DAQ - Converters Veri Toplayıcılar Data Acquisition Bir Veri Toplama Sisteminin (DAS) Bileşenleri Bazı tıbbi cihazlar bir hastadan gelen fizyolojik işaretlerin takibini ve analizini yapabilir. Şekildeki blok diyagram böyle bir cihazı karakterize etmektedir. 2
Sensörler hastanın fizyolojik işaretlerini ölçer ve genellikle zamana göre değişen analog bir işaret üretir. Sensör tarafından üretilen elektriksel işaretler, bu işaretleri işleme ve analiz etme görevi olan işlemciye gönderilir. İşlemci bloğu tipik olarak analog işaretlerle çalışamayan bir mikro işlemci içermektedir. Dolayısıyla, Veri Toplama sisteminin bu analog işaretleri sayısal hale dönüştürmesi gereklidir. Günümüzde bir çok cihaz, analiz sonuçlarını ya da işlemci tarafından henüz işlenmemiş ham verileri bir ağ üzerinden dağıtabilme, kaydedebilme ya da gösterebilme yeteneğine sahiptir. Bazı cihazlarda, işlemci bir kontrol fonksiyonu icra edebilir. Analiz sonuçlarına bağlı olarak, işlemci bir denetleyicinin hasta üzerinde doğrudan iyileştirici müdahale (closed loop control) yapmasını sağlayabilir ya da birisine olası bir fiziksel müdalenin gerektiği durumlarda bir işaret gönderebilir (open loop control). ELM019 - Ölçme ve Enstrümantasyon 3
Veri Toplama Kartının Bileşenleri ELM019 - Ölçme ve Enstrümantasyon 4
Sensör, bilginin elde edilmesi için kullanılır. İşaret düzenleyici devre (signal conditioning circuit), ölçülen fiziksel büyüklükle ilgilidir ve sensörlerden gelen bilgiyi elektriksel işarete dönüştürür. Kuvvetlendirici ve filtreleme bloğu işaretteki gürültüleri yok etmek için kullanılır. Bu kısım analog işaret işleme bloğudur. Veri seçici (mux) çeviriciye sadece bir işaretin gönderilmesini sağlar. Örnekleme devresi (sampling system -S/H circuit + CAN) işaretin hesaplayıcı tarafından kullanılabilmesi için analog işareti sayısal işarete çevirir. Çıkışta N adet bit kullanılır. 5
VTS için gerekli olanlar Analog işaret düzenleyici devresinin asıl amacı, sensör çıkışlarını, Veri Toplama Sistemi tarafından en iyi şekilde ayrık zamanlı sayısal verilere dönüştürülebilecek bir şekle sokmaktır. Çoğu Veri Toplama sistemleri için önemli bazı giriş şartları şunlardır: 1. Giriş sinyali gerilim formatında olmalıdır. Sensör çıkışlarının gerilime dönüştürülmesi işlemi aynı zamanda gürültü gibi istenmeyen sinyallerin azaltılmasında da kullanılabilir. 6
2. Giriş sinyalinin dinamik aralığı, Veri Toplama sisteminin dinamik aralığına eşit ya da yakın olmalıdır. Genellikle sayısal-analog dönüştürücünün referans voltaj seviyesine eşittir (+V ref yada 2.V ref ). Bu değer, analog-sayısal dönüştürücünün (A/D) maksimum çözünürlüğünün kullanılabilmesi için önemlidir. 3. Giriş sinyalinin bant genişliği, A/D dönüştürücünün örnekleme oranının yarısından daha küçük olmalıdır. Maksimum sinyal frekansı f max Örnekleme frekansı f s > 2 f max 4. Sıcaklık değişimi, parazitler, elektromanyetik girişimler, nem ve sarsıntılardan kaynaklanan gürültü azaltılmalıdır. 7
