Curs AD Electronica Aplicata

CCOOSSTTIINN TTEEFFNNEESSCCUU NNIICCOOLLAAEE CCUUPPCCEEAA

EELLEECCTTRROONNIICC AAPPLLIICCAATT --

SSIISSTTEEMMEE IINNTTEELLIIGGEENNTTEE HHAARRDDWWAARREE--

SSOOFFTTWWAARREE DDEE MMSSUURRAARREE II CCOONNTTRROOLL

Semnal

Filtrare

Conversieanalog-digital

Analog

Unitatea de calcul Conversiedigital-

analogic FiltrareCircuit de

amplificare

SemnalAnalog

Numeric

FTJ CA/D CD/A FTJ

BBuuccuurreettii 22000033

ELECTRONIC APLICAT

CCUUPPRRIINNSS 1. Elemente introductive referitoare la conducerea proceselor industriale din perspectiva sistemelor inteligente hardware-software de msurare i control ..... 1

1.1 Introducere................................................................................................... 1 2. Sisteme de achiziie i prelucrare a datelor ...................................................... 5

2.1 Noiuni generale .......................................................................................... 5 2.2 Sisteme de achiziii de date. Arhitectur. Principalele tipuri de resurse utilizate n cadrul sistemelor de achiziii de date .............................................. 5

2.2.1 Multiplexoare analogice utilizate n sisteme de achiziii de date ........ 6 2.2.2 Circuite de eantionare-memorare utilizate n sisteme de achiziii de date ................................................................................................................ 9 2.2.3 Circuite pentru conversia datelor utilizate n sisteme de achiziii de date: convertoare analog-digitale i digital-analogice ................................ 14

2.2.3.1 Convertoare digital-analogice. Scheme de principiu .................. 19 2.2.3.2 Convertoare analog-digitale. Scheme de principiu..................... 25

2.3 Interfee specializate de comunicaie ........................................................ 35 2.3.1 Comunicaia de tip serial. Protocoale de transmisie serial a datelor 36

2.3.1.1 Interfaa RS-232 .......................................................................... 36 2.3.1.2 Interfaa I2C ................................................................................. 40

2.3.1.2.1 Specificaiile interfeei I2C................................................... 41 2.3.1.2.2 Conceptul de magistral I2C................................................. 42 2.3.1.2.3 Transferurile pe magistrala I2C ............................................ 43

2.3.1.2.3.1 Transferurile de date pe magistral ............................... 44 2.3.1.2.4 Arbitrarea prioritilor i generarea ceasului ....................... 45

2.3.1.3 Interfaa USB............................................................................... 46 2.3.2 Comunicaia de tip paralel. Protocoale de transmisie paralel a datelor..................................................................................................................... 48

2.3.2.1 Interfaa HPIB ............................................................................. 49 2.3.2.1.1 Structura bus-ului HPIB....................................................... 50

2.3.2.2 Interfaa Centronics ..................................................................... 53 2.3.2.2.1 Protocolul de comunicaie Centronics-Handshake .............. 55

3. Tipuri de sisteme de achiziii de date .............................................................. 57 3.1 Sistem de achiziii de date cu multiplexare temporal.............................. 57 3.2 Sistem de achiziie sincron de date.......................................................... 61 3.3 Sistem rapid de achiziii de date................................................................ 67 3.4 Unitatea central de comand ................................................................... 68 3.5 Sisteme de achiziie de date cu microprocesor ......................................... 69

3.5.1 Uniti centrale de prelucrare tradiionale.......................................... 69 3.5.2 Procesoare de semnal: DSP................................................................ 75

3.5.2.1 Arhitectura unui procesor de semnal .......................................... 76

SISTEME INTELIGENTE HARDWARE-SOFTWARE DE MSURARE I CONTROL 1

ELECTRONIC APLICAT

3.5.2.2 Portul serial sincron al familiei DSP TMS320C2xx................... 81 3.5.2.3 Portul serial asincron al familiei DSP TMS320C2xx................. 82

4. Consideraii generale asupra instrumentaiei virtuale..................................... 85 4.1 Instrumente virtuale................................................................................... 85 4.2 Interfaa calculator - proces de msurare sau control ............................... 90 4.3 Software pentru instrumentaie virtual .................................................... 92

4.3.1 Alegerea platformei software: Unix sau Windows? .......................... 94 4.4 Particulariti ale intrumentaiei virtuale................................................... 95 4.5 Noi instrumente DAQ specializate extind noiunea de instrument virtual97

4.5.1 Transferul de date n bus-ul PCI ........................................................ 98 4.5.2 Implementarea DMA pe placa de tip PCI Bus Master. Chip-ul ASIC MITE. .......................................................................................................... 99 4.5.3 Windows NT 4.0 aduce mbuntiri importante pentru utilizatorii de instrumentaie virtual............................................................................... 101 4.5.4 Terenul este pregattit pentru noile instrumente DAQ .................... 103

4.5.4.1 Tehnici de eantionare utilizate n osciloscoapele numerice .... 104 4.5.5 DAQScope ....................................................................................... 105

4.5.5.1 De ce este important mrimea memoriei i viteza de transfer DMA la un osciloscop? ......................................................................... 107

4.5.6 DAQArb ........................................................................................... 108 4.5.7 DAQMeter........................................................................................ 109

4.6 Software specializat pentru achiziia datelor .......................................... 110 4.6.1 Software pentru achiziia de date ..................................................... 111 4.6.2 Detalii privind cerinele impuse unui pachet software pentru msurri electrice ..................................................................................................... 115 4.6.3 SCPI (Standard Commands for Programmable Instrumentations). 119

5. Prezentarea microcontrollerului 80C552 (PHILIPS).................................... 125 5.1 Arhitectura hardware a microcontroller-ului 80C552............................. 125

5.1.1 Memoria intern a microcontroller-ului 80C552............................. 125 5.1.1.1 Memoria de program (Program Memory) ................................ 125 5.1.1.2 Memoria de date (Data Memory).............................................. 126 5.1.1.3 Registrele cu funcii speciale .................................................... 127

5.1.2 Structura i lucrul cu porturile de intrare-ieire ............................... 130 5.1.2.1 Programarea i utilizarea temporizatoarelor ............................. 132 5.1.2.2 Interfaa serial SIO0 ................................................................. 134 5.1.2.3 Ieirile modulate n durat......................................................... 135 5.1.2.4 Seciunea analogic a microcontrollerului................................ 137 5.1.2.5 Msurarea intervalelor de timp prin utilizarea registrelor de cap-tare a evenimentelor .............................................................................. 142

5.2 Prezentarea setului de instruciuni al microcontroller-ului 80C51 ......... 143 5.3 Sistem de dezvoltare cu microcontroller 80C552 ................................... 167

5.3.1 Domeniul de aplicabilitate ............................................................... 172


ELECTRONIC APLICAT

5.3.2 Detalierea resurselor sistemului ....................................................... 172 5.3.2.1 Unitatea Central de Prelucrare ................................................ 172 5.3.2.2 Interfaa cu Procesul Controlat.................................................. 172 5.3.2.3 Interfaa cu Operatorul .............................................................. 180 5.3.2.4 Interfaa cu un Sistem de Calcul ............................................... 183

5.3.3 Resurse software, utilizare ............................................................... 183 5.3.4 Rutine de baz pentru manipularea resurselor sistemului................ 185

6. Sistem universal, modular, de achiziii de date............................................. 197 6.1 Mrimi de intrare n sistemul de achiziii de date................................... 197 6.2 Specificaiile de proiectare ale sistemului de achiziii de date ............... 197 6.3 Interfaa specializat de achiziii de date a sistemului ............................ 200

6.3.1 Interfaa de achiziii de date propriu-zis......................................... 201 6.3.1.1 Blocul de adaptare a semnalelor analogice ............................... 201 6.3.1.2 Blocul filtrelor antirepliere........................................................ 204 6.3.1.3 Blocul circuitelor de eantionare-memorare suplimentare ....... 207 6.3.1.4 Blocul convertoarelor analog-digitale....................................... 209

6.3.1.4.1 Descrierea funcional a blocului de conversie analog-digital din cadrul interfeei specializate de achiziii de date ........... 209

6.3.1.5 Blocul de conversie digital-analogic ....................................... 217 6.4 Unitatea central de prelucrare local cu microcontroller 80C552 ........ 221

6.4.1 Descrierea funcional a UCPL........................................................ 221 6.4.2 Resursele unitii centrale de prelucrare locale a sistemului de achiziii de date.......................................................................................... 221

6.5 Interfaarea unitii centrale de prelucrare, cu microcontroller 80C552, cu un sistem hardware extern (interfaa de achiziii de date) ............................ 226

6.5.1 Modaliti de cuplare a unitii centrale de prelucrare cu un dispozitiv hardware extern ......................................................................................... 226 6.5.2 Descriere funcional a ansamblului unitate central de prelucrare local - interfaa specializat de achiziii de date...................................... 227

6.6 Estimarea erorilor ce se manifest n cadrul sistemului de achiziii ....... 229 6.6.1 Estimarea erorilor software .............................................................. 229 6.6.2 Estimarea erorilor hardware............................................................. 231

7. Software de analiz a semnalelor electrice ................................................... 235 7.1 Consideraii generale asupra instrumentelor software de analiz a semnalelor electrice....................................................................................... 235 7.2 Platforma HP VEE pentru Windows. Prezentarea analizorului ESA..... 236 7.3 Implementarea analizorului ESA ............................................................ 239

7.3.1 Blocul de prelucrare a fiierului de date de intrare .......................... 241 7.3.2 Blocurile pentru controlul dispozitivelor de afiare......................... 243 7.3.3 Dispozitivele de afiare de tip oscilograf ......................................... 246 7.3.4 Blocul de afiare sub form digital a valorilor minime/maxime ale semnalelor de intrare ................................................................................. 247


ELECTRONIC APLICAT

7.4 Interfaarea instrumentului virtual de analiz a semnalelor electrice, ESA, cu interfaa specializat de achiziii de date.................................................. 248 7.5 Detalii suplimentare privind implementarea instrumentului virtual ESA....................................................................................................................... 250 7.6 Resurse suplimentare ale analizorului de semnale electrice, ESA ......... 250

7.6.1 Analizorul Fourier ............................................................................ 254 7.7 Testarea instrumentului virtual ESA i rezultate experimentale............. 257 7.8 Listingul programului de achiziie de date.............................................. 258

8. Sistem cu microcontroller pentru msurarea i controlul temperaturii......... 271 8.1 Specificaiile de proiectare ale sistemului pentru msurarea i controlul temperaturii ................................................................................................... 271 8.2 Descrierea funcional a sistemului de msurare a temperaturii ............ 272

