KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ BİLGİSAYAR MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ BİLGİSAYAR ORGANİZASYONU LABORATUVARI MİKROİŞLEMCİ İLE A/D DÖNÜŞÜMÜ 1. GİRİŞ Analog işaretleri sayısal işaretlere dönüştüren elektronik devrelere Analog-Digital Dönüştürücü denilmektedir. Analog işaretler analog donanım kullanılarak işlenebilir. Bunun yanında analog donanım üzerinde değişiklik yapmak hem masraflı hem de çok zaman alıcı bir işlemdir. Oysaki yazılım düzeyinde değişiklik yapmak oldukça kolaydır. Bu yüzden yazılım olarak işlenebilecek işaretler bir A/D dönüştürücü üzerinden sayısal işaretlere dönüştürülür ve değişiklik işlemi sadece yazılım üzerinde yapılır. Analog-Digital dönüştürücüler günümüzde değişik amaçlar için birçok elektronik cihaz içerisinde kullanılmaktadır. Bu elektronik cihazlar, fiziksel değişimleri çeşitli sensörler (duyargalar) ile algılayıp kontrol edilmesini sağlar. Sensörler, ağırlık, uzunluk, ışık şiddeti, sıcaklık, basınç, debi gibi fiziksel büyüklükleri, bunlarla orantılı akım veya gerilim cinsinden elektriksel değerlere dönüştürür. Maksimum ve minimum sınırları arasında farklı değerler alarak değişen elektriksel büyüklüklere analog bilgi ya da analog değer denir. Akım ve gerilim analog değerlerdir. Büyüklüklerin gerilim var veya yok anlamına gelen 1 ve 0 şeklinde iki rakam kullanılarak ifade edilmesine dijital bilgi ya da dijital değer denir. Sensörler çıkışlarında genellikle analog değer bulunur. Mikroişlemci ile çalışan elektronik cihazlar sadece dijital bilgileri alıp değerlendirebilir. Bu durumda mikroişlemcili ve dijital birçok cihaz için analog bilgilerin dijital bilgilere dönüştürülmesi gerekir. İşte sensörlerden elde edilecek ve analog olan bu gerilim değerlerinin sayısal sistemlerde yazılımla işlenebilmesi için sayısal dönüşümü için Analog-Digital dönüştürücüler kullanılmaktadır. Analog değerler zamana göre sürekli (kesintisiz) olduğundan, tüm zaman dilimlerine karşılık gelen bir analog gerilim değeri vardır. Her analog değer için bir dijital değer oluşturmak çok maliyetli ve karmaşık olacağından uygulamada pratik değildir. Bu nedenle analog değer üzerinden belirli zaman aralıklarında örnekler alınır. Bu işleme örnekleme denir. Her örnek için seviyesine göre kodlanmış dijital bir değer üretilir. Bu işleme de kuantalama (kodlama) denilmektedir. Kısaca ADC devrelerin çalışmasını örnekle, karşılaştır, dijital olarak kodla şeklinde özetlenebilir. Şekil 1 de bu işlem grafiksel olarak gösterilmiştir.
