2.4. Sklop za uzorkovanje i pamćenje

Analogno digitalna pretvorba, ovisno o vrsti AD pretvornika, traje neko vrijeme. Ako se tijekom tog vremena mjereni napon promijeni, prouzročit će pogrešku u digitalnom izlazu. Ta se pogreška može izbjeći ako se uzme uzorak analogne vrijednosti napona netom prije početka pretvorbe (sample) i pamti (hold) potrebno vrijeme. Pojednostavljena načelna shema sklopa prikazana je na slici 1.a. Dok je preklopka P, koja je upravljana iz nekog izvora, u položaju S, kondenzator kapaciteta C nabija se preko naponskog sljedila 1. Nakon prebacivanja preklopke u položaj H, napon koji je tog trenutka bio na kondenzatoru teorijski će se održati nepromijenjenim, jer je ulazni otpor naponskog sljedila 2 vrlo velik. U stvarnosti vrijeme preklapanja iz položaja S u H i obratno nije jednako ništici, male struje teku kroz izolaciju preklopke, dielektrik kondenzatora i u pojačalo, pa nastaju neka odstupanja. Izlazni napon pojačala 2, zbog tih struja, ovisno o izvedbi i kakvoći sklopa, snizuje se brzinom koja je reda veličine desetaka ili stotina mV/s. Dakle, kakvoća sklopa ovisi o kakvoći kondenzatora, elektroničke preklopke i pojačala. Na slici 1.b prikazan je idealizirani izlazni napon U i za naznačeni ulazni napon Uu

kao funkcija položaja preklopke P. Takvi sklopovi, koji su neka vrsta analogne memorije, na engleskom se jeziku nazivaju sample-and-hold amplifier (circuit), a skraćeno se označuju sa S&H ili S/H. Izrađuju se kao integrirani sklopovi.

Slika 1. Sklop za uzorkovanje i pamćenje: a) načelna shema; b) način djelovanja

2.5. Binarna brojila

Važan dio digitalnih instrumenata su binarna brojila. Ona broje u binarnom sustavu, a izrađuju se iz elektroničkih sklopova koji se nazivaju BISTABILNIM MULTIVIBRATORIMA. Bistabilni multivibratori, koji se najčešće ostvaruju s logičkim sklopovima, imaju dva stabilna stanja. U svakom stanju ostaju dok im se vanjskim impulsom stanje ne promijeni. U shemama se crtaju kao pravokutnici, a označavaju sa B. Postoje različite vrste bistabila (SR, JK, T). Bistabil može imati jedan ili više ulaza i dva izlaza. Stanje bistabila može biti logički „1“ ili „0“ovisno o stanju na izlazu Q. Drugi izlaz je komplementaran prvome. Bistabili se mogu okidati kratkim impulsima dobivenima derivacijom pravokutnog impulsa ili bridom pravokutnog impulsa, i to rastućim (pozitivnim) ili padajućim

(negativnim) bridom, kako je prikazano na slici 2. Ako se bistabil okida negativnim bridom, tada se to na shemi označi malim kružićem na ulaznoj stezaljci, kao kod negativne logike.

Slika 2. Načini okidanja bistabila

Bistabili mogu raditi SINKRONO i ASINKRONO. Bistabil radi sinkrono samo ako je, uz impuls na odgovarajućem ulazu, prisutan i sinkornizacijski impuls na za to predviđenom ulazu označenom sa „clock“, „C“ ili „CP“. Sinkronizacijski impulsi su stalne frekvencije, pa se nazivaju i IMPULSIMA RITMA ili na engleskom „clock“. Oscilator, izvor tih impulsa naziva se GENERATOROM RITMA ili „clock“. U asinkronom radu bistabil reagira na pobudu čim se ona pojavi. Način asinkronog brojanja možemo objasniti sklopom od tri T bistabila povezanim kao na slici 3.a. Na ulaz C bistabila označenoga sa B1 dovodimo niz pravokutnih impulsa, a svi ulazi T drže se u „1“. Pretpostavimo da se bistabili okidaju negativnim bridom impulsa. Negativni brid ulaznog impulsa mijenja stanje bistabila B1 i njegov izlaz Q prelazi iz „0 “ u „1“. Negativni brid drugoga ulaznog impulsa ponovno mijenja stanje bistabila B2 iz „0“ u „1“. Treći ulazni impuls u bistabil B1 ponovno mijenja njegovo stanje u „1“, a stanje bistabila B2 ostaje nepromijenjeno.