8.2.1 Blocul de msurare a temperaturii ................................................... 272 8.2.1.1 Traductorul de temperatur ....................................................... 273

8.2.1.1.1 Conectarea traductorului de temperatur ........................... 273 8.2.1.1.2 Senzorul de temperatur..................................................... 273 8.2.1.1.3 Modulul surselor de tensiune de referin.......................... 275 8.2.1.1.4 Senzor de temperatur cu ieire unificat n curent ........... 278

8.2.2 Utilizarea resurselor unitii centrale de prelucrare ......................... 279 8.2.3 Etajele de ieire pentru comanda elementelor de execuie .............. 283

8.3 Software de analiz a rezultatelor ........................................................... 286 8.3.1 Implementarea analizorului PROTERM.......................................... 288

8.4 Listingul aplicaiei de msurare i control a temperaturii....................... 289 9. Implementarea hardware-software a unui instrument de vizualizare a semnalelor (EASY SCOPE).............................................................................. 299

9.1 Descrierea funcional a osciloscopului digital EASY SCOPE ............. 299 9.2 Prezentarea circuitului PIC16C71 (Microchip) ...................................... 303

9.2.1 Descriere general a PIC16C71 ....................................................... 304 9.2.2 Prezentare architectural .................................................................. 306

9.2.2.1 Ceasul de sistem / Ciclul instruciune ....................................... 308 9.2.2.2 Fluxul de execuie al instruciunii / Pipeline-ing ...................... 308

9.2.3 Organizarea memoriei de program (Program Memory) .................. 309 9.2.4 Organizarea memoriei de date (Data Memory) ............................... 310

9.2.4.1 Registrul STATUS .................................................................... 310 9.2.5 Porturi I/O ........................................................................................ 312

9.2.5.1 Registrele PORTA i TRISA .................................................... 312 9.2.5.2 Registrele PORTB i TRISB..................................................... 313

9.2.6 Consideraii de programare I/O........................................................ 315 9.2.6.1 Porturi I/O bidirecionale .......................................................... 315 9.2.6.2 Operaii succesive asupra porturilor I/O ................................... 316

9.2.7 Modulul de conversie analog-digital .............................................. 316 9.2.7.1 Specificaii pentru achiziia A/D............................................... 319


ELECTRONIC APLICAT

9.2.7.2 Particulariti de utilizare a circuitului de conversie analog-digital a microcontroller-ului PIC16C71............................................. 320

9.3 Caracteristici constructive. Testare i calibrare EASY SCOPE ............. 327 9.4 Descrierea meniului aplicaiei EASY SCOPE........................................ 329 9.5 Codul surs n limbaj de asamblare al microcontroller-ului PIC16C71 pentru osciloscopul digital EASY SCOPE ................................................... 331 9.6 Codul surs n limbaj C pentru osciloscopul digital EASY SCOPE ...... 338

10. Traductor inteligent pentru msurarea nivelului ......................................... 349 10.1 Prezentarea hardware a traductorului inteligent de nivel...................... 350 10.2 Programul de aplicaii NIV.ASM ......................................................... 354

10.2.1 Descrierea programului de aplicatie NIV.ASM............................. 356 10.2.1.1 Seciunea de iniializare i declarativ .................................... 356 10.2.1.2 Seciunea de programare a parametrilor de funcionare ......... 358 10.2.1.3 Seciunea de msurare propriu-zis ........................................ 361

10.3 Programul de aplicaii NIVOK.ASM.................................................... 366 10.3.1 Seciunea de iniializare i declarativ ........................................... 366 10.3.2 Seciunea de calibrare a generatorului de curent ........................... 366 10.3.3 Seciunea de programare a parametrilor de funcionare ................ 367 10.3.4 Seciunea de msurare propriu-zis ............................................... 369

10.4 Listingul programului de aplicaie NIVOK.ASM................................. 372


ELECTRONIC APLICAT


ELECTRONIC APLICAT

11.. EELLEEMMEENNTTEE IINNTTRROODDUUCCTTIIVVEE RREEFFEERRIITTOOAARREE LLAA CCOONNDDUUCCEERREEAA PPRROOCCEESSEELLOORR IINNDDUUSSTTRRIIAALLEE DDIINN

PPEERRSSPPEECCTTIIVVAA SSIISSTTEEMMEELLOORR IINNTTEELLIIGGEENNTTEE HHAARRDDWWAARREE--SSOOFFTTWWAARREE DDEE MMSSUURRAARREE II

CCOONNTTRROOLL

11..11 IINNTTRROODDUUCCEERREE

Sugestiv, conducerea proceselor industriale, poate fi reprezentat printr-o piramid mprit pe mai multe niveluri (fig. 1.1). Supravegherea se gsete n piramida conducerii proceselor pe nivelul al treilea, alturi de conducerea procesului, ceea ce arat c, practic, ele nu pot fi separate.

Achiziii i Acionri

Controlul Procesului

Supravegherei conducere

GestiuneSupervizareOptimizare

Fig. 1.1 Nivelurile de conducere a proceselor industriale.

Domeniul supravegherii proceselor industriale este destul de vast. Acesta conine aplicaii ncepnd cu simpla achiziie de date i pn la prelucrri foarte complexe:

analize statistice; gestiunea elaborrii alarmelor; ghid operator; supravegherea aciunilor de conducere ale operatorilor; identificri de parametri i simulri; supravegherea dinamic a rspunsului procesului, etc.

La baza piramidei se situaz operaiunile de achiziie din proces a mrimilor de intrare i de transmitere ctre procesul supravegheat a comenzilor de acionare. Funciile de baz ale unei aplicaii de supraveghere a unui proces sunt:

comunicaia cu procesul; SISTEME INTELIGENTE HARDWARE-SOFTWARE DE MSURARE I CONTROL 1

ELEMENTE INTRODUCTIVE DESPRE CONDUCEREA PROCESELOR INDUSTRIALE

semnalizarea; comunicaia cu programele utilizate pentru prelucrarea datelor; interfaarea om-main; gestiunea alarmelor; gestiunea rapoartelor. Conceptul de aplicaie n timp real poate fi definit astfel:

Aplicaia n timp real, este acea aplicaie care realizeaz un sistem informatic al crui comportament este condiionat de evoluia dinamic a strii procesului la care este conectat. Acest sistem informaional este menit s urmreasc sau s conduc procesul, respectnd condiiile de timp stabilite. Deci, timpul real este o noiune care marcheaz de fapt conceptul de timp de reacie relativ la dinamica procesului pe care sistemul informatic l conduce (supraveghez).

Supravegherea n timp timp real a unui proces este o etap necesar pentru trecerea la pasul urmtor: conducerea procesului.

Calcule conform unorstrategii de conducere

Actualizare baz dedate din reea

Generare rapoarte,semnalizri, alarmri

Culegere de datedin reea

Ceas detimp real

Bazde datereea

R E E A E L E C T R I C

Operator S I S T E M D E C A L C U L N T I M P R E A L

Com

enzi

Fig. 1.2 Schema unui sistem de achiziie i calcul, n timp real, pentru

supravegherea unei reele electrice.

Un sistem n timp real este sistemul de automatizare complex cu ajutorul calculatorului a unor probleme de decizie, mai ales cu caracter operativ, n care timpul de rspuns este suficient de redus pentru a putea influena n mod


ELECTRONIC APLICAT

semnificativ i pozitiv evoluia obiectivului condus.

n fig. 1.2 este prezentat schema simplificat a unui sistem de achiziie i prelucrare a datelor n timp real, destinat supravegherii proceselor dintr-o reea electric, care realizeaz:

culegerea de date; actualizarea bazei de date; calcule conform unor strategii de conducere; supravegherea i corectarea on-line a regimului.

Un sistem de achiziie de date i control a unui proces industrial, asociat

cu un microsistem de calcul, se comport ca un sistem inteligent (care poate lua decizii bazate pe informaii anterioare, prelucreaz informaia, efectueaz calcule, dup care, pe baza rezultatelor obinute, adopt o decizie, din mai multe soluii posibile).

Sistemele de achiziie de date asociate cu microsistemele de calcul, n timp real, au ca principale avantaje:

flexibilitatea i adaptabilitatea la o mare varietate de situaii; creterea gradului de automatizare al unor operaii; mrirea preciziei msurtorilor; fiabilitate bun (numr redus de componente, posibilitatea de

autotestare datorit programelor ncorporate); miniaturizarea echipamentelor; posibilitatea prelucrrii complexe a datelor din proces; simplificarea proiectrii electrice i tehnologice datorit existenei

familiilor de componente ce permit interconectri standard.


ELEMENTE INTRODUCTIVE DESPRE CONDUCEREA PROCESELOR INDUSTRIALE


ELECTRONIC APLICAT

22.. SSIISSTTEEMMEE DDEE AACCHHIIZZIIIIEE II PPRREELLUUCCRRAARREE AA DDAATTEELLOORR

22..11 NNOOIIUUNNII GGEENNEERRAALLEE Ca rezultat al rspndirii pe scar larg, n ultimul timp, a calculatoarelor personale i a perfecionrii lor continue, marile firme productoare de sisteme de msurare au cutat s realizeze echipamente care s utilizeze calculatorul personal pentru:

achiziia de date din sistemele industriale; reglajul i supravegherea unor parametri sau instalaii (procese); realizarea unor aparate de msurare cu performane ridicate.

n prezent, resursele calculatorului personal sunt utilizate pentru a efectua sarcini cum ar fi: comanda, gestiunea, prelucrarea i afiarea datelor care altfel ar fi preluate de un microprocesor, plasat n interiorul instrumentului. Instrumentul de msurare comunic cu PC-ul prin intermediul unei interfee care are n mod obligatoriu un convertor analog-digital. Instrumentul de msurare poate fi redus la o simpl cartel de achiziii de date pentru msurtori. n momentul de fa, prin intermediul tastaturii calculatorului se poate comanda instrumentul de msurare, iar pe display pot fi vizualizate rezultatele msurtorilor, sub form numeric sau sub form grafic. Aceste rezultate apar ca urmare a prelucrrii datelor brute obinute de la instrumentul de msurare de ctre calculator, la cererea utilizatorului. De aici, rezult aparate cu pre de cost mult mai sczut.

22..22 SSIISSTTEEMMEE DDEE AACCHHIIZZIIIIII DDEE DDAATTEE.. AARRHHIITTEECCTTUURR.. PPRRIINNCCIIPPAALLEELLEE TTIIPPUURRII DDEE RREESSUURRSSEE UUTTIILLIIZZAATTEE NN

CCAADDRRUULL SSIISSTTEEMMEELLOORR DDEE AACCHHIIZZIIIIII DDEE DDAATTEE

Un sistem de achiziie de date cu n canale de intrare poate fi realizat n urmtoarele trei configuraii:

sistem cu multiplexare temporal; sistem cu achiziie sincron de date; sistem rapid de achiziie de date.

