Συστήματα Ψηφιακών Ηλεκτρονικών Θεωρία ΚΕΦ 11

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 11

ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣD/A ΚΑΙ A/D

l 11.1 Εισαγωγή.l 11.2 Σύστημα λήψης, επεξεργασίας και διανομήςδεδομένων.

l 11.3 μετατροπέας D/A.l 11.4 Κυκλώματα μετατροπέων D/A.

• 11.4.1 Μετατροπέας D/A τύπου R/2R.• 11.4.2 Μετατροπέας D/A σε ολοκληρωμένο κύκλωμα.

l 11.5 Χαρακτηριστικά μετατροπέων D/A.l 11.6 Μετατροπέας A/D.l 11.7 Κβάντιση και δειγματοληψία σήματος.l 11.8 Κυκλώματα μετατροπέων A/D.

• 11.8.1 Μετατροπέας A/D διαδοχικών προσεγγίσεων.• 11.8.2 Μετατροπέας A/D σε ολοκληρωμένο κύκλωμα.

l 11.9 Χαρακτηριστικά μετατροπέων A/D.l 11.10 Εφαρμογές μετατροπέων D/A και A/D.

12/2/2012 ΛΕΥΘΕΡΟΥΔΗΣ ΘΕΟΔΩΡΟΣΠΕ17.08

3

11.1. Εισαγωγή

l Με την ανάπτυξη των υπολογιστικώνσυστημάτων δόθηκε η δυνατότητα τηςψηφιακής επεξεργασίας δεδομένων τα οποίααναπαριστούν φυσικές παραμέτρους, όπωςθερμοκρασία, πίεση, κ.λ.π.

l Αναλογικά συστήματα ελέγχου (controlsystems) και συλλογής δεδομένων (dataacquisition) αντικαθίστανται σε μεγάλο βαθμόαπό ψηφιακά.


4


l Το αναλογικά σήματα μεταβάλλονται καιπαίρνουν διάφορες τιμές στην διάρκεια τουχρόνου.

l Τα ψηφιακά σήματα μεταβάλλονται καιπαίρνουν συγκεκριμένες τιμές στην διάρκειατου χρόνου.

l Ένα παράδειγμα είναι το μονοπάτι (αναλογικό)και η σκάλα (ψηφιακό).


5


l Δύο είναι τα απαραίτητα ηλεκτρονικάκυκλώματα για την μετατροπή των σημάτωναπό αναλογικά σε ψηφιακά και αντίστροφα.

l Ο μετατροπέας αναλογικού σήματος σεψηφιακό (Analog to Digital Converter ή ADC ήA/D).

l Ο μετατροπέας ψηφιακού σήματος σεαναλογικό (Digital to Analog Converter ή DACή D/A).

11.2 Συστήματα λήψης, επεξεργασίας καιδιανομής δεδομένων


8

1. Φυσική παράμετρος

l Η φυσική παράμετρος (ποσότητα) η οποίαθέλουμε να μετρηθεί.

l Θερμοκρασία, πίεση, βάρος, τάση, ρεύμα,ταχύτητα, απόσταση, κ.λ.π.

l Θα πρέπει να μετατραπεί σε ένα αναλογικόηλεκτρικό μέγεθος. (τάση, ρεύμα).


9

2. Μετατροπή

l Η μετατροπή γίνεται με το διαμετατροπέα(transducer), ο οποίος περιέχει έναν αισθητήρα(sensor) και τα απαραίτητα ηλεκτρονικά κυκλώματα.

l Ο αισθητήρας είναι συνήθως ένα στοιχείο τουοποίου μεταβάλλεται κάποιο από τα ηλεκτρικά τουχαρακτηριστικά (αντίσταση, χωρητικότητα,αυτεπαγωγή, κ.λ.π) ανάλογα με την μεταβολήκάποιου φυσικού μεγέθους που ασκείτε πάνω του(πίεση, θερμοκρασία, υγρασία, κ.λ.π.).


11

2. Μετατροπή

l Αισθητήρες υπάρχουν σε πολύ μεγάληποικιλία και παρουσιάζουν πλεονεκτήματα καιμειονεκτήματα ανάλογα με την εφαρμογή.

l Φωτοκύτταρα (photocells), φωτοδίοδοι(photodiodes), thermistors, θερμοζεύγη(thermocouples), μικρόφωνα (microphones)κ.λ.π.


13

3. Προσαρμογή του σήματος

l Είναι ηλεκτρονικά κυκλώματα προσαρμογής σήματος(signal conditioning).

l Τα οποία προσαρμόζουν τα χαρακτηριστικά τουαναλογικού σήματος (πλάτος, περιοχή συχνοτήτων,κ.λ.π) στα χαρακτηριστικά του σήματος που μπορείνα μετατρέψει ο μετατροπέας A/D.

l Π.χ : μπορεί να χρειάζεται ενίσχυση του σήματος έτσιώστε να είναι μέσα στα όρια που μπορεί ναμετατρέψει ο A/D, ή να απορριφθούν κάποιες υψηλέςσυχνότητες μέσου ενός φίλτρου. (anti-aliasing filter).


