GİRİŞ 1.1 NİÇİN A/D ÇEVİRİCİ

1 1. GİRİŞ 1.1 NİÇİN A/D ÇEVİRİCİ Dünyada, pek çok büyüklük analog olarak ortaya çıkar. Örneğin ısı, basınç, ağırlık gibi büyüklükler hep analog olarak değişirler. Bunlarda sadece 0 ve 1 gibi iki değer değil, minimum ile maximum arasında çok geniş bir yelpazede çeşitli değerler söz konusu olabilir. Söz gelişi bir ağırlık 10 gram olabileceği gibi, 1 kilo, 5 kilo, 120 kilo veya 4 ton da olabilir. Dış dünyanın daha çok analog değerlerden oluşmasına karşılık, bilgi işleyen cihazlar (dijital sistemler, mikroişlemciler, bilgisayarlar) dijitaldir. Çünkü, dijital sistemler, bilgiyi daha güvenli, daha hızlı işler ve değerlendirir. Elde edilen bilginin tekrar dış dünyaya aktarılması da (örneğin görüntülenmesi) analog veye dijital biçimde olabilir. Bütün bu nedenlerle analog değerlerin dijitale, dijital değerlerin de analog değerlere çevrilmesi gerekir. Dış dünyadaki fiziksel değişiklikler (ısı, basınç, ağırlık), sensör (algılayıcı) ve transduser ler (çeviriciler) kullanılarak elektrik gerilimine çevrilir. Bu gerilim analog bir gerilimdir. Daha sonra bu analog gerilim Analog/Dijital (A/D) çevirici Yardımı ile dijitale çevrilir. Dijital sistem bu bilgiyi istenilen bir biçimde işler ve bir sonuç elde eder. Bu sonuç dijital veya analog olarak olarak değerlendirilmek istenebilir. Eğer elde edilen sonuç analog olarak değerlendirilecekse (örneğin bir hoparlörün sürülmesi) tekrar analoğa çevrilmesi gerekebilir. Dijital işareti analog işarete çevirme işlemini Dijital/Analog (D/A) çeviriciler yapar. ANALOG GİRİŞ 0-3 VOLT A/D ÇEVİRİCİ DİJİTAL İŞLEM BİRİMİ A/D ÇEVİRİCİ ANALOG ÇIKIŞ 0-3 VOLT Şekil 1.1 A/D ve D/A çeviriciler Yukarıdaki şekilde analog bir değerin dijitale çevrilip, işlendikten sonra tekrar analog değere çevrilmesi sürecinin blok diyagramı görülmektedir. Girişteki gerilim bir transduser yardımı ile elektriksel büyüklüğe çevrilmiş bir fiziksel büyüklüğü temsil etmektedir. Bu gerilim daha sonra Analog/Dijital Çevirici vasıtası ile dijitale çevrilir ve dijital olarak işlenir. Daha sonra elde edilen sonuç Dijital/Analog Çevirici vasıtası ile tekrar analog bilgiye çevrilir ve çıkışa aktarılır. Çıkışta kullanılan eleman ise elektriksel büyüklüğü

2 (gerilim) fiziksel büyüklüğe (ses, ısı, ağırlık vs) çevrilir. Örneğin hoparlör elektriksel büyüklüğü sese çeviren bir aygıttır. Eğer birden fazla analog bilgiyi aynı anda dijital olarak işlemek istiyorsak tekrar şekil 1.1 de görülen sistemden kullanmamıza gerek yoktur. Transduserden sonra multiplexer kullanarak giriş işaretlerini çoklayıp A/D Çeviriciye veririz. Bilgiler işlenip D/A Çevirici vasıtası ile analoğa çevrildikten sonra Demultiplexer vasıtası ile girişteki analog işaretleri elde ederiz. Böylece birden fazla analog bilgiyi aynı anda tek bir sistem kullanarak işlemiş oluruz. 1.2 ANALOG BÜYÜKLÜKLER Analog giriş değişkenleri genelde transdüserler tarafından çevrilen akım ve voltaj değerleridir. Bu elektriki değerler DC olarak, fiziksel olayların sonunda modüle edilmiş AC veya belli açılar altında dönen şekillerin bazı kombinasyonlarıdır. Birinciye örnek olarak thermokapılarla referanslı potansiyometreler, analog bilgisayarlar ikinci olarak da (chopped) dilimlenmiş, optik ölçümler, strain gaye ve köprü çıkışlı devrelerdir. Analog değerler, gerçek analog olayı akım veya gerilim olarak temsil ederler. Bunlar dar band da veya geniş band da olabilirler. Bu değerler, direkt bir olay sonucunda alınan değerler olabileceği gibi, analog durumdayken filtre edilmiş, demodülasyonu ve toplama işlemi yapılmış ölçülebilen değerlerdir. Bu şekildeki değerlendirme voltaj ve akım olarak normalize edilmiş, çevirici girişlerine uygun hale getirilmişlerdir. 1.3 DİJİTAL BÜYÜKLÜKLER Dijital değerler +5 volta ayarlanmış 1 durumu ile toprak potansiyelindeki 0 temsil eden rakamlardan ibarettir. Dijital rakamlar temelde binary olarak kullanılmaktadır. Böylece her bit 1 ve 0 olmak kaydı ile iki durumu ifade eder. Kelime gurupları olarak, aynı zamanda paralel görülen dijital rakamlar seri olarak tek bir hat üzerinde de görülebilirler. Bu değer voltaj seviyeleri en geniş olarak TTL lojik devrelerde kapı çıkışında bakıldığında lojik 1 değeri için 2.4 volt, girişlerden bakıldığında 2 volt minimum değerinde olmalıdır. Sıfır durumunda çıkıştan bakıldığında +0,4 volt, girişten bakıldığında ise 0.8 volttan az olmamalıdır. 1.4 A/D ÇEVİRİCİNİN ÇALIŞMA PRENSİBİ Analog/Dijital (A/D) çeviriciler özel bir kodlayıcı tipidir. D 0-3 volt Analog Giriş Analog/Dijital Çevirici C B Dijital Çıkış A Şekil 1.2 Analog/Dijital (A/D) Çevirici blok diyagramı

3 A/D çeviricilerde giriş sinyali analog olarak değişen bir gerilimdir. Yukarıdaki blok diyagramda ki giriş gerilimi 0 volt ile 3 volt arasında değişmekte ve bu arada bulunan herhangi bir değeri alabilmektedir. Çıkışta ise girişteki analog değere göre bir binary sayı elde edilmektedir. Aşağıda ki tabloda, çeşitli analog giriş gerilimlerine göre, devre çıkışında elde edilen binary sayılar görülüyor. Tablodan da anlaşıldığı gibi girişe uygulanan gerilim 0 volt iken çıkıştaki dijital değer 0000, girişe uygulanan gerilim +3 volt olduğunda ise çıkışta 1111 binary sayısı elde edilmektedir. Girişteki gerilim 2.4 volt olduğunda çıkışta 1100 binary sayısı oluşmaktadır. Dijital Analog Giriş Çıkış (Volt) D C B A 0 0 0 0 0 0.2 0 0 0 1 0.4 0 0 1 0 0.6 0 0 1 1 0.8 0 1 0 0 1.0 0 1 0 1 1.2 0 1 1 0 1.4 0 1 1 1 1.6 1 0 0 0 1.8 1 0 0 1 2.0 1 0 1 0 2.2 1 0 1 1 2.4 1 1 0 0 2.6 1 1 0 1 2.8 1 1 1 0 3.0 1 1 1 1 Tablo 1.1 A/D çeviricinin çeşitli analog giriş gerilimine göre, dijital çıkış tablosu

4 1.5 İDEAL ADC ve ÇÖZÜNÜRLÜK İdeal 3 bit bir ADC nin giriş çıkış karakteristiği şekil 1.3 de görülmektedir.vin nin 0 volt ile tam skala voltajı Vfs=7 volt arasında sürekli değiştiğini düşünelim; 3 bit ADC 2 3 =8 muhtemel çıkışa sahip olacaktır. Bunlar binary 000 ile 111 arasındadır. Her bir ilave volt dijital çıkışı 1 LSB (Düşük değerlikli bit) arttıracaktır. Şimdi ADC nin çözünürlüğünü tanımlayalım. Şekil : 1.3 3 bit D/A çevirici nin analog giriş gerilimine karşı dijital çıkış kodu Çözünürlük; dijital çıkışı 1 LSB değiştirmek için giriş voltaj değerinde meydana gelen değişikliktir. değer FSçıkışı Çözünürlük = = n bit 2 1

5 FS: Tam skala çıkışı d: değer Diğer bir tanımı ise; Çözünürlük=2 n Burada n bit sayısıdır. 1.6 KUANTALAMA HATASI İdeal bir DAC, kuantalama belirsizliği nedeniyle çevirme işlemi sırasında, değeri azaltılamayan bir hataya sebep olur. Şekil 1.3 de analog 1 volt girişi için Analog/Dijital çevirici nin çıkışının lojik 001 olduğu görülmektedir. Lojik 001 çıkışı 0,5 volt ile 1.5 volt aralığındaki girişler için elde edilir. Dolayısıyla Vin değerinde bir belirsizlik oluşur. Bu hata payı +1/2 LSB veya 1/2 LSB kadardır ve kuantalama hatası olarak adlandırılır. Kuantalama hatası bütün Analog/Dijital çevirici lerde mevcuttur. Bu hata analog girişin daha fazla parçalara ayrılması ile yani çözünürlüğün arttırılması ile azaltılabilir.

