ANALOG SAYISAL DÖNÜŞTÜRÜCÜ DENEYİ TÜMLEŞİK (ENTEGRE) ADC DEVRESİ İLE

Transkript

1 1 Deneyin Amacı: ANALOG SAYISAL DÖNÜŞTÜRÜCÜ DENEYİ TÜMLEŞİK (ENTEGRE) ADC DEVRESİ İLE Analog Sayısal Dönüştürücüleri (Analog to Digital Converter, ADC) tanımak ve kullanmaktır. Sayısal elektronik devrelerinin en önemli öğelerinden biri olan işaretlerin doğal işaretlerin sayısal formunun oluşturulması ve dolayısı ile işlenip saklanmasının kolaylaşmasını sağlayan ADC lerin kullanımı önemli mühendislik bilgi ve tecrübesi gerektirir. Giriş: Analog/Sayısal dönüştürücülerin kullanımı eşlenik devreleri olan Sayısal/Analog dönüştürücülere benzmekle birlikte biraz daha karmaşıktır. Şekil 1. de bir ADC nin blok diyagramı verilmiştir. Enbüyük giriş gerilimi, V REF+ Endüşük giriş gerilimi, V REF- Analog besleme, V A İkiye Tümleyen çıkış, TC Entegre seçme, CS V CC Sayısal Çıkışların Beslemesi Meşgül Çıkışı, BUSY Dönüştürme Tamam, INTERRUPT Giriş gerilimi Hatalı, OF/UF D 0 (LSB) D 1 Analog Giriş, V I Saat Girişi, CLK ADC D SAYISAL ÇIKIŞLAR Çıkış Yetkilendirme, OE D N- D N-1 (MSB) AGND DGND Şekil 1. Bir ADC nin giriş ve çıkış uçları

2 ADC ler saat girişi (CLK) indeki işaretin yükselen yada düşen kenarında örnekledikleri işareti T S örnekleme periyodu içinde sayısal bilgiye dönüştürerek çıkışa verirler. Örneklemenin başlangıcından dönüştürmenin tamamlanmasına kadar sürede BUSY çıkışı lojik 1 seviyesinde, INTERRUPT çıkışı lojik 0 seviyesinde kalır. Dönüştürme tamamlanınca BUSY işareti 0 ve INTERRUPT işareti 1 seviyesini alır. Eğer giriş gerilimi V REF(-) den küçük veya V REF(+) dan büyük ise bu durumda overflow/underflow (OF/UF) çıkışı lojik 1 olur. BUSY, INTERRUPT ve OF/UF çıkşları harici cihaza ADC nin gönderdiği kontrol çıkışlarıdır. ADC lerde toprakları da farklı iki besleme olur. Analog taraf (V A, AGND) ile beslenirken, sayısal taraf (V CC, DGND) ile beslenir. Analog beslemenin toprağı, AGND, ile sayısal tarafın toprağı, DGND, sadece bir noktada birleştirilir. Bu iki gerilim sayısal taraftaki gürültülülü işaretlerin analog taraftaki işaretleri bozmamasını sağlamak için gereklidir. ADC entegrelerindeki, entegre seçme girişi, CS (Chip Select,lojik 0 iken aktif/seçilmiş), entegrenin çalışmaya başlamasını sağlamak için, çıkış yetkilendirme girişi, OE (Output Enable, lojik 0 iken aktif), ise normalde çıkışları yüksek empedansla izole edilmiş çıkışları aktif hale getirerek dönüştürülmüş datayı dışarı vermek için kullanılır. İkiye tümleyen girişi, TC (lojik 0 iken aktif), çıkşların normal ikili sayı sisteminde yada ikiye tümleyen sayı sisteminde mi çıkışların oluşturulacağını belirler. Örneğin 8 bitlik bir ADC için ikili sayı çıkşları en düşük 0 ( ) ve en büyük 55 ( ) olurken ikiye tümleyen sayı sisteminde en düşük sayı 18 ( ) ve en büyük sayı +17 ( ) olur ve (= ) 1(= ) 0 (= ) dır. ADC lerde dönüştürme işlemi için değişik uygulamalar vardır. Bunlar dönüştürme yöntemine göre başarılı yaklaşım (successive approximation rate, SAR), doğrudan karşılaştırmalı (FLASH) ve birde sayıcı ile yapılan daha çok eğitim amacı ile kullanılan rampa fonksiyonlu dönüştürücü şeklinde sıralanır. SAR tekniği giriş gerilimini ikiye bölüp referans geriliminin yarısı ile karşılaştırarak en anlamlı biti belirleyen, daha sonra giriş gerilimini dörde bölerek referans gerilimlerinin dörtte biri ile karşılaştırarak en anlamlı ikinci biti belirkeyerek dönüştürme işlemeini nisbeten adım adım yaparak bütün çıkış bitlerini belirleyen bir yöntemdir. FLASH dönüştürücüler referans gerilimine doğrudan bağımlı olmayan çok hızlı bir diğer dönüştürme methodudur, ancak SAR yöntemine göre daha hatalı dönüştürme yaparlar. ADC lerin çıkşları genelde paraleldir, ancak son zamanlarda bağlantıdan ve alandan tasarruf etmek için SPI, SCI ve IC gibi seri haberleşme