15


16

4. Αναλογικός πολυπλέκτης(analog multiplexer AMUX)

l Χρησιμοποιείται μόνο όταν έχουμεπερισσότερες από μία αναλογικές εισόδουςπου θέλουμε να ψηφιοποιήσουμε.

l Η λειτουργία του είναι ίδια με αυτή τουψηφιακού πολυπλέκτη μόνο που τα σήματαείναι αναλογικά.

l Με την εφαρμογή της διεύθυνσης επιλογήςκαναλιού επιλεγούμε ένα από τα σήματαεισόδου.


18

5. Κύκλωμα δειγματοληψίας καισυγκράτησης (Sample and Hold – S/H)

l Μπορούμε να το φανταστούμε σαν ένα κύκλωμαπυκνωτή του οποίου το ένα άκρο είναι σταθεράσυνδεδεμένο στην γείωση του συστήματος και τοάλλο άκρο συνδέεται πότε στην έξοδο τουπολυπλέκτη και πότε στην είσοδο του μετατροπέαA/D.

l Το αποτέλεσμα είναι ο A/D να έχει στην είσοδο τουπάντα ένα σταθερό σήμα που αντιπροσωπεύει μιαχρονική στιγμή του αναλογικού σήματος που θέλουμενα ψηφιοποιηθεί.

l Εισάγει μια μικρή χρονική καθυστέρηση για ναπρολάβει ο A/D να κάνει την μετατροπή.


20

6. Ο μετατροπέας A/D

l Στην είσοδό του δέχεται ένα αναλογικό σήμακαι στην έξοδό του παράγει μια ψηφιακή λέξηπου αποτελείται πάντα από ένα συγκεκριμένοαριθμό bits.

l Τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά του είναι :l Ο αριθμός των bits.l Το πλάτος του εφαρμοζόμενου αναλογικούσήματος.

l Και ο απαιτούμενος χρόνος για την μετατροπή.


22

7. Ο επεξεργαστής

l Θα επεξεργαστεί ή και θα αποθηκεύσει ταψηφιακά δεδομένα, ανάλογα με το πρόγραμμαλειτουργίας του.

l Θα δώσει εντολές σε άλλα συστήματα.l Θα απεικονίσει τα αποτελέσματα σε οθόνη.l Κ.λ.π.

11.2 Συστήματα λήψης, επεξεργασίαςκαι διανομής δεδομένων


24

1. Ο μετατροπέας D/A

l Εδώ γίνεται η μετατροπή από ψηφιακόσε αναλογικό σήμα.


25

2. Αναλογικός αποπολυπλέκτης(Analog demultiplexer - ADEMUX

l Μεταφέρει στην επιλεγμένη έξοδο τοσήμα του μετατροπέα D/A.

l Με τον τρόπο αυτό μπορούμε ναελέγξουμε περισσότερες από μιαδιατάξεις με έναν μόνο μετατροπέα.


26

3. Αναπαραγωγή S/H

l Η αναλογική έξοδος παραμένει σταθερή για τοχρονικό διάστημα που η έξοδος του μετατροπέα D/Aδεν έχει ακόμη σταθεροποιηθεί.

l Χρησιμοποιούμε στην συνέχεια κυκλώματαπροσαρμογής σήματος τα χαρακτηριστικά του οποίουπροσαρμόζονται σε αυτά της διάταξης εξόδου τηνοποία θα οδηγήσουμε.

l Μέσα σ’ αυτά τα κυκλώματα περιλαμβάνεται και έναφίλτρο απόρριψης υψηλών συχνοτήτων πουοφείλονται στην μετατροπή. (reconstruction filter).


28

4. Διάταξη εξόδου

l Είναι οτιδήποτε θέλουμε να ελέγξουμε.l Θερμοστάτη.l Ρελέl Φώταl Κλιματισμόςl Στάθμη υγρού σε δεξαμενήl Κ.λ.π

Παράδειγμα.Συστήματα ελέγχου κλειστού βρόγχουclosed loop control systems)


30

11.3 Μετατροπέας D/A

l Ένας μετατροπέας ψηφιακού σήματος σεαναλογικό (D/A ή DAC) δέχεται στιςψηφιακές εισόδους του μία ψηφιακή λέξηκαι παράγει στην αναλογική του έξοδο μιαανάλογη προς τις εισόδους τάση ή ρεύμα.

l Η τάση εξόδου του γράφεται ως το δεκαδικόισοδύναμο του δυαδικού αριθμού πουεφαρμόζεται στις εισόδους.

