Aprašymas
ADC0804 yra paskiltinio palyginimo analogas-skaičius (A/D) keitiklis, kuris skirtas dirbti su 8080A kontroline šyna per trijų būsenų išėjimus. Šį keitiklį mikroprocesoriai supranta kaip atminties vietą arba kaip įvesties-išvesties (I/O) jungtį, taigi nereikalinga sąsajos logika.
Diferencialinis įėjimas leidžia subalansuoti analoginę nulinę reikšmę. Papildomai galima reguliuoti atraminę įėjimo įtampą, kad užkoduoti mažą analoginę įtampą pilna 8 bitų skiriamąja geba.
Ypatybės
- Nereikalinga loginė sąsaja su 80C48 ir 80C80/85;
- Konversijos (keitimo) laikas <100 μs;
- Lengva sujungti su daugeliu mikroprocesorių;
- Dirba „Stand alone“ režimu;
- Diferencialinis analoginis įėjimas;
- Su TTL suderinti įėjimas ir išėjimas;
- Integruotas generatorius;
- Vienpolis analoginis įėjimas (0–5 V);
- Nereikia derinti, nustatyti loginio nulio lygio.
Maksimalūs pajėgumai
Maitinimo įtampa: 6,5 V
Įtampa įėjime: -0,3 V iki (V+ +0,3V)
Darbinė temperatūra: 0 – 70 °C
Laikymo sąlygos: -65 – 150 °C
Litavimo temperatūra (10 s): 300 °C
DĖMESIO: maksimali įtampa ar temperatūra gali būti prietaiso sugedimo priežastimi. Aukščiau nurodytos reikšmės yra pačios didžiausios, su kuriomis testavimo metu prietaisas dar veikė. Tačiau, tuomet galimi dideli nukrypimai nuo parametrų normų, padidėja klaidų kiekis.
Maitinimo įtampai pasiekus 6 V, skaitmeninė loginė sąsaja yra nesuderinama su TTL. Testuojant atkreipti dėmesį, kad žema maitinimo įtampa (4,5 V) ir didelė įėjimo įtampa (5 V) gali būti vieno iš dviejų integruotų įėjimo diodų atsidarymo priežastimi – ypatingai kai pakyla temperatūra. Dėl to gali atsirasti klaidos analoginiams įėjimams, artimiems pilnai skalei. Kai įėjimo įtampa neviršija maitinimo įtampos 50 mV, išėjimo kodas bus teisingas.
Elektrinė specifikacija
Kontrolinio įėjimo loginio „1“ minimali įtampa, VINH = 2 V (kai V+ = 5,25 V)
Kontrolinio įėjimo loginio „0“ maksimali įtampa, VINL = 0,8 V (kai V+ = 4,75 V)
Loginio „0” išėjimo įtampa, VOL = 0,4 V (kai IO = 1,6 mA, V+ = 4,75 V)
Loginio „1” išėjimo įtampa, VOH = 2,4 V (kai IO = -360 μA, V+ = 4,75 V)
Išėjimo trumpo jungimo srovė:
Su GND: 6 mA
Su V+: 16 mA
Integruoto generatoriaus dažnis priklauso nuo kondensatoriaus C ir rezistoriaus R nominalų. Didėjant C talpai (10–1000 pF) ir mažėjant R varžai (10 k – 50 k), generatoriaus dažnis didėja. Geriausiai yra naudoti C, kurio talpa iki 100 pF.
Didėjant generatoriaus dažniui, keičiasi diskretizavimo dažnis, didėja pilnos skalės klaidų skaičius. Tas skaičius gana žymiai sumažėja pakėlus maitinimo įtampą, bet jai pasiekus 6 V jau pasireiškia nesuderinamumas su TTL logika.