3 3 protoköllleri kullanarak sadece üç yada 4 uç ile çıkışları gönderebilen modelleri üretilmiştir. Seri haberleşmeyi destekleyen ADC ler daha çok çift kanallı (stero) ADC ve çift kanallı (stero) DAC ünitelerinin tek bir entegre devreye konulması sonucu oluşturulan 16 veya daha fazla bitlik CODEC devrelerinde kullanılmaktadır. ADC lerin çalışma prensibi Şekil de anlatılmıştır. V REF(+) Analog Giriş, V I V REF(-) CLK Örnekleme Periyodu, T S Örnekleme zamanı Dönüştürme zamanı Kod kaçırma, dönüştürme hatası oluşur BUSY INTERRUPT ÇIKIŞLAR D7D6D5D4D3DD1D0 Dk= Dk+1= Dk+= Dk+3= Dk+4= Çıkışta gözğkmez Dk+5=00hh00hh Hatalı bitler Dk+6= Şekil ADC nin çalışma presnibi. Çıkış datalarının analog karşılığı

4 4 Şekil de gösterildiği gibi ADC lerde tanımlanmış hata vardır. Şekil de gösterilen saatteki faz hatasından dolayı oluşan kod kaçırma hatasıdır. Dönüştürme eşik seviyeleri farkından dolayı oluşan hatalara dönüştürme hatası denir ve ±1 LSB veya ±1/ LSB olarak verilir. Aşağıdaki tanımlamalar ADC için bilinmesi gereken değerlerdir. Bit Sayısı: N 1 Sayısal Çözünülürlük= N V REF + ) V REF Analog Çözğnülürlük=analog adım büyüklüğü= N V REF ) V Offset voltaj dğeri= + ( + REF ( ) ( ( ) Hata oranı=±1/ LSB (SAR tipleri için), ±1 LSB (FLASH tipi) Örnekleme Frekansı= 1 Örnekleme _ Periyodu N 1 ) En iyi SNR, (En iyi işaret gürültü oranı)= 0 log( Hata _ oranı Örneğin 8 bitlik ve ±1 LSB olan bir ADC için SNR=4 db dir. Bunun anlamı SNR=4 db den daha hassas bir ölçüm için bu ADC uygun bir ADC değildir. Diğer bir deyişle ±1 LSB olan bir ADC adım büyüklüğünden daha hassas düzeyde bir ölçümü gerçekleştiremez. Bu ±1/ LSB değerinde hataya sahip olan ADC ler için adım büyüklüğünün yarısıdır. Diğer yandan SNR değeri ADC nin SNR sinden çok küçük olan işaretlerde ADC nin anlamsız bitlerinin bir kaçının değeride anlamını kaybeder. Örneğin laboratuvarda oluşan herhangibir işaretde 35 milivolt gürültü gerilimi gözlenebilmektedir. V REF(+) =5 V, V REF(-) =0 V ve hatası ±1 LSB olan 8 bitlik bir ADC nin adım büyklüğü 19 mv olur ve bu ADC nin anlamsız iki biti yanlış değer gösterir. ADC nin SNR değeri için, ±1 LSB hatasında SNR=6x(N-1) db ve ±1/ LSB için SNR=6xN db olarak yaklaşık formüller kullanılır. Şekil 3 ve 4 de ADC0804 ADC entegresinin serbest saatle (kendi saati ile) çalışma devresi verilmiştir. ADC0804 saat girişinin sekiz periyodunda dönüştürme yapar, dolayısı ile örnekleme başlangıcında WR ucu lojik sıfır seviyesine çekilir ve bırakılır. Bu andan itibaren eğer WR ucu dönüştürme tamam INTR (lojik 0 iken aktif) ucuna bağlanırsa ADC kendi kendine dönüştürme yapmaya devam eder. Bir mikroişlemci ile

5 5 ADC0804 dönüştürücü kullanılacaksa bu uçlar mikroişlemci tarafından denetlenir. Şekil 3. ADC0804 entegresininin uygulama devresi ve bağlantı uçları Entegre seçme ucu CS OutputEnab le ile aynı RD Örneklemeyi başlat WR Saat Girişi CLK INTR Analog Giriş + ucu V I + Analog Giriş - ucu V I - AGND V REF / DGND ADC V CC CLKR D0 D1 D D3 D4 D5 D6 D7 Saat geribesleme Girişi Şekil 4. ADC08404 ün bağlantı uçları ve saatinin çalışması.