11.3 Μετατροπέας D/A

Vout=Vmes*(b0*20+b1*21+b2*22+…+bN-1*2N-1)Όπου Vmes είναι η ελάχιστη μεταβολή της αναλογικής τάσηςεξόδου λόγω της αλλαγής της ψηφιακής εισόδου κατά τολιγότερο σημαντικό bit (LSB) και ονομάζεται ανάλυση μέτρησηςτου μετατροπέα D/A. Και υπολογίζεται όταν όλα τα ψηφία είναι«1» από την σχέση :

Vmes=ΔV / 2N-1Όπου ΔV = η διαφορά μέγιστης καιελάχιστης τάσης λειτουργίας τουμετατροπέα και Ν ο αριθμός των bits

Παράδειγμα 1l Έστω ότι έχουμε ένανμετατροπέα D/A των τριώνbits και περιοχή τάσηςλειτουργίας από 0V έως 7V.

l Η ανάλυση μέτρησης θαείναι : Vmes=ΔV/2N-1= 7V-0V/23-1=7V/8-1=7V/7=1V.

l Για κάθε συνδυασμό τωντριών bits εφαρμόζουμε τηνσχέση (11.2.1.) και έχουμε :

71116011510140013110201011000000

Vout(V)b0b1b2

Παράδειγμα 1l Χρησιμοποιώντας τον αυτόν τον μετατροπέαμια αναλογική ημιτονοειδής κυματομορφή.


34

Παράδειγμα 2

l Έστω ότι έχουμε έναν μετατροπέα D/A των 4bits ο οποίος όταν η δυαδική είσοδος τουμεταβάλλεται κατά ένα LSB η τάση εξόδου τουμεταβάλλεται κατά 0,1 V. Ποια είναι ηαναλογική του έξοδος για την ψηφιακή είσοδο«1011» ;

l Το Vmes=0,1 V.l Σύμφωνα με την σχέση (11.2.1) έχουμε :l Vout=0,1*(1*1+1*2+0*4+1*8)=1,1 V.

Παράδειγμα 3l Έχουμε έναν D/A των 4 bits με Vmes=0,1 V.l Δέχεται στις εισόδους του τις εξόδους ενός δυαδικούαπαριθμητή των 4 bits.

l Ο απαριθμητής μετράει από το «0000» έως το«1111».

l Άρα ελάχιστη τάση Vout=0 V & μέγιστη Vout+1,5 V.


36

11.4 Κυκλώματα μετατροπέων D/A.11.4.1 Μετατροπέας D/A τύπου R/2R.

l Ένας μετατροπέας D/A τύπου R/2R των 2 bits,αποτελείται από έναν τελεστικό ενισχυτή (ΤΕ)και αντιστάσεις δύο τιμών R=10 KΩ και 2R=20KΩ.


37

11.4.1 Μετατροπέας D/A τύπουR/2R.

l Έχει πολύ μεγάλο κέρδος (gain).l Μικρή αντίσταση εξόδου.l Μεγάλη αντίσταση εισόδου.l Έχει δύο εισόδους : αναστρέφων (-) και μηαναστρέφων (+).

l Όταν ένα μέρος της τάσης εξόδου επιστρέφει στηναναστρέφουσα είσοδο (αρνητική ανατροφοδότησηnegative feedback) τότε οι δύο είσοδοι θα βρίσκονταιστο ίδιο δυναμικό (δηλαδή η διαφορά δυναμικούμεταξύ τους θα είναι μηδέν)

11.4.1 Μετατροπέας D/A τύπου R/2R.l Η μη αναστρέφουσα είσοδος είναι γειωμένη.l Άρα η αναστρέφουσα είσοδος διατηρείται στα 0 V.Επειδή αυτή η είσοδος δεν είναι στην πραγματικότηταγειωμένη ονομάζεται εικονική γη (virtual ground).

11.4.1 Μετατροπέας D/A τύπου R/2R.l Όλοι οι διακόπτες αρχικά βρίσκονται στην γη.l Στην συνέχεια ο D1 MSB συνδέεται στα 5 V. Η τάσηαυτή ονομάζεται τάση αναφοράς (reference voltage).

l Ο D0 στην γη άρα R1 και R2 παράλληλα και σε σειράμε R4.

11.4.1 Μετατροπέας D/A τύπου R/2R.l Λόγω εικονικής γης στην αντίσταση Req η διαφοράδυναμικού είναι μηδέν άρα το ρεύμα είναι μηδέν.

l Η τάση των +5 V στην R3 παράγει ρεύμα 0,25 mAπου διαρρέει την RF.

l Άρα η τάση εξόδου θα είναι : V0=-Ix*RF=-5 V.