DAQ - Converters Analog-to-Digital Converter (ADC) Digital-to-Analog Converter (DAC) 8
DAQ - Converters DAC Bir elektronik devrede, yüksek seviyeli (+5V) ve düşük seviyeli (0V) gerilimler genellikle ikili bir sayıyı temsil etmek için kullanılır. Örneğin, ikili sayı sisteminde verilen 1010 sayısıaşağıdaki gibi gösterilebilir. Ağırlık 2 3 2 2 2 1 2 0 İkili sayı 1 0 1 0 Durum +5V 0V +5V 0V DAC sayısal işaretleri (genellikle ikili sistemde verilen işaretleri) doğrudan sayısal olarak kodlanmış giriş sayısına bağlı olarak analog elektriksel büyüklüklere (genellikle gerilime) çeviren elektronik bir devredir. 9
DAQ - Converters DAC DAC lar ses sentezleyicileri, otomatik test sistemleri ve proses kontrol işlemleri gibi bir çok uygulamada kullanılır. Bunun yanında, bilgisayarların gerçek (analog) dünya ile haberleşmesinisağlamaktadır. Input Binary Number Register Voltage Switch Resistive Summing Network Amplifier Analog Voltage Output 10
DAQ - Converters Register: Çevirme süresince sayısal girişleri saklamak için kullanılır (sabit bir değer olarak korunur). Voltage: Basit bir ON/OFF anahtarıdır. Giriş 1 olduğunda kapalı, 0 olduğunda açıktır. Resistive Summing Network: Farklı ağırlıklara bağlı olarak gerilimlerin toplanmasıdır. Amplifier: Önceden belirlenmiş bir çıkış voltajı aralığına göre analog sinyalin yükseltilmesidir. Örneğin bir işlemsel kuvvetlendirici (OP- AMP). En çok kullanılan iki dirençsel toplama devresi; Weighted binary resistance type (İkili ağırlıklı direnç devresi), Ladder resistance (R-2R) type (Merdiven tipi direnç devresi) 11
DAQ - Converters İkilik Ağırlıklı Direnç Sayısal-Analog Çevirici En basit DAC ikilik ağırlıklı dirençlerin op-amp girişlerine bağlanması ile elde edilmiş bir toplayıcı devresidir. Aşağıdaki devre, dört-bitlik ikilik ağırlıklı sayısal analog çevirici devresini göstermektedir. Devrede sayısal veriler D3, D2, D1 ve D0 anahtarlarının durumları ile belirlenir. D3 anahtarı dört bitlik sayısal verinin en yüksek değerli bitini, D0 ise en düşük değerlikli bitini göstermektedir. 12
DAQ - Converters R/2R Merdiven Tipi Sayısal-Analog Çevirici Bir diğer tip D/A çevirim metodu aşağıda gösterilen dört bitlik R/2R merdiven tipi D/A çeviricidir. Sadece iki direnç değeri kullanılarak ikilik ağırlıklı akımlar üretilir. Devreden akan ikilik ağırlıklı akımlar, op-amp ve geri besleme direnci (R F ) yardımı ile girişle orantılı çıkış gerilimine çevrilirler. Devre karışık görünmesine rağmen basit direnç oranlarından dolayı oldukça kolaydır. 13
DAQ - Converters R/2R Merdiven Tipi Sayısal-Analog Çevirici Aşağıda çok kullanılan ve ucuz bir entegre devre D/A çevirici MC1408 veya eşdeğeri olan DAC0808 in iç yapısı ve bacak bağlantıları görülmektedir. 14