(a) Analog işaret (b) Örnekleme (c) Kodlama (kuantalama) Şekil 1. Örnekleme ve kuantalama (kodlama) işlemleri Çözünürlük: ADC nin analog girişindeki en küçük değer değişimine karşılık çıkışında dijital farklılık oluşturma yeteneğidir. Uygulamada ADC ler için çözünürlük denildiğinde çıkıştaki bit sayısı akla gelmektedir. Çeşitli üretici firmalar tarafından 8, 10, 12, 14, 15, 16, 18, 20, 24 bit çözünürlükte değişik ADC entegreleri üretilmiştir. Dijital çıkışın bit sayısının fazla olması çözünürlüğü artırır. Analog sinyalin doğrusal olmaması ve gürültü bulunması çözünürlüğü azaltır. Analog-dijital dönüştürücüde çözünürlüğün yüksek olması istenir. Quantum Seviyesi (Bölüntü Seviyesi, q): ADC girişine uygulanan analog sinyal, minimum ve maksimum genlik değerleri arasında eşit aralıklara bölünür. Her aralık dijital çıkışta bir bitlik değişime neden olur. Örneğin n sayıda dijital çıkışı olan bir ADC 2 n adet ayrık quantum seviyesine sahip demektir. Girişteki analog sinyalin minimum-maksimum arası 2 n adet eşit parçaya bölünmüş olur. Quantum seviyesi q, Eşitlik (1) ile hesaplanır. 2. ADC Çeşitleri q = V V n 2 1 2.1. Sayısal Eğimli (Basamak Rampalı) A/D Dönüştürücü max min (1) Şekil 2 de Sayısal Eğimli (Rampa) A/D Dönüştürücü nün çalışma şeması verilmektedir. Şekil 2 de DA dönüştürücünün girişine bir sayıcı aracılığı ile sıfırdan başlayarak sayısal bilgi sırayla uygulanır. Vd gerilimi Va dan küçük olduğu her durum için Vo dan küçük olacaktır. Bu durumda sayıcının içeriği sırayla arttırılarak DA dönüştürücünün girişine uygulanmaya devam edilir. Vo ın sıfırdan büyük bir gerilim olarak bulunduğu ilk durumda DA dönüştürücünün girişindeki sayısal bilgi Va analog işaretinin sayısal olarak eşdeğeri olmuş olur. Şekil 2. A/D Dönüştürücünün blok şeması.
2.2. Ardışıl Yaklaşım Successive Approximation) Yöntemi Şekil 2 deki dönüştürücüye verileri sıra ile uygulamak ve uygun sonuca ulaşmak oldukça yavaş bir yöntemdir. Bunun yerine en anlamlı bitten başlanarak D/A dönüştürücüye uygulanan verilerin bitleri lojik 1 yapılır ve Vo gerilimi okunur. Eğer Vo>= 0 ise o bitin yerine 0, değilse 1 konulur. Bu işlem tüm bitler için tekrarlandığında Va nın sayısal eşdeğeri elde edilmiş olur. Bu tür dönüştürücüler rampa yöntemine göre daha hızlıdır. Bunu bir örnekle açıklayalım. Şekil 2 de 3 bitlik bir ADC dönüştürücü için gerekli ağaç yapısı verilmiştir. Burada Va nın sayısal eşdeğeri 8 adım sonunda 01001100 olarak bulunmuştur. Örnekten de görüldüğü gibi elde edilecek sayısal bilgi DA dönüştürücünün bit sayısına bağlıdır. DA dönüştürücünün bit sayısı ne kadar az alınırsa sonuç o kadar hızlı bulunmuş olur. Bunun yanında bit sayısı ne kadar fazla alınırsa sonuç o kadar doğru çıkacaktır. 3. Deneyin Yapılışı Deneyde DIGIAC 2000 deney kiti kullanılmaktadır. Bu deney kitinde üç adet kart vardır; DT35 uygulama kartı, PAT 80286 işlemci kartı ve bu kartın kontrolünde kullanılan bir tuş takımı ve göstergeden oluşan karttır. 3.1. DT35 Uygulama Kartı DT35, mikrobilgisayarın kontrol edebileceği aygıt ve araçları içeren bir modüldür. Yazılan programların çeşitli çevre birimler üzerindeki kontrolünü göstermek amacıyla tasarlanmıştır. İçeriğinde; 1. 8-bit Dijital-Analog çevirici (DAC) 2. 8-bit Analog-Dijital çevirici (ADC) 3. DAC tarafından sürülen, geri beslemeli bir motor 4. ADC tarafından okunabilen bir potansiyometre 5. DAC tarafından kontrol edilen bir optik verici ile ADC tarafından okunan bir optik alıcı 6. TTL uyumlu bir giriş/çıkış portundan kontrol edilen bir ses verici
7. TTL uyumlu iki giriş/çıkış portundan kontrol edilen bir ultrasonik verici ve alıcı 8. İki adet 8 bit port (Port-A ve Port-B) ve içeriklerini görüntülemek için bu portlar tarafından sürülen 16 led Giriş-Çıkış Portlarının Kullanımı : Giriş-çıkış portlarını gözlemleme için ledlerin durumuna bakılır. Eğer bir led, lojik 1 konumundaysa yanar, lojik 0 konumunda ise sönüktür. Şekil 3. DT35 Kitinin Blok Diyagramı. 3.2. DT35 Uygulama Kartında Bulunan Analog-Dijital Çevirici (ADC) DT35 uygulama kartında kullanılan ADC, 8-bitlik ve ardışıl yaklaşıma göre çalışan bir ADC dir. Bu ADC nin girişi bir anahtar vasıtasıyla optik alıcıya ya da potansiyometreye bağlanır. Diyagramı aşağıda verilmiştir. Analog Dijital çeviricide girişten gelen 0-2.55V arası analog işaret 0-FF arası dijital işarete dönüştürülür ve A portundan dışarı verilir.