11.4.1 Μετατροπέας D/A τύπου R/2R.l Για να βρούμε την τάση που παράγεται από το

LSB bit γειώνουμε τον D1 και συνδέουμε στα+5 V τον D0.

11.4.1 Μετατροπέας D/A τύπου R/2R.l Το κύκλωμα απλοποιείται με το ισοδύναμο κατά Thevenin.l Ένα κύκλωμα μπορεί να αντικατασταθεί από μία πηγή και μίααντίσταση σε σειρά.

l Η αντίσταση Thevenin προκύπτει αν υποθετικά βραχυκυκλώσουμεόλες τις πηγές τάσης.

l Δηλαδή R1 // R2=R η R3 αγνοείτε γιατί και τα δύο άκρα της είναιγειωμένα.

11.4.1 Μετατροπέας D/A τύπου R/2R.l Η τάση Thevenin προκύπτει ως τάση στονκόμβο όπου το κύκλωμα συνδέεται με άλλακυκλώματα.

l Δηλαδή 5 V/2=2.5 V επειδή έχουμε δύο ίσεςαντιστάσεις.

11.4.1 Μετατροπέας D/A τύπου R/2R.l Η ολική αντίσταση μεταξύ της αναστρέφουσαςεισόδου και της πηγής Thevenin είναι 2R=20 KΩ.

l Το ρεύμα προς την αναστρέφουσα είσοδο πουπερνάει από τη RF θα είναι 0,125 mA και θα παράγειμια τάση εξόδου -2,5 V.

11.4.1 Μετατροπέας D/A τύπου R/2R.l Άρα όταν D0 και D1 είναι «1» έχουμε συνολικήτάση εξόδου Vo=(-5V-2.5V)=-7.5V

l Για οποιοδήποτε συνδυασμό των διακοπτώνμπορούμε να υπολογίσουμε την τάση εξόδουως εξής :

l Vo=-RF*(D1/2R+D0/4R)*5V=l -5V*(D1+Do/2)=l -2.5V*(D0*20+D1*21)l Σήμερα οι κατασκευαστές των μετατροπέων

D/A χρησιμοποιούν αντί για αντιστάσεις,δικτυώματα πυκνωτών.


46

11.4.2 Μετατροπέας D/A σε Ο.Κl Οι μετατροπείς D/A στο εμπόριο υπάρχουν σε μεγάληποικιλία ανάλογα με τα χαρακτηριστικά τους.

l Αριθμός bits.l Μέγιστη τάση εξόδου.l Διακριτική ικανότητα.l Ταχύτητα.l Κ.λ.π.l Ως προς τον κώδικα της ψηφιακής εισόδου :l Δυαδικό.l Συμπλήρωμα ως προς δύο.l BCD.l Κ.λ.π.


47

11.4.2 Μετατροπέας D/A σε Ο.Κ

l Ένας κοινός μετατροπέας είναι ο DAC0808της National Semiconductors.

l Είναι των 8 bits.l Η αναλογική του έξοδος είναι ρεύμα και γι’αυτό συνδέουμε εξωτερικά και έναν ΤΕ 741 μεRF=1 KΩ. Για την μετατροπή σε τάση.


Vo=(Vref/Rref)*Rf*(A1/2+A2/4+A3/8+A4/16+A5/32+A6/64+A7/128+A8/256)

11.4.2 Μετατροπέας D/A σε Ο.ΚΤο Α1 είναι το MSB.

Το Α8 είναι το LSB.

Η τάση αναφοράςτοποθετείται εξωτερικάστα +5 V. Ενώ μερικάΟ.Κ την παράγουνεσωτερικά.

Επίσης ορισμένα Ο.Κ οΤ.Ε κατασκευάζεταιεσωτερικά και η έξοδοςτου Ο.Κ είναι τάση.



51

11.5 Χαρακτηριστικάμετατροπέων D/A

l Διακριτική ικανότητα (resolution). Είναι ο αριθμόςτων bits της λέξης εισόδου.

l Όσο μεγαλύτερη είναι τόσο μεγαλύτερος είναι οαριθμός των υποδιαιρέσεων της περιοχής τάσηςλειτουργίας του και επομένως τόσο μικρότερο τοβήμα (σκαλοπάτι) της τάσης που μπορεί να παράγει.

l Το κόστος αυξάνεται όσο μεγαλύτερη είναι ηδιακριτική ικανότητα.

l Π.Χ ένας D/A των 8 bits έχει 256 υποδιαιρέσεις.


52


l Ακρίβεια (accuracy). Είναι η διαφορά τηςπραγματικής εξόδου από την ιδανική.

l Η ακρίβεια καθορίζεται ως ένα ποσοστό τηςπεριοχής τάσης λειτουργίας (Full Scale Range –FSR) του μετατροπέα.

l Π.Χ εάν ένας μετατροπέας έχει περιοχή τάσηςλειτουργίας από 0 – 10 V και ακρίβεια 0.2% τότε τομέγιστο σφάλμα για οποιαδήποτε έξοδο θα είναι 20mV (10V*0.2/100).

l Δηλαδή θα έχουμε ένα σφάλμα + - 20 mV.


