8. Analoginiai skaitmeniniai keitikliai (ASK) ir jų interfeisai.
Analoginio skaitmeninio keitiklio (ASK) paskirtis - pakeisti įėjimo įtampa į jai proporcingą dvejetainį skaičių. Tam naudojami trys metodai: lygiagretus, svorių (skilčių svėrimo) ir skaitmeninis (nuoseklaus skaičiavimo).
Lygiagrečiu keitimo metodu veikiančiame ASK įėjimo įtampa vienu metu palyginama su N atraminėmis įtampomis ir tiksliai nustatoma, tarp kokių dviejų lygių ji yra. Keitimo rezultatas gaunamas per vieną taktinio generatoriaus periodą. Tačiau čia turi būti N=2n-1 komparatorių, reikalingų individualiai kiekvienam galimam skaičiui.
Svorių metodu veikiančiame ASK reikia daugiau keitimo žingsnių, nes kiekvienu žingsniu surandama tik viena dvejetainio skaičiaus skiltis, turinti atitinkamą svorį. Pradžioje nustatoma, ar įėjimo įtampa viršija vyresniosios skilties atraminę įtampą. Jei ji didesnė vyresnei, skaičiaus skilčiai priskiriamas vienetas ir iš įėjimo įtampos atimama atraminė įtampa. Po to liekana sulyginama su šalia esančios jaunesnės skilties atramine įtampa. Jei skirtumas didesnis už 0, tai šiai skilčiai taip pat priskiriamas 1 ir taip toliau. Šiuo atveju reikės tiek žingsnių, kiek skaičiuje skilčių ir kiek atraminių įtampų.
Paprasčiausiu skaitmeniniu metodu veikiančiame keitiklyje skaičiuojamas jaunesnės skilties atraminės įtampos sumavimų skaičius, reikalingas įėjimo įtampai gauti. Jei didžiausias keičiamasis skaičius yra tai N keitimo rezultatui pasiekti taip pat reikės N žingsnių. ASK taip pat konstruojami, panaudojant šių metodų kombinacijas.
ASK paklaidos.
Sistematinė paklaida (kvantavimo)
;
,
ULSB įėjimo įtampos prieaugis, reikalingas pakeisti kodą jauniausiame bite;
, wmax
matuojamojo signalo didžiausias kampinis dažnis.
Lygiagretaus veikimo ASK, kai skilčių n=3, parodytas 2.27 pav.3 skiltys leidžia perduoti 8 skirtingus skaičius 0+7. Todėl reikią turėti 7 komparatorius ir atitinkamas įėjimo daliklio sukuriamas atramines įtampas:
,
,
,
.
Jeigu įėjimo įtampa
, komparatorius KĮ išėjime atsiranda loginis 1, o kitų komparatorių
išėjimuose - loginiai 0. Jei
, k1 ir k2,
išėjimuose atsiranda loginiai 1, o kituose loginiai nuliai. Jei
tai k1, k2,
k3 išėjimuose atsiras loginiai 1, o kituose - loginiai 0 ir taip
toliau Todėl komparatorių įėjimai turi būti pajungti prie tokiu loginiu schemų,
kurios duotu atitinkamai šiuos skaičius:D=1D=001B, D=2D=010B, D=3D011B
ir taip toliau. Toki keitimą realizuoja prioritetinis dešifratorius, kurio
išėjimuose susiformuoja dvejetainis, skaičius, atitinkantis vyriausiojo įėjimo
loginiam vienetui. Šio dešifratoriaus jaunesniu įėjimu loginiu 1 vertes neturi
reikšmes.
Tačiau prioritetini dešifratorių tiesiogiai prijungti prie komparatorių išėjimų negalima, nes, keičiantis įėjimo įtampai, gali būti gautas klaidingas keitimo rezultatas. Kaip pavyzdi, panagrinėkime perėjima nuo D=3D=011B i D=4D=100B. Tuo atveju, jei , esant greitam įtampos pasikeitimui, vyresnis bitas pasikeis greičiau už jaunesniuosius, atsiras kodas 111B, kuris lygus 7D (vietoje 4D). Kad to išvengti, galima įėjime jungti įtampos išrinkimo saugojimo schema, matavimo laikotarpiui palaikančia įėjimo įtampa pastovia. Tačiau tas būdas sumažintu keitimo greitaeigiškumą, Todėl efektyviau kiekvieno komparatoriaus išėjime pajungti tarpini atminties elementą (D-trigeri), įrašant įejimo informacija tik sinchrosignalo 0 aktyvaus fronto atėjimo momentu.
Naudojant emiteriniu rysiu ECL tipo logika, tokie keitikliai gali veikti iki 50 Mhz dažniu.
2.27 pav. 3 skilčių lygiagretaus veikimo ASK.