6 2. ANALOG/DİJİTAL ÇEVİRİCİ ÇEŞİTLERİ Analog/Dijital Çevirme işleminin gerçekleştirilebilmesi için düzinelerce işlemler gurubu tasarlanmıştır. ancak standart olarak 3 gruba ayrılırlar. Çevirme süresine (bir A/D çevirinin tamamlama süresi) göre yavaş, hızlı ve çok hızlı olarak sınıflandırılırlar. Tamamlamalı A/D çevirici yavaş, ardarda yaklaşık çevirici hızlı, flaş çevirici ise çok hızlıdır. Tablo 2.1 de bu çeviricilerle ilgili karşılaştırmalar görülmektedir. Çevirici Tipi Göreceli Hız Çeviri Zamanı Tipik Uygulama Alanı DC İntegralli Yavaş Milisaniye Voltmetreler Ardışıl Yaklaşımlı ADC Hızlı Mikrosaniye Ses Flaş Çok Hızlı Nanosaniye Video Tablo 2.1 Çeşitli A/D çeviricilerin karşılaştırılması Tamamlamalı A/D Çevirici çok yavaştır fakat DC voltaj ölçümleri ve hat frekans gürültüsünün izolesi için çok uygundur. Uzun çeviri zamanı çok yüksek çözünürlüğe imkan sağlar. Ardarda çevirici hızlı ve doğrudur ve 1mikrosaniye nin altında çeviri zamanına sahiptir. Flaş çevirici çok hızlıdır ve sürekli çevirileri gerçekleştirmek için gereklidir. Çeviri zamanı 50 nanosaniye nin altına inebilir. Özellikle 8 bitin üstünde ki çözünürlüklerde çok pahalıdırlar. 2.1 İNTEGRASYONLU A/D ÇEVİRİCİ İntegrasyon tipi A/D Çeviriciler, çevirme işlemini dolaylı yoldan gerçekleştiren düzenlerdir. Analog giriş işareti, ilk önce, süresi analog giriş gerilimi ile orantılı bir zamanlama darbesine çevrilir. Bu zamanlama darbesinin süresi, darbenin başlangıcı ile sonu arasında kararlı bir referans frekansının dijital bir formatta sayılmasıyla ölçülür. Bu

7 temel ilke nedeniyle, söz konusu tipteki çeviriciler dolaylı ya da genişlik modülasyonlu çeviriciler olarak ta isimlendirilir. İntegrasyon tipi çeviricinin yapı ilkesi şekil 2.1 de gösterilmiştir. Devrenin çalışması aşağıdaki biçimde özetlenebilir: Çevirme turunun başlamasından önce sayıcı sıfırlanır ve S 1 anahtarı kapalı konuma getirilir. Çevirme turu başlayınca S 1 anahtarı açılır ve I 1 akım kaynağı C 1 kondansatörünün uçlarında lineer olarak artan bir rampa gerilimi üretir. Bu süre boyunca sayıcı, saat işaretlerini saymaya başlar. C 1 kondansatörünün uçlarındaki gerilim V A giriş seviyesine ulaşınca, karşılaştırıcı konum değiştirir ve çevirme turunu sona erdirir. Sayıcıdaki sayı analog giriş işaretinin sayısal karşılığı olur. Örneğin, V FS değerine ulaşmak için N T değerine kadar ulaşması gerekiyorsa, V A gerilimine kadar sayılan sayı; n = N T V V A FS Şeklinde ifade edilebilir. N bit lik çözünürlük için N T =2N olur. Bu durumda sayıcıdaki sayı da ; N 2 n = V değerini alır. A V FS Sayıcıda toplanan bu sayı birim saat periyodu kadarlık artışla kuantalanır. Bu yüzden, her saat periyodu V A daki 1 LSB kadarlık bir artışa karşı düşer. Elde edilen sayı, N katlı ikili sayıcının sayısal durumları olarak görüntülenir. Her saat darbesi girişinde konum değiştiren birinci sayıcı katı LSB ye, her 2N-1 saat darbesi girişine konum değiştiren son kat ise MSB ye karşı düşer. Şekil 2.1 de verilen devre, rampa işaretinin başlangıcındaki belirsizlik ve I 1 ile C 1 değerlerinin kesin olarak kontrol edilmemesi sebebi ile pratikte çok az kullanılır. Söz konusu hatların giderilmesi amacıyla daha karışık yapılar gerçekleştirilmesi yoluna gidilmektedir. Bu yapıların arasında tek eğimli çift eğimli integrasyon tekniklerine dayanan düzenleri saymak mümkündür. En popüler versiyonu çift eğimli A/D çeviricidir. Bu ADC ler analog ve dijital teknolojinin birleştiği kompleks devrelerdir. Üretici firmaya bağlı olarak değişik şekillerde üretilebilirler. Örneğin İntersil in 7106veya 7107 entegreleri, bu entegreler hakkında ileriki bölümlerde ayrıntılı bilgi verilecektir.

8 V A ile orantılı darbe genişliği Karşılaştırıcı Analog Giriş Anahtarlanmış saat darbeleri V A b 1 b 2 T 1 Kontrol Lojiği İkili Sayıcı Dijital Çıkış S1 b n I 1 Sıfırlama Saat Girişi Şekil 2.1 İntegrasyon tipi A/D çeviricinin yapısı Şekil 2.1 de T 1 noktasında rampa gerilimi oluşmaktadır. Anahtar açık iken kondansatör şarj olur, anahtar kapatılır ise kondansatör deşarj olur. Kondansatörün şarj-deşarj olayından dolayı rampa gerilimi oluşmaktadır.

9 2.1.1 Çalışma Prensibi Şekil 2.2 (b) de tipik bir çift eğimli integrasyonlu A/D çeviricinin blok diyagramı görülmektedir. Çip üstü bir 4 e bölümlü 12KHz lik bir sayıcı kontrol mantık birimini sürer. Bu frekans kullanıcı tarafından harici zamanlayıcı direnç R T ve C T yardımıyla belirlenir. Bu frekans, çevirmenin şebeke frekans gürültüsünden etkilenmemesi için şebeke frekansının tam katı olmalıdır. Kontrol mantık ünitesi karmaşık lojik devreler ağı olarak ve analog anahtarlar olarak çevirimin gerçekleşmesini sağlar. A/D çevirim işlemi üç aşamada gerçekleşir ve saniyenin 1/3!ü zamanda biter. Bu safhalar; sinyal integrasyon safhası T 1, referans integrasyon safhası T 2 ve otomatik 0 lama safhası T Z adlarını alırlar. Şekil 2.2 (a) Çift eğimli integrasyon tipi ADC nin tipik zaman diyagramı

10 Şekil 2.2 (b) Çift eğimli integrasyon tipi ADC nin tipik blok diyagramı 2.1.2 Sinyal İntegrasyon Safhası, T 1 Şekil 2.2 (b) deki kontrol mantık ünitesi T 1 fazının başlaması için Vin i integratöre bağlar. İntegratör veya rampa jeneratörünün çıkışı Vin in polaritesine göre aşağı veya yukarı doğru bir rampa çıkışı verir. Buradaki çıkış Vin, Rint ve Cint tarafından belirlenir. Vin negatif ise Vo yukarı doğru bir rampadır. T 1 in zamanı kontrol mantık birimi tarafından 1000 saat darbesi olarak belirlenir. Her bir saat darbesi 83.3 mikrosaniye lik olduğu için T 1 fazı 83.3 milisaniye sürer.

