DENEY NO : 2 DENEY ADI : Sayısal Sinyallerin Analog Sinyallere Dönüştürülmesi

Transkript

1 DENEY NO : 2 DENEY ADI : Sayısal Sinyallerin Analog Sinyallere Dönüştürülmesi DENEYİN AMACI :Bir sayısal-analog dönüştürücü işlemini anlama. DAC0800'ün çalışmasını anlama. DAC0800'ı kullanarak unipolar ve bipolar çıkışların nasıl üretileceğini incelemek. DENEY HAKKINDA TEORİK BİLGİLER: Sayısal-analog dönüştürücüler (DAC'ler veya D/A dönüştürücüler), sayısal sinyallerin (aktarılan verilerin, ortam üzerinde saklanan verilerin veya hesaplama sonuçlarının, kontrol, bilgi ekranı) analog işleme için analog sinyallere dönüştürülmesinde kullanılır. Sayısal-Analog Dönüştürücünün Çalışması Kısaca D / A dönüştürücüler, sayısal sistemlerin dış dünya ile iletişim kurduğu cihazlardır. Bir DAC, sayısal giriş durumlarını analog çıkış voltajlarına veya akımlarına dönüştürür. 4-bitlik DAC'ın şematik görünümü Şekil 2-1 (a) 'da gösterilmiştir. Şekil 2-1 (a) DAC'ın şematik görünümü Şekil 2-1 (b) Doğruluk Tablosu Sayısal girişler D3, D2, D1 ve D0 genellikle bir sayısal sistemin register çıkışı tarafından sürülür. Şekil 2-1 (b), 4-bit DAC'nin doğruluk tablosunu göstermektedir. Her bir 1

2 SAYISAL HABERLEŞME SİSTEMLERİ LABORATUVARI DENEY FÖYÜ giriş binary sözcük, tek bir ayrık analog çıkış değeri üretir. Dönüştürücünün çıkış aralığında, çıkışın giriş ile bire bir karşılık geldiği sıfır dâhil 2 4 veya 16 farklı voltaj değeri üretilir. Şekil 2-2 DAC blok Diyagram Şekil 2-2, bir DAC blok diyagramını göstermektedir. DAC hassas bir referans gerilim kaynağı, sayısal olarak kontrol edilen anahtarlar, direnç ağı ve bir OP-AMP içerir. Direnç ağındaki her direnç, direnci referans gerilimi Vref'e bağlayan dijital olarak kontrol edilen bir anahtara bağlanır. Her bir direncin diğer ucu OP-AMP'nin toplam noktasına bağlanır. Sayısal giriş durumları anahtarların durumunu belirler ve OP-AMP DAC çıkışını; analog çıkış akımı Iout ve analog çıkış voltajına Vout a dönüştürür. DAC devresinin ana konfigürasyonu direnç ağıdır. Ağırlıklandırılmış dirençli ağ ve R- 2R merdiven direnç ağı şeklinde İki popüler türü vardır. Ağırlıklı direnç yöntemi, her toplanan direncin değerinin seri anahtarın çalıştırılmasına neden olan dijital bit ağırlığı ile ters orantılı olduğu kabul edilir. Ağırlıklı direnç tekniği basitlik ve yüksek hız avantajlarına sahiptir. Yüksek çözünürlüklü DAC tasarımlarının uygulanmasında güçlüklerden biri çok geniş bir direnç yelpazesine ihtiyaç duyulması ve çok yüksek değerli dirençlerin hem sıcaklık kararlılığı hem de anahtarlama hızı ile ilgili sorunlara neden olmasıdır. Dirençler entegre devre (IC) formunda imal edilecekse böyle bir aralık tam anlamıyla pratik olmayacaktır. R-2R merdiven metodunun avantajı, dirençlerin sadece iki değerinin (R ve 2R) gerekli olması ve bunun sonucunda eşleme veya düzeltmenin kolay olmasıdır. 2