Perdavimo funkcija
Aukščiau pateikta idealaus atvejo perdavimo funkcija. X ašyje yra įėjimo įtampa sužymėta žingsneliais kas 1 LSB (atitinka 19,53 mV, kai VREF/2 = 2,5 V). LSB – reiškia žemiausia reikšminė sritis (ŽRS). Skaitmeninio išėjimo kodai, kurie atitinka šiuos įėjimus, yra parodyti kaip D-1, D ir D+1. Gero keitiklio ne tik vidutinė reikšmė (A-1, A, A+1, …) duoda teisinga išėjimo kodą, bet ir kiekvienas perėjimas tarp gretimų išėjimo kodų bus ±0,5 LSB atstumu nuo kiekvienos vidutinės reikšmės. Kaip parodyta, perėjimai neturi pločio. Todėl kiekvienas žingsnis (analoginio įėjimo įtampos rėžis, kuris duoda tą patį kodą) yra 1 LSB pločio.
Žemiau pateiktas perdavimo funkcijos blogiausias atvejis:
Čia reikėtų suprasti, kad jeigu padarysime analoginį įėjimą lygų LSB vidutinei reikšmei, A/D duos teisingą kodą. Į klaidas įeina A/D kvantavimo nepastovumas. Klaidų grafikai visada turi pastovų mažėjantį nuožulnumą, ir statmenys yra visada 1 LSB amplitudės, išskyrus kai keitiklis praranda kodus.
Detalus aprašymas
ADC0804 keitiklis veikia paskiltinio palyginimo principu. Analoginiai jungikliai yra išjungti paskiltinio palyginimo logikos, kol analoginė diferencialinė įėjimo įtampa nesusilygina su įtampa, šuntuota rezistorium per atraminę įtampą. Pirmiausiai yra testuojamas MSB (most significant bit, liet. ARS – aukščiausia reikšminė sritis) ir po 8 palyginimų (64 generatoriaus ciklai) 8 bitų dvejetainis kodas (1111 1111 = pilna skalė) yra siunčiamas į išėjimą.
Keitiklio veikimo eigą galime aprašyti tokiais žingsniais: kai į WR įėjimą paduodamas loginis signalas pasikeičia iš aukšto į žemą, integruotas SAR (successive aproximation register, liet. paskiltinio palyginimo registras) užsirakina ir lygių skaitiklio fazė persikrauna, o INTR išėjimo reikšmė aukšta. Tol kol loginiai kontroliniai įėjimai CS ir WR žemi, tol A/D bus RESET režime. Konversija prasidės nuo 1 iki 8 generatoriaus periodo po to, kai bent vienas iš šių įėjimų pasikeis iš žemo į aukštą. Kai reikiamas kiekis generatoriaus impulsų užbaigs konversiją, INTR išėjimas pasikeis iš aukšto į žemą. Prietaisas veiks laisvu režimu, sujungus INTR su WR kai CS = 0. Kad garantuoti startavimą po visų galimų būsenų, išorinis WR impulsas yra būtinas per pirmą įsijungimo ciklą. Konversijos procesas gali būti nutrauktas išleidžiant antrą starto komandą.
Skaitmeninės operacijos
Skaitmeniniai kontroliniai įėjimai (CS, RD ir WR) atitinka standartinius TTL logikos įtampos lygius. Šie signalai yra ekvivalentūs standartiniams A/D starto ir išėjimo įjungimo kontroliniams signalams. Yra aktyviai žemi, kad leisti lengvai susieti A/D sąsaja su mikroprocesorių kontrolinėmis jungtimis. Jei keitiklis naudojamas be mikroprocesoriaus, CS įėjimas gali būti prijungtas prie GND ir standartinė A/D starto funkcija pasiekiama aktyviu žemu impulsu į WR įėjimą. Išėjimo įjungimas pasiekiamas aktyviu žemu impulsu į RD įėjimą.
Analoginės operacijos
Analoginiai palyginimai yra vykdomi kondensatorine krūvio sumavimo grandine. Trys kondensatoriai (precizinio tikslumo) dalina bendrą įėjimą komparatoriui. Įėjimo kondesatorius yra įjungtas tarp VIN(+) ir VIN(-), o du perdavimo kondensatoriai yra prijungti prie atraminės įtampos daliklio grandinės. Tinklo krūvis atsiliepia didžiausiam skirtumui tarp įėjimo ir esamos reikšmės, nustatytos SAR. Korekcija daroma palyginimo subalansavimui per 0,5 LSB.