Vref Vin 11 Eğer V M =-100 mv ise Vo 0 Volt tan 806 mv a bir rampa olacaktır. Vin in izin verilen maksimum tam skala değeri +200 mv veya 200 mv2tur.vin=200 mv olduğunda Vo, maksimum 1012 mv2a artacaktır. Vo, Vin değeri ile orantılıdır. 1000 saat darbesi sonucunda mantık birimi Vin i ayırır ve Vref i integratöre bağlar. Bu işlem T 1 i bitirip T 2 yi başlatır. 2.1.3 Referans Tamamlama Safhası,T 2 T 1 safhası esnasında mantık birimi Vin in polaritesini belirler ve referans kondansatörü Cref i (şekilde görülmeyen) 100 mv Vref değerine şarj eder. T 2 safhasının başlangıcında mantık birimi Vin in tersi polariteye sahip Vref değeri için Cref i integratöre bağlar. Sonuç olarak bu Vref Vo yu 0 değerine indiren bir rampa çıkışı sağlar. Vref sabit olduğu için Vo da sabit bir hızda 0!a inecektir. Vo, 0 a ulaştığında komparatör, mantık biriminin T 2 yi bitirmesini ve T Z yi başlatmasını sağlar. Burada T 2 Vo ve dolayısıyla Vin değeriyle orantılıdır. Aradaki ilişki; 1 2 T T = T 1 =83.33 ms ve Vref=100mV iken T 2 = 0. 833 ms mv Vin 2.1.4 A/D Çevirme Vin analog voltajının asıl çevirimi T 2 esnasında gerçekleşen dijital saymaya çevirmektir. Kontrol birimi saat i, T 2 nin başlangıcında dahili bir BCD sayıcıya bağlar. T 2 nin sonunda ise ayrılır. Sonuçta sayıcının içeriği dijital çıkışa dönüşür. Bu dijital çıkış T 2 ve saat frekansı tarafından belirlenir. D ç = d s T 2 Dç=Dijital Çıkış d=darbe Sayısı s=saniye

12 T s d Vin Dijital çıkış= ( ) 1 Vref 7106 ve 7107 için saat frekansı 12 KHz, T 1 =83.33 ms ve Vref=100mV Olduğundan d 83. 33 Dijital Çıkış= 12000 Vin s mv d Dijital Çıkış= 10 Vin mv Djital çıkış uygun bir 3 2 1 dijital displeye bağlanabilir 2.1.5 Otomatik Sıfırlama Şekil 2-2 (b) deki devre oto sıfır adında bir bölüm içerir. 3. ve son çevirme safhası olan T Z esnasında mantık birimi birkaç analog anahtarı harekete geçirir ve şekilde görülmeyen oto sıfır kondansatörü C AZ yi bağlar. C AZ kondansatörü integral alıcı kondansatör Cint ve integratör veya comparatör opamplarının offset voltaj girişi arasına bağlanır. C AZ, C int ve offset voltajına bağlı olarak bir hata voltajına şarj olur. Takip eden T 1 ve T 2 safhaları esnasında bu hata voltajı C AZ üzerinde yüklüdür. Ve Cref üzerindeki herhangi bir hat voltajını yok eder. Böylece ADC her çevrim işleminden sonra sıfırlanır. 2.1.6 Özet Şekil 2-2 (a) daki zamanlama diyagramını göz önünde bulunduralım. Mantık birimi bir çeviri için 4000 darbe ayırır. Her bir darbe 83.33 mikrosaniye olduğundan çevirim 333 ms sürer kontrol birimi T 1 safhasına daima 1000 darbe yani 83.3 ms ayırır. T 2 için gereken darbe sayısı Vin e bağlıdır. Sıfır darbeleri Vin i 0 yapmak için kullanılır ve Vin in maksimum değerleri olan ± 200 mv için bu darbeler maksimum 2000 darbe veya 166.7 ms sürer. T 2 ve T z daim toplam 3000 darbeyi veya 250 ms yi paylaşırlar. Vin=0 volt için T 2 0 darbe alır ve T z 3000 darbe alır. Vin= ± 200 mv için T z =2000 darbe alır ve T z =1000 darbe alır.

13 2.2 ARDIŞIL YAKLAŞIMLI ADC Şekil 2.3 teki blok diyagram bir DAC tan bir komparatörden ve birbirini izleyen ardışıl yaklaşım yazmacından (Succesive Approximation Register) (SAR) oluşmaktadır. Analog giriş voltajı Vin için bir terminal bulunmaktadır. Dijital çıkış seri yada paralel formda elde edilebilir. En az 3 kontrol terminali gerekmektedir. Çevirimi başlat (Start Conversion) bir A/D çevirimini başlatır ve çevirim sonu (end of conversion) çevirimin ne zaman bittiğini belirler. Harici saat terminali ise her bir çevirimin bitiş zamanını ayarlar. V 0 3 bit DAC V in Analog Giriş Comp. D 0 D 1 D 2 Paralel Dijital Çıkış Ardışıl Yaklaşım Yazmacı (SAR) Seri çıkış Saat palsı Giriş seçici Şekil 2.3 3 bit ardışıl yaklaşımlı A/D çeviricinin blok diyagramı 2.2.1 Devre İşleyişi Açıklamalar şekil 2.3 ye göre yapılacaktır. Bir çevrime başla komutunun girişi bir Analog/Dijital çevrim periyodunu başlatır. Birbirini izleyen yaklaşıklık yazmacı (SAR) bir dijital numaralar dizisini DAC ın her bir bit girişine bir numara gelecek şekilde DAC a bağlar. DAC her bir numarayı analog çıkış voltajı Vo ya çevirir. Analog giriş voltajı Vin ile Vo karşılaştırıcıda karşılaştırılır. Karşılaştırıcı SAR a Vin in Vo dan büyük yada küçük olduğu bilgisini her bir bit için verir. 3 bit çıkış için 3 karşılaştırma yapılır. Karşılaştırmalar MSB ile başlar ve LSB ile biter. LSB nin karşılaştırılmasından sonra SAR çevrim sonu sinyali gönderir. Bu anda Vin in dijital karşılığı SAR ın dijital çıkışında elde edilir.

14 2.2.2 Ardışıl Yaklaşımın Temsili Açıklaması Elimizde 1-2 ve 4 Kg lık ağırlıklar ve bir terazi olduğunu varsayalım ve 1 Kg lık ağırlığı 1 LSB olarak 4Kg lık ağırlığı da 4 LSB olarak düşünelim Şekil 2.3 ve 2.4 ten görülebileceği gibi Vin değeri burada bilinmeyen bir ağırlığa sahiptir. Şimdi Vin=6.5V bilinmeyen ağırlığa karşılık gelir. Bunu terazinin bir kefesine koyalım. Diğer kefesine ise MSB ye karşılık gelen 4 Kg lık ağırlığı koyalım. (SAR bu işlem için DAC a 100 uygular ve DAC çıkışından alınan 4V,6.5V ile karşılaştırılır) Eğer bilinmeyen ağırlık (6.5V) 4 Kg dan büyük ise bu kez 4 Kg dan büyük ise bu kez 4 Kg ın yanına 2 Kg lık ağırlık koyulur. (110 DAC a uygulanır) Vin hala büyükse yani Vin>4+2 ise Vin>b ise 1 Kg lık ağırlıkta eklenir.(111 uygulanır) bu durumda diğer kefedeki ağırlık 7Kg olur buda Vin den büyüktür. Bu durumda son konulan ağırlık (1 LSB) alınarak yaklaşık eşitleme gerçekleştirilir. Sonuçta diğer kefedeki eşitleme ağırlıkları 6Kg yani 6 LSB olacaktır. Bu da dijital olarak 110 çıkışına karşılık gelir. Clock Start End Eğer V in <1LSB olursa : D 0 =0, D 1 =0, D 2 =0 ( 000) olur. Eğer 1LSB<V in <2LSB olursa : D 0 =0, D 1 =0, D 2 =1 ( 001) olur. Eğer 2LSB<V in <3LSB olursa : D 0 =0, D 1 =1, D 2 =0 ( 010) olur. Eğer 3LSB<V in <4LSB olursa : D 0 =0, D 1 =1, D 2 =1 ( 011) olur. Eğer 4LSB<V in <5LSB olursa : D 0 =1, D 1 =0, D 2 =0 ( 100) olur. Eğer 5LSB<V in <6LSB olursa : D 0 =1, D 1 =0, D 2 =1 ( 101) olur. Eğer 6LSB<V in <7LSB olursa : D 0 =1, D 1 =1, D 2 =0 ( 110) olur. Eğer 7LSB<V in olursa : D 0 =1, D 1 =1, D 2 =1 ( 111) olur. Şekil 2.4 3 bit ardışıl yaklaşımlı A/D çeviricinin anlog girişe karşı dijital çıkışın durumu 2.2.3 Çevirme Zamanı Şekil 2.4 her bir bit in karşılaştırılması için SAR nin bir saat darbesine ihtiyacı olduğunu gösterir. Bunun yanında, çevirme işleminin gerçekleşmesinden önce SAR ın sıfırlaması için ek bir saat darbesi gerekmektedir. Bir dijital-analog çevirim işleminin