53


l Χρόνος αποκατάστασης (Settling time).Είναι ο χρόνος από την στιγμή πουεφαρμόζεται στις εισόδους του η ψηφιακήλέξη μέχρι την στιγμή που εμφανίζεται ηαντίστοιχη αναλογική έξοδος.

l Αποτελεί μέτρο της ταχύτητα του.


54

11.6 Μετατροπέας A/D

l Ένας μετατροπέας αναλογικού σήματοςσε ψηφιακό (A/D ή ADC) δέχεται στηναναλογική του είσοδο μία αναλογικήτάση και παράγει στις ψηφιακές τουεξόδους έναν δυαδικό αριθμό ανάλογοτης τάσης εισόδου.

l Είναι η ανάστροφή διαδικασία από τονμετατροπέα D/A.

11.6 Μετατροπέας A/Dl Στην είσοδο του μετατροπέα τοποθετούμε τηναναλογική τάση και στις Ν ψηφιακές εξόδουςπαίρνουμε έναν αριθμό ανάλογο της τάσης εισόδου.

l Για κάθε σταθερή τάση έχουμε έναν δυαδικόαριθμό, ώστε να ισχύει για το δεκαδικό τουισοδύναμο η σχέση :

l Vin=q*(b0*20+b1*21+b2*22+…+bN-1*2N-1)


56

11.6 Μετατροπέας A/Dl Ο όρος q εκφράζει την ελάχιστη μεταβολή τηςαναλογικής τάσης εισόδου η οποία μετατρέπεται σεμεταβολή του λιγότερου σημαντικού bit (LSB) καιονομάζεται βήμα κβάντισης (quantisation step) τουμετατροπέα A/D.

l Υπολογίζεται και από την προηγούμενη σχέσηθέτοντας όλα τα ψηφία «1».

l q=ΔV/2N-1.l Όπου ΔV είναι η διαφορά μέγιστης από την ελάχιστητάση λειτουργίας του μετατροπέα.

l Και Ν ο αριθμός των bits του μετατροπέα.


57

11.6 Μετατροπέας A/D

l Ψηφιακή είσοδος έναρξης της μετατροπής(Start Of Conversion – SOC).

l Ψηφιακή έξοδος λήξης της μετατροπής(End Of Conversion – EOC).

l Η είσοδος SOC είναι είσοδος ελέγχου με τηνοποία ξεκινά η διαδικασία μετατροπής και ηενεργοποίηση της γίνεται με την εφαρμογήενός παλμού.


58

11.6 Μετατροπέας A/D.παράδειγμα

l Μετατροπέας A/D 4 bits, q=0,1V.l Ποια είναι η ψηφιακή λέξη για 1,1V ;l Ποια είναι η ψηφιακή λέξη για 1,03V ;l Σύμφωνα με την σχέση (11.6.1) για 1,1V έχουμε

1,1V/0,1V=(11)10=(1011)2

l Για είσοδο 1,03V έχουμε 1,03V/0,1V=10,3 οπλησιέστερος ακέραιος είναι το (10)10=(1010)2

l Άρα το σφάλμα στην πρώτη περίπτωση είναι 0V καιστην δεύτερη είναι -0,03V.


59

11.7 Κβάντιση και δειγματοληψίασήματος

l Η διαδικασία αντιστοίχησης του αναλογικού σήματοςσε ψηφιακό ονομάζεται κβάντιση (quantisation) τουσήματος.

l Και το κύκλωμα με το οποίο πραγματοποιείται είναι ομετατροπέας A/D.

l Ένα αναλογικό σήμα είναι μια συνεχής συνάρτησηστο πεδίο του πλάτους. Δηλαδή μπορεί να πάρειάπειρες τιμές πλάτους.

l Αν σε κάθε τιμή αντιστοιχίσουμε ένα δυαδικό αριθμόμε συγκεκριμένο αριθμό bits τότε το σήμα έχειμετατραπεί σε ψηφιακό.


60


l Επειδή είναι συγκεκριμένος ο δυαδικός αριθμός δενμπορούμε να πάρουμε άπειρες τιμές από το σήμαάρα θα πρέπει να πάρουμε κάποιες συγκεκριμένεςτιμές.

l Αυτές περιορίζονται σε συγκεκριμένες περιοχές μεκαθορισμένο πλάτος.

l Για κάθε τέτοια περιοχή αντιστοιχεί μία μόνο ψηφιακήτιμή.

l Το πλάτος της κάθε περιοχής είναι το βήμακβάντισης.