4. Deney Hazırlığı Şekil 4. DT35 katında bulunan ADC nin blok yapısı. 1. Deneye gelmeden önce 80286 işlemcisi hakkında araştırma yapılmalıdır. 2. Analog-sayısal dönüşümünün nasıl yapıldığı araştırılmalıdır. 3. Örnekleme ve kuantalama (kodlama) kavramları araştırılmalı öğrenilmelidir. 4. Çözünürlük ve örnekleme frekansı ile ilgili ön bilgi edinilmelidir. 5. 6. bölümde verilen deney soruları cevaplanarak deney rapor şablonunun hazırlık soruları kısmına el yazısı ile yazılarak deneye getirilmelidir. 5. Deney Tasarımı ve Uygulaması 1. Deney hazırlık soruları soru-cevap şeklinde sorularak öğrencinin ön hazırlığı yoklanır. 2. Deney föyünde verilen Şekil 2'in hem birinci yöntem hem de 2. yöntemle çalışması açıklanır ve sayısal değerlerle pekiştirilir. 3. Örnekleme ve kuantalamaya (kodlama) sayısal değerlerle örnek verilir. 4. Digiac 2000 deney setinin kısaca tanıtılması ve basit kullanımı öğrencilere gösterilir. 5. EPROM'da bulunan ADC programını çalıştırılır ve sonuçlar gözlemlenir. Ek bilgilere bakınız. 6. Farklı değerlerin sayısala çevrilmesi ve bu değerler için örnekleme ve kuantalama değerlerinin hesaplanması gerçekleştirilir. 7. Deney esansında hesaplanan değerlerin öğrenciler tarafından not alınması sağlanır. 6. Deney Soruları 1. A/D dönüştürücü nedir? Hangi amaçla kullanılır? 2. A/D dönüştürücünün kullanıldığı yerlere en az 3 örnek veriniz. 3. A/D dönüştürücü türleri nelerdir? 4. Örnekleme ve kuantalama kavramları nelerdir, örnek vererek açıklayınız.
7. Deney Raporu Bu deney için ayrıca bir deney raporu hazırlanmayacaktır. Bunun yerine dersin web sayfasında bu deney için verilen rapor şablonu kullanılacaktır. Deneye gelmeden önce bu şablonu web sayfasından indiriniz, gerekli soruları cevaplayınız, deney sırasında elde ettiğiniz ölçümleri ve şablonda yer alan soruları cevaplayarak deney sorumlusuna rapor olarak veriniz. Ekler EPROM Programının Çalıştırılması 1 READY gör 2 R --> bas 3 R.CS görene kadar +'ya bas 4 R.CS : F000 yaz ve G'ye bas 5 Adr. 6000 yaz ve G'ye bas 6 EPROM'dasınız, +/- ile gezinerek programları çalıştır Program çalıştırmak ve durdurmak için G tuşu kullanılır