15 gerçekleşmesi için gereken süre (Tc), saat periyodu T ve bit sayısı n ye bağlıdır. Aradaki ilişki; Tc=T(n+1) dır. 2.2.4 Yazılım Destekli A/D Çevirimi D/A çeviricinin çalışma adresi 80H olarak belirlenmiştir.15 nolu girişten uygulanan analog sinyal, Ad5582in içinde DAC ın çıkışı ile karşılaştırılır. Karşılaştırıcının çıkışı, transistörün bazına bağlanmıştır. Bu transistörün kollektörü ise üç-durumlu sürücü 74LS365 üzerinden veri yolunun d7 numaralı hattına bağlanmıştır. Sürücü, IOR ve adres kod çözücüsü sinyalleri ile devreye sokulur. 74LS365 e 40H adresi atanmıştır. Mikroişlemci (Mİ) bu adresi kullanarak D7 hattının aldığı değeri belirler. Şekil 2.5 Yazılım destekli ardışıl yaklaşım A/D çevirici devresi Analog sinyalin seviyesinin, DAC ın çıkış seviyesinden daha yüksek seviyede olduğu zaman, karşılaştırıcının çıkışı(16 nolu bacak) 0V tur. Transistörün bazında 0V olması ile kollektörde yaklaşık +5V görülür ve böylece D7 hattı 74LS365 in devreye sokulması ile lojik 1 seviyeye çıkar. Analog sinyal seviyesi, DAC çıkışından düşük ise, D7 hattında lojik 0 seviye görülür. Aşağıda Şekil 2.5 te gösterilen devreyi kullanarak yazılım destekli A/D çevirimini gerçekleştiren bir program verilmiştir. Bu program Intel 8085 için yazılmıştır.

16 Program: LXI SP YIĞIN Sp a başlangıç değeri yüklendi. LXI B, 8000 H C registeri ardışıl yaklaşım değerlerini toplamak için seçildi ve B registerinin çevirim değerlerini saklaması için 10000000 2 değeri yüklendi. MVI D, 08H B registerinin 8 defa kaydırılmasını sağlamak için D registeri Sayıcı olarak kullanılacak. MOV A, B BŞL ADD C MOV C, A OUT 80H D7 bitinin 1 olması sağlandı. Bir önceki değer toplanır. Sonuç C registerinde saklanır. Çevirime başlanır. CALL BEKLE Yerleşim süresinin geçmesi için yaklaşık 200 µ s beklenir. IN 40H RAL JC SRBT Karşılaştırıcının çıkış değeri okunur. D7 bitinin değeri belirlendi. Eğer D7=1 ise, analog sinyalin değeri DAC çıkışından daha yüksektir. Bir sonraki bitin değeri 1 olmalıdır.(b) MOV A, C Eğer D=0 ise analog sinyalin değeri DAC çıkışından daha düşüktür.. Bir önceki bitin (B) değeri C registerinin içeriğinden çıkarılmalıdır.(b) SUB, B MOV A, C B registerinin içeriği akümülatörün içeriğinden çıkarıldı ve yeni değer C registerine alındı. SRBT MOV A, B RRC Sıradaki bite 1 değeri verildi. MOV B, A

17 DCR D JNZ BŞL Eğer 8 işlem tamamlandı ise BŞL satırına dönülür. MOV A, C OUT PORT 1 :Sonuç PORT1 adresli porta yazıldı. HLT Programın başında LXI B 8000H komutu ile ardışıl yaklaşım değerlerini saklayacak olan C registerine 00H ve çevirim değerlerini saklayacak B registerine 80H değeri yüklendi. B registerinin D7 biti bir yapıldı ve daha sonra bu registeri içeriği sekiz defa kaydırıldı. Bu işlem sırasında D registeri sayıcı olarak kullanıldı. ADD C komutu ile B registeri içinde kaydırılan 1 değerindeki bit, C registerinin önceki içeriğine eklendi. OUT komutu ile çevirim işlemi başlatıldı ve yerleşim süresi geçtikten sonra, karşılaştırıcının çıkışını gösteren D7 biti okundu. D7=1 olması analog sinyalin DAC çıkışından daha yüksek olduğunu gösterir. Bundan sonra, B registerinin bir bit sağa kaydırıldığı ve D sayıcısının bir bit azaltıldığı SRBT (Sıradaki bit) alt programına geçildi. Eğer B registeri içindeki bit sekiz kez daha kaydırılmamış ise bu registerin içeriği C registerine eklenir. C registerini yeni içeriği, karşılaştırıcının bağlı olduğu D7 bitini lojik 0 seviyeye alırsa B registerinin son değeri, C regietrinden çıkarılır. A/D çevirim işlemi bittiğinde sonuç C registerinde bulunur ve PORT 1 adresine bağlı porttan dışarı verilir. 2.3 FLASH ADC(Paralel Karşılaştırıcılı) Girişten uygulanan analog sinyal C 1, C 2, C 3 ile açıklanan üç çıkıştan dijital işarete dönüştürülmektedir. Devreye ayrıca standart referans gerilimi uygulanmaktadır. Sırayla 1. karşılaştırıcıya +3/4 Volt, 2. karşılaştırıcının girişine +V/2 ve 3. karşılaştırıcıya +V/4 referans gerilimleri mukayese (kıyaslama) için uygulanmaktadır. Böylece sistem 0 ile +5V gerilimi arasındaki analog gerilimlerini kıyaslayarak üç dijital değer verilebilir. Burada her karşılaştırıcı kendi referans gerilimi aşıldığında çıkış vermekte ve çıkışı HIGH olmaktadır. Eğer giriş seviyesi 0 ile +V/4 arasında bir değerde ise bütün çıkışlar LOW (0) durumunda olur. Giriş gerilimi +V/4 ü hafifçe aştığında 3. karşılaştırıcı çıkış verir ve C 1 =HIGH (1) olur. +V/2 gerilimi değerine kadar sadece C 1 =1, C 2 =0 ve C 3 =0 durumu elde edilecektir. Analog giriş gerilimi +V/2 seviyesini aştığında 2. karşılaştırıcı çıkışında 1 durumuna döner. +V/2 seviyesinden 3V/4 seviyesine kadar C 1 ve C 2 çıkışları 1, C 3 çıkışı 0 durumunda bulunur. Giriş gerilimi +3V/4 seviyesini aştığında C 3 çıkışı da 1 olur. Çünkü bu karşılaştırıcı +3V/4 ile +V gerilimi arasında çalışmaktadır. Şekil 2-6 de, bu çalışma durumları ve gerilim seviyeleri tablo olarak özetlenmektedir.

18 +3V/4 Com. C 3 Çıkış Voltajı Karşılaştırıcı Çıkışı O O V in O +V/2 Com. C 2 C 1 C 1 C 2 C 3 0 to +V/4 Low Low Low +V/4 to +V/2 High Low Low +V/2 to +3V/4 High High Low +3V/4 to +V High High High Com. O +V/4 (a) (b) V in : 0 dan 10V ta analog giriş gerilimi C 1, C 2,C 3 : Karşılaştırıcı çıkışı Şekil 2.6: Eş zamanlı A/D çevirme. (a) Mantık devresi; (b) Giriş gerilim seviyelerine bağlı olarak karşılaştırıcı çıkış işaretleri(dijital) Analog Giriş O +3V/4 O +V/2 O Comp. Comp. C 3 C 2 Kodlama Devresi Okuma Kapısı S R S Q Q Q 2 1 Dijital Çıkış 2 0 +V/4 O Comp. C 1 R Q Şekil 2.7: Eş zamanlı 2 basamaklı A/D konverter