Slika 3. Asinkrono 3-bitno brojilo: a) načelna shema, b) impulsi na izlazima pojedinih bistabila, c) tablica stanja

Četvrti impuls vraća B1 u „0“. Taj povrat prouzročit će i povrat u „0“ bistabila B2, što će pak prouzročiti promjenu stanja bistabila B3 u „1“ itd. Nakon osmog impulsa svi će bistabili biti u stanju „0“, pa je to brojilo koje ima 8 stanja, što se vidi iz tablice stanja na slici 3. Sklop na slici 3.a može se proširiti po volji s odabranim brojem bistabila, pa se sa n bistabila mogu postići 2^n stanja, koja omogućuju brojanje od 0 do 2^n -1. Iz ovog primjera slijedi da bistabil dijeli frekvenciju ulaznog signala sa 2. Impulsom za brisanje dovedenim na ulaz R mogu se u svako vrijeme svi bistabili dovesti u stanje „0“. Opisana brojila broje unaprijed. Međutim, ima brojila koja broje unazad, tj. odbijaju impulse. Takva se brojila prvim impulsom „napune“, npr.brojilo s četiri bistabila je u stanju 1111. Svaki daljni ulazni impuls smanjuje stanje dok konačno ne dostigne 0000. Postoje i reverzibilna ili naprijed – natrag brojila koja, na temelju stanja na ulazu za smjer brojanja, broje unaprijed i unatrag. Ljudi broje u dekadskom sustavu, pa i rezultat brojanja mora biti takav. Za dekadsko brojanje potrebna su četiri bistabila pa je to BCD brojilo. S četiri bistabila može se brojati do 16, pa je potrebno resetirati sve bistabile nakon 10 impulsa.

2.6. Pokaznik

Broj sadržan u BCD brojilu, na temelju naredbe iz upravljačkoga logičkog sklopa, prebacuje se u privremenu memoriju sastavljenu od bistabila i logičkih sklopova, u kojoj ostaje do završetka idućeg brojanja. Odatle se prenosi u dekoder, matricu logičkih sklopova koji biraju jedan ili više izlaza ovisno o kombinaciji ulaznih signala. Time pretvara brojeve iz BCD koda u kod prikladan za pokaznik dekadskih znamenaka. Danas se koriste rzličiti pokaznici, npr. sa svijetlećim diodama, s tekućim kristalom. LCD pokaznici imaju sedam segmenata, tako da dekoder osvjetljava pojedine segmente kako bi se dobila dekadska znamenka. U tablici stanja na slici 4. dana je pretvorba BCD-a u dekadsku

znamenku 7 pomoću 7-segmentnog pokaznika. Stanje „1“ nekog segmenta označava njegovo svijetljenje.

Slika 4. Sedamsegmentni pokaznik: a) načelna blok shema, b) tablica stanja

2.7. Analogno–digitalna pretvorba

2.7.1. Pretvorba napona u vrijeme

Načelna blok shema ovog pretvornika, koji se naziva i „pretvornikom s jednom pilom“, prikazana je na slici 5.a.

Slika 5. Analogno-digitalni pretvornik napona u vrijeme: a)načelna blok shema, b)vremenski dijagram

U trenutku t1 preklopka P, djelovanjem upravljačkog sklopa, prebacuje se iz položaja „0“ u „1“, a istovremeno se otvori sklopka S i na izlazu integrator, od vrijednosti uim započinje pilasti napon ui. Kada se ui izjednači sa Ux, komparator Kx mijenja stanje iz „0“ u „1“, a kod u i=0 komparator K0 mijenja stanje iz „0“ u „1“. Logički sklop G1 je u „1“ kad je Kx u „1“, a K0 u 0. Ako je istodobno i signal iz upravljačkog sklopa u „1“ izlaz logičkog sklopa G2 je u „1“, pa se impulsi ritma iz oscilatora propuštaju u brojilo. Kada je izlaz G1 u „1“, a preklopka P, zbog signala iz upravljačkog sklopa, prelazi u položaj „0“., izlaz G2 je u „0“, te ne propušta impulse u brojilo. Može se pokazati da je broj impulsa jednak

N x=U xRCf

U r

=k U x

Uz stalnu frekvenciju f oscilatora i stalnost referentnog napona Ux, broj impulsa Nx, koji je razmjeran naponu Ux, ovisi o elementima R i C integratora.