Diferencialinis įėjimas
Šis keitiklis yra lanksčiai pritaikomas dėl jo diferencialinio įėjimo. VIN(-) įėjimas gali būti panaudotas, kad atimti fiksuotą įtampos reikšmę iš įėjimo. Papildomai, bendruoju režimu triukšmas gali būti redukuotas panaudojant diferencialinį įėjimą. Laiko intervalas, tarp nuskaitomų VIN(+) ir VIN(-) reikšmių yra 4,5 generatoriaus periodo. Maksimali klaidos įtampa priklauso nuo šio trumpo laiko skirtumo tarp įėjimo įtampos atskaitų:
ΔVE – klaidos įtampa priklausomai nuo atskaitos trukmės. VPEAK yra pikinė bendrojo režimo įtampa. fCM yra bendrojo režimo dažnis. Pavyzdžiui, jei fCM = 60 Hz, kai keitiklio generatoriaus dažnis yra fCLK = 640 kHz б 0,25 LSB klaida (~5 mV) leis pasiekti bendrojo režimo įtampą tokią:
Leistinas įėjimo įtampos rėžis paprastai nustato daugiau griežtų bendrojo režimo įtampos lygių apribojimų nei šis.
Įėjimo šuntavimo kondensatoriai
Šuntavimo kondensatoriai įėjimuose suvidurkina krūvius ir priverčia srovę tekėti per analoginio signalo išėjimo varžą. Krūvio pernešimas yra sunkesnis nuolatinei konversijai, kai įėjimo įtampa yra per visą skalę. Kai fCLK = 640 kHz, ir VIN(+) = 5 V ši srovė yra maksimali 5 μA. Tokiu atveju šuntavimo kondensatoriaus nereikia naudoti ant įėjimo arba ant VREF/2 išvado, kai signalo šaltinio išėjimo varža yra didelė (>1 kΩ). Jei šuntavimo kondensatorius yra būtinas triukšmui filtruoti ir didelė šaltinio varža yra pageidaujama, kad sumažinti kondensatoriaus dydį, įtampos kritimo efektas ant įėjimo varžos, priklausantis nuo vidutinės įėjimo srovės, gali būti kompensuotas reguliuojant skalės didumą. Taip galima naudoti šuntavimo kondensatorių, esant duotai šaltinio varžai. Tai įmanoma, nes vidutinė srovės reikšmė yra preciziškai tiesinė funkcija diferencialinei įėjimo įtampai prie pastovaus konversijos greičio.
Įėjimo varža
Jei reikalingas žemo dažnio filtras, reikia naudoti nedidelės varžos (< 1k) rezistorių, arba operacinį stiprintuvą (OS). Mažos varžos šaltinio atveju, naudojamas 0,1 μF kondensatorius įėjime, jis sumažina atsitiktinius (stray signal pickup), atsiradusį dėl ilgo laido induktyvumo. 100 Ω rezistorius gali būti naudojamas, kad atskirti šį kondensatorių (R ir C yra naudojami išorėje nuo grįžtamojo ryšio ciklo) nuo OS išėjimo, jei naudojamas OS.
EMI
Analoginio įėjimo sujungimas su šaltiniu turi būti kaip įmanoma trumpesnis. EMI gali būti sistemos klaidų priežastimi. Šaltinio varža neturi viršyti 5k, nes kitaip galimi signalo iškraipymai. Kondensatorius prijungtas prie įėjimo ir GND, gali šiuos iškraipymus panaikinti, tačiau tuo pačiu gali atsirasti skalės klaidos, nes kondensatorius suvidurkina trumpalaikę įėjimo srovę. Šias skalės klaidas galima ištaisyti reguliuojant skalės didumą šaltinio varža, šuntavimo kondensatoriumi ir konversijos greičiu.