Un sistem de achiziie de date utilizat pentru achiziia i prelucrarea datelor ntr-un sistem (fig. 2.1) este compus din urmtoarele module funcionale principale:

1. convertoare de intrare;


SISTEME DE ACHIZIIE I PRELUCRARE A DATELOR

2. circuite de multiplexare analogic; 3. circuite de eantionare-memorare (E/M); 4. circuite pentru conversia datelor - convertoare analog-digitale (CA/D)

i digital-analogice (CD/A); 5. registre tampon (buffer-e); 6. unitatea central de prelucrare (P); 7. interfaa de interconectare cu calculatorul personal.

Microprocesor P Memorii ROM Memorii RAM Circuitinterfa paralel

MAGISTRALADE ADRESE

CeasSf

ri

tco

nver

sie

Star

tco

nver

sie

Convertoranalog-digital

EOC

STA

RTCircuiteantionare-memorare

Comand E/M

Multiplexoranalogic

Adres canal

Etajadaptare

Alte

can

ale

1 Semnal de studiat

MAGISTRALA DE CONTROL

Dat

e

Selecii

Decodificator

MAGISTRALA DE DATE

Sele

cie

Sele

cie

Sele

cie

Adr

ese

Adr

ese

Adr

ese

Adr

ese

Dat

e

Dat

e

Dat

e

Dat

e

Com

enzi

Com

enzi

Com

enzi

Com

enzi

Fig. 2.1 Structura general a unui sistem de achiziii de date.

n continuare vor fi prezentate aspectele eseniale, parametrii caracteristici

i vor fi enumerate recomandri de proiectare ale acestor componente de baz din cadrul sistemelor de achiziii de date.

22..22..11 MMUULLTTIIPPLLEEXXOOAARREE AANNAALLOOGGIICCEE UUTTIILLIIZZAATTEE NN SSIISSTTEEMMEE DDEE AACCHHIIZZIIIIII DDEE DDAATTEE

n multe situaii este necesar s fie transmise mai multe informaii pe

acelai canal; cum acest lucru nu se poate face simultan, se recurge la o partajare n timp a canalului, denumit multiplexare. Operaia invers se numete


ELECTRONIC APLICAT

demultiplexare. Operaia de multiplexare/demultiplexare analogic necesit dispozitive de comutare care s direcioneze semnalul util pe un canal dorit. n varianta sa cea mai simpl, un multiplexor analogic poate fi asimilat cu un comutator rotativ cu poziii sau cu un ansamblu de comutatoare, dintre care numai unul este nchis, n timp ce toate celelalte sunt deschise, comandat de un sistem logic care permite cuplarea uneia din intrri la ieire (fig. 2.2). Deoarece comutatoarele sunt bilaterale, rezult c un multiplexor analogic poate fi utilizat i ca demultiplexor analogic, prin simpla schimbare a sensului.

n2k = n2k =

+

_

0

1

2 -1n

Decodificator

2

RegistruAdrese Activare

Intrrianalogice Ieire

Aplicaie

Fig. 2.2 Structura unui multiplexor analogic.

Parametrii multiplexoarelor/demultiplexoarelor analogice sunt: rezistena n starea deschis (off): [M]; offR rezistena n starea nchis (on): []; onR curentul de pierderi n starea deschis: [nA, A, mA]; offI timpul de comutare direct (nchidere): [ns, s]. Este definit ca

intervalul de timp de la aplicarea comenzii de nchidere pn ce semnalul de ieire atinge o valoare egal cu cea de la intrare (cu o precizie impus, de exemplu 1%);

ont

timpul de comutare invers (deschidere): [ns, s]. Este definit ca intervalul de timp de la aplicarea comenzii de deschidere pn la reducerea curentului la valoarea curentului de pierderi, , la valoarea specificat n catalog;

offt

offI

banda de frecvene: . BMultiplexorul analogic permite utilizarea unui singur convertor analog-

digital pentru mai multe canale analogice de intrare (sisteme de achiziii de date cu multiplexare temporal). Utilizarea multiplexoarelor reprezint o soluie economic viabil i n cazul semnalelor de intrare de nivel redus, pentru care



multiplexarea se realizeaz cu costuri ridicate. Elementul principal al multiplexoarelor analogice l constituie elementul

de comutare, care poate fi realizat n mai multe variante constructive: cu relee obinuite; cu relee cu mercur; cu relee reed; cu elemente semiconductoare (tranzistoare bipolare, diode Schottky,

tranzistoare TEC-J, tranzistoare CMOS). Primele trei variante constructive, utiliznd elemente electromecanice, conduc la investiii iniiale reduse, compensate ns de costuri ridicate de exploatare, fiabilitate i durat de funcionare reduse. De aceea, utilizarea lor este recomandabil doar n situaiile n care este nevoie s fie mutiplexate semnale cu nivele mari.

Fiecare tip constructiv de multiplexoare analogice, realizat cu elemente semiconductoare, sunt caracterizate de unele performane notabile, dar i de incoveniente mai mult sau mai puin surmontabile. Astfel:

comutatoarele cu diode rapide au timp de comutaie de valori foarte reduse (1 ns), ns rezistenele reziduale (n stare nchis, respectiv deschis) i au valori neperformante, n comparaie cu alte tipuri;

onR offR

comutatoarele cu tranzistoare bipolare au timpi de comutaie mici i rezistene reziduale de valori reduse, necesit cureni de comand importani, dar are o valoare relativ mic, ceea ce conduce la o transparen mare a comutatorului;

onRoffR

comutatoarele cu tranzistoare cu efect de cmp TEC-J au rezistena de ordinul zecilor de ohmi, timpi de comutaie medii, ns necesit

circuite de comand complicate (translatoare de nivel pentru compatibilizarea comenzilor);

onR

comutatoarele cu tranzistoare complementare CMOS sunt cele mai avantajoase i cele mai folosite. Ele sunt caracterizate prin timpi de comutaie satisfctori, rezistena de valoare relativ mic i de valoare ridicat. n acelai timp ele pot fi comandate foarte simplu, iar transparena crete doar la frecvene nalte ( Hz).

onR offR

85 1010 n prezent, datorit evoluiei explozive a tehnologiei dispozitivelor

semiconductoare CMOS, au fost realizate multiplexoare analogice ce pot fi direct interfaate cu un microprocesor. Acestea dispun de un registru ce poate memora adresa de canal prin executarea unei instruciuni de scriere la adresa specific alocat multiplexorului. De asemenea, majoritatea multiplexoarelor analogice realizate n tehnologie CMOS sunt caracterizate de protecia dispozitivului la aplicarea unor supratensiuni pe intrri, cu valori de 5-6 ori mai mari dect semnalele manipulate n funcionare normal. Proteciile sunt active


ELECTRONIC APLICAT

pentru canale n stare on sau off n cazul dispozitivelor n stare de funcionare (alimentate), i chiar pentru circuite nealimentate. Un canal deschis, cruia i se aplic o supratensiune, este comutat automat n stare off, realiznd protecia etajelor electronice conectate la ieirea multiplexorului. Un exemplu tipic de astfel de multiplexor analogic interfaabil i cu protecie la aplicarea de supratensiuni accidentale pe intrri este circuitul MAX368, produs de firma Maxim.

22..22..22 CCIIRRCCUUIITTEE DDEE EEAANNTTIIOONNAARREE--MMEEMMOORRAARREE UUTTIILLIIZZAATTEE NN SSIISSTTEEMMEE DDEE AACCHHIIZZIIIIII DDEE DDAATTEE

Un circuit de eantionare-memorare realizeaz prelevarea, la un moment

dat, a valorii unui semnal analogic i memorarea analogic a acesteia (fig. 2.3a). n modul de lucru eantionare (sau urmrire), determinat de nivelul

logic 1 al semnalului de comand ME/ , circuitul de eantionare-memorare funcioneaz ca repetor. n modul de lucru memorare (sau meninere), determinat de nivelul logic 0 al semnalului de comand ME/ , circuitul de eantionare-memorare funcioneaz ca o memorie analogic, memornd la bornele unei capaciti semnalul de intrare eantionat anterior (fig. 2.3b).

Circuitele de eantionare-memorare se utilizeaz n sistemele de achiziie i distribuie de date. Astfel, ntr-un sistem de achiziii de date, ieirea circuitului de eantionare-memorare este conectat la intrarea convertorului analog-digital (CA/D). n intervalul corespunztor efecturii unei conversii analog-numerice, circuitul de eantionare-memorare este comandat n stare de memorare pentru a menine constant tensiunea la intrarea convertorului analog-digital. Se obine astfel mrirea valorii limitei superioare a domeniului de frecvene ale semnalului de intrare pentru care CA/D poate fi utilizat la rezoluia maxim (specificat de numrul de bii ai rezultatului conversiei). Acest deziderat este realizat dac tensiunea de la intrarea convertorului analog-digital nu se modific, pe durata efecturii conversiei, cu mai mult de 1/2 LSB. n sistemele de distribuie a datelor, circuitele de eantionare-memorare sunt utilizate pentru reconstituirea semnalelor multiplexate n timp.

Circuitele de eantionare-memorare sunt caracterizate de o serie de parametri (fig. 2.4), grupai n mai multe caracteristici:

caracteristici de urmrire (fig. 2.4a): eroarea staionar - reprezint abaterea de la amplificarea unitar

sau de la cea specificat prin datele de catalog;



Circuit deeantionare-memorare

E/M

Ui Ue

Eantionare

Memorare

tt1 t2 t3

U , i Ue

Ui

Ue

a) structur funcional b) operaia de eantionare-memorare

Fig. 2.3 Circuit de eantionare-memorare.

eroarea de decalaj - reprezint valoarea ieirii pentru o tensiune de intrare nul;

Intrare

Ieire

Eroare staionar

Eroarede decalaj

Timp de stabilire

Intrare

Ieire

Ieire idealEroare de decalaj

Timp destabilire

Timp deapertur

Eantionare (E)Memorare ( )M

a) caracteristici de urmrire b) caracteristici de tranziie E/M

Intrare

Ieire

Ieire idealCdere

Ptrundere

Intrare

Ieire

Timpi destabilire

Timp deachiziie

Eantionare (E)Memorare ( )M

c) caracteristici de memorare d) caracteristici de tranziie M/E Fig. 2.4 Erori ale circuitelor de eantionare-memorare.

timpul de stabilire - reprezint intervalul de timp necesar pentru


ELECTRONIC APLICAT

atingerea valorii dorite a ieirii, cu o toleran maxim specificat; caracteristici de tranziie eantionare-memorare (fig. 2.4b):

timpul de apertur - reprezint intervalul de timp dintre comanda de memorare i momentul efectiv al comutrii circuitului n regim de memorare;

incertitudinea timpului de apertur - reprezint variaia timpului de deschidere a comutatorului regimului de eantionare-memorare, dup primirea comenzii de memorare;

eroarea de decalaj la memorare - este determinat, n principal, de comutarea trzie a circuitului de memorare i a regimului tranzitoriu de ncrcare a condensatorului de memorare;

caracteristici de memorare (fig. 2.4c): cderea - reprezint tendina de scdere a nivelului de la ieire fa

de cel ideal, datorit descrcrii condensatorului de memorare; ptrunderea - caracterizeaz influena intrrii asupra ieirii,

datorat imperfeciunilor circuitelor de comutare analogic; caracteristici de comutare memorare-eantionare (fig. 2.4d):

timpul de achiziie - reprezint intervalul minim necesar de eantionare, pentru a se obine o tensiune de ieire dorit, egal cu semnalul aplicat la intrare cu o toleran dat. cest parametru depinde aproape liniar de valoarea capacitii de memorare;

timpul de stabilire la tranziia memorare-eantionare - reprezint intervalul de timp dintre comutarea propriu-zis i atingerea unei valori a ieirii corespunztoare intrrii, cu o toleran maxim specificat.