19 Şekil 2-6 i tekrar incelersek konverterin 4 çıkış gerilim kademesini seçtiğini görürüz. Bu 4 kademe iki tabanlı sayı işaretleriyle seçilirler. Daha sonra bu üç karşılaştırıcı çıkışı, analog giriş gerilimine eşdeğer dijital işarete çevrilmek üzere bir kodlayıcı (coding)devresine uygulanır. Elde edilen sayılar depolanmak üzere daha sonra bir flip-flop kaydediciye (flip-flop register) verilirler. Şekil 2.7 da böyle bir A/D konverterin tam blok devresi görülüyor. Eş zamanlı A/D çeviricinin çalışması, şekil 2.8 de verilen 3 basamaklı konvertör incelendiğinde daha iyi anlaşılacaktır. Dikkat ederseniz bu devrenin, girişten uygulanan analog işaretinin 3 basamaklı dijital işaret çevirdiğini hemen fark edeceksiniz. Böyle bir devre için girişte 7 tane karşılaştırıcıya ihtiyaç duyulmaktadır. Çünkü analog işaretin girişte 8 seviye olarak değerlendirilmesi gerekmektedir. 2 basamaklı konverter için 3 karşılaştırıcıya gerek olduğu hatırlanacak olursa genel olarak kullanılması gereken karşılaştırıcı sayısının 2 n -1 formülü ile hesaplayabiliriz. Örneğin 4 basamaklı dijital çıkış gerektiğinde girişte 2 n -1=2 4-1=15 adet karşılaştırıcı (comparatör)kullanmak gerekir. Karşılaştırıcılardan bazıları invertere sahiptirler, kodlayıcı matrix devre için C sinyali ile birlikte C işaretine gerek olmaktadır. Kodlayıcı matrix devresi, yedi giriş devresini alarak 3 basamak 2 tabanlı sayı olarak bunları kodlar (0-7 arası sayılar 8 seviyeye sahiptirler.) Şekil 2.8 deki konverterin mantık devresi incelendiğinde kodlayıcı matrix devresinin nasıl çalıştığı çok daha kolay anlaşılacaktır. Matrix kelimesi türkçeye aynen yerleşmiş olup, sayıların, şekillerin kare biçimli düzenli diziler sıralar yapmasını açıklamaktadır. İki tabanlı sayı dizilerini düzenleyen bu devre, burada kodlayıcı matrix devre olarak isimlendirilmektedir. 2 2 çıkışının 1 olabilmesi C 4 çıkışının 1 olması sırasında gelen okuma palsı ile mümkün olur. Bu açıklamamızı 2 2 = C 4 şeklinde formüle edebiliriz. 2 1 çıkışını HIGH (1) olabilmesi için C2, C4 ve C6 çıkışları HIGH olmalıdır. Buna göre 2 1 = C 2 x C 4 + C 6 olur. Benzer yolla 2 0 çıkışı için şu denklemi yazabiliriz; 2 0 =C 1.C 2 + C 3. C 4 +C 5.C 6 +C 7 Kodlayıcı matrix devreden bir bilginin kaydediciye transferi iki adımda gerçekleşebilir. Önce RESET hattına pozitif reset palsı uygulanmalıdır. Bu pals flip-flop ların bütün girişleri 0 olur. Sonra pozitif okuma (READ) palsının okuma hattına uygulanmasıyla READ kapıları 1 olur ve dijital işaret flip-flop lara transfer olur. 9318 entegresi; kodlayıcı matrix, okuma kapıları ve çıkış kaydedici flip-flop larına sahip bir entegredir. Şekil 2.8 de bu entegre önünde yedi karşılaştırıcının nasıl kullanılacağı açıklanıyor. C 1 den C 7 e kadar sıralanan giriş op-amp karşılaştırıcılar TTL tipidir. 9318 entegresinin giriş ve çıkış uçlarındaki küçük yuvarlaklar, tampon inverterlerle bu uçlardaki işaretlerin terslendiğini açıklamaktadır. Böylece LOW a yani 0 a giden giriş ve çıkış uçları aktif olur(çalışır). Eş zamanlı A/D çeviricilerin yapıları ve çalışmaları basit olduğundan kolayca anlaşılır. Bununla beraber dijital basamak sayısının artması ile, girişteki karşılaştırıcı sayısı (2 n -1) formülüne göre hızla artmaktadır ve çok basamaklı devrelerin kullanılmasıyla da karmaşık bir duruma girmektedir. Çevirme işlemlerinin hızlı gerçekleştirilmesi iyi yönüdür. Bu özelliğinden dolayı flash konverter ismini alır.

20 Giriş Karşılaştırıcı Seviyeleri İkili Çıkış Gerilimleri C 1 C 2 C 3 C 4 C 5 C 6 C 7 2 2 2 1 2 0 0-V/8 0 0 0 V/8-V/4 0 0 1 V/4-3V/8 0 1 0 3V/8-V/2 0 1 1 V72-5V/8 1 0 0 5V/8-3V/4 1 0 1 3V/4-7V/8 1 1 0 7V/8-V 1 1 1 Tablo 2.2 Şekil 2.8 de verilen A/D çeviricinin mantık tablosu Analog giriş h: +7V/8 h C 7 f: +3V/4 f C 6 e: +5V/8 d: +V/2 e C 5 9318 A 1 A 1 2 2 2 1 c: +3V/8 f C 4 A 0 2 0 b: +V/4 a: +V/8 c C 3 b C 2 a C 1 Şekil 2.8 3 basamaklı eş zamanlı A/D konverter mantık devresi

21 Analog giriş C 7 h f S R Q 2 0 e d S R Q 2 1 c b S R Q 2 2 a C 1 Karşılaştırıcı Kodlayıcı Matrix Okuma Çıkış Kapıları Kaydedicisi a: +V/8 h: +7V/8 b: +V/4 f: +3V/4 c: +3V/8 e: +5V/8 d: +V/2 Şekil 2.9 3 basamaklı eş zamanlı A/D çevirici mantık devresi

22 2.4 ÇEŞİTLİ A/D ÇEVİRİCİLERİN KARŞILAŞTIRILMASI. Buraya kadar ele alınmış olan A/D çevirici yapılarının temel özellikleri, karşılaştırma amacıyla aşağıda ki (tablo 5.2) tabloda toplu biçimde verilmiştir. ADC Tipi Bağıl hız Tipik çevirme zamanı Yada Performans 6 bit 8 bit 10 bit 12 bit 14 bit Yaygın Kullanılan Teknoloji İntegrasyon Düşük - 20ms 30ms 100ms 250ms MOS Orta - 1ms 5ms 20ms 100ms MOS Yüksek - 0,3ms 1ms 5ms 30ms MOS Ardışıl Düşük 60 µ s 100 µ s 120 µ s 150 µ s - MOS Yaklaşımlı Orta Yüksek 30 µ s 5 µ s 50 µ s 10 µ s 60 µ s 15 µ s 80 µ s 20 µ s - - MOS veya bipolarbipolar veya MOS Paralel Orta Yüksek 100ns 20ns 200ns 50ns - - - - - - MOS veya bipolar Bipolar Tablo 2.3 Çeşitli A/D çevirici yapılarının karşılaştırılması

23 3. A/D ÇEVİRİCİLERİN KULLANIM ALANLARI 3.1 Mikroişlemciler için A/D Çeviriciler Mikroişlemci ADC yi hafıza haritası (memory map) içinde sadece okunur (read only) adres olarak görür. Şekil 3.1 de görüldüğü gibi ADC bir üç durumlu hafıza tampon yazmacı na sahip olmalıdır.(mbr) Bu MBR Başta çalışma durumunda, ADC nin son çeviriminden doğan bir dijital kod içerecektir. Aynı zamanda veri yolundan ayrılacaktır. Mikroişlemci bir ADC nin çip seçme terminalini düşük seviyede tutarak o ADC yi seçmek için adres yolu ve kod çözücüleri kullanır. Çip seçme terminalinin düşük seviyede olması ADC ye okuma/yazma (read/write) terminaline bir komutun gelişini bildirir. Eğer mikroişlemci R/W terminalini düşük seviyede tutmuş ise ADC Vin i dijital kod a çevirir ve bunu MBR sine yükler yada yazar. Çip seçme terminali düşük seviyede ve R/W ucu yüksek seviyede ise ADC nin MBR si veri yoluna bağlanır. Oku komutunun varlığı mikroişlemcinin ADC nin hafıza tampon yazmacından (MBR) veri okunacağını gösterir. Bu durumda ADC nin üç durumlu dijital çıkışı yüksek empedanstan düşük empedansa geçmeli ve veri yoluna bağlanmalıdır. Yaz (write) komutu ise ADC nin çeviriye başlamasını sağlar. Mikroişlemci böylece ADC ye; 1. Bir çevrim gerçekleştir, 2. Çevrim sonucunu hafızana yükle, 3. Ben isteyene kadar sonucu bana söyleme emrini vermiş olur. Sonuç olarak Mikroişlemci uyumlu ADC nin durum bildirme (status) terminali vasıtası ile bilgi vermesi gerekir. Bunun için, ADC eğer bir çevirme işlemi gerçekleşmeye başladı ise status terminalini yüksek seviyeye çeker ve eğer çeviri işlemi bitti ise bu terminali düşük seviyeye çeker ve verinin doğru ve okunmaya hazır olduğunu bildirir. Bütün önemli özelliklerin anlatımı için 20 uçlu AD670 çeviricisi incelenecektir.