2.7.2. Pretvornik s dvostrukom pilom

Kada se traži manja osjetljivost na smetnje i uske granice pogrešaka koristi se pretvornik s dvostrukom pilom, čija je blok shema prikazana na slici 6. Dok je preklopka P u položaju „1“ a sklopka

S otvorena, mjereni se napon Ux integrira određeno vrijeme t0=t2-t1. U tom vremenu komparator K0 je u „1“, logički sklop G propušta impulse i brojilo ozbroji N0 impulsa iz oscilatora.

Slika 6. Analogno-digitalni pretvornik s dvostrukom pilom: a) pojednostavljena načelna shema, b) vremenski dijagrami, c) smetnja pridodana mjernom naponu

U trenutku t2 upravljački sklop preklopku P prebacuje u položaj „0“, pa referentni istosmjerni napon –Ur za vrijeme tx-t2, izbija kondenzator C integratora. Logički sklop G propušta impulse, brojilo za to vrijeme izbroji Nx impulsa. Kad izlazni napon ui integratora dosegne ništicu, zatvara se sklopka S i komparator K0 mijenja stanje u „0“, pa logički sklop G ne propušta više impulse iz oscilatora u brojilo. SREDNJA VRIJEDNOST mjerenog napona je

ux=U r

N x

N0

Te nije ovisna o elementima R i C integratora kao niti o stalnosti frekvencije oscilatora.

2.7.3. Pretvornik s postupnim približavanjem

Ovaj se pretvornik još naziva „STUPNJEVANI PRETVORNIK“ i „PRETVORNIK SA SUKCESIVNOM APROKSIMACIJOM“. NAČELO RADA SLIČNO JE ONOME KOD KOMPENZATORA. STALNA POMOĆNA

STRUJA Ip teče kroz binarno stupnjevane otpore, premoštene sklopkama. Mjereni napon Ux

uspoređuje se s padom napona Uk što ga pomoćna struja Ip stvara na otporima. Da je usporedba načinjena pokazuje komparator K, na čiji je izlaz priključen upravljački sklop za otvaranje i zatvaranje sklopki.

Slika 7. Analogno-digitalni pretvornik s postupnim približavanjem: a) načelo, b)vremenski dijagram

2.7.4. Paralelni pretvornik

Ovim se pretvornikom koji se na engleskome naziva „flash“, napon najbrže pretvara iz analognoga u digitalni oblik. Sastavljen je od niza paralelno vezanih komparatora. U načelu, pretvornik sa n bita ima 2n -1 komparatora, pa 8 bitni pretvornik ima 225 komparatora. Najčešće se dodaje još jedan komparator radi registracije preljeva, tj.prekoračenja mjernog opsega. Na slici 8. Prikazana je načelna shema 3 bitnog paralelnog pretvornika. Referentni napon Ur podijeljen je pomoću precizne otporničke mreže u 7 referentnih razina, od 1 V do 7 V. Komparatori na kojima je ulazni napon U u

jednak ili veći od Ur imat će izlaz „1“, a oni sa Uu<Ur izlaz „0“.

Slika 8. Pojednostavljena shema paralelnoga analogno-digitalnog pretvornika

To znači da pri ulaznom naponu nižem od 1 V svi komparatori imaju na izlazu „0“. Kada je U u između 1V i 2V, izlaz K1 je „1“, a ostali „0“ između 2V i 3 V, izlazi K1 i K2 su „1“ itd. Izlazi komparatora spojeni su na pretvornik kodova na čijem se izlazu dobije binarni broj.