Uzual, n cadrul sistemelor de achiziii de date sunt utilizate: circuite de eantionare-memorare n bucl de reacie; circuite de eantionare-memorare cu integrare.

n timpul operaiei de eantionare, bucla de reacie negativ din fig. 2.5 permite eliminarea erorii de mod comun i a erorii de offset, ieirea fiind forat s urmreasc intrarea. Ca efect, tensiunea la bornele capacitii de memorare C, pe durata ct comutatorul K este nchis, este egal cu:

1A

AUU ie = (2.1) n care A reprezint amplificarea n bucl deschis a amplificatorului operaional A1(de valoare foarte mare). Se obine astfel egalitatea ntre Ue i Ui.

Precizia ridicat este obinut n detrimentul rapiditii, deoarece pe durata regimului de memorare amplificatorul A1 este saturat, ntoarcerea la funcionarea liniar, pentru operaia de eantionare, determin creterea timpului de achiziie, care poate atinge mai multe zeci de s.



++

__

C

K

U ti( )

U te( )

A U( -e Ui)A1

A2

E/M Fig. 2.5 Circuit de eantionare-memorare cu bucl de reacie negativ.

n fig. 2.6 sunt prezentate dou variante de circuit de eantionare-

memorare cu integrare. n montajul din fig. 2.6a capacitatea de memorare C este izolat n raport cu masa circuitului, iar comutatorul K funcioneaz n comutaie de curent, comanda fiind simplificat. Ca i n cazul precedent, primul amplificator este saturat pe durata regimului de memorare. Evitarea saturrii ieirii amplificatorului A1 este ilustrat n schema din fig. 2.6b.

+

_

+

_ CKU ti( )

U te( )E/M

A1A2 +

_

+

_CK

U ti( )U te( )

R

R

E/M

A1A2

a) b) Fig. 2.6 Circuite de eantionare-memorare cu integrare.

n tabelul 2.1 sunt prezentate cteva tipuri de circuite de eantionare i

memorare, produse de firme cum ar fi: Analog Devices, National, Burr-Brown i Datel-Intersil.

Circuitele de eantionare-memorare disponibile la momentul actual acoper o palet larg i divers din punct de vedere al performanelor, la cele dou extreme aflndu-se, pe de o parte, circuitele de eantionare-memorare rapide, dar cu o exactitate sczut, respectiv cele lente, dar cu exactitate bun n ceea ce privete deriva, decalajul etc.

Aplicaiile ce necesit utilizarea circuitelor de eantionare-memorare acoper i ele o palet larg de frecvene i viteze de variaie a semnalelor de eantionat. n general, semnalele rapid variabile nu necesit o precizie deosebit, din aceast cauz, n regim tranzitoriu, viteza constituie parametrul principal, ceea ce nseamn timpi de achiziie i de stabilire mici. O situaie mai dificil este atunci cnd se cere o vitez ridicat de eantionare i, n acelai timp, o precizie bun.


ELECTRONIC APLICAT

Tabelul 2.1 Principalele caracteristici ale unor circuite de eantionare i memorare

Tipul Timpul

de achiziie

Precizia Timpul

de apertur

Timpul de

stabilireTehnologie; Particulariti

AD582 6 s 25 s 0,10 % 0,01 % 150 ns 0,5 s monolitic, uz comun

AD583 4 s 5 s 0,10 % 0,01 % 50 ns - monolitic, rapid

LF398 4 s 6 s 0,10 % 0,01 % 150 ns 0,8 s monolitic, uz comun

SHC298 9 s 10 s 0,10 % 0,01 % 200 ns 1,5 s monolitic, uz comun

AD346 2 s 0,01 % 60 ns 0,5 s hibrid, condensator de memorare intern SHC85 4 s 0,01 % 25 ns 0,5 s

hibrid, condensator de memorare intern, timp ridicat de reinere a

tensiunii HTS0025 20 ns 0,01 % 20 ns 30 ns hibrid, extrem de rapid

Pentru semnale caracterizate printr-o vitez de variaie mai sczut, se aleg circuite de eantionare-memorare cu performane satisfctoare de vitez, dar cu performane bune n ceea ce privete dispersia la deschidere, deriva de zero i rata de descrcare a condensatorului de memorare.

+

_

U ti( )U te( )

R

R

C

K

Circuit decomandE

M

E

M A

Fig. 2.7 Circuit de eantionare memorare cu blocare.

Pentru memorarea valorilor semnalelor, n vederea conversiei analog-

digitale, cea mai des utilizat metod de eantionare este eantionarea prin blocare. n aceeast metod, valoarea semnalului este memorat din primul



moment al eantionrii. Un exemplu de circuit care utilizeaz aceast metod de eantionare, este

circuitul de eantionare-memorare cu integrare, varianta inversoare, a crui schem funcional este prezentat n fig. 2.7.

22..22..33 CCIIRRCCUUIITTEE PPEENNTTRRUU CCOONNVVEERRSSIIAA DDAATTEELLOORR UUTTIILLIIZZAATTEE NN SSIISSTTEEMMEE DDEE AACCHHIIZZIIIIII DDEE DDAATTEE:: CCOONNVVEERRTTOOAARREE AANNAALLOOGG--DDIIGGIITTAALLEE II DDIIGGIITTAALL--

AANNAALLOOGGIICCEE

Conversia datelor reprezint principala operaie realizat n cadrul sistemelor de achiziie i reprezint transformarea semnalelor din form analogic n form digital sau invers.

Convertorul analog-digital reprezint componenta principal a oricrui sistem de achiziii de date. Acesta realizeaz transformarea tensiunii analogice de la intrare ntr-un cod numeric binar (fig. 2.8a).

Acest rezultat reprezint cea mai bun aproximaie numeric a tensiunii de la intrare. Msura acestei aproximaii este reprezentat de numrul de bii ai rezultatului conversiei.

ntr-un sens mai larg, procesul de conversie analog-digital poate fi considerat ca o plasare a mrimii de intrare ntr-un interval de cuantizare, obinut prin divizarea intervalului de variaie a acesteia ntr-un numr de clase egale.

Atunci cnd mrimea exprimat numeric la intrare este transformat n mrime analogic la ieire se realizeaz o conversie digital-analogic (fig. 2.8c).

Ui

Uref

Ieirenumeric

CA/D

n

0 000=1/8 001=1/4 010=3/8 011=1/2 100=5/8 101=3/4 110=7/8 111=

18

14

38

12

58

78

34

0

Semnal analogic de intrare

Sem

nal d

e ieir

e al

CA

/D

Cod

UiNiveluricuantificate (U /Ui ref)

a) structura funcional a CA/D b) caracteristica de transfer ideal a CA/D


ELECTRONIC APLICAT

U0

Uref

Intrarenumeric

CD/A

n

7/8Uref6/8Uref5/8Uref4/8Uref3/8Uref2/8Uref1/8Uref

0

Semnal digital de intrareSe

mna

l ana

logi

c de

ieir

e

Cod

U0

000

001

010

011

100

101

110

111

c) structura funcional a CD/A d) caracteristica de transfer ideal a CD/A

Fig. 2.8 Convertoare analog-digitale i digital analogice: reprezentare funcional i caracteristic ideal de transfer.

Circuitele de conversie a datelor utilizate n cadrul sistemelor de achiziii

de date sunt caracterizate printr-o serie de parametri, cum ar fi: gama de variaie a intrrii (pentru CA/D) sau a ieirii (pentru

CD/A)(domeniul de lucru), reprezentnd domeniul maxim de variaie a mrimii analogice (de obicei tensiune) i exprimat n uniti absolute (V, mV, mA) sau relative (dB);

caracteristica de transfer, reprezentnd dependena mrimii de la ieirea convertorului fa de mrimea de intrare; pentru un convertor analog-digital caracteristica de transfer ideal este o funcie scar (fig. 2.8b) iar pentru un convertor digital-analogic este un set de puncte dispuse pe o dreapt (fig. 2.8d);

rezoluia reprezint numrul total de coduri distincte de ieire ale convertorului analog-digital, respectiv numrul total de nivele de ieire pentru un convertor digital-analogic. Uzual, rezoluia se exprim n bii, n procente din valoarea domeniului de lucru, sau n numr de nivele de cuantificare (CA/D) sau de ieire (CD/A). Rezoluia teoretic a unui convertor de bii este ; rezoluia real poate fi ns mai mic, datorit erorilor. Acest parametru important al convertoarelor se determin ca reprezentnd valoarea variaiei minime a mrimii de intrare ce provoac modificarea a dou coduri consecutive de ieire (CA/D), respectiv valoarea variaiei minime a mrimii analogice de la

ieire (CD/A). Rezoluia poate fi prezentat ca fiind

N N2

N21 din domeniul

de lucru.