DAQ - Converters ADC Analog sinyalleri sayısal hale dönüştürmek için birden fazla yöntem vardır. Bu metotlar aşağıda listelenmiştir: Staircase ramp Rampa ADC Successive approximation Ardışıl yaklaşımlı ADC Dual slope Çift eğimli ADC Voltage to frequency Gerilim frekans dönüştürücü ADC Paralel (flash) ADC Delta-Sigma ADC ADC0808 ve ADC0809, 8-bit ADC ye iki örnektir. Bu ADC lerde 8-kanal veri seçici ve dönüşüm için ardışıl yaklaşım metodu kullanılmaktadır. 15
DAQ - Converters Rampa ADC 16
DAQ - Converters Ardışıl Yaklaşımlı ADC 17
DAQ - Converters Çift Eğimli ADC 18
DAQ - Converters Gerilim Frekans Dönüştürücü ADC 19
DAQ - Converters Flash ADC VA KARŞILAŞTIRICI 1 BIT 1 ANALOG GİRİŞ Vr1 KARŞILAŞTIRICI 2 KOD ÇÖZÜCÜ LOJIĞI BIT 2 PARALEL Vr2 SAYISAL ÇIKIŞ KARŞILAŞTIRICI BIT Vr 20
DAQ - Converters Delta-Sigma ADC 21
ADC tipi Hız Fiyat Gürültü Çevrim Bağışıklığı Zamanı Sabit Voltage to frequency Dual slope Değişken Staircase Değişken ramp n 2 Successive approximation Parallel (or flash) T max = Sabit Yüksek çözünürlükler için mümkün değil T = Sabit n f f 22
ADC0808 Entegresi blok diyagramı ÇEVİRİME BAŞLA (START CONVERSION) SC SAAT SİNYALİ (INTERRUPT) KONTROL VE ZAMANLAMA ÇEVİRİM SONU (END OFCONVERSION) EOC 8 ADET ANALOG GİRİŞ 8- KANALLI MUX SAR KARŞILAŞTIRICI ÜÇ DURUMLU ÇIKIŞ TUTUCU VE SÜRÜCÜ 8 BIT ÇIKIŞ HATLARI 3-BIT ADRES GİRİŞİ ADRES KOD ÇÖZÜCÜ VE 8 BIT A/D ANAHTAR AĞACI TUTUCU ALE (ADRESS LATCH ENABLE) 256 R DİRENÇ Vcc Vref(+) Vref(-) CIKIS VER (OUTPUT ENABLE) OE 23
ADC bilgisayara bağlandığında, işlem sırası aşağıdaki gibidir: 1. Bilgisayar, ADC nin meşgul olup olmadığını kontrol etmek için EOC sinyalini okur. 2. Bilgisayar giriş kanalını seçtiğinde, ADC meşgul değilse Start sinyalini gönderir. Diğer durumda (1) nolu işlem tekrarlanır. 3. Bilgisayar EOC sinyalini izler. 4. EOC sinyali aktif olduğunda, bilgisayar sayısal çıkışları okur. Bilgisayara birden fazla ADC bağlanacaksa, paralel bağlantı kullanılmalıdır. Bu durumda Output Enable çıkışı kullanılarak ADC çıkışları seçilebilir. 24
3. DAC Seçimi DAC entegresinin seçiminde, seçilen elemanın uygunluğunu belirleyen birçok parametre vardır. Resolution-Çözünürlük Giriş veri kelimesini oluşturan bit sayısı, çıkış adım voltajını full-scale (tam skala) çıkış voltajının yüzdesi olarak ifade eder. Örnek: 8-bit DAC entegresininçözünürlüğünü bulunuz. Çözüm: Çözünürlük = 8 bit Çözünürlük yüzdesi = 1 1 100% = 100% = 8 2 256 0.391% 25
Çıkış Voltaj Aralığı Bu değer, maksimum ve minimum çıkış gerilimleri arasındaki farktır. Örnek: Girişi 0000 olduğunda çıkış voltajı +4.5V ve girişi 1111 olduğunda çıkış voltajı +7.5V olan 4-bitlik bir DAC entegresinin çıkış voltaj aralığını bulunuz. Çözüm: Çıkış voltaj aralığı = 7.5 4.5 = 3.0V 26
Doğruluk Doğruluk genellikle, beklenen çıkış voltajı ile elde edilen çıkış arasındaki hata farkı olarak açıklanır. Doğruluk ne kadar yüksek olursa, hatada o derece düşük olacaktır. Sayısal giriş kelimesinin doğal olarak artmasından dolayı, ±½LSB ya da ½ çözünürlük değerini aşmamak kaydıyla oluşan hata kabul edilebilir. Örnek: 10 V maksimum çıkışa sahip 8-bit bir DAC için tam skala değerindeki hata 50 mv dur. Hatayı hesaplayarak çözünürlük değeri ile karşılaştırınız. Çözüm: Hata = 0.05 100% = 10 0.5% 1 Çözünürlük = 100% = 0.391% ; ½ Çözünürlük = 0.195% 256 27
