Četvorobitni A/D konvertor tipa kvant po kvant

 

 

  A/D konvertori se skoro tri decenije koriste u mernoj tehnici. Od sredine sedamdesetih godina, kada je, nakon naglog razvoja mikroprocesora, sve više funkcija, koje su ranije bile rezervisane za analgnu elektroniku u linearnom domenu, pocelo da se realizuje digitalnim, ili kombinacijom digitalnih I analognih kola, A/D konvertori su takođe počeli naglo da se razvijaju. Danas se digitalnim uređajima obrađuje slika, prenosi, snima I reprodukuje ton, realizuju servo sistemi I upravlja sistemima generalno, mere, prikupljaju I obrađuju podaci. U svim ovim sistemima je nepohodna konverzija pojave koja se digitalizuje I obrnuto.

  U zavisnosti od dinamičke promene pojave koja se digitalizuje I obrađuje, primenjuju se A/D konvertori odgovarajuće brzine. Tako se za obradu video slika u radarskoj I TV tehnici koriste najbrži konvertori, paralelni A/D konvertori. Za audio tehniku, prenos I obradu dinamičke, konvertor srednje  ili male brzine, dok se za merne instrumente uglavnom koriste konvertori malih brzina ali velike tačnosti I rezolucije. Zajedničko za konvertore je da treba da imaju mogućnosti sprege sa računarom, tako da svi veći proizvođači A/D konvertora izrađuju integrisane konvertore koji imaju, pored mreže koja obezbeđuje samu konverziju, i logičke sklopove.

Slika 1. Struktura A/D konvertora

 

  A/D konvertor koristi postupak sukcesivne konverzije. Proces konverzije počinje sa start signalom u kolu sinhronizacije i upravljanja, I sadržaj izlaznog registra se postavlja na brojnu vrednost, koja je jednaka polovini opsega unutar koga se nalazi ulazni analogni napon. Ta binarna reč se preko pojačavača nivoa i sabirača konvertuje u analogni napon, koji se poredi sa ulaznim signalom. Izlaz komparatora će odgovoriti da li analogni signal pripada gornjoj ili donjoj polovini opsega. U daljem koraku, polovina opsega u kojoj je bio napon, postaje pun opseg: ako je ranije napon bio u gornjoj polovini, tada ce MSB na izlazu ostati 1, a ako ne – MSB se brise.

  Sekvencijalni brojač je prstenast brojač koji jednu jedinicu pomera u krug. Vreme konverzije zavisi od tražene rezolucije konverzije. Dok traje konverzija ulazni napon ne bi trebalo da se menja. Ako je ulazni napon brzopromenljiv, potrebno ga je propustiti kroz kolo zadrške nultog reda, koja će ga zadržati dok se ne izvrši konverzija.
 

 

  Generalno, diskretizacija signala po amplitudi može da se obavi upoređivanjem odmerka sa poznatim naponom, koji se zove referenca, na tri nacina:

1. KVANT PO KVANT – Broji se koliko se puta kvant ΔV sadrži u odmerku s(t_n) – brojačka konverzija. Analogija sa premeravanjem nepoznate dužine sa pantljikom od 1m bez sitnijih podeoka. Osobine: spor, jednostavan hardver.
2. BIT PO BIT – U n uzastopnih trenutaka vremena određuje se svaka od n binarnihcifara (bita) u digitalnoj reči D_n. Analogija sa premeravanje nepoznate dužine sa n pantljiki čije su dužine 1m, 2m, 4m, 8m,…, (2ⁿ-1)m i koje se porede jedna po jedna sa s(t_n). Osobine: po brzini i složenosti hardvera kompromis između 1. i 3. tipa.
3. ODMERAK PO ODMERAK – U jednom trenutku t_n, određuje se digitalna reč D_n. Analogija sa premeravanjem nepoznate dužine tako što se raspolaže sa sa 2n-1 pantljika dužina 1m, 2m, 3m, 4m, 5m, 6m,…, (2ⁿ-1)i koje se istovremeno prislone i uporede sa s(t_n). Osobin: brz (trenutan), složen hardver.

 

 

  Postoje različite realizacije konvertora kvant po kvant. Danas se najšire koristi konverzija sa dvojnim nagibom koja se analizira u nastavku. Hteo bih da napomenem da se danas koristi sigma-delta konverzija kao specijalna realizacija brojačke A/D konverzije sa složenom logikom za brzu predikciju I praćenje konvertovanog signala.

 

Slika 2.Blok- šema bojacke A/D konverzije sa dvojnim nagibom

 

  Početno stanje konvertora je: prazan kondenzator C, resetovan brojač, zatvoren prekidač P1 I otvoren P2. Napon Vc raste iznad nule, komparator K = L1 i impulsi PT  periode Tp prolaze u brojač koji poseduje izlaz OF na kome se pojavljuje impuls kada brojač izbroji sva stanja (N=2n= OSNOVA BROJANJA, gde je “n” broj bita konvertora):

Kada brojač izbroji sva stanja, napon vc(t) ima vrednost:

   Sada se otvara P1 I zatvara P2, napon na Vc je i dalje pozitivan, ali se smanjuje. To znači da je K=L1 I dalje I da brojač nastavlja brojanje od nule.To stanje traje dok napon vc(t) stigne do nule kada je K=L0 I brojanje brojača prestaje. Zatečeno stanje brojača Nx se računa iz uslova da se napon vc(t) smanji od vc(T) do nule:

   Rezultat konverzije se dobija na izlazima brojača nezavisno od apsolutne tačnosti I dugotrajne stabilnosti perioda takta Tp, kapacitivnosti C I otpornosti R.Ostaje samo uticaj naponske reference VR ,što je I teorijski minimum.

 

   

Slika 3. Šema realizacije četvorobitnog A/D konvertora

 

  Realizacija koju smo ostvarili se napaja sa 5V jednosmernog napona, preko naponskog razdelnika sačinjenog od šesnaest otpornika jednake otpornosti (10k), povezanih na informacione ulaze multipleksera (MUX 16/4). U zavisnosti od napona koji mi podešavamo (opseg 0-5V), postavljaju se selekcioni ulazi multipleksera, a u zavisnosti od selekcionih ulaza dobijamo signal na izlazu multipleksera koji ide u komparator mikrokontrolera. Daljim podešavanjem napona u opsegu (0-5V) u jednom momentu će komparator registrovati opadajuću ivicu I izvršiti A/D konverziju. I daje određeno ispisivanje na sedmosegmentnom displeju. Koristili smo displeje od 2mA da bi se mogli direktno vezati na mikrokontroler. Mikrokontroler je ATMEL ATTINY 2313. 

 

  Kod za mikrokontroler možete preuzeti ovde.