Acest parametru nu trebuie considerat ca o performan specific a convertorului, ci un parametru de proiectare. Plecnd de la o aplicaie concret, pentru care se impune prelevarea unei mrimi cu o precizie dat, se poate determina rezoluia minim a convertorului ce va fi folosit;

timpul de stabilire caracterizeaz viteza de rspuns a circuitului i reprezint timpul scurs ntre aplicarea unui semnal de intrare de tip treapt ideal i pn la obinerea ieirii dorite cu o aproximaie specificat (de regul 1/2 LSB) (fig. 2.9). Timpul de stabilire include mai multe intervale de timp specifice, cum ar fi: timpul de propagare

(pn la nceperea unui efect observabil la ieire), timpul de cretere (pn la prima atingere a nivelului de ieire dorit), timpul de

restabilire (dup supracreterea ieirii) i timpul de relaxare liniar (amortizarea eventualului rspuns oscilant). Este un parametru

specific convertoarelor digital-analogice i se exprim n uniti de timp, indicnd i limitele intervalului de aproximaie n jurul ieirii specificate;

pt

ctrt

at

timpul de conversie, , reprezint intervalul de timp necesar unui convertor s obin mrimea de ieire pornind de la o mrime de intrare dat (timpul necesar obinerii codului numeric de ieire corespunztor mrimii analogice de intrare). Variaia tensiunii de intrare, pe parcursul procesului de conversie, introduce o eroare n valoarea semnalului de ieire. n cazul convertoarelor digital-analogice acest timp poate fi considerat a fi chiar timpul de stabilire;

CONVt

timpul de revenire (relaxare), , reprezint timpul necesar unui convertor pentru a putea opera din nou corect;

revt

rata de conversie este o msur a vitezei convertorului i este definit de inversul sumei timpilor de conversie i de revenire:

revCONV

CONV tt1R += (2.2)

n majoritatea situaiilor, timpul de revenire este mult mai mic dect timpul de conversie, astfel nct rata de conversie poate fi aproximat doar ca invers al timpului de conversie. n cazul convertoarelor rapide i foarte rapide, timpul de revenire trebuie luat n calcul pentru estimarea ratei de conversie;

timpul de conversie pe bit este timpul echivalent de generare a unui bit (parametru caracteristic pentru convertoare analog-digitale secveniale);

viteza de variaie a ieirii (SR Slew-Rate) a unui convertor D/A reprezint o caracterizare a intervalului de timp necesar ieirii s


ELECTRONIC APLICAT

execute excursia maxim n cadrul domeniului de variaie.

Conversia analog-digital este caracterizat n sine prin eroarea de cuantizare. Datorit formei caracte-risticii de transfer (n scar), a codificrii unice a unui ntreg interval de cuantizare, apare o incertitudine de 1/2 LSB, nul la mijlocul inter-valului i maxim la ambele capete. Influena erorii de cuantizare poate fi diminuat prin mrirea numrului de bii ai codului de ieire a conver-torului.

Fiecare cuant (mrime a intervalului) a unei astfel de divizri

reprezint o valoare a mrimii analogice, pe care se disting nivelurile semnalului de intrare, prezentate prin dou combinaii de coduri nvecinate. Aceast cuant poart denumirea de bitul cel mai puin semnificativ (LSB).

Timp de stabilire

tp tc tr tat

Ieire

U0+1/2 LSB

-1/2 LSB

SR

Fig. 2.9 Timpul de stabilire.

Astfel:

Nmaxi 2ULSBq == (2.3)

unde: este cuanta, iar gama de variaie a semnalului analogic de intrare. q maxiUCaracteristicile reale ale circuitelor de conversie a datelor pot diferi de

caracteristicile sale ideale (fig. 2.10). Caracteristica de transfer a convertorului analog-digital poate fi translatat n raport cu cea ideal (fig 2.10a). Aceast eroare se numete eroare de decalaj (offset) i se poate pune n eviden aplicnd la intrare o mrime nul i msurnd ieirea.

Eroarea determinat de modificarea pantei caracteristicii de transfer reale fa de cea ideal, eroarea iniial fiind nul, se numete eroare de amplificare (de gam) (fig. 2.10b). Pentru majoritatea CA/D erorile de decalaj i de amplificare sunt mici i pot fi complet eliminate prin reglaj prealabil.

Mai dificil de eliminat sunt erorile legate de neliniaritatea caracteristicilor de transfer, care nu pot fi nlturate prin reglare prealabil. Convertoarele analog-digitale sunt caracterizate de dou tipuri de neliniariti: cea integral, respectiv cea diferenial:

neliniaritatea integral definete gradul n care caracteristica de transfer a unui convertor se abate de la forma teoretic (ideal) de dreapt, considernd erori de decalaj i de amplificare nule (fig. 2.10c);




Sem

nal d

e iei

re a

l CA

/D

Eroarea dedecalaj

0 Ui maxSemnal analogic de intrare

Sem

nal d

e iei

re a

l CA

/D

Eroarea deamplificare

0 Ui max

a) eroarea de decalaj b) eroarea de amplificare


Sem

nal d

e iei

re a

l CA

/D

Neliniaritateaintegral

0 Ui maxSemnal analogic de intrare

Sem

nal d

e ieir

e al

CA

/D

Neliniaritateadiferenial

Pasul decuantizare neideal

Codulomis (001)

0 Ui max

c) neliniaritatea integral d) neliniaritatea diferenial Fig. 2.10 Erorile convertoarelor analog-digitale.

neliniaritatea diferenial caracterizeaz uniformitatea intervalelor de

cuantizare ale unui convertor analog-digital. Dac neliniaritatea diferenial depete 1 LSB, aceasta conduce la o comportare nemonoton a caracteristicii de transfer (n semnalul numeric de ieire poate lipsi una din combinaiile de cod - fig 2.10d). Neliniaritatea diferenial este afectat de metoda de conversie; ea tinde s fie maxim atunci cnd convertorul trece prin toate intervalele de cuantizare secvenial.

Precizia reprezint capacitatea circuitelor de conversie de a respecta cu strictee caracteristica de transfer ideal, reflectnd capacitatea convertoarelor de


ELECTRONIC APLICAT

a nu fi afectate de erori sistematice i aleatoare. Precizia absolut caracterizeaz funcionarea unui convertor n ansamblu, reflectnd orice anomalie a caracteristicii de transfer. Precizia relativ este influenat doar de liniaritatea caracteristicii de transfer. Precizia total de conversie se realizeaz numai n cazul cnd aceast eroare nu depete rezoluia convertorului. Astfel, pentru un convertor cu rezoluia de bii, caracterizat de timpul de conversie , este necesar ndeplinirea urmtoarei condiii:

N CONVt

CONV

Nmaxi

max

i

t2U

tdUd

(2.4)

22..22..33..11 CCOONNVVEERRTTOOAARREE DDIIGGIITTAALL--AANNAALLOOGGIICCEE.. SSCCHHEEMMEE DDEE PPRRIINNCCIIPPIIUU

Conversia datelor presupune ca oricrei mrimi analogice s i se asocieze

o reprezentare numeric corespunztoare; codurile utilizate pot fi ponderate sau neponderate, prezentnd avantajul unei exprimri naturale i compatibilitate cu circuitele de calcul numeric. n cazul unui cod ponderat, o cifr din cadrul unui numr are semnificaia valorii sale propriu-zise, ct i a ponderii datorate poziiei sale n cadrul numrului. Conversia digital-analogic presupune transformarea valorii i ponderii cifrelor numrului ntr-o mrime de ieire analogic corespunztoare (tensiune sau curent).

Considernd un numr ntreg binar de N bii, de forma:

=

=1N

0i

ii012N1N 2BBB...BB (2.5)

ponderea cifrei (ce ocup poziia i ncepnd cu LSB) este ; aadar ponderea sa crete de la dreapta spre stnga de la valoarea 1 (ponderea LSB) la valoarea (ponderea MSB). Aceleai observaii sunt valabile i pentru un numr subunitar de N bii , de forma:

1iB 1i2

1N2

=

=

N

1i

iiN1N21 2BBB...BB (2.6)

Procesul de conversie digital-analogic poate fi considerat similar cu procesul de transformare a unui numr din sistemul de numeraie binar n sistemul de numeraie zecimal: se asociaz fiecrei cifre binare 1 o anumit valoare a unei mrimi electrice care se nsumeaz ponderat conform rangului pe care l ocup n cadrul reprezentrii numerice. Deoarece ponderea cifrelor descrete cu factori de forma , o soluie simpl pentru realizarea operaiei de ponderare ar consta n utilizarea unor reele rezistive divizoare, cu mai multe noduri, avnd ntre noduri consecutive un raport de divizare de 1/2. Majoritatea

i2



convertoarelor digital-analogice moderne folosesc scheme cu sumare de cureni, care sunt mai stabile, mai rapide i mai uor de realizat. Schema bloc a unui astfel de convertor este prezentat n fig. 2.11.

+

_U0

RrI

Interfadigital

(numeric)

Reea decomutatoare

Reea derezistene Referin

de tensiuneN Fig. 2.11 Schema bloc simplificat a unui convertor digital-analogic.

Interfaa digital (numeric) asigur compatibilitatea convertorului cu

semnale TTL/CMOS i produce semnale de comand pentru o reea de comutatoare analogice. Aceste comutatoare controleaz curenii aplicai unei reele rezistive de precizie, care realizeaz ponderarea lor, pentru a obine, prin sumare, valoarea analogic corespunztoare. Valorile curenilor care circul prin reea sunt determinate de valorile rezistenelor ce compun reeaua i de mrimea (tensiune sau curent) de referin ce intr n compunearea convertorului. Ieirea poate fi constituit chiar de suma curenilor din reea sau de o tensiune obinut prin transformarea curent-tensiune.

Convertorul prezentat anterior funcioneaz n permanen: la fiecare modificare a intrrii, ieirea reacioneaz corespunztor. Dac se dorete meninerea valorii analogice de ieire i n absena unei mrimi de intrare valide, se poate recurge la memorarea acesteia ntr-un registru ncrcat adecvat, doar la momentele de timp la care se dorete modificarea ieirii.

Pentru implementarea convertoarelor digital-analogice, aa cum a fost precizat anterior, metoda consacrat const n utilizarea reelelor rezistive.

Convertoarele digital-analogice cu reele ponderate binar (fig. 2.12a) conin un grup de rezistene de valori N,1i R,2R ii == , conectate mpreun la una dintre extremiti. Numrul rezistenelor din reea este determinat de numrul de bii N ai cuvntului de intrare. Fiecare intrare logic, , comand cte un comutator analogic, , ce conecteaz cte o rezisten a reelei la sursa de tensiune de referin, , genernd un curent . Tensiunea de ieire poate fi calculat conform relaiei:

iBiK

refU iI

===

===1N

0i

ii

rNref

N

1iiir

ref

N

1ii

refir0 2BR

R2U

2B

RRU

R2UBRU (2.7)


ELECTRONIC APLICAT

Expresia (2.7) arat c mrimea de ieire este o fraciune din mrimea de referin i proporional cu numrul aplicat la intrare. Convertorul prezentat funcioneaz doar unipolar. Pentru o funcionare bipolar, schema se modific aducnd n nodul de sumare a curenilor un curent egal cu jumtate din valoarea corespunztoare captului de gam (fig. 2.12a cu linie punctat).

refU

Convertoarele digital-analogice bazate pe acest principiu se numesc i

convertoare digital-analogice cu cureni ponderai, deoarece schema utilizeaz sumarea unor astfel de cureni.

