DENEY NO : 1 DENEY ADI : Analog Sinyallerin Sayısal Sinyallere Dönüştürülmesi DENEYİN AMACI : Analogdan sayısala çevrimde çeviricinin işleyişini anlama. ADC0804 ve ADC0809'un özelliklerini anlama. ADC0804 ve ADC0809 uygulamalarını anlama. DENEY HAKKINDA TEORİK BİLGİLER: Analog-dijital dönüştürücüler (ADC), genellikle sürekli voltaj veya akım olan analog ölçümlerden elde edilen verileri; hesaplama, veri iletimi, bilgi işleme, depolama ve kontrol sistemlerinde kullanmak için sayısal ifadelere dönüştürür. Sayısal sinyallerin; depolanması, kolaylıkla hata ayıklanması (çeşitli kodlama tekniklerini kullanarak) ve neredeyse gürültüsüz olması bu dönüşümün avantajını ortaya koymaktadır. Analog-Sayısal Dönüştürücünün Çalışması Şekil 1-1, ideal bir 3-bit ADC'nin transfer karakteristiğini göstermektedir. 0 ila 1 V arasındaki analog giriş aralığı 8 ayrı aralığa bölünerek nicemlenir. Her verilen aralıktaki tüm analog değerler, nominal orta değerine karşılık gelen aynı sayısal kodla gösterilir. Bu nedenle, analogdan sayısala dönüşüm sürecinde doğal bir nicemleme belirsizliği veya nicemleme hatası ± 1/2 en düşük belirleyici bit (LSB) vardır. Bu nicemleme belirsizliğini azaltmanın tek yolu, bit sayısını arttırmaktır. Q, kuantalama değeri (kuantizasyon değeri), ADC tarafından çözülebilen veya ayırt edilebilen en küçük analog farktır. Şu şekilde ifade edilebilir: FS, [(2 n -1 )/2 n ] e eşit olan tam skala aralığıdır ve 2 n sayısal çıkış bitleri n tarafından belirlenen çözünürlüktür. Böylece, n değeri ne kadar yüksek olursa, çözünürlük de o kadar yüksek olur. Genel olarak, ADC üreticileri çözünürlük olarak bit birimini gösterir; örneğin, ADC0804 ün çözünürlüğü teknik kılavuzda 8 bit ile ifade edilir. A/D dönüştürücüleri için dijital rampa, ardışık yaklaşım, flaş ve izleme türleri gibi çok sayıda devre tasarımı vardır. Ardışık yaklaşım, deneylerimizde kullanılan tek ADC türüdür ve bu nedenle ardışık yaklaşım ADC işlemi aşağıdaki gibi ifade edilir. (1) 1
SAYISAL HABERLEŞME SİSTEMLERİ LABORATUVARI DENEY FÖYÜ Şekil 1-1 İdeal 3-bit ADC transfer karakteristiği Şekil 1-2, 8-bit ardışık yaklaşım ADC'nin blok diyagramını göstermektedir. Çalışma prensibi şu şekilde ifade edilir. Örnek tutma (S/H veya S&H) devresi, dönüştürme başlamadan önce belirli bir zamanda mevcut olan analog giriş voltajı Vi'yi korumak ve dönüşüm periyodu boyunca sabit tutmak (herhangi bir değişikliği önlemek için ) için kullanılır. Kontrol lojik, register ın en önemli bitini (MSB) D7'yi 1'e set eder, diğer tüm bitler 0'a ayarlanır. Dijitalanalog dönüştürücü (DAC veya D/A), ikili kodları V (D) analog çıkışına dönüştürür ve bu parametreler şu şekilde ifade edilebilir DAC çıkışı V (D) referans voltajının (Vref) yarısıdır. Karşılaştırıcı, analog giriş Vi ile V(D)'yi karşılaştırır. Eğer Vi>V(D) ise, D7 1 de kalır. Vi <V(D) ise, D7'den 1 silinir ve bir sonraki en anlamlı bit D6'da denenir. Dolayısıyla, Vi'nin binary eşdeğeri elde edilene kadar regiter çıkışlarının her bir bitinde 1 denenir. (2) 2
Şekil 1-2 Bir ardışık yaklaşım ADC'nin blok diyagramı Analog-Sayısal Dönüştürücü - ADC0804 20 pinli çift hatlı bir paket olan ADC0804, ardışık yakınsama ilkesinde çalışan 8 bit ADC'dir. Başlıca özellikleri, tekli 5V güç kaynağı, 0V ila 5V analog giriş voltaj aralığı, 15 mw güç dağıtımı ve 100 μs dönüştürme zamanıdır. ADC0804'ün çözünürlüğü 8 bit olduğundan analog giriş 2 8 veya 256 ayrık aralıklara bölünür. 5V referans gerilimi ile her aralık 5/256 = 0.01953V değerini temsil eder. Böylece, 00000000 (00H) sayısal çıkış kodu 0.00V'luk bir analog giriş voltajına karşılık gelir ve 11111111 (FFH) 4.9805V'yu temsil eder. Tam ölçekli, ofset ve doğrusal olmayan hatalar içeren düzeltilmemiş hata, ± 1 LSB veya 0.01953 V'dur. Şekil.1-3 ADC0804 pin konfigürasyonu 3