;
Modifikuotas lygiagretus ASK, pavaizduotas 2.28 pav. leidžia žymiai sumažinti komparatorių skaičių, kuris lygiagrečiame ASK yra N=2n-1 (pvz., kai n=8, tai N=255). Šiuo atveju keitimo laikas padideja. Panagrinekime 2.28 pav. pavaizduota 8 bitu ASK. Siame ASK pirmu žingsniu pakeičiami vyresnieji įtampos UI bitai B4-B7. Tai yra grubi įėjimo įtampos UĮ keitimo reikšme, kuri 4 bitu SAK keičiama į analogine įtampa UĮ". Palyginimo elementas PE suformuoja DU=UĮ-UĮ , gaunama išrinktos siejimo įtampos reikšmes U'Į ir įtampos UĮ SAK išėjime skirtumas. Ši skirtumą DU keičia antrasis 4 bitu ASK į jaunesnes skiltis B0-B3, kuriam pajungta 16 kartu mažesne atramine įtampa. Pirmojo ASK tikslumas čia turi būti ne mažesnis už viso 8 bitu ASK tikslumą. Antrasis ASK įjungiamas keitimui, tik pilnai suformavus įtampa UI".
Sroviu metodu paremta keitimą realizuoja 2.29 pav. 8 bitu ASK.
Čia loginis valdymo įrenginys (pvz., mikrokompiuteris prieš matavimo pradžia į atmintį surašo loginius nulius (ištrina ankstesnę informaciją). Tuoj po to vyriausioje atminties ląstelės skiltyje B7 įrašomas loginis 1, To dėka ASK išėjime atsiranda Įtampa U(D)=27ULSB. Ši įtampa atitinka pusę keičiamos įtampos diapazono. Jei UĮ ≥27ULSB, tai paliekamas B7=1, jei ne, tai įrašomas B7=0 ir surandamas skirtumas DUI=UĮ B7·27·ULSB. Sekančiu žingsniu įrašius B6=1, ieškomas skirtumas DU2=UI B6·26·ULSB, jei DU2 ≥0, B6=1 jei ne B6=0. Toliau ieškomas DU3=DU2 B5·25·ULSB ir taip toliau. Po 8 aprašytų žingsnių į atmintį įrašomas dvejetainis skaičius D, atitinkantis įėjimo įtampą UĮ=D·ULSB. Kad matavimo metu įėjimo įtampa nepakistų, turi būti įjungta išrinkimo-saugojimo schema. Tokio tipo 8 skilčių ASK keitimo laiką 0,4-15 μs.
Skaitmeniniu metodu veikiantis ASK yra paprasti, tikslus, bet lėto veikimo (1 - 1OOms). Tokio tipo ASK naudojami kompensacinis, pjūklo formos įtampos, dvigubo integravimo, automatinio nulio koregavimo ir kiti metodai.
2.30 pav. pavaizduotas kompensacinis ASK nuo anksčiau nagrinėtų keitiklių skiriasi tuo, kad atminties elementas pakeistas skaitikliu ir žymiai supaprastinta valdymo schema. Palyginimo elemento PE išėjime gaunamas įėjimo UĮ ir kompensuojančios U(D) įtampų skirtumas DU. Jei DU≥0, 5ULSB , tai skaitiklis sumuoja takto impulsus Uf. Dėl to kompensuojanti įtampa U(D) takto dažnio f žingsniu artėja prie matuojamos įėjimo įtampos UĮ reikšmės. Kai pasiekiama DU<0,5ULSB situacija, skaitiklis sustabdomas ir jo išėjime atsiranda skaitmeninis kodas D, atitinkantis duotą įtampą UĮ. Jei išėjimo įtampa toliau mažėja, tai valdymo schema perjungia skaitiklį į skirtuminį režimą, kai, esant DU<0,5ULSB,išbuvusio skaitiklio turinio kas žingsnis atimamas vienetas. Tuo būdu schema automatiškai seka įėjimo įtampos vertę. Jei ši įtampa kinta lėtai, tai jos nepertraukiamo matavimo ir keitimo laikas sutrumpėja, nes matavimas nepradedamas nuo nulio.
2.31pav. ASK naudojamas pjūklo formos įtampos metodas , nereikalaujantis SAK elemento. Jo veikimo principas paremtas matuojamos įtampos keitimu į jai proporcingą integravimo trukmę. Tam naudojami komparatoriai k1 ir k2 bei pjūklo formos įtampos generatorius. Pjūklo formos įtampa auga nuo neigiamos iki teigiamos reikšmės dėsningumu
, čia U0=const
Loginio elemento IARBA išėjime loginis 1 išlieka tol, kol pjūklo formos įtampa Up yra 0-UĮ diapazone. Praėjus laiko intervalui
,
UP susilygina su UĮ ir IARBA išėjime atsiranda loginis 0, fiksuojantis keitimo pabaiga. Laikui Dt nustatyti, skaičiuojamas kvarcinio generatoriaus signalo periodu T=1/f skaičius. Jei tam naudojamas skaitiklis, kurio turinys matavimo pradžioje išvalomas, tai, viršijus komparatorius viršutinį slenkstį (kai IARBA išėjime atsiranda loginis 0), į skatiikį bus įrašytas kodas
τ ir f kitimas (dažniausiai τ=RC) tiesiogiai veikia ASK tikslumą, kurį paktiškai čia gauti didesnį už 0,1% neįmanoma.