24 Saat palsı V in Chip select. Com. SAR Logic Read/Write Status Dijital çıkış DAC 3 durumlu tampon hafıza kaydedicisi Dijital bilgi yolu çıkışı Şekil 3.1 Mikroişlemciler için A/D çevirici 3.1.1 Mikroişlemci Uyumlu A/D Çevirici, AD670 AD670, 8 bit ardışıl yaklaşımlı ve mikroişlemci uyumlu bir A/D çeviricidir. Şekil 3.2(a) da yukarıda açıklanan özelliklere ek olarak devre içi bir saat, referans gerilimi ve entrumantasyon yükseltecine sahiptir. Sadece 5V besleme ile çalışır. Terminallerinin işleyişi aşağıda açıklanmıştır. 3.1.1.1 Analog giriş Voltajı terminalleri Dört analog giriş terminaline sahiptir. Bunlar 16, 17,18, ve 19 dur. Bunlar bir entrumantasyon yükseltecinin girişleridir ve ünipolar veya bipolar olabilir. Aynı zamanda çözünürlük ayarı pinler yardımı ile yapılabilir. Şekil 3.2(b) de 0-2.55V giriş ve çözünürlük = 10mV/LSB için çalışma görülmektedir. Şekil 3.2(c) de ise giriş 0-255mV ve çözünürlük = 1mV/LSB dir. 3.1.1.2 Dijital çıkış terminali 1 ve 8 (dahil) arasındaki uçlar üç durumlu, tamponlu ve mandallamalı dijital çıkışlarıdır. Bunlar sırasıyla D 0 -D 7 şeklinde çıkış verir. Mikroişlemci AD670 e bir çeviriyi gerçekleştirme (write) emrini verdiğinde, ADC nin MBR sine mandallanır. Üç durumlu

25 çıkış anahtarı, mikroişlemci okuma komutu gönderene kadar yüksek empedans gösterir. Yani ADC nin MBR si (Hafıza tampon yazmacı) normalde veri yolundan ayrıdır. Şekil 3.2 (a) AD670 in bacak bağlantıları

26 (b) (c) Şekil 3.2 (b) Tam Skala analog Giriş voltajı 0-2.55V veya 0 ± 1.28V (c) Tam Skala analog Giriş voltajı 0-255mV veya 0 ± 128mV 3.1.1.3 Giriş seçim terminali 11 numaralı uç BPO/UPO terminalidir ve mikroişlemcinin, ADC girişlerinin bipolar yada unipolar olmasını belirlemesini sağlar. Bu ucun düşük seviyede olması unipolar giriş seçiminin yapıldığını gösterir. 0-2,55vV veya 0-255mV kademeleri kullanıcı tarafından, Şekil 3.2(b) de ve c de görüldüğü gibi seçilir. 11 nolu ucun yüksek seviyede olması ise bipolar giriş yapılacağını gösterir. Giriş kademeleri ise ± 1.28V (Şekil 3-2(b)) veya ± 128mV (Şekil 3-2(c)) olacaktır. 3.1.1.4 Çıkış seçim terminali Şekil 3-2(a) daki 12 nolu uç 2 1 s/bin terminalidir. Bu uç mikroişlemcinin ADC çıkış formatını 2 nin tümleyeni veya binary kod olarak belirlenmesini sağlar. Tablo 3-1(a) da 4 muhtemel seçenek görülmektedir. Vin girişine dijital çıkış cevapları Tablo 3-1(b) ve c de görülmektedir. Vin Şekil 3.1(b) ve (c) de görüldüğü gibi farksal giriş voltajıdır ve Vin=(+Vin)-(-Vin) dir. Burada +Vin ve Vin toprağa göre giriş ölçüm değeridir. 3.1.1.5 Mikroişlemci kontrol terminalleri. Şekil 3-2 de görüldüğü gibi 13.14 ve 15nolu uçlar mikroişlemci tarafından AD670 in kontrolü için kullanılır. 14 nolu uç çip seçme (CS), 15 nolu terminal çip yetkilendirme (CE) uçlarıdır. 13 nolu uç ise yazma/okuma (R/W) veya bazen yazma/çevirme ucudur.

27 Eğer CS, CE ve R/W uçlarının hepsi düşük seviyede tutulursa ADC sürekli çevirme yapar. Her 10 µ s de bir çevirme yapar. Her bir çevirimin sonucu çıkış tampon yazmacına mandallanır. Bununla birlikte dijital çıkış kodu henüz veri yoluna bağlı değildir çünkü çıkışlar yüksek empedans durumundadır. Bu çalışma yaz/çevir çalışmasıdır. Bu durumda mikroişlemci ADC ye çevirim sonucunu çıkış tampon yazmacına yazmasını söyler. Eğer CS veya R/W veya CE yüksek seviyede ise AD670 seçili durumda değildir ve en son çeviri soncunu yazmaçta saklar. 9 nolu durum bildirme (status) ucu çeviri boyunca yüksek seviyede kalır. Çevirme tamamlandığında 9 nolu uç, mikroişlemciye verinin doğru ve okunmaya hazır olduğunu bildirmek için, düşük seviyeye geçer. Mikroişlemci, durum bildirme, CS ve CE uçları düşük seviyede iken, veriyi okumak için R/W ucunu yüksek seviyeye çeker. Bu mikroişlemcinin okuma komutudur. AD670 in tamponu geçirgen (transporant) hale dönüşür ve 8 dijital çıkışı veri yoluna bağlanır. CS ucu yüksek seviye veya CE yüksek seviye veya R/W düşük seviye oluncaya kadar veriler veri yolunda kalacaktır. 3.1.1.6 AD670 li ADC çeviricinin çalışma özeti 1. CE ve CS nin düşük seviyede olması AD670 i seçer. Bundan sonra R/W ye bağlı olarak şunlar olur. 2. Eğer R/W düşük ise çeviri gerçekleştirilir ve sonuç tampon yazmacına yazılır. Çıkışlar yüksek seviyededir. Çeviri 10 µ s sürer. 3. R/W yüksek seviyede ise son çeviri sonucu tamponda saklıdır ve çıkışlar geçirgen durumdadır. Başka çeviri gerçekleştirilmez. Yazmacın içeriği mikroişlemci tarafından veri yolu yardımıyla okunabilir. 4. Durum bildirme (status) terminali çevirinin bitip bitmediğini ve çevirinin okunabilir olup olmadığını yüksek seviye ve düşük seviye olarak bildirir. Eğer veri okunabilir durumda ise mikroişlemci R/W ucuna yüksek seviye değer kazandırarak veriyi okuyabilir. Pin 11 BPO/UPO Seçici Giriş Pin 12 2 s/bin Çıkış düzenleyicisi 0 Tek kutuplu 0 1 İki kutuplu 0 Offset binary 0 Tek kutuplu 1 2 nin tümleyeni 1 İki kutuplu 1 2 nin tümleyeni (a)

28 Farksal Giriş Tek kutuplu/straight binary, V in 0 0000 0000 1 mv 0000 0001 128mV 1000 0000 255 mv 1111 1111 (b) Farksal Giriş V in İki kutuplu/offset binary Pin 11 = 1, 12 = 0 İki kutuplu/ 2 nin tümleyeni Pin 11 = 1, 12 = 1-128 mv 0000 0000 1000 0000-1 mv 0111 1111 1111 1111 0 1000 0000 0000 0000 1mV 1000 0001 0000 0001 127mV 1111 1111 0111 1111 (c) Tablo 3.1 (a) (b) Çift fazlı giriş için çıkış kodu (c) Tek fazlı giriş için çıkış kodu

29 3.1.2 Mikroişlemci Uyumlu A/D Çeviricinin Test Edilmesi Şekil 3.3 Mİ için AD670 ile yapılmış ADC

30 8 bitlik bir ardışıl yaklaşımlı A/D çevirici, mikroişlemci olmaksızın test edilebilir. Şekil 3.3 bunu gösterir. D 0 dan D 7 ye kadar her bir veri çıkışı bib invertör, direnç ve LED e bağlıdır. Bu bileşenler veri yolu görevini yapar. LED in yanması o çıkışa ait veri yolunda 1 olduğunu gösterir. 14 ve 15 nolu uçlar CS ve CE düşük seviye olacak şekilde bağlanmıştır. Bu şekilde çeviri sağlar. 555 zamanlayıcısı R/W yi 5 µ s düşük seviyede tutarak yaz (write) komutunu simüle eder. Böylece 10 µ s lik çeviri bitmeden R/W yüksek seviyeye döner. 10 µ s sonunda R/W de yüksek seviye olması oku (read) komutunu simüle eder ve veri LED ler üzerinde görülür. R T =1.5M Ω ise AD670 her 1 saniyede 1000 çeviri ve okuma gerçekleştirilir. R T =120k Ω olursa saniyede 10000 kez çevirme ve okuma yapılır. 3.1.3 Mikroişlemci Uyumlu A/D Çevirici, ADC0801 Mikroişlemci nin mikroişlemci uyumlu bir A/D çevirici ile iletişim kurması için aşağıdaki işlemleri gerçekleştirmesi gerekir. Şekil 3.4 Mikroişlemci uyumlu A/D çevirici 1. BAŞLA hattına bir pal gönderilmesi. Bu sinyal mikroişlemci nin YAZ (WR) hattından alınabilir. 2. Çevirim işlemi sonuna kadar beklenmesi. Bu işlemin bittiği VERİ HAZIR çıkışından anlaşılır. 3. A/D çeviricinin çıkış sürücüsünden dijital değerin okunması. Mikroişlemci nin A/D çevirimi sırasında, zaman kaybetmeden normal işlevini sürdürebilmesi için interrupt hattının kullanılması gerekir. Şekil 10.22 de AD0801 in İntel 8085 Mikroişlemci sine interrupt hattını kullanarak bağlanması gösterilmiştir. A15adres