Atraminės įtampos reguliavimas
Maksimaliam keitiklio pritaikymo lankstumui pasiekti yra derinama 5 V, 2,5 V ar kita atraminė įtampa. Tai daroma su IC mikroschema (stabilizatoriumi). Įsimintina, kad atraminė įtampa (IC stabilizuota) yra lygi arba pusei įtampos vertės, kuri paduota į V+ išvadą, arba lygi įtampai prijungtai išoriškai prie VREF/2.
Pavyzdžiui, jei įėjimo įtampa bus 0,5–3,5 V vietoj įprasto atvejo 0–5 V, tai įtampos skėtra bus 3 V (o ne 5 V). Jei koduojama įprastai – visa 5 V skėtrą 8 bitų rezoliucija, neatsižvelgiant, kad 2 V koduoti vis tiek nereiks, bus prarandamas tikslumas. Jam padidinti, į VIN(-) gali būti prijungta 0,5 V įtampa, kad pašalinti skirtumą, atraminė įtampa lygi pusei įėjimo įtampos skėtros (1,5 V šiuo atveju). Dabar keitiklis užkoduos VIN(+) signalą, 0,5 V įėjimo įtampos didumą prilygindamas nuliniam lygiui, o 3,5 V pilnai skalės vertei. Pilna 8 bitų rezoliucija bus panaudota šiam redukuotam įtampos rėžiui.
Tikslumo reikalavimai
Keitiklis gali dirbti pseudo-logometriniu režimu arba absoliučiu režimu. Pseudo-logometrinio režimo faktorius, lemiantis A/D keitiklio išėjimą, yra atraminės įtampos didumas. Absoliutaus režimo svarbūs tikslumo faktoriai yra atraminės įtampos pirminė reikšmė ir jos temperatūrinis stabilumas. Kai VREF/2 yra lygi 2,5 V, tai pirminės klaidos ±10 mV gali sukelti konversijos klaidas iki ±1 LSB. Redukuotos skėtros atveju, pirminės reikšmės ir VREF/2 stabilumas įgauna vis didesnę svarbą. Įsimintina, kad skėtra, mažesnė nei 2,5 V reikalauja vis didesnio atraminės įtampos tikslumo ir stabilumo.
Apskritai ,atraminė įtampa turi būti pastoviai derinama (stabilizuota). Klaidos, atsiradusios dėl blogos atraminės įtampos reikšmės, yra pilnos skalės klaidos keitiklio perdavimo funkcijoje. IC įtampos stabilizatoriai turi būti naudojami, jei aplinkos temperatūra yra kintanti.
Nulinis lygis
Nulio derinti šiam keitikliui nereikia. Jei minimali įėjimo reikšmė nėra GND, tai paklaida gali būti pataisyta naudojant diferencialinį įėjimą. Nulinis lygis, susijęs su pirmu perdavimo funkcijos padidėjimu, gali būti išmatuotas prijungiant VIN(-) prie GND, ir paduodant mažo dydžio teigiamą įtampą į VIN(+) įėjimą. Nulinis lygis yra skirtumas tarp faktinės DC reikšmės, reikalingos, kad išėjimo kodas pakistų nuo 0000 0000 iki 0000 0001 ir idealios 0,5 LSB vertės (0,5 LSB = 9,8 mV, kai VREF/2=2,5 V)
Pilnos skalės reguliavimas
Tai atliekama prijungiant diferencialinę įėjimo įtampą kurios rėžis yra 1,5 LSB mažesnis už pageidaujamos analoginės pilnos skalės rėžį, ir po to reguliuojant VREF/2 įėjimo didumą, kol skaitmeninis kodas pasikeis iš 1111 1110 į 1111 1111.
Generatoriaus nustatymai
Integruotas generatorius gali būti valdomas išoriniu šaltiniu (pvz. CPU generatorius) arba išorine RC grandine. CLK In (4 išvadas) naudoja Šmito trigerį. Didelės talpos arba didelė DC įtampa į CLK R išvadą gali sutrukdyti normalų konverterio darbą.
Nuolatinė konversija
Tam pasiekti CS įėjimas yra įžeminamas, o WR įėjimas ir INTR išėjimas sujungti tarpusavyje. Kartu jie turi akimirksniu pakisti į aktyvų žemą lygi sekančiam įsijungimo ciklui, kad garantuotų grandinės veikimą.