61


l Η διαδικασία με την οποία το αναλογικό σήμααναπαρίσταται με δείγματα σε συγκεκριμένα χρονικάδιαστήματα ονομάζεται δειγματοληψία (sampling)του σήματος.

l Ένα αναλογικό σήμα είναι μια συνεχής συνάρτησηστο πεδίο του χρόνου. Δηλαδή παίρνει άπειρες τιμέςσε συνάρτηση με τον χρόνο.

l Η ψηφιακή αναπαράσταση ενός αναλογικού σήματοςθα γίνεται με δείγματα σε συγκεκριμένες χρονικέςστιγμές συγκεκριμένου μήκους.


62


l Το ηλεκτρονικό κύκλωμα με το οποίο γίνεταιη δειγματοληψία είναι το κύκλωμαδειγματοληψίας και συγκράτησης S/H.

l Ο σταθερός αριθμός των δειγμάτων στηνμονάδα του χρόνου ονομάζεται ρυθμόςδειγματοληψίας (sampling frequency) καιμετριέται σε δείγματα ανά δευτερόλεπτο(samples/sec).


63


l Η μετατροπή του αναλογικού σήματος σεψηφιακό περιλαμβάνει δύο διαδικασίες :

1. Τη δειγματοληψία, παίρνει τιμές σεσυγκεκριμένες χρονικές στιγμές καιπραγματοποιείται με το κύκλωμα S/H.

2. Την κβάντιση, με την οποία παίρνεισυγκεκριμένες τιμές και πραγματοποιείται μετον μετατροπέα A/D.

παράδειγμα


65

11.8 κυκλώματα μετατροπέωνA/Dl Μετατροπείς A/D υπάρχουν σε μεγάλη ποικιλίασε Ο.Κ και σε χαρακτηριστικά.

l Για να κατανοήσουμε τα κυριότεραχαρακτηριστικά τους και τις βασικές αρχέςλειτουργίας τους θα πρέπει να τουςαναλύσουμε κυκλωματικά τον τρόποκατασκευής τους.

l Ο πλέον συνηθισμένος και με πολλέςεφαρμογές είναι ο A/D διαδοχικώνπροσεγγίσεων.


66

11.8.1 Μετατροπέας A/Dδιαδοχικών προσεγγίσεων

l Μετατροπέας A/D διαδοχικών προσεγγίσεων (successiveapproximation).

l Καρδιά του κυκλώματος είναι ο καταχωρητής διαδοχικώνπροσεγγίσεων (SAR – Successive ApproximationRegister).

l Όλο το κύκλωμα αποτελείται από τα εξής επιμέρους :l Κύκλωμα χρονισμού και ελέγχου, Buffer εξόδου, SAR,Έναν DAC, Και έναν τελεστικό ενισχυτή.

l Επιπρόσθετα μπορούμε να προσθέσουμε το κύκλωμαρολογιού.

l Και κύκλωμα παραγωγής συχνότητας δειγματοληψίας.

11.8.1l Στην αρχή λειτουργίαςτου κύκλουμετατροπής, με τονπρώτο παλμό τουρολογιού, ο SAR θέτειτο MSB στηνκατάσταση «1» καιενημερώνει τον DAC μετο περιεχόμενό του.Στην συνέχεια ο SARπεριμένει σήμα από τοσυγκριτή Vc, ο οποίοςσυγκρίνει την έξοδο τουDAC Vα’ με το σήμαεισόδου Vα.

Αναλογικήείσοδος

Είσοδος έναρξηςμετατροπής

Ψηφιακήέξοδος

Έξοδος σήματοςτερματισμούμετατροπής

11.8.1l Ο συγκριτής είναι έναςΤΕ χωρίς ανάδραση.

l «1» όταν Vα>=Vα’l «0» όταν Vα<=Vα’l Το «1» σημαίνει ότι ηέξοδος του DAC είναιμικρότερη από τηντάση εισόδου και οSAR κρατάει το MSBτου σε κατάσταση «1».

l Το «0» σημαίνει ότι ηέξοδος του DAC είναιμεγαλύτερη από τηντάση εισόδου και οSAR μηδενίζει το MSBτου.

είσοδος ΈξοδοςDAC

Έξοδος σήματοςσύγκρισηςΤΕ

11.8.1l Με τον επόμενο παλμόρολογιού ο SAR θα εξετάσει τοδεύτερο πιο σημαντικό ψηφίο.

l Θα είναι «1» ή «0» ανάλογα μετην έξοδο του συγκριτή. Κ.Ο.Κμέχρι να φτάσει στο LSB, γιακάθε ένα ψηφίο χρειάζεται καιένας παλμός ρολογιού.

l Όταν τελειώσουν όλα τα bitsτότε η έξοδος EOC δηλώνει τοτέλος της μετατροπής. Και ότιστην έξοδο υπάρχει ηδυαδική λέξη πουαντιπροσωπεύει τηναναλογική είσοδο.