3 Şekil bit R-2R merdiven DAC Şekil 2-3; 4 bitlik bir R-2R merdiven DAC devresini göstermektedir. Direnç ağı, R'nin seri dirençlerinden ve 2R'lik şönt direncinden oluşur. R-2R merdiven konfigürasyonunun gözlemlenmesi, A, B, C ve D noktalarının herhangi bir noktasında direncin sağa bakan kısmının 2R olduğunu ortaya koymaktadır. Bu nedenle merdiven konfigürasyonunun referans girişi bir R direncine sahiptir. Bu özelliğe göre, çıkış akımı aşağıdaki şekilde türetilebilir: I V ref / R I D I / 2 I C I D / 2 I / 4 I B I C / 2 I / 8 I A I B / 2 I /16 Iout I D + IC+IB+IA=I ((D3/2)+(D2/4)+(D1/8)+(D0/16)) D3, D2, D1, ve D0 ın değerleri anahtarların konumlarına göre ya 1 yada 0 olabilir. 3

4 SAYISAL HABERLEŞME SİSTEMLERİ LABORATUVARI DENEY FÖYÜ Giriş Ağırlığı Bir DAC için, her bir dijital giriş kendi ağırlığına sahiptir. Bu ağırlık, bit 1 olduğu zamanki analog çıkış değeridir. Şekil 2-1(a) da ki 4-bit DAC devresini düşünelim. Eğer, D0=1, D1=D2=D3=0 ise 1V analog çıkış değeri D0 ın ağrılığıdır. Benzer olarak, D1, D2 ve D3 ün ağırlıkları sırası ile 2V, 4V ve 8V dur. Sonuç bir analog çıkış elde etmek için, basit olarak bu ağırlıklar toplanır. Örnek olarak, 0111 dijital giriş için analog çıkış gerilimi Vout, 4+2+1=7V olmalıdır. Çözünürlük ve Adım Aralığı DAC çözünürlüğü, dijital giriş bir birim değiştiği zaman analog çıkıştaki en küçük değişim olarak tanımlanır. Genellikle bir LSB ağırlığı kadardır. Şekil 2-1(b) ye göre her bir dijital girişteki bir birimlik artış, Vout da 1V luk bir analog değer artışına sebep olur. Dolayısıyla, bu DAC ın çözünürlüğü 1V dur. Şekil 2-4 Merdiven rampalı DAC 4

5 Çözünürlük, diğer bir deyişle adım aralığı yada adım ağırlığı olarak da anılmaktadır. Şekil 2-4 de gösterilen 4-bit lik merdiven rampalı DAC devresini düşünelim. Girişteki her birim artış, çıkışta 1V luk bir gerilim artışı oluşturmaktadır. Adım ağırlığı olarak adlandırılan, çıkıştaki adımlar arasındaki fark, tam olarak 1V dur. DAC0800 Sayısal-Analog Çevirici DAC 0800, pahalı olmayan monolitik 8-bit lik bir DAC dır. Bu DAC, referans gerilim kaynağı, R-2R merdiven (ladder) ve transistör anahtarlar içermektedir. Şekil 2-5 te DAC0800 ün pin konfigürasyonu gösterilmektedir. Şekil 2-5 DAC0800 pin konfigürasyonu DAC0800 ün güç kaynağı gereksinimi, ±4.5 V dan ±18 V a kadar olan gerilimlerdir. ±5 VDC güç kaynağı ve 85ns. yerleşme süresi için 33mW lık güç tüketimi söz konusudur. Iout (pin 4) ve Iout (pin 2) tamamlayıcı akım çıkışları ile DAC0800, tek kutup yada çift kutup çıkışlı olarak kullanılabilir. Şekil 2-6, DAC0800 ve µa741 kullanılarak gerçekleştirilen tek kutup gerilim çıkışlı DAC devresini göstermektedir. Vref(-), R2 direnci üzerinden toprağa bağlanmıştır. Pozitif referans kaynağı +5V, R1 direnci üzerinden Vref(+) ya uygulanmıştır. Dolayısıyla, R1 direnci üzerinden akan Iref referans akımı şu şekilde bulunabilir; Iref = Vref/R1; Çıkış akımı ise; ile hesaplanır. (1) 5