Maitinimo šaltinis
Triukšmai (įtampos šuoliai) V+ maitinime gali sukelti klaidas konversijoje, nes komparatorius gali sureaguoti į šiuos triukšmus. Dėl to rekomenduojamas mažo induktyvumo tantalo kondensatorius (filtras), kuris turi būti prijungtas prie V+ išvado. Rekomenduojama 1 μF arba didesnis kondensatorius. Jei sistemoje naudojamas nestabilizuotas 5 V maitinimas, tai keitikliui reikėtų naudoti atskirą stabilizatorių, kuris ženkliai sumažina triukšmus V+ maitinime. Pavyzdžiui, tinka ICL7663, kuris stabilizuoja 5,2 V įtampą.
Montažo ypatumai
Visi loginio signalo jungiamieji laidai ir lizdai turi būti sugrupuoti ir kiek galima toliau atskirti nuo skaitmeninio signalo laidų ir lizdų. Juos sumaišius, gali atsirasti skaitmeninis triukšmas, todėl būtina naudoti ekranuotus laidus. Analoginis GND gali būti izoliuotas nuo skaitmeninio GND. Maitinimo šuntavimo kondensatorius ir generatoriaus kondensatorius turi būti prijungti prie skaitmeninio GND. Bet koks VREF/2 šuntavimo kondensatorius, analoginio įėjimo filtro kondensatorius arba įėjimo signalo ekranas turi būti prijungti prie analoginio GND. Teisingam GND sujungimui testuoti gali būti naudojamas nulinio lygio matavimas. Didesni nei 0,25 LSB lygis beveik visada atsiranda dėl neteisingo GND sujungimo arba prasto ekranavimo.
A/D keitiklio testavimas
Yra be galo daug būdų keitiklio testavimui. Paprasčiausias yra toks testas, kai žinomo dydžio įėjimo įtampa prijungiama prie įėjimo ir stebimas skaitmeninis kodas. Lengviausia, kai naudojama VREF/2 = 2,560 V ir V+ =5,12 V. Tai duoda 20 mV LSB reikšmę.
Didžiausia įtampos reikšmė, kuria pakinta įėjimo signalo dydis, bet išėjimo kodas dar lieka tas pats, vadinamas kvantavimo lygiu. 4 bitų rezoliucija turi 15 lygių, o 8 bitų – jau 255 lygius. Skaitmeninio išėjimo kodas matomas LED displėjuje, dalinant 8 bitus į dvi grupes – MSB ir LSB. MSB (liet. ARS) yra aukščiausia reikšminė sritis – kodo skiltis kuri mažiausiai kinta, į įėjimą padavus įtampą. LSB (liet. ŽRS) yra žemiausia reikšminė sritis – kodo skiltis, kuri kinta labiausiai į įėjimą padavus įtampą. LSB kinta žymiai daugiau nei MSB, ir yra keitiklio kvantas. Atkoduoti išėjimo įtampą galima taip:
Pavyzdžiui, jei gavome kodą 1011 0110, MS charakterio reikšmė yra šešioliktainis B (dešimtainis 11), o LS charakterio reikšmė yra šešioliktainis (ir dešimtainis) 6:
Pastebėtina, kad čia nereikėtų painioti sąvokų LS charakteris ir LSB, bei MS charakteris bei MSB. Išėjimo įtampos atkodavimas pagal čia pateiktą formulę yra apytikslis, nes MS charakteris yra keturi bitai, pradedant skaičiuoti nuo MSB, o LS charakteris yra keturi bitai, skaičiuojant nuo LSB. Taip kodas padalinamas į dvi dalis, kad vaizdžiai parodyti jo kitimą, keičiantis analoginio signalo įtampai.
Keitiklio testavimas
Autorius pateikė keletą vaizdelių, kaip buvo atliekamas keitiklio testavimas. Išsamesnį anglišką skaitiklio aprašymą rasite PDF byloje.