SAYISAL HABERLEŞME SİSTEMLERİ LABORATUVARI DENEY FÖYÜ ADC0804'ün bağlantı şeması Şekil 1-3'de gösterilmektedir. Veri D0-D7 çıkış portundan okunduğunda, hem CS hem de RD'nin kombinasyonu düşükse, 3-durumlu çıkış latchlerinin 8-bit dijital çıkışları sağlamasına imkan verir. CS veya RD'nin birisi yüksekse, D0 ila D7 çıkışları sabit olmaz. ADC0804 dönüştürücü, CS ve WR'nin aynı anda düşük olmasına bağlı olarak başlatılır. Bu, 8 bitlik registeri sıfırlar. WR yükseldiğinde, dönüştürücü dönüştürme işlemini başlatır. CLK IN (pin 4), frekansı 100 ila 800kHz arasında olan saat darbelerinin giriş pinidir. INTR pini, dönüşüm sırasında yüksek kalır ve dönüşüm tamamlandıktan sonra yüksekten düşüğe geçiş yapar. Analog diferansiyel giriş voltajı Vin (+) ve Vin (-) pinlerine uygulanır. Eğer tek uçlu giriş isteniyorsa, Vin (-) topraklanmalıdır. AGND analog sinyalin ve DGND sayısal sinyalin toprağıdır. Referans geriliminin Vcc pinine uygulanan voltajın yarısı olduğuna veya Vref / 2 pininde harici olarak uygulanan voltaja eşit olduğuna dikkat edin. Şekil 1-4 ADC0804'ün dahili clock jeneratörü ADC0804'ün clock u, CLK IN'e (pin 4) bağlı harici bir kaynaktan türetilebilir veya kendi kendine çalışmasını sağlamak için harici bir RC ağı eklenebilir. Şekil 1-4'de gösterildiği gibi, ADC ye clock sağlamak için harici bir RC ağı CLK R (pin 19) ve CLK IN (pin 4) pinlerine bağlanır. Clock frekansı aşağıdaki ifade ile bulunabilir. (3) Şekil 1-5, ADC0804'lü bir analog-sayısal çeviriciyi göstermektedir. Analog giriş sinyali Vin (+) girişine bağlanır ve genlik VR2 tarafından kontrol edilir. Başka bir giriş Vin (-) toprak bağlantılıdır. Vref/2'ye (pin 9) referans voltajı, +5V un R1, R2 ve VR1 i içeren gerilim bölücü ile sağlanır. C1 ve R3 kombinasyonu, clock frekansını belirler. ADC'yi etkinleştirmek için CS (pin 1) ve RD (pin 2) doğrudan toprağa bağlanır. Kolaylık sağlamak için, denememizdeki kontrol sinyalini taklit etmek için WR (pin 3) ve INTR (pin 5) SW1 anahtarına bağlanır. 4
Şekil 1-5 ADC0804 ADC devresi Analog-Dijital Dönüştürücü - ADC0809 28-pin çift hatlı paket olan ADC0809, 8-kanallı multipleksırlı ardışık yaklaşım tekniği ile çalışan 8-bit ADC'dir. 5 V güç kaynağı, 0V ila 5V analog giriş voltaj aralığı ve 15 mw güç dağıtımı koşullarında çalışır. ADC0809, 8 kanallı multipleksır devresinden dolayı 8 analog giriş içerir. ADC0809'un çözünürlüğü 8 bit olduğundan, analog girdi 2 8 veya 256 ayrı aralıklara ayrılmıştır. 5Vdc referans gerilimi ile, her aralık 5V / 256=0.01953V'yu temsil eder. Böylece 00000000 (00H) sayısal çıkış kodu 0.00V'luk bir analog giriş voltajına karşılık gelir ve 11111111 ise (FFH) (255/256) x 5V = 4.9805V'dur. Tam ölçekli, ofsetli, doğrusal olmayan ve multipleksır hataları içeren toplam düzeltilmemiş hata ± 1 LSB veya 0.0 1953V'dur. ADC0809 un çalışmasını kontrol etmek için 10 khz - 1280 khz clock gereklidir. 640 khz lik clock için tipik dönüştürme süresi 100 μs'dir. Şekil 1-6, ADC0809'un bağlantı şemasını göstermektedir. Pinler 5, 4, 3, 2, 1, 28, 27 ve 26, IN7'den IN0'a analog girişlerdir ve pin 21, 20, 19, 18, 8, 15, 14, 17 sayısal çıkışlar sırasıyla D7 D0 şeklindedir. Pin 10 clock girişidir. Pratikte, güç girişi Vcc (pin 11) ve referans voltajı girişi Vref (+) (pin 12) kolaylık sağlamak için bir araya getirilebilir. Ancak bu düzenleme, güç kaynağı kötü bir dengeye sahipse ADC'nin doğruluğunu azaltacaktır. Herhangi bir giriş kanalı, ADDA (pin 25), ADDB (pin 24) ve ADDC (pin 23) adres kod çözücü girişlerinin durumlarını kontrol ederek seçilir. Örneğin, 000 girişleri ADD A, ADD B ve ADD C için, analog giriş kanalını IN0 olarak seçer. 5