Simplitatea structurii prezentate n fig. 2.12a trebuie pus n balan cu inconvenientul major al stabilitii i preciziei. Deoarece legea de variaie a rezistenelor reelei este exponenial, la un numr mare de bii, valorile lor se distribuie pe un interval foarte mare. Acest lucru face dificil realizarea lor cu precizii ridicate i cu caracteristici de temperatur identice.

Un alt tip de reele rezistive utilizate pe scar larg n construcia convertoarelor digital-analogice, ct i n alte circuite de instrumentaie (convertoare analog-digitale, amplificatoare i atenuatoare programabile, etc) sunt reelele rezisitve R-2R. Schema unei astfel de reele care permite o rezoluie de N bii (fig. 2.12b) prezint caracteristicile unei legri n cascad de divizoare cu 2, comandate fiecare de cte un bit al cuvntului de la intrare. Reeaua rezistiv conine rezistene de valoare R conectate n serie i rezistene de valoare 2R conectate n paralel. Fiecrui bit al cuvntului de intrare i este asociat cte un comutator cu dou poziii, care conecteaz terminalele rezistenelor 2R la mas ( =0) sau la referin ( =1). Comanda poate fi fcut n tensiune sau n curent. Rezistena de valoare 2R conectat n permanen la mas are rolul ca rezistena echivalent a circuitului msurat ntre bornele de ieire s fie ntotdeauna R.

iB

iB iB

K1

I2

IN

I1

-I

B1

B2

BN

K2

KNUref

-Uref2R

2 R2

2 RN

2 R1

+

_U0

RrI

a) Convertor digital-analogic unipolar/bipolar cu reea ponderat binar.



K1

B1

BN-1

KN-1

BN

KN

Uref

U0

2R

R R R

2R 2R 2R

N N-1 1

b) Structura reelei rezistive R-2R.

I2 INI1

+

_U0

RrI

K1

B1B2

K2

BN

KN

2R

R R

2R 2R 2R

UrefN21

c) Convertor digital-analogic cu reea R-2R inversat.


ELECTRONIC APLICAT

K1KN-1KN

2R

R R

2R2R 2R 2R

BN

BN-1

B1

N N-1 1

I0 I0 I0

Iout

d) Reea R-2R comandat cu generatoare de curent.

Fig. 2.12 Principii de implementare ale convertoarelor digital-analogice.

n cazul structurii din fig. 2.12b, tensiunea de la ieire este descris prin relaia:

==

== 1N0i

iiN

refN

1iii

ref0 2B2U

2BUU (2.8)

Reelele rezistive R-2R comandate n tensiune sunt simple i ieftine, dar au o liniaritate relativ redus datorit comportrii comutatoarelor analogice. Comutatoarele analogice CMOS au o rezisten variabil, dependent de tensiunea dren-surs a tranzistorului cu efect de cmp. Rezistenele comutatoarelor se sumeaz cu cele ale reelei, determinnd erori de neliniaritate prin modificarea factorilor de divizare de la o celul la cealalt.

onR

O variant a conversiei digital-analogice utilizeaz conexiunea invers, schimbnd rolul ieirii cu cel al intrrii (fig. 2.12c). n aceast situaie, comutatoarele se gsesc practic la acelai potenial, iar rezistenele reelei sunt

parcurse de cureni de valori constante, de tip R2U

iref , N,1i = , indiferent de

poziia acestora. Valorile logice ale biilor cuvntului de intrare comand poziia comutatoarelor; acestea determin sumarea componentei i de curent n nodul de intrare al convertorului curent-tensiune sau conectarea acestei componente la mas. Dezavantajul major al acestei structuri este reprezentat de valorile relativ mari ale timpului de stabilire, datorate sumrii capacitilor parazite.

Tensiunea de ieire a acestui tip de convertor digital-analogic este caracterizat de expresia (2.7).

Reelele R-2R pot fi comandate direct n curent, folosind generatoare de



curent comutate (fig. 2.12d). Aceast schem este frecvent utilizat n cadrul convertoarelor digital-analogice moderne, datorit performanelor sale de vitez. Din punct de vedere al interfarii convertoarelor digital-analogice n cadrul sistemelor de achiziii de date, trebuie remarcat c circuitele din prima generaie foloseau o interfa minimal cu circuitele numerice, cu rolul de adaptare a nivelelor logice de comand. Circuitele din generaiile recente conin integrate unul sau mai multe convertoare digital-analogice, registre de memorare a cuvntului numeric de intrare i o logic de comand. Aceste resurse permit interfaarea simpl i unitar cu microcontroller-e i microprocesoare a cror magistral de date difer ca dimensiune de lungimea cuvntului de comand, respectiv programarea convertoarelor multiple (fig. 2.13).

Registrude intrare

RegistruCD/A

CS

WR

LDAC CLR

Ctre CD/A

N

N

N

RegistruCD/A_1

RegistruCD/A_2CS

SCLK

LDAC

Ctre CD/A_1

Ctre CD/A_2

12

1212

12

Reg

istru

de

depl

asar

e(2

4 bii)

DIN

Registrude intrare

LOWRegistrude intrare

HIGH

RegistruCD/A

CSL

WR

CSH

LDAC CLR

Ctre CD/A

N

N

8

8

8

Fig. 2.13 Interfaarea convertoarelor digital-analogice cu magistrala unui microprocesor.


ELECTRONIC APLICAT

Logica de comand permite memorarea intrii digitale sub forme diferite (12 bii - un singur ciclu de programare, 8+4 bii - dou cicluri de programare, intrare serial), precum i selectarea modului de lucru (ieire unipolar sau bipolar).

O categorie aparte de convertoare digital-analogice o constituie circuitele de conversie cu transformare intermediar n timp. Aceste circuite folosesc transformarea mrimii numerice ntr-o mrime intermediar (durat sau frecven), ce produce ulterior mrimea de ieire analogic proporional printr-un procedeu oarecare (filtrare, transfer de sarcin i integrare, etc). n aceast categorie pot fi ncadrate convertoarele digital-analogice cu modulaie n durat a impulsurilor (coninute n structura majoritii microcontroller-elor moderne i putnd fi utilizate n aplicaii n care nu sunt necesare performane deosebite) i convertoarele digital-analogice cu transformare frecven-tensiune.

22..22..33..22 CCOONNVVEERRTTOOAARREE AANNAALLOOGG--DDIIGGIITTAALLEE.. SSCCHHEEMMEE DDEE PPRRIINNCCIIPPIIUU

Convertorul analog-digital realizeaz transformarea mrimii analogice de

la intrare ntr-o mrime numeric la ieire. Generaliznd, procesul de conversie analog-digital poate fi considerat ca o plasare a mrimii de intrare ntr-un interval de cuantizare, obinut prin divizarea intervalului de variaie a acesteia ntr-un numr de clase egale. Prima operaie definete aspectul temporal al conversiei, n timp ce a doua operaie definete chiar modul de obinere a echivalentului numeric al mrimii analogice.

Convertoarele analog-digitale sunt realizate pe baza unor soluii principiale extrem de diverse, fiecare dintre acestea prezentnd att avantaje, ct i devavantaje. Pn n acest moment nu s-a gsit un principiu de funcionare care s asigure simultan obinerea ieftin de rezoluii mari, viteze ridicate, erori de neliniaritate foarte reduse, etc. De aceea, alegerea unui anumit tip de convertor analog-digital se face n funcie de cerinele aplicaiei, urmrind obinerea performanelor dorite cu efort material minim.

Convertoare analog-digitale paralele. Ideea simpl a inversrii procedeului de conversie digital-analogic cu ponderarea controlat numeric a unei mrimi de referin, conduce la folosirea comparrii mrimii de intrare cu un ir de valori de referin (reprezentnd limitele intervalelor de cuantizare), pentru obinerea conversiei analog-digitale. Tensiunea de referin este aplicat unei reele rezistive de precizie, astfel nct fraciunea din tensiunea de referin aplicat intrrii inversoare a fiecrui comparator s fie cu un LSB mai mare dect cea aplicat comparatorului de pe rangul anterior. Comparatoarele realizeaz atribuirea mrimii de intrare (de pe intrrile neinversoare) unui interval de cuantizare; toate comparatoarele ale cror referin este mai mic



dect tensiunea de intrare produc un nivel logic 1 la ieire, celelalte comparatoare vor furniza la ieire nivele logice 0. Ieirile reelei de 12N comparatoare sunt aplicate unui codificator logic cu prioriti care are rolul de a furniza la ieire codul numeric dorit (fig. 2.14).

Acest tip de convertor obine biii cuvntului de ieire simultan i independent de valoarea sau polaritatea intrrii; de aici, denumirea de convertor analog-digital paralel sau flash. Numrul mic de operaii, precum i simplitatea lor, determin viteza foarte ridicat a acestui tip de convertor. Principalul su dezavantaj const n rezoluia limitat, datorat creterii exponeniale a numrului de comparatoare odat cu creterea numrului de bii de ieire. Este utilizat n conversia rapid a semnalelor video (televiziune, radar), ct i ca subansamblu n implementarea altor tipuri de convertoare rapide.

+

_

+

_

+

_

+Uref

Ui

-Uref

R

R

R

R

C2 -2N

C1

C2 -1N

Codi

ficat

or d

e pr

iorit

i

(2-1

niv

ele

la

bii

de

iei

re)

NN

B B B0 1 -1... N

Fig. 2.14 Convertor analog-digital paralel (flash). Convertoare analog-digitale analog-seriale i digital-paralele. O alt soluie de obinere a unor convertoare rapide const n cascadarea unor celule elementare de conversie ce conin amplificatoare i comparatoare (fig. 2.15).

Celula elementar (fig. 2.15a) conine dou amplificatoare difereniale cu amplificarea egal cu 2, ce produc ieiri cu tendine de variaii contrare; ieirile amplificatoarelor difereniale sunt selectate cu ajutorul unui multiplexor analogic comandat de ieirea unui comparator avnd tensiunea de prag egal cu jumtatea tensiunii de referin. Aceast tensiune de prag este obinut prin


ELECTRONIC APLICAT

divizarea cu 2 (cu ajutorul unui divizor rezistiv de precizie) a tensiunii de referin a convertorului. Caracteristica de tranfer a circuitului elementar este prezentat n fig. 2.15b.

n aceste condiii, se poate preciza expresia ieirii analogice:

( )


poate fi realizat prin utilizarea unui circuit de eantionare-memorare.