Έξοδος σήματοςτερματισμούμετατροπής

Αναλογικήείσοδος

Ψηφιακήέξοδος

11.8.1l Αν η έξοδος EOCσυνδεθεί με τηνείσοδο SOC τότε ομετατροπέας θαδουλεύει συνεχώς.

l Διαφορετικά στηνείσοδο SOCσυνδέουμε τοκύκλωμα παραγωγήςτης συχνότηταςδειγματοληψίας με τηνοποία θέλουμε ναδειγματολειπτήσουμετο αναλογικό σήμα.

11.8.1 παράδειγμα5 bits, 0,1 V βήμακβάντισης, αναλογικήείσοδος 2,52 V

MCP3001 2.7V 10-BitA/D Converter withSPI™ Serial Interface

11.8.2 μετατροπέας A/D σε Ο.Κ.l Μετατροπέας A/Dδιαδοχικών προσεγγίσεωντων 8 bits ADC0801 τηςNational Semiconductors.

l Στους ακροδέκτες Vin+ &Vin- συνδέεται ηαναλογική τάση. Στηναπλούστερη χρήση τουτην αναλογική τάση τηνσυνδέουμε στο Vin+ ενώτο Vin- συνδέεται στηναναλογική γη (Pin 8).

l Όταν η τάση τροφοδοσίαςVcc είναι 5 V τότε ηαναλογική μπορεί ναμεταβάλλεται από 0 – 5V.

11.8.2 μετατροπέας A/D σε Ο.Κ.l Είσοδος επιλογής CS.l Όταν είναι «1» τότε ομετατροπέας είναιηλεκτρικάαποσυνδεδεμένος. Οιέξοδοι των δεδομένωνείναι σε κατάσταση (Hi-Z).

l Έξοδοι δεδομένωναπό D7 MSB – D0LSB.

11.8.2 μετατροπέας A/D σε Ο.Κ.l ΕίσοδοςWR.l Αντιστοιχεί στην είσοδοSΟC, όταν «0» αρχίζειη μετατροπή, όταν «1»μετατρέπεται η τάση σεψηφιακή λέξη.

l Είσοδος RD.l Ανάγνωση τωνδεδομένων τουμετατροπέα.

11.8.2 μετατροπέας A/D σε Ο.Κ.l Το Ο.Κ διαθέτει εσωτερικήγεννήτρια ρολογιού, για νατην ενεργοποιήσουμεσυνδέουμε εξωτερικά μιααντίσταση και ένανπυκνωτή στις εισόδουςCLK R & CLK IN.

l F=1/(1,1*R*C).l Αν θέλουμε νασυνδέσουμε εξωτερικόρολόι τότε το συνδέουμεστο CLK IN.

l 100 KHz – 640 KHz.l Max 1460

11.8.2 μετατροπέας A/D σε Ο.Κ.l Έξοδος INTR.l Αντιστοιχεί στην EOC καιδηλώνει το τέλος τηςμετατροπής, όταν πάρει τηλογική τιμή «0».

l Το Ο.Κ διαθέτειξεχωριστές γειώσεις για τααναλογικά (pin 8) και γιατα ψηφιακά τουκυκλώματα (pin 10). Ολόγος είναι νααποφεύγονται οι θόρυβοιτης ψηφιακής γείωσηςπου επηρεάζουν τααναλογικά με αποτέλεσμαμείωση των επιδόσεων.

11.8.2 μετατροπέας A/D σε Ο.Κ.l Είσοδος Vref/2.l Αυτή η είσοδοςχρησιμοποιείται, όταν ημέγιστη προς μετατροπήτάση είναι μικρότερη από 5V.

l Όταν αυτός ο ακροδέκτηςδεν συνδέεται τότε η τάσητου είναι 2,5V.

l Π.Χ. εάν στην είσοδο αυτήεφαρμόσουμε τάση 2V τότε ημέγιστη προς μετατροπήτάση θα είναι 4V.

l Το βήμα κβάντισης για τάσηεισόδου 5V θα είναι 5V/(28-1)=19,6mV

11.8.2 μετατροπέας A/D σε Ο.Κ.


80

11.9 Χαρακτηριστικάμετατροπέων A/D.

l Διακριτική ικανότητα (resolution).l Είναι ο αριθμός των bits που χρησιμοποιεί ομετατροπέας για να αναπαραστήσει ένα αναλογικόσήμα.

l Όσο μεγαλύτερη είναι, τόσο μεγαλύτερος είναι οαριθμός των υποδιαιρέσεων της περιοχής της τάσηςλειτουργίας του και επομένως τόσο μικρότερο το βήμακβάντισης.

l Π.Χ μετατροπέας 8 bits – διακριτική ικανότητα 8 bits –αριθμός υποδιαιρέσεων 256 (28) – βήμα κβάντισης για4 V είναι 4V/255=15mV.