6 6 Deneyin Yapılışı (DENEY SETİ ÜZERİNDE KURULU BULUNAN DAC0808 UYGULAMA DEVRESİNİ DEĞİŞTİRMEYİNİZ, SÖKMEYİNİZ) 1. Şekil 3 deki ADC0804 uygulama devresini kurunuz.. Devrenin çıkışlarını deney setindeki led bağlantı uçlarına bağlayınız. Led bağlantı uçlarını deney sorumlusundan öğreniniz. 3. Analog giriş devresini deney seti üzerindeki potansiyometreyi kullanarak aşağıdaki gibi oluşturunuz. AC Giriş V 10 µf 1 KΩ Osiloskop CH1 Gürültü azaltma kapasitesi C =1 µf (deney için) V IN(+) V IN(-) ADC0804 Avometre 4. Devreye enerji veriniz ve WR ucunu bir anahtar yardımıyla yada el ile AGND ye bağlayıp sonra serbest bırakınız (Çoğu kez bu işlem gerekmez) 5. ADC0804 ün V REF / ucundaki gerilimi ölçünüz. V REF /=? 6. Çıkışların hepsinin lojik 0 seviyesinde olduğu giriş gerlimini ölçünüz. V I,MIN =? == V REF(-) 7. Çıkışların hepsinin lojik 1 seviyesinde olduğu giriş gerlimini ölçünüz. V I,MAX =? == V REF(+) 8. Aşağıdaki tabloyu doldurunuz.

7 7 Giriş Gerilimi\Çıkışlar Gözlemlenen D 7 D 6 D 5 D 4 D 3 D D 1 D 0 Gözlemlenen Sayısal değer Olması Gereken/Hesaplanan D 7 D 6 D 5 D 4 D 3 D D 1 D 0 Hesaplanan Sayısal Değer 0 V 0.0 V 0. V.5 V 4.5 V 5 V TABLO I. 9. ADC girişinin potansiyometre kullanarak.5 V DC seviyesine getiriniz. Tepeden tepeye çıkış gerilimi Vpp= V olan bir AC işareti (işaret kaynağı kullanarak) yukarıda 3. maddedeki devrede gösterilen AC girişine uygulayınız. Deney setindeki ledlerin üzerinden giriş alan DAC0808 entegresinin çıkşını osiloskobun ikinci kanalına CH bağlayınız. Giriş yaptığınız işareti CH1 ve CH işaret izlerinden osiloskopta gözlemleyiniz. 10. ADC0804 entegresi normalde f CLK =6.67 khz dönüştürme hızı vardır. AC giriş işaretinin frekansını 50 Hz e getirerek aiağıdaki diyagrama osiloskopta gözlemlediğiniz giriş ve çıkış işaretlerini çiziniz. (Bu deney esnasında giriş gerliminin DC seviyesinin.5 Volt olması gerekmektedir. AC işaret kaynağı ve bağlantısını deney sorumlusundan öğreniniz)

8 8 11. AC giriş işaretinin frekansını 1.5 khz e getirerek osiloskopta gözlemlediğiniz işareti aşağıdaki diyagrama çiziniz. 1. CS ve RD uçlarının işlevlerini bu uçları ayrı ayrı lojik 0 ve lojik seviyelerine çekerek elde ediniz. CS ucunun işlevi: RD ucunun işlevi: Araştırma Soruları: 1.Analog veri ile sayısal veri arasında ne fark vardır?.dac entegrelerinde çıkış yetkilendirme ucu yok iken ADC entegrelerinde çıkış yetkilendirme ucu neden zorunlu olarak mevcuttur? 3.ADC lerde saat girişine neden ihtiyaç duyulur? 4.Analog veriyi saklama ile sayısal veriyi saklama arasında ne gibi farklar vardır? 5.ADC ve DAC larda analog devre beslemesi ve sayısal devre beslemesi kavramları ne için kullanılır? 6. AC ve DC işaretlerini nasıl toplarsınız?