6 SAYISAL HABERLEŞME SİSTEMLERİ LABORATUVARI DENEY FÖYÜ Şekil 2-6 DAC0800 tek kutuplu gerilim çıkışlı devre Iout, çeviricinin çıkışından akan akım olup bu akım daha sonra µa741 ile çıkış gerilimine çevrilir. Vout çıkış gerilimi şu şekilde belirlenebilir; V out I out R 3 (2) Şekil 2-7 de çift kutuplu (bipolar) gerilim çıkışlı DAC0800 devresi gösterilmiştir. Iout pini, toprağa bağlanmak yerine Şekil 2-6 da gösterildiği gibi µa741 in evirici olmayan girişine bağlanır. Bu nedenle, µa741 in çıkış gerilimi şu şekilde hesaplanabilir; V out (I out- I out )R4 (3) Iout ve Iout tamamlayıcı akım çıkışlarıdır. Tanıma göre, tüm akım skalası IFS = I out +I out şeklinde ifade edilebilir. I out= IFS- I out (4) 6

7 Şekil 2-7 DAC0800 çift kutuplu gerilim çıkışlı devre (4) de olan denklemi (3) de olan denklemin yerine koyarsak aşağıdaki eşitliği elde ederiz. V out 2I out R 4 I FS R 4 (5) Deney 2-1 DAC0800 Tek Kutuplu Gerilim Çıkışlı Devre Deneyin Yapılışı: 1. KL Modülünde DAC0800 Tek Kutuplu Dijital-Analog Dönüştürücü devresini bulun ve DAC0800 Iout(pin4) çıkışını, µa741 girişine(pin2) bağlamak için J1 e bağlantı konnektörünü bağlayınız. 2. Adım aralığını hesaplayın ve Tablo 2-1 e kaydedin. 3. D0 dan D7 ye kadar olan anahtarları pozisyonlarını doğrulamak için ayarlayın. ( 0 =GND, 1 =+5V) 4. (1) ve (2) denklemlerini kullanarak Iout çıkış akımı ve Vout çıkış gerilimini hesaplayınız. Tablo 2-1 e kaydediniz. 5. J1 den bağlantı konnektörünü çıkartınız. DAC0800 ve µa741 arasına DMM akım ölçeri bağlayarak Iout değerini ölçünüz. Sonucu Tablo 2-1 e kaydediniz. 6. DMM yi kaldırın ve J1 e bağlantı konnektörünü tekrar bağlayın. DMM voltmetresini kullanarak µa741 çıkış(o/p) gerilimi Vout değerini ölçün. Sonucu Tablo 2-1 e kaydedin. 7

8 SAYISAL HABERLEŞME SİSTEMLERİ LABORATUVARI DENEY FÖYÜ 7. Tablo 2-1 de sıralanan dijital kodları izleyin, D7 den D0 a kadar olan anahtarları değiştirin. 5. ve 6. adımları sırasıyla tekrarlayın. Sonuçları Tablo 2-1 e kaydedin. Deney 2-2 DAC0800 Çift Kutuplu Gerilim Çıkışlı Devre 1. DAC0800 çift kutup gerilim çıkışlı sayısal-analog çevirici devreyi KL modülü üzerine yerleştiriniz. J1 ve J2 ye bağlantı konnektörünü bağlayınız. 2. Adım aralığını hesaplayın ve Tablo 2-2 e kaydedin. 3. D0 dan D7 ye kadar olan anahtarları pozisyonlarını doğrulamak için ayarlayın. ( 0 =GND, 1 =+5V) 4. (1) ve (5) denklemlerini kullanarak Vout çıkış gerilimini hesaplayınız. Tablo 2-2 ye kaydediniz. 5. DMM kullanarak Vout çıkış gerilimini ölçün ve Tablo 2-2 ye kaydedin. 6. J1 den bağlantı konnektörünü kaldırın. J1 e DMM bağlayarak çıkış akımı Iout değerini ölçün ve sonucu Tablo 2-2 ye kaydedin. 7. J2 den bağlantı konnektörünü çıkarıp J1 e bağlayın. J2 ye DMM bağlayarak Iout çıkış akımını ölçün. Sonucu Tablo 2-2 ye kaydedin 8. Iout + Iout değerini hesaplayın ve sonucu Tablo 2-2 ye kaydedin. 9. Tablo 2-2 de sıralanan sayısal kodları izleyin, D7 den D0 a kadar olan anahtarları değiştirin. 5. ve 8. adımları sırasıyla tekrarlayın. Sonuçları Tablo 2-2 ye kaydedin. Tablo 2.1 8

9 Tablo 2.2 9