81


l Ακρίβεια (accuracy).l Εννοούμε τη διαφορά της πραγματικής εξόδου απότην ιδανική.

l Η ακρίβεια καθορίζεται ως ένα ποσοστό της περιοχήςτάσης λειτουργίας (Full Scale Range – FSR) τουμετατροπέα.

l Π.Χ. μετατροπέας με περιοχή τάσης λειτουργίας από0 – 10 V και ακρίβεια 0,2%, τότε το σφάλμα θα είναι10V*0,2/100=20mV, δηλαδή για οποιαδήποτε τάσηεισόδου μπορεί να έχουμε ένα σφάλμα + - 20mV.


82


l Χρόνος μετατροπής (conversion time).l Είναι ο χρόνος που απαιτείται για την ψηφιοποίησητης αναλογικής τάσης.

l Αποτελεί μέτρο της ταχύτητας ενός μετατροπέα καιείναι συνήθως ανάλογος του αριθμού των bits.

l Ο χρόνος μεταξύ των διαδοχικών δειγμάτων τηςεισόδου του θα πρέπει να είναι μεγαλύτερος από τοχρόνο μετατροπής. Δηλαδή η περίοδος τηςσυχνότητας δειγματοληψίας θα πρέπει να είναιμεγαλύτερη από το χρόνο μετατροπής.


83

11.10 Εφαρμογές μετατροπέωνD/A & A/D

l Συστήματα ελέγχου (control systems).l Στα συστήματα αυτά το ψηφιακό σύστημα παίρνειπληροφορίες από το σύστημα το οποίο ελέγχειμετρώντας κάποιες παραμέτρους (θερμοκρασία,πίεση, κατάσταση κ.λ.π) οι οποίες ψηφιοποιούνταιμέσω A/D.

l Στην συνέχεια τα ψηφιακά δεδομένα ταεπεξεργαζόμαστε με υπολογιστικά συστήματαχρησιμοποιώντας κατάλληλα για την εφαρμογήπρογράμματα.


84


l Το ψηφιακό σύστημα ανάλογα με της μετρήσεις και τοπρόγραμμα λειτουργίας επεμβαίνει στο σύστημαμέσω ενός D/A ρυθμίζοντας κάποιες παραμέτρους.

l Με βάση αυτές τις αρχές λειτουργούν από τα πιοαπλά έως τα πιο σύνθετα συστήματα.

l ABS : μέσω αισθητήρων μετράμε την ταχύτηταπεριστροφής των τροχών, πορεία του αυτοκινήτου. Σεπερίπτωση φρεναρίσματος ρυθμίζει αυτόματα τοφρενάρισμα σε κάθε τροχό ώστε το όχημα να μηνσταματήσει και να παραμείνει στην πορεία του.


86


l Συστήματα συλλογής δεδομένων (dataacquisition systems).

l Στα συστήματα αυτά συλλέγουμε μετρήσειςαπό κάποιες παραμέτρους τοπικά (σεισμικήδραστηριότητα, ταχύτητα ανέμου κ.λ.π),ψηφιοποιούνται με A/D, επεξεργάζονται καιαποθηκεύονται σε ένα υπολογιστικό σύστημα,είτε μεταδίδονται σε κεντρικά συστήματα.


88


l Συστήματα μετρήσεων.l Σε οποιοδήποτε είδους εργαστηρίου σήμερασυναντάμε συστήματα ψηφιακώνεργαστηριακών μετρήσεων.

l Ψηφιακούς παλμογράφους, πολύμετρα,αξονική – μαγνητική τομογραφία,υπερηχογραφήματα, ανάλυσης αίματος, κ.λ.π.

l Υψηλές επιδόσεις – μικρό κόστος.


90


l Συστήματα επικοινωνίας.l Τα ψηφιακά συστήματα επικοινωνιών έχουνεπικρατήσει λόγω αξιοπιστίας στην ψηφιακήμετάδοση και λήψη πληροφοριών.

l Επειδή έχουν μόνο δύο στάθμες, 0,1επηρεάζονται λιγότερο από θορύβους.

l Τηλεφωνία σταθερή και κινητή, σύνδεση Η/Υμε modem, ψηφιακή TV, κ.λ.π.


91


l Συστήματα πολυμέσων.l Εγγραφή και αναπαραγωγή :l Ήχου, εικόνας, φωτογραφίας, κυκλώματαοδήγησης οθονών Η/Υ κ.λ.π.

Education

Συστήματα Ψηφιακών Ηλεκτρονικών Θεωρία ΚΕΦ 11