Timpul complet de conversie este determinat de ntrzierea global prin celulele lanului. Cu toate acestea, fiecare bit poate fi memorat imediat ce este obinut, astfel nct o nou conversie poate fi demarat dup obinerea primului bit. Utiliznd acest principiu, rata de conversie este determinat de timpul de obinere a unui singur bit. Acest tip de convertor permite, cu o schem numeric adecvat (pipeline pe fiecare bit - fig. 2.16), obinerea unui cuvnt la rata de conversie a unei singure celule.

Structurile descrise anterior i gsesc aplicaii n domeniul convertoa-relor video utilizate n achiziii de imagine. n practic, numrul de celule

ce pot fi cascadate este limitat din considerente tehnologice. Ca urmare, acest tip de convertor se utilizeaz n scheme mixte, mpreun cu cele paralele (convertoare analog-digitale analog-seriale i digital-paralele pentru rangurile superioare i convertoarele analog-digitale paralele pentru rangurile inferioare).

CA1

D11

D21

D31

D41

D11

D22

D32

D11

D23

D11

CA2 CA3 CA4

B1 B2 B3 B4

Clk1

Clk2

Clk3

Clk4

Uref

Ui

Fig. 2.16 Convertor analog-digital rapid cu timp de conversie egal cu

timpul de obinere a unui bit.

n momentul de fa se constat o revenire spectaculoas a ideii expuse, odat cu dezvoltarea arhitecturilor sistolice de prelucrare a semnalelor.

Convertoare analog-digitale serie-paralel. O soluie de compromis, care poate fi exploatat foarte eficient la obinerea unor rezoluii i viteze ridicate, este utilizarea tehnicii cu corecie de subdomeniu.

Un convertor analog-digital de N bii (numr par), funcionnd pe principiul amintit, folosete dou convertoare analog-digitale de 2N bii care vor furniza mai nti partea mai semnaificativ a rezultatului i apoi partea mai puin semnificativ.

n fig. 2.17a este prezentat un convertor analog-digital rapid de 8 bii. Un ciclu de conversie al acestui convertor poate fi rezumat astfel:

se furnizeaz din exterior comanda de start conversie, care iniializeaz logica intern de sincronizare;

circuitul de eantionare-memorare este comandat n starea de memorare ( 0ME/ = );

se activeaz funcionarea primului convertor analog-digital paralel, activnd semnalul ; 1Clk


ELECTRONIC APLICAT

Buffer 1

Buffer 2

Reg

istru

(8 b

ii)

Logic decontrol i

sincronizare

Registru(4 bii)

CA/D

par

alel

(4 b

ii)

CA/D

par

alel

(4 b

ii)Circuit de

eantionare-memorare

CD

/A ra

pid

(4 b

ii) _ +

Start

E/M

Ui

DRDY

B1

B1

B2

B2

B3

B3

B4

B4

B5B5

B7B7B6B6

B8B8

MSB

LSB

Clk1Clk2Clk3Clk4

a) Convertor analog-digital de 8 bii cu corecie de subdomeniu

Buffer 1

Reg

istru

(10

bii)

Logi

c d

e co

rec

ie n

umer

ic

Logic decontrol i

sincronizare

CA

/D p

aral

el(3

bii

)

CA/D

par

alel

(8 b

ii)Circuit de

eantionare-memorare

CD/A

rapi

d(3

bii

) _+

Start

E/M

Ui

DRDYB1B2B3B4B5

B7B6

B8B9B10

Clk1Clk2

Clk3Clk4

A

b) Convertor analog-digital de 10 bii cu corecie numeric de subdomeniu

Fig. 2.17 Convertoare serie-paralel.

dup ncheierea conversiei, se ncarc registrul intermediar cu cei mai semnificativi 4 bii ai valorii analogice convertite, activnd semnalul

; 2Clk aceeai valoare numeric se aplic i convertorului digital-analogic de

precizie. Acest convertor va produce la ieire o valoare analogic foarte apropiat de cea a intrrii, mai puin eroarea de cuantizare. Dup expirarea timpului de stabilire, se activeaz funcionarea celui de-al doilea convertor analog-digital paralel, activnd semnalul . Acest convertor primete ca semnal analogic de intrare rezultatul diferenei dintre tensiunea de intrare i versiunea sa cuantizat (de la ieirea CD/A);

3Clk



la sfrsitul conversiei, se poate ncrca, activnd semnalul , registrul de 8 bii de la ieire att cu cei mai puin semnificativi bii abia obinui, ct i cu biii cei mai semnificativi memorai n registrul intermediar;

4Clk

dup ncrcarea registrului de ieire, se poate activa semnalul DRDY , semnaliznd faptul c este disponibil un nou rezultat al conversiei.

Convertorul cu corecie de subdomeniu este cunoscut i sub denumirea de convertor analog-digital serie-paralel i reprezint una dintre soluiile de compromis ntre cost i performane. Cu toate acestea, liniaritatea diferenial este sczut, mai ales la tranziia de la bitul 2N la bitul ( ) 12N + ; aceast eroare poate depi cu uurin 1 LSB i ca urmare poate provoca omiterea unor coduri i abateri de la monotonie. Problema poate fi rezolvat cu ajutorul unei tehnici de conversie analog-digital paralel, numit corecie numeric de subdomeniu (fig. 2.17b). Convertoarele ce folosesc corecia numeric de subdomeniu au o arhitectur similar cu cea prezentat anterior, dar semnalul analogic este cuantizat suplimentar; rezoluia astfel obinut este utilizat n cadrul unui circuit numeric de corecie a erorilor incrementale, erori inerente convertoarelor analog-digitale cu corecie de subdomeniu ce folosesc tehnologii uzuale.

n figura 2.17b este prezentat un convertor analog-digital de 10 bii. Cei mai semnificativi 3 bii sunt obinui cu un convertor A/D paralel; ei sunt introdui ntr-un convertor D/A de 3 bii cu precizie de 12 bii, pentru a putea pstra precizia ieirii corespunztoare rezoluiei de 10 bii. Diferena dintre valoarea intrrii i valoarea corespunztoare ieirii convertorului D/A este amplificat i aplicat la intrarea celui de-al doilea convertor A/D paralel de 8 bii, cu ajutorul cruia se obin biii mai puin semnificativi. Dup cum se poate observa, acest convertor produce un bit suplimentar, folosit pentru corecia numeric de subdomeniu. Aceast corecie contribuie substanial la mbuntirea liniaritii.

Convertoarele analog-digitale serie-paralel sunt frecvent utilizate n sistemele de achiziie a semnalelor video.

Convertoare analog-digitale cu reacie. Dei simple ca principiu, convertoarele analog-digitale paralele sunt limitate ca rezoluie datorit complexitilor tehnologice (numrul mare de comparatoare determin creterea dimensiunilor fizice, puterea disipat i preul de cost). Ideea comparrii mrimii analogice de intrare cu un set de valori de referin este aplicabil, ntr-o variant mai economic, secvenial, n cadrul convertoarelor analog-digitale cu reacie. Cu un singur comparator, un convertor digital-analogic destinat generrii treptelor de referin i o logic secvenial (numrtor/registru) care genereaz numeric limitele intervalelor de cuantizare se obine un convertor analog-digital cu reacie.

Mrimea analogic de intrare este comparat cu mrimea de referin


ELECTRONIC APLICAT

generat de ansamblul convertor digital-analogic-logic de control; funcie de rezultatul comparrii, logica de control decide urmtoarea valoare logic pe care o va produce n pasul urmtor (fig. 2.18a). Algoritmul de conversie poate fi implementat n mai multe variante, din care rezult i tipurile convertoarelor A/D cu reacie:

convertor analog-digital cu numrare (fig. 2.18b); convertor analog-digital cu urmrire (fig. 2.18c); convertor analog-digital cu aproximaii succesive (fig. 2.18d).

+

_C

U ti( )

Uref

Logic decontrol

ClockStartEOC

N

Convertor digital-analogic (CD/A)

a) Schema bloc a unui convertor analog-digital cu reacie.

Numrtor

Clock

Start

Busy

N

UrefConvertor digital-analogic (CD/A)

+

_C

U ti( )

Qi

Clk Reset

R

SQ

UN

t

Ui

UN

U

StartClk

b) Convertor analog-digital cu numrare

C

U ti( )

Uref

Clock

N


Numrtorreversibil ClkU/D

Qi

UN

+

_

t

Ui

UN

U/D

U

c) Convertor analog-digital cu urmrire



C

U ti( )

Uref

Registru deaproximaiisuccesive

Start

EOC

N


Qi

UN

DSSC

EOC

+

_

t

Ui

UN

U /Ui ref

1 1 0 0 ...

1/8 0

2/83/84/85/86/87/88/8

d) Convertor analog-digital cu aproximaii succesive Fig. 2.18 Convertoare analog-digitale cu reacie.

Convertorul A/D cu numrare folosete cel mai simplu algoritm de

generare a treptelor de referin: parcurgerea lor consecutive (numrare), de la limita inferioar a gamei de lucru i pn la depirea valorii analogice de la intrare (fig. 2.18b). Logica de control are la baz un numrtor, iniializat la nceputul fiecrui ciclu de conversie; numrul de bii ai acestuia este egal cu rezoluia convertorului D/A i a circuitului de conversie realizat. Semnalul Start determin reset-area numrtorului i valideaz intrarea de ceas a numrtorului prin set-area bistabilului de tip RS; n acelai timp, convertorul D/A produce o tensiune la limita inferioar a domeniului de lucru. Dispunnd de semnal de ceas, numrtorul ncepe s se incrementeze, crescnd i tensiunea de referin trept cu treapt. La atingerea valorii semnalului de intrare, comparatorul i schimb starea de la ieire, reset-eaz bistabilul i oprete ceasul de numrare, finaliznd procesul de conversie. Ieirea acestui bistabil poate fi utilizat drept semnal conversie n curs de desfurare.

NU

NU

Se poate observa uor c durata conversiei nu este constant, ea depinznd de valoarea mrimii analogice aplicate la intrare. Dei timpul de conversie poate fi redus prin creterea frecvenei ceasului, limita sa superioar este determinat de timpul de propagare pentru numrtor i circuitele porii, de timpul de stabilire al CD/A i al comparatorului.

