOORR

Interfaa serial este un sistem de comunicaie numeric introdus caurmare a necesitii de a controla un ansamblu tehnic cu elemente dispersate pesuprafee mari. PC-urile sunt dotate cu mai multe porturi seriale (de obicei,dou), utilizate, n cea mai mare parte, pentru comanda plotter-elor, aimprimantelor seriale i a unor mouse-uri. De asemenea, aceast interfa estefolosit pentru comunicaia cu PC-ul i de ctre dispozitive speciale, cum ar fiprogramatoarele EPROM i PAL, emulatoarele, controller-ele logiceprogramabile sau anumite interfee de achiziie de date.

Achiziia datelor se efectueaz prin executarea unui program de achiziiede ctre calculatorul care asigur comanda mijlocului de msurare, transferuldatelor ntr-un fiier de date i prelucrarea lor imediat sau ulterioar.Denumirea RS-232 (mai exact, RS-232C) corespunde normei americane ainterfeei seriale, propus iniial n 1960 i devenit variant standard n 1969,apoi remodificat n 1987. Denumirea V24 este o prescurtare a normei franceze(i recomandat CEI). n principiu, ambele norme sunt identice.

In prezent exist i module dedicate comunicaiei seriale performante,cum este RS-485 (de tip plug-in) pentru care se poate asigura comunicaia pnla distana de 1,2 km, cu o vitez maxim de achiziie de 100 kHz .

22..33..11..11 IINNTTEERRFFAAAA RRSS--22 3322

Numeroase aparate utilizeaz conectarea la calculator prin intermediul

ELECTRONIC APLICAT


interfeei seriale RS-232. Norma clasific aparatele n dou categorii:1. DTE (Data Terminal Equipments) categorie din care fac parte PC-ul,

tastatura etc.i

2. DCE (Data Communication Equipments) modem-urile, aparatele demsurare etc.

Modul de conectare poate s difere de la un aparat la altul. n principiu, sepoate conecta numai un singur aparat la o interfa serial. Programareamodului de comunicaie poate fi, de asemenea, foarte diferit. De aceea, nu sepoate vorbi de un standard. n forma minimal, o conexiune serial RS-232 secompune din numai 3 conductoare:

1. RXD (Receive Data), conductorul pentru semnalul de recepie;2. TXD (Transmit Data), conductorul pentru semnalul de emisie;3. GND (Ground), conductorul de mas.

Modul de legare a conductoarelor RXD i TXD la portul calculatoruluidepinde de aparatul utilizat.

Sigurana n transmisia datelor poate fi mai mare dac se introduce ocomunicaie de tip handshaking. n acest caz se folosesc (fig. 3.3), pe lngsemnalele RXD i TXD (semnale de date), i semnalele RTS (Request ToSend) i CTS (Clear To Send).

RTS (cerere de emisie) i CTS (autorizare de emisie) sunt semnale caregireaz funcionarea half-duplex (HDX) - de exemplu, a liniei telefonice.

Calculatorul semnalizeaz modem-ului prin RTS c are un caracter detransmis; transmisia este posibil numai atunci cnd semnalul CTS este primitde calculator. O siguran superioar n transmisia datelor se obine prinutilizarea semnalelor DTR (Data Terminal Ready) i DSR (Data Set Ready).Prin aceste semnale receptorul este anunat c emitorul este pregtit s trimitdatele. Astfel, DTR poate fi perceput ca un semnal de BUSY pentru receptor.

Sigurana unei transmisii este determinat prin lungimea cablurilor delegatur (maximum 2 x 15=30 m), nivelul de tensiune al semnalelor i viteza detransmisie.

Nivelele de tensiune pentru interfaa RS-232 sunt: HIGH: -15 V (-25 V); LOW: +15 V (+25 V).

Intervalul de la -3 V

Documents

Electronica Aplicata