31 hattı, bir inverterden geçtikten sonra ADC0801 in devre seçici (CS) girişine bağlanmıştır. MEBR ve MEMW hatları ise sırası ile, OKU (RD) ve YAZ (WR) hatlarına bağlanmıştır. Bu A/D çevirici, interrupt sistemi ile mikroişlemci ye bağlanacak şekilde özel bir mantık devresine sahiptir. Şekil 3.5(b) de gösterildiği gibi çevirim işlemi devre seçici (CS) ve YAZ (WR) hatlarının lojik 0 seviyesine inmesi ile başlar. Çevirim işlemi sonunda ADC0801 in INTR çıkışı lojik 0 seviyeye inerek mikroişlemci nin servis alt programına geçmesini sağlar. Servis alt programında dijital veri A/D çeviriciden okunur ve RD sinyalinden sonra INTR hattı kendiliğinden lojik 1 seviyeye çıkar. Bu tümdevre içindeki mantık devresi, çevirim işleminin bittiğini INTR çıkışından belirtir ve verinin okunmasından sonra bu hattın lojik 1 seviyeye çıkmasını sağlar. Şekil 3.5(a) da gösterildiği gibi, intrrupt kullanarak veri iletişimini gerçekleştirmek için programcının EI komutu ile interrupt maskesini kaldırması gerekir. Bundan sonra 8000H adresli porta YAZ işlemi uygulayarak çevirim işlemi başlar. Çevirim işlemi sonunda INTR sinyali ile Mİ 0034 H satırına geçer. Servis alt programında 8000H adresinden veri okunur, interrupt maskesi kaldırılır ve ana programa dönülür. Şekil 3.5(a) ADC0801 in Intel 8085 e bağlanması

32 CS ƒƒ MEMW Çevirime başla MEMR INTR A/D 0801 den gelir A/D çevirici Statüsü ƒƒ Meşkul Veri hazır Veri Çıkışı Veri Şekil 3.5(b) A/D çeviriciden veri okuma işleminin zamanlama diyagramı 3.1.4 Mikroişlemci Uyumlu A/D Çevirici, ADC0808 3.1.4.1 ADC0808 in çalışma pirensibi CMOS teknolojisi ile üretilmiş bu A/D çevirici, Mİ ile uyum sağlamak için gerekli mantık devresi ve 8 kanallı bir MUX içerir. Bu tümdevre için de çevirim, ardışıl yaklaşım yöntemi ile gerçekleşir. 8 kanallı MUX ile, 8 farklı giriş katına uygulanan analog sinyallerden ilgili olana erişilir. ADC0808 ile çalışırken sıfırlama veya Tam Skala ayarlarına gerek yoktur. TTL uyumlu üç durumlu çıkış sürücüsü tümdevrenin mikrobilgisayar sisteminde kullanılmasını kolaylaştırır.

Şekil 3.6 ADC0808 in blok diyagramı 33

34 Şekil 3.7 ADC0808 in bacak bağlantısı 3.1.4.2 ADC0808 in elektriksel özellikleri V ref(+) ; Maksimum analog giriş değeri; V CC V ref V + ( + ) ref ( ) 2 ; Analog girişin orta değeri; V cc /2, (V ref(+) =Vcc ) V ref(-) I cc ; Minimum analog giriş değeri : 0V ; Besleme akımı : 0,3mA (saat sinyali 640kHz)

35 V in V in I in ; Lojik 1 seviye için giriş voltajı : V cc -1.5V ; Lojik 0 seviye için giriş voltajı : 1.5V (max) ; lojik 1 seviye için giriş akımı : 1 µ A (maks) I in ; lojik 0 seviye için giriş akımı : -1 µ A (V in =0) V out ; Lojik 1 seviye çıkış voltajı : V cc -0,4V V out ; Lojik 0 seviye çıkış voltajı : 0.45V t WS t WALE t S t H t D t H1, t H0 t 1H, t 0H t C f C ; BAŞLA palsının minimum genişliği : 100ns ;ALE palsının minimum genişliği : 100ns ; Minimum adres seyup süresi : 25ns ; Minimum adres tutma süresi : 25ns ; ALE den sonra MUX gecikme süresi :1 µ s ; OE konrolü ile çıkışa dijiyal değerin ulaşması : 125ns ; OE kontrolü ile çıkışta yüksek empedans görülmesi : 125ns ; Çevirim süresi : 100 µ s (fc=640khz) ; Saat sinyali : 10kHz (min), 1280kHz (max), 640kHz (normal) t EOC ; Çevirim sonu (EOC) sinyali gecikmesi : 8 saat Per. +2 µ s. C IN C OUT ; Kontrol girişleri kapasitansı : 10pF ; Çıkış kapasitansı :10pF ADC0808 in içindeki 8 kanallı MUX ile, tümdevrenin 8 farklı giriş hattına uygulanan analog sinyallerden birisi seçilir. Bu seçim adres kod çözücüsü yardımı ile gerçekleşir. Tablo 3.2 de adres girişlerine uygulanan değere göre seçilen kanal gösterilmiştir.

36 Seçilen Adres Hatları Kanal C B A IN0 L L L IN1 L L H IN2 L H L IN3 L H H IN4 H L L IN5 H L H IN6 H H L IN7 H H H Tablo 3.2 ADC0808 de kanal seçimi Bu tümdevrenin en önemli bölümü 8 bitlik A/D çeviricidir. Çevirici değişik sıcaklıklarda hızlı ve doğru bir biçimde çevirim yapacak şekilde tasarlanmıştır. Bu birimin üç ana bölümü şöyledir. 1. 256R Direnç devresi 2. Ardışıl yaklaşım registeri 2. Karşılaştırıcı A/D çeviricisi içindeki ardışıl yaklaşım registeri (SAR) ÇEVİRİME BAŞLA (SC) palsının pozitif kenarında reset olur. Bu palsın negatif kenarında ise çevirim başlar. Başlamış olan bu çevirim işlemi, yeni bir SC palsının gelmesi ile kesilir. ÇEVİRİM SONU (EOC) ve SC hatları bağlanarak sürekli (kesintisiz) çevirim elde edilebilir. Eğer ADC0808 için bu mod seçilir ise, besleme voltajı uygulandıktan sonra, dışarıdan ÇEVİRİME BAŞLA (SC) sinyalinin gönderilmesi gerekir. SC palsından sonra yeteri kadar saat sinyali periyodu geçer ve EOC hattı lojik 0 seviyeye iner. A/D çevirici içindeki en önemli bölümlerden birisi karşılaştırıcıdır. Gerçekleşen çevirim hassasiyeti karşılaştırıcıya bağlıdır. ADC0808 oransal bir çeviricidir. Bu tür çeviricilerde ölçülen fiziksel değer, Tam Skala değerin bir oranı olarak belirtilir. Bu tümdevre için giriş voltajı ve çıkış değeri arasıdaki bağıntı aşağıda verilmiştir. V FS V IN V Z = D MAX D X D MIN

37 Burada ; V IN V FS V Z D X : Analog giriş voltajı : Tam Skala voltajı : Sıfır değeri : Dijital çıkış değeri D MAX : Maksimum dijital çıkış değeri D MIN : Minimum dijital çıkış değeri Önceden V ref(+) ile belirlenen maksimum giriş voltajının değeri besleme voltajı V CC den yüksek olmamalıdır. Benzer olarak minimum giirş voltajını belirleyen V ref(-) de 0v tan daha düşük olmamalıdır. Analog giriş değer aralığının orta noktası, yaklaşık olarak V CC /2 değeri yakınlarında seçilmelidir. ADC0808 in besleme akımı 1mA den daha düşük olduğu için, besleme akımını V ref(+) girişinden çekmek mümkündür. V ref(-) değerinin 0V olarak belirlendiği ve besleme akımının referans kaynağından çekildiği durumlarda olabilir. Gösterilen sürücü op-amp ın çıkış akımı ADC0808 i sürecek seviyede olmalıdır. LM301 op-amp ı 10 µ F lık bir kapasitör ile yüklendiğinde, oldukça kararlı bir şekilde, gerekli voltaj seviyelerini üretmek için kullanılabilir. 3.2 A/D Çeviricinin Displey Sürücü Olarak Kullanılması 3.2.1 A/D çeviricinin LCD Displey sürücü olarak kullanılması 3.2.1.1 7106 entegresi 7106, 3.5 dijitlik CMOS analog-dijital çevirici entegredir. 0.05 doğruluk istenen ölçüm sistemleri için gerekli olan tüm aktif elemanları içlerinde bulundururlar. 7 segment kod çözücü, polarite, dijit sürücüler, referans gerilim kaynağı ve clock devresi entegrenin içerisine yerleştirilmiştir. 7106, çift eğimli çevirme (Dual Slope Conversion) yekniğini kullanarak A/D çevirme işlemi yaparlar. 7106, düşük güç harcadığı için 9V pil ile çalışabilir ve portatif ölçü aletleri uygulamaları için idealdir.