Dei avantajul major al acestei structuri rezid n simplitatea sa, acest convertor cu reacie e caracterizat de un timp de conversie ridicat, dependent de valoarea intrrii, precum i de o rejecie slab a perturbaiilor (determinat de variaia impedanei de intrare).

nlocuind n schema precedent numrtorul cu incrementare cu unul reversibil (cu incrementare/decrementare) i comandnd sensul de numrare n funcie de rezultatul comparrii mrimii de intrare cu treptele de referin, se obine un convertor analog-digital cu urmrire (funcionare continu) (fig. 2.18c). Ieirea comparatorului reprezint, de fapt, codificarea pe un bit a tendinei de variaie a semnalului de intrare. Dac semnalul de intrare este relativ constant, dup egalizarea semnalului cu mrimea de la intrare, ieirea NU


ELECTRONIC APLICAT

comparatorului va oscila, odat cu , eroarea conversiei fiind 0,5 LSB. Valoarea numeric corespunztoare intrrii va fi oricare dintre strile numrtorului reversibil (aproximaie prin lips sau adaos).

NU

Problema fundamental a acestor dou tipuri de convertoare A/D cu reacie const n posibilitatea apariiei distorsiunilor de neurmrire, cauzate de viteza constant de incrementare/decrementare a numrtorului (limiteaz viteza de variaie a semnalelor aplicate la intrare). n practic, banda de frecvene a semnalului de intrare este limitat la valori de ordinul ctorva kHz.

nlocuind numrtorul din bucla de reacie a convertorului cu un registru de deplasare special, denumit registru de aproximaii succesive, se determin eliminarea dezavantajelor menionate anterior. Se obine, astfel, un convertor analog-digital cu aproximaii succesive.

n fig 2.18d este prezentat schema funcional a convertorului analog-digital cu aproximaii succesive pentru N=3 i se prezint principiul lui de funcionare. Conversia ncepe cu iniializarea la valoarea 1 a bitului celui mai semnificativ (MSB) n cadrul registrului de aproximaii succesive. Aceasta corespunde primei evaluri a valorii semnalului de intrare cu jumtatea valorii domeniului de intrare. Se compar semnalul de ieire al CD/A corespunztor acestei valori cu tensiunea de intrare i se comand de reset-area valorii bitului celui mai semnificativ dac evaluarea primar depete valoarea semnalului de intrare; n caz contrar aceeast valoare este validat i este memorat. n tactul urmtor controlerul fixeaz valoarea 1 pentru urmtorul bit i, din nivelul semnalului de intrare, comparatorul decide memorarea sau reset-area strii acestui rang. Conversia continu n mod similar, pn se evalueaz bitul cel mai puin semnificativ (LSB). n acest moment, cuvntul coninut n registrul de aproximaii succesive (transferat i n registrul de ieire) reprezint cea mai bun aproximaie numeric a semnalului analogic de intrare. Dac datele se obin direct de la ieirea registrului de aproximaii succesive, trebuie menionat c acestea devin stabile doar dup sfritul conversiei (n rest ele reproduc procesul de aproximare); n consecin, logica extern trebuie adaptat n mod corespunztor.

n metoda de conversie bazat pe aproximaii succesive, semnalul de ieire al CD/A crete neliniar pn la nivelul semnalului de intrare pe perioada a N tacte (pentru convertorul cu rezoluia de N bii). Ca rezultat, procesul de conversie dureaz un timp considerabil mai redus i, n plus, timpul de conversie este constant i nu depinde de nivelul, semnul sau modului de variaie a semnalului de la intare.

Metoda aproximaiilor succesive este cea mai rspndit metod de conversie analog-digital pentru convertoarele de uz general, cu rate de conversie medii i ridicate (timpi de conversie cuprini ntre 1 i 25 s).

Convertoare analog-digitale cu transformare tensiune-timp. Aceste



tipuri de convertoare realizeaz transformarea mrimii analogice de intrare n-tr-un interval de timp proporional, care este msurat numeric. Din aceast categorie fac parte:

convertorul analog-digital cu generator de ramp; convertorul analog-digital cu integrare n dubl pant; convertorul analog-digital cu integrare n mai multe rampe. Convertoarele analog-digitale cu integrare n dubl pant sunt

caracterizate de o precizie i o liniaritate excelente, o bun rejecie a semnalelor parazite (datorit integrrii), n pofida timpului de conversie de valoare mare. Majoritatea circuitelor sunt monolitice, realizate n tehnologie CMOS, fiind extrem de rspndite n echipamente de msurare numerice clasice (aparate portabile, de tablou sau de laborator).

Trebuie menionat faptul c majoritatea convertoarelor analog-digitale de generaie recent dispun de o interfa specializat, versatil cu microprocesoare pe 8 sau 16 bii, ceea ce simplific mult interfaarea acestor circuite n cadrul sistemelor inteligente de achiziii de date.

Firmele productoare de convertoare analog-digitale ofer dispozitive cu o palet larg de performane. Metoda de conversie utilizat (cu aproximaii succesive, cu integrare cu dubl pant, conversie paralel, etc) i tehnologia de realizare a schemei (monolitic, hibrid sau modul) determin caracteristicile eseniale ale convertoarelor analog-digitale - rapiditatea, rezoluia, preul.

Paleta de variaie a unor caracteristici ale CA/D, realizate n practic, sunt prezentate n fig 2.19.

CA/D cu conversie paralel CA/D cu aproximaii succesive

CA/D cu integrare cu dubl pant

hibrid/modul

hibrid/modul

monolit

monolit

hibrid/modul

1s 100ms 10ms 1ms 100s 10s 1s 100ns 10ns Timpul de conversie

Rapiditatea

Pre

ul re

lativ

Fig. 2.19 Paleta caracteristicilor CA/D produse n serie.


ELECTRONIC APLICAT

Tabelul 2.2 Principalele caracteristici ale unor convertoare analog-digitale.

Tipul Rezoluia Metoda de conversie Timpul de conversie

Tensiunea de

alimentare

Tehnologia de realizare

ADC0804 8 cu aproximaii succesive 100 s +5V monolitic AD7574 8 cu aproximaii succesive 15 s +5V monolitic AD570 8 cu aproximaii succesive 25 s +5V, -15V monolitic

TSC7109 12 cu integrare dubl pant 33 ms +5V monolitic

ADC0808 8 cu aproximaii succesive 100 s +5V monolitic AD5010 6 paralel 10 ns 5V monolitic AD579 10 cu aproximaii succesive 2,2 s +5V, 15V hibrid AD574 12 cu aproximaii succesive 25 s +5V, 15V hibrid

ADC868 12 cu aproximaii succesive 0,5 s +5V, 15V hibrid HS9516 16 cu aproximaii succesive 100 s +5V, 15V hibrid ADC71 16 cu aproximaii succesive 50 s +5V, 15V hibrid

n tabelul 2.2 sunt prezentate sintetic principalele caracteristici ale unor CA/D uzuale, realizate de firmele National Intersil, Analog Device, Teledyne, Texas Instruments i Hybrid System. Se constat o varietate mai larg a CA/D cu aproximaii succesive, utilizate n majoritatea cazurilor n cadrul proceselor care necesit conversia analog-digital. Cele mai ieftine sunt convertoarele analog-digital monolitice. Aceste CA/D sunt realizate n tehnologie bipolar i CMOS.

Convertorul analog-digital optim pentru msurtori i achiziii de date n reele electroenergetice este CA/D cu aproximaii succesive, care asigur viteze bune de conversie, precizie ridicat, rezoluia fiind un compromis ntre vitez i precizie.

22..33 IINNTTEERRFFEEEE SSPPEECCIIAALLIIZZAATTEE DDEE CCOOMMUUNNIICCAAIIEE

Tehnicile de msurare pot fi implementate la nivel fizic prin blocuri funcionale cu destinaie precis (aparatele de msurare) sau prin module care pot realiza funcii multiple (eantionare, conversie, memorare) i a cror selecie este fcut de o unitate central (eventual PC). n cazul aparatelor de msurare



numerice, dotarea acestora cu interfee de comunicaie (serial sau paralel) permite interconectarea lor cu uniti de calcul puternice i, deci, lrgirea considerabil a ariei funciilor ce pot fi efectuate de sistemul astfel realizat.

Aparatele numerice memoreaz datele sub form de caractere reprezentate adesea pe 8, 16 sau 32 de bii. Biii care formeaz un caracter se pot transmite la distan ctre un alt sistem numeric fie prin transmiterea simultan a cte 8 bii (comunicaie paralel), fie prin transmiterea succesiv a biilor care formeaz un caracter (comunicaie serial). n primul caz, se utilizeaz 8 linii de date i alte linii (conductoare) pentru semnalul de referin (GND) i cele de control al comunicaiei. n al doilea caz, informaia prezent de obicei sub form paralel este apelat de un registru de deplasare paralel-serie, comandat de un semnal de tact, transmis printr-o singur pereche de conductoare i apoi, la recepie, reconstituit n format paralel prin intemediul registrului de deplasare serie-paralel.

22..33..11 CCOOMMUUNNIICCAAIIAA DDEE TTIIPP SSEERRIIAALL.. PPRROOTTOOCCOOAALLEE DDEE TTRRAANNSSMMIISSIIEE SSEERRIIAALL AA DDAATTEELLOORR

Interfaa serial este un sistem de comunicaie numeric introdus ca urmare a necesitii de a controla un ansamblu tehnic cu elemente dispersate pe suprafee mari. PC-urile sunt dotate cu mai multe porturi seriale (de obicei, dou), utilizate, n cea mai mare parte, pentru comanda plotter-elor, a imprimantelor seriale i a unor mouse-uri. De asemenea, aceast interfa este folosit pentru comunicaia cu PC-ul i de ctre dispozitive speciale, cum ar fi programatoarele EPROM i PAL, emulatoarele, controller-ele logice programabile sau anumite interfee de achiziie de date. Achiziia datelor se efectueaz prin executarea unui program de achiziie de ctre calculatorul care asigur comanda mijlocului de msurare, transferul datelor ntr-un fiier de date i prelucrarea lor imediat sau ulterioar. Denumirea RS-232 (mai exact, RS-232C) corespunde normei americane a interfeei seriale, norm propus iniial n 1960 i devenit variant standard n 1969, apoi remodificat n 1987. Denumirea V24 este o prescurtare a normei franceze (i recomandat CEI). n principiu, ambele norme sunt identice.

n prezent exist i module dedicate comunicaiei seriale performante, cum este RS-485 (de tip plug-in) pentru care se poate asigura comunicaia pn la distana de 1,2 km, cu o vitez maxim de transfer de 100 kHz .

22..33..11..11 IINNTTEERRFFAAAA RRSS--223322 Numeroase aparate utilizeaz conectarea la calculator prin intermediul


ELECTRONIC APLICAT

interfeei seriale RS-232. Norma clasific aparatele n dou categorii: 1. DTE (Data Terminal Equipments) categorie din care fac parte PC-ul,

tastatura etc. i

2. DCE

Date post:	18-Oct-2015
Category:	Documents
Upload:	herberth-catalin
View:	113 times
Download:	16 times

Curs AD Electronica Aplicata

Documents