SAYISAL HABERLEŞME SİSTEMLERİ LABORATUVARI DENEY FÖYÜ Şekil 1-6 ADC0809 pin konfigürasyonu ADC0809, bir mikroişlemci veya sistem ile doğrudan arayüz oluşturmak üzere tasarlanmıştır. ADC0809'un 3 durumlu çıkış kapasitesi, çevresel bir cihaza olan ihtiyacı ortadan kaldırır. Kontrol hatları START, EOC (dönüştürme sonu), OE (çıkış etkinleştirmesi) ve ALE (adres latch etkinleştirmesi) genellikle CPU'nun standart kontrol veri yolu hatlarına bağlanır. Bu kontrol hatları sayesinde ADC0809 hatlar arasında veri aktarımı yapmak için CPU ile kolaylıkla iletişim kurabilir. ADC0809 dönüşümü tamamlandığında, CPU'yu kesmek için EOC sinyali etkinleştirilir. CPU, sayısal çıkışlardan veri almaya hazır olduğunda, CPU OE sinyalini etkinleştirir ve sayısal veriyi okur ardından ALE ve START sinyallerinin bir sonraki dönüştürme için ADC0809'u yeniden başlatmasını sağlar. Elbette, çoklu kanal girişleri kullanılıyorsa, adres encoder girişleri yeniden başlatma çevrimi sırasında seçilmelidir. Şekil 1-7 ADC0809 ADC devresi 6
ADC0809 ile pratik bir ADC devresi Şekil 1-7'de gösterilmektedir. EOC pini doğrudan START pinine bağlanır. Bu ADC0809'u başlatmak için EOC çıkış sinyalini kullanır. Clock pulseleri, ADC işlemini kontrol etmek için ALE ve CLK pinlerine uygulanır. Analog voltajın IN0 girişine olan büyüklüğü, VR1'in ayarlanmasıyla kontrol edilirken, diğer girişlerin (IN1 - IN7) voltaj bölücü (R1- R7) tarafından belirlenir. Analog kanal girişleri, SW1, SW2 ve SW3 durumlarıyla seçilir. LED ekran sayısal çıkışların durumunu gösterir. Deney 1-1 ADC0804 A/D Dönüştürücü Deneyin Yapılışı: 1. Modül KL-94001'de ADC0804 Analog-Sayısal Dönüştürücü devresini bulun. Güç kaynağına güç verin. 2. Dijital Voltmetreyi kullanarak Vref/2 girişindeki voltajı ölçün (pin 9) ve ölçülen voltaj 2.5V'a ulaşana kadar yavaşça VR1'i ayarlayın. Bu, ADC0804 analog voltaj giriş aralığını 0V ila 5V arasında ayarlar. 3. Analog girişi (pin 6) ölçün ve ölçülen voltaj 0V'a ulaşana kadar VR2'yi yavaşça ayarlayın. 4. Bağlantıyı J1 e götürün. Bu sayısal çıkışları tutacaktır. LED ekran durumlarını gözlemleyin ve sonuçları Tablo 1-1'de kaydedin. 5. J1'in bağlantı fişini çıkartın. Sayısal çıkış, analog girişin değişimine bağlı olarak değişir. 6. Tablo 1-1'de listelenen diğer analog giriş voltajlarını elde etmek için VR2'yi dikkatlice ayarlayın ve 4. ve 5. adımları tekrarlayın. Tablo 1-1'i tamamlayın. Deney 1-2 ADC0809 A/D Dönüştürücü 1. Modül KL-94001'de ADC0809 Analog-Sayısal Dönüştürücü devresini bulun. Güç kaynağına güç verin. 2. Clock girişine (CLK) 2.5V ofsetli (yüksek = 5V, düşük = 0V) 120kHz, 2.5V kare dalga bağlayın. 3. Anahtarlar SW3, SW2 ve SW1'i GND konumuna ayarlayın. Analog sinyal IN0 giriş portuna gelecektir. 4. Tablo 1-2'de listelenen bireysel analog voltajı elde etmek için dikkatlice VR1'i ayarlayın. 5. Her analog giriş için LED ekran durumlarını gözlemleyin ve sonuçları Tablo 1-2'ye kaydedin. 6. Giriş portları IN1-IN7'deki giriş voltajını hesaplayın ve sonuçları Tablo 1-2'ye kaydedin. 7. Her seferinde analog giriş olarak bir giriş portu (IN1 - IN7) atamak için Tablo 1-3'te listelenen SW3, SW2 ve SW1 anahtarlarının konumlarını ayarlayın. 8. LED ekran durumlarını gözlemleyin ve sonuçları Tablo 1-3'e kaydedin. 7
SAYISAL HABERLEŞME SİSTEMLERİ LABORATUVARI DENEY FÖYÜ Tablo 1.1 Tablo 1.2 8
Tablo 1.3 9