38 7106 nın özelliklri; - LCD Dispileyleri direkt olarak sürebilme, - Görüntü kararlılığı için düşük gürültü, - 9V pil ile çalışabilme, - Yüksek empedanslı CMOS girişler (10 12 ), - Düşük güçte çalışma (10mW), Şekil 3.8 7106 ayak bağlantıları 7106 nın ayak bağlantılarının açıklanması; 1. Pozitif besleme gerilimi

39 2. Birler hanesinin D segmenti 3. Birler hanesinin C segmenti 4. Birler hanesinin B segmenti 5. Birler hanesinin A segmenti 6. Birler hanesinin F segmenti 7. Birler hanesinin G segmenti 8. Birler hanesinin E segmenti 9. Onlar hanesinin D segmenti 10. Onlar hanesinin C segmenti 11. Onlar hanesinin B segmenti 12. Onlar hanesinin A segmenti 13. Onlar hanesinin F segmenti 14. Onlar hanesinin E segmenti 15. Yüzler hanesinin D segmenti 16. Yüzler hanesinin B segmenti 17. Yüzler hanesinin F segmenti 18. Yüzler hanesinin E segmenti 19. Binler hanesindeki 1 rakamı 20. Negatif ölçüm işareti (-) 21. 7106 : LCD BP sürücü çıkışı 22. Yüzler hanesinin G segmenti 23. Yüzler hanesinin A segmenti 24. Yüzler hanesinin C segmenti 25. Onlar hanesinin G segmenti 26. Negatif besleme gerilimi 27. İntegral devresi çıkışı. Bu uca integrasyon kondansatörü bağlanır. (220nF) 28. İntegral alıcı direnç bağlantısı. Bu direnç 47K Ω ise girişten max. 200mV oulr. 29. Otomatik sıfır kondansatörü. 200mV tam skala için 470nF, 2V tam skala için 47nF 30. Eksi (-) ölçme girişi 31. Artı (+) ölçme girişi 32. Ortak analog bağlantı ucu 33. Referans kondansatörünün (-) ucu

40 34. Referans kondansatörünün (+) ucu 35. Referans geriliminin (-) ucu 36. Referans geriliminin (+) ucu. Referans gerilimi 200mV tam skala için 100mV olur. 37. Bu uç direnç ile pozitif gerilime bağlanır ise displeyde 1888 okunmalıdır. 38. İç osilatör ayağı 39. İç osilatör ayağı 40. İç osilatör ayağı. Bu ayağa 100K Ω direnç ve 100pF kondansatör bağlanır ise iç osilatör frekansı 48KHz olur. 3.2.1.2 7106 ile yapılmış LCD Display sürücü Şekil 3.9 7106 nın LCD sürücü olarak kullanılması

41 7106, LCD (sıvı kristal ekran) displeyleri sürer. Bu amaçla BP (Black Plane (geri plan)) ucuna sahiptir. 3.2.2 A/D çeviricinin Led Displey sürücü olarak kullanılması 3.2.2.1 7107 entegresi 7107, 3.5 dijitlik CMOS analog-dijital çevirici entegreleridir. 0.05 doğruluk istenen ölçüm sistemleri için gerekli olan tüm aktif elemanları içlerinde bulundururlar. 7 segment kod çözücü, polarite, dijit sürücüler, referans gerilim kaynağı ve clock devresi entegrelerin içerisine yerleştirilmiştir. 7107, çift eğimli çevirme (Dual Slope Conversion) tekniği kullanılarak A/D çevirme işlemi yaparlar. Şekil 3.10 7107 nin ayak bağlantıları

42 7107 nın özelliklri; - LCD Dispileyleri direkt olarak sürebilme, - Görüntü kararlılığı için düşük gürültü, - ± 5V pil ile çalışabilme, - Yüksek empedanslı CMOS girişler (10 12 ), - Düşük güçte çalışma (10mW). 7107 nin ayak bağlantılarının açıklanması; 1. Pozitif besleme gerilimi 2. Birler hanesinin D segmenti 3. Birler hanesinin C segmenti 4. Birler hanesinin B segmenti 5. Birler hanesinin A segmenti 6. Birler hanesinin F segmenti 7. Birler hanesinin G segmenti 8. Birler hanesinin E segmenti 9. Onlar hanesinin D segmenti 10. Onlar hanesinin C segmenti 11. Onlar hanesinin B segmenti 12. Onlar hanesinin A segmenti 13. Onlar hanesinin F segmenti 14. Onlar hanesinin E segmenti 15. Yüzler hanesinin D segmenti 16. Yüzler hanesinin B segmenti 17. Yüzler hanesinin F segmenti 18. Yüzler hanesinin E segmenti 19. Binler hanesindeki 1 rakamı 20. Negatif ölçüm işareti (-) 21. 7107 : Dijital şase

43 22. Yüzler hanesinin G segmenti 23. Yüzler hanesinin A segmenti 24. Yüzler hanesinin C segmenti 25. Onlar hanesinin G segmenti 26. Negatif besleme gerilimi 27. İntegral devresi çıkışı. Bu uca integrasyon kondansatörü bağlanır. (220nF) 28. İntegral alıcı direnç bağlantısı. Bu direnç 47K Ω ise girişten max. 200mV, 470 K Ω ise girişten max. 2V ölçülebilir. 29. Otomatik sıfır kondansatörü. 200mV tam skala için 470nF, 2V tam skala için 47nF 30. Eksi (-) ölçme girişi 31. Artı (+) ölçme girişi 32. Ortak analog bağlantı ucu 33. Referans kondansatörünün (-) ucu 34. Referans kondansatörünün (+) ucu 35. Referans geriliminin (-) ucu 36. Referans geriliminin (+) ucu. Referans gerilimi 200mV tam skala için 100mV, 2V tam skala için 1V olarak ayarlanmalıdır. 37. Displey test ucu. Bu uç direnç ile pozitif gerilime bağlanır ise displeyde 1888 okunmalıdır. 38. İç osilatör ayağı 39. İç osilatör ayağı 40. İç osilatör ayağı. Bu ayağa 100K Ω direnç ve 100pF kondansatör bağlanır ise iç osilatör frekansı 48KHz olur.

44 3.2.2.2 7107 entegresi ile yapılmış Led Display sürücü Şekil 3.11 7107 nin tipik bağlantı şeması 7107, ortak anodlu LED displayleri sürer ve her segment için 8mA akım çıkışı verebilir.

45 3.3 A/D Çeviricinin DVM Olarak Kullanılması 3.3.1 4.5 Dijitlik DVM, TSC7135 3.3.1.1 TSC7135 entegresi TSC7135, 4.5 dijitlik maksimum lineerlikte ve doğrulukta çevirme işlemi yapan A/D çeviricidir. Çift eğimli çevirme (Dual Slope Conversion) tekniğini kullanarak A/D çevirme işlemi yapar. Çıkışlarına segment sürücü bağlandığı zaman, dijital voltmetre (DVM) olarak kullanılabilir. Ortak anodlu ve ortak katodlu displeyleri süren entegrelerle çalışabilir. Mikroişlemci temelli ölçme sistemlerini destekler. 7135 in Özellikleri; - Maksimum ± 1 sayma hatası, - 0V giriş geriliminde 0V okuma, - Sıfırda doğru polarite gösterimi, - Çoğullamalı BDC veri çıkışları, - TTL uyumlu çıkışlar, - Diferansiyel girişler, - UART ve mikroişlemciler ile sinyal arabirimi oluşturma, - Aşırı düşük ve aşırı yüksek sinyalde otomatik değişim desteği, - Düşük giriş akımı (1pA), - Tam skala gerilimi 2.000V.

46 Şekil 3.12 TSC7135 in ayak bağlantıları Ayak Bağlantılarının Açıklanması : 1. Negatif besleme gerilimi (-5V), 2. Referans gerilim girişi (Pozitif gerilimle analog şase arasından alınmalıdır.), 3. Analog şase, 4. Integral alıcının çıkışı, 5. Otomatik sıfırlama girişi, 6. Tampon çıkışı, 7. Referans kondansatörü-1, 8. Refereans kondansatörü-2,