Dvigubo integravimo metodu veikiančiame ASK (2.32 pav.) integruojama ne tik atraminė, bet ir įėjimo įtampa. Išeities padėtyje raktai S1 ir S2 atviri, o S3 uždarytas. Integratoriaus išėjimo įtampa Ui=0.
Prasidėjus matavimui, S3 atidaromas, S1 uždaromas ir įėjimo įtampa integruojama. Integravimo laiką matuoja skaitiklis, skaičiuojantis takto impulsus. Integravimo pabaigos momentu t1 integratoriaus išėjimo įtampa
,
čia nI integravimo laiko skaitiklio takto impulsų, kurių periodo trukmė T, skaičius. Pasibaigus matavimui, raktas S1 atsidaro, o S2 užsidaro. Per raktą S2 į integratorių pasiduoda atraminė įtampa Eatr kuri turi būti priešingo ženklo negu įėjimo įtampa UĮ, Dėl to U1 vėl mažėja ir per laikotarpį t2 pasiekia 0 (2.32. b pav.) šis laikas
priklauso nuo |Ui (ti)|=f(UĮ). Čia į matavimo tikslumą neveikia nei f nei τ. Reikia tik, kad f būtų pastovus per laikotarpi t1 + t2. Todėl galima pasiekti iki 0,01% tikslumą. Metodas plačiai naudojamas, kuriant skaitmeninius voltmetrus. Tikslumui padidinti taikomos integratoriaus nulio paderinimo schemos.
ASK interfeisai. ASK skaitmeninis išėjimo signalas turi būti prijungtas prie MKK davinių magistralės. Savaime suprantama, kad davinių magistralė yra naudojama daugelį kartų tada, kai ASK nėra pasiruošęs perduoti savo išėjimo signalus. Todėl ASK prie davinių magistrales turi būti jungiamas per trijų padėčių loginius įrenginius. Šie įrenginiai, gali turėti tokias padėtis: mažą impedansą loginiam vienetui (+5V įtampai), mažą impedansą loginiai nuliui ( OV įtampai) ir dideli impedansą tiek loginiam 1, tiek ir loginiam 0. Tokiais įrenginiais gali būti 4 bitų atminties elementai KPI55TM5, 4 bitų trijų padėčių buferiai KP589A ΠI6, 8 bitų trijų padėčių dviejų krypčių uostai PK589 PI2 ir kt. 8 bitų . ASK pajungimo prie davinių magistralės variantai parodyti 2.33 pav. Tačiau pilnam ASK pajungimui prie MKK , turi būti įvertinti dar du ASK signalai , "Startas" ir "Keitimo pabaiga" EOC (end of conversion). Starto impulsas, kurį turi perduoti MKK, paleidžia ASK, o EOC impulsas, kuri generuoja ASK, praneša išoriniam pasauliui, kad keitimas pasibaigė. 2.34 pav. parodyta 10 bitų ASK, turinčio išėjimo davinių saugojimo registrą, pajungimo prie MKK magistralių schema. Joje starto signalas suformuojamas per ARBA - NE grandinėle iš stato adreso ir BB3Π signalų. Davinių jaunesnieji bitai BO-B7 nuskaitomi per M32 ir MS3 buferius, kai jie išrenkami BB4T ir jaunesnio baito adreso signalais. Vyresnieji bitai B8, B9 ir EOC signalas nuskaitomi į daviniu magistrales D5- D7 linijas per MS4 buferį, atėjus vyresnio baito adreso ir BB4T signalams. Interfeiso valdymo programa (draiveris) turi būti taip sudaryta, kad ASK daviniai butų nuskaitomi tik tada, kai paleidus ASK starto adresu (komanda OUT "STARTAS") perskaitomas loginis 1 bite D7, periodiškai nuskaitant MS4 uosto informacija (komanda IN "Vyresnysis baitas"). Tuomet ASK davinių nuskaitymas realizuojamas dviem žingsniais: nuskaitoma MS2, MS3 informacija ir nuskaitoma MS4 informacija.
2.33 pav. 8 Bitų ASK pajungimo prie MKK davinių magistralės variantai:
a) panaudojant buferį KP580 83;
b) panaudojant uostą KP589ИPI2.
Papildoma informacija galima gauti čia:
Analog devices
1. High resolution 16-bit ADC.
2. 12-bit Successive Approximation Integrated Circuit ADC.
3. Fast, Complete 12-bit ADC.
4. Complete Low Cost 12-bit DAC.
5. Low Cost 16-bit Sampling ADC.
6. 16-bit 500 kHz Sampling ADC.
7. 16-bit 500 kHz Wide Temperature Range Sampling ADC.
8. High Speed 6-bit ADC.
9. High Speed 8-bit Monolithic ADC.
Analog to Digital converters.