Hata değeri, ½ çözünürlüğe eşitse doğrulukta iyi olmayacaktır fakat çoğu uygulama için bu değer yeterli kabul edilmektedir. Bazı ticari DAC entegreleri ½ çözünürlükten daha kötü doğruluk değerlerine sahiptirler. DAC entegrelerinde karşılaşılan hata kaynakları genel olarak dört ana grupta sınıflandırılabilir: Monoton olmama Doğrusal olmama Ölçek (scale) faktörü hatası Offset hatası 28
Çevrim zamanı (Settling time) Uygulanan sayısal girişin bir analog çıkışa dönüştürülmesi için geçen zamandır. Genellikle 100ns ve daha altında gerçekleşir. Sayısal Analog dönüşüm, Analog-Sayısal dönüşüme göre daha hızlı bir işleme sahiptir. Giriş kodlama Sayısal giriş, ikili formatta ya da uygulamaya bağlı olarak ikili kodlanmış onluk düzende olabilir. İkili format genellikle daha çok kullanılmaktadır. 29
İkili kodlanmış onluk düzen (Binary-coded decimal BCD), 0 dan 9 a kadar olan onluk sayıları ikili formatta gösterebilmek için kullanılan bir yöntemdir. Her bir onluk sayı aşağıda gösterildiği gibi dört bit ile temsil edilir: BCD Onluk 0000 0 0001 1 0010 2 0011 3 0100 4 0101 5 0110 6 0111 7 1000 8 1001 9 30
Tabloya dikkat edilirse, BCD kod onluk sayının ikili eşdeğeridir. Fakat, BCD kod ve ikili sayı aynı değildir.. Örneğin, 49 10 sayısının ikili eşdeğeri 110001 2 dir, fakat 49 10 sayısının BCD eşdeğeri 01001001 BCD dir. Her bir onluk sayı ikili eşdeğerine çevrilir. 31
4. ADC seçimi ADC seçiminde kullanılan parametreler DAC seçiminde kullanılanlara çok benzerdir. Hata/Doğruluk: Niceleme hatası, gerçek analog değer ile ikili sayı arasındaki farkı tanımlar. İdealde, niceleme hatası ± ½ LSB değerinden büyük olmamalıdır. Çözünürlük (Resolution): Çıkıştaki 1 bit değişimin oluşturduğu voltaj farkı - V Çıkış Voltaj Aralığı Giriş Voltaj Aralığı Çıkış Kurulum Zamanı (Settling Time) Çevrim Zamanı Çıkış Kodlama (genellikle ikili kodlama) 32
Herhangi bir andaki bir AC gerilimi ölçmek için, işaretin bir örnekleme ve tutma (sample and hold - S/H) devresiyle örneklenmesi gereklidir. Hold + + Input Sample Output to ADC 33
5. Örnekler Soru 1. 8 bitlik (a) bir rampa ADC nin ve (b) bir ardışıl yaklaşım ADC nin max. çevrim sürelerini hesaplayınız. Saat frekansı 2MHz dir. Çözüm: (a) 8-bit rampa ADC için, maksimum çevrim sayısı, n c = 28 = 256 olur. Dolayısıyla, maksimum çevrim süresi, nc 256 6 Tc = = = 128 10 s = 128µ s 6 f 2 10 olur. 34
(b) 8 bit ardışıl yaklaşım ADC için, çevrim süresi sabittir ve olarak bulunur. n 8 6 T c = = = 4 10 s = 4µ s 6 f 2 10 Dikkat edilirse, ardışıl yaklaşım ADC nin çevrim hızı rampa ADC ye göre daha yüksektir. 35
Soru 2. n bitlik bir DAC ünitesinin çözünürlük yüzdesini gösteriniz ve n = 12 için hesaplayınız. Çözüm: Çözünürlük yüzdesi = n = 12 için, Çözünürlük yüzdesi = 1 100% n 2 1 100% = 0.0244% = 12 2 244ppm (part per million) 36