Analóg-digitális átalakító

A kétoldali közelítés elvén működő analóg-digitális átalakítók leglényegesebb része a vezérlést megvalósító logika. Számítógéppel történő mérésnél a hardver jelentős részét szoftveres támogatással megtakaríthatjuk (HOBBY ELEKTRONIKA 1998/09). Most viszont a teljes átalakítást az áramkör végzi, a lehető legegyszerűbb (?) módon.

A kétoldali közelítéses módszer (szukcesszív approximáció) elve közismert: Az adott tartományt felezgetve, fél lépésenként közelítünk a meghatározandó mennyiséghez. Az 1. ábra szerinti elrendezésen abból induljunk ki, hogy a digitális-analóg konverter (továbbiakban DAC) nullázva van és az analóg jelet a komparátor nem invertáló bemenetére kapcsoltuk. Elsőként a legmagasabb bitet (itt D7) logikai 1-re állítjuk. Megvizsgálva a komparátor kimenetét, megtudhatjuk, hogy a DAC teljes kimeneti feszültségének 1/2-ed részénél a mérendő jel kisebb vagy nagyobb. Ha nagyobb, a bitet bekapcsolva hagyjuk, ha kisebb, akkor töröljük (D7=0). Ezután a DAC soron következő bitjeinél ugyanezt elvégezzük, tehát az adott pozícióba 1-est írunk, majd azt a komparátor válaszától függően töröljük vagy sem. D6 lesz az 1/4-ed rész, D5 az 1/8-ad, D4 az 1/16-od, ... stb. Ha eljutottunk a legalacsonyabb bithez (D0), akkor az analóg jel nagyságának megfelelő érték bináris súlyozással a DAC bemenetéről leolvasható. A mérés felbontása (1 bit tartomány): DAC max. kimeneti feszültség / 2n - 1, ahol "n" a DAC bitjeinek száma.



1. ábra

A mintavevő és tartó fokozat hiányában az átalakító természetesen csak (pozitív) egyenfeszültség vagy lassan változó mennyiségek (pl. hőmérséklet) mérésére alkalmas. Zajos, brummos jel esetén, a komparátor bemenetén lévő integráló tag kondenzátorát jó nagy értékűre válasszuk!

A hardveres megvalósítás "cél" integrált áramkör nélkül majdnem reménytelen. Léptetőregiszterre és/vagy demultiplexerre, számlálóra, tárolóra és kombinációs hálózatra is szükségünk lehet. A kissé bonyolult kapcsolás létjogosultsága megkérdőjelezhető, ha összevetjük valamelyik olcsó integrált típussal. Szerencsére azonban három darab "mezei" IC-vel is megoldható a probléma. Jelen leírás ezért elsősorban az ötlet bemutatását szolgálja.

A fent említett módszerrel működő átalakító megvalósításának problémás része a vezérlő rész relatív bonyolultsága. Jócskán egyszerűsíthetünk a dolgunkon, ha felismerjük, hogy a "próba egyesek" szigorú beírása valójában nem is szükséges. Elegendő, ha a komparátor kimenetének jelét írjuk be kétszer egymás után a DAC adott bitjére. Ugyanis:

- Ha a bemenő jel még pozitívabb, mint a DAC kimenete, akkor a komparátor átbillent állapotban van, tehát biztosítja a beírandó egyest. Ezt követően, a bit beírása után, a komparátor vagy visszabillen vagy sem. Kimeneti jelének újbóli beírása az adott pozícióba (a tároló felülírása) megerősíti vagy törli az aktuális bitet. A működési feltétel teljesül.

- Ha a bemenő jel már negatívabb, mint a DAC kimenete, akkor a komparátor válasza az alacsony szint. Ezt a nullát írjuk be először az adott pozícióba, amely bitet az induláskor egyébként is töröltük. Ha itt az említett "próba egyest" írnánk be, a DAC kimenete legfeljebb még pozitívabb lenne a bemenő jelnél, tehát a komparátor kimenete továbbra is alacsony maradna. A második alkalommal így mindenképpen nullát fogunk beírni. A működés most is helyes.

A leegyszerűsített működési módot megvalósító vezérmű lényegi része így egy számlálóval és egy címezhető tárolóval megoldható (2. ábra). A CD4060 tartalmazza az oszcillátort is, a CD4099 pedig CMOS kimenetein közvetlenül meghajthat egy R-2R ellenállás hálózatot, mint digitális-analóg átalakítót. A működés könnyebb megértését segíti az ütemdiagram (3. ábra). A számláló Q5..Q7 kimeneti lesznek a tároló címvezetékei: A0..A2. A DAC 8 bitjét tehát külön-külön meg tudjuk címezni. Minden "CÍM" tartományra jut a Q3-as kimeneten két felfutó él, ezt a szaggatott vonalas nyíl szemlélteti. Így minden címen van két impulzus, ezzel írhatjuk be az adott címen lévő bit tárolóba kétszer egymás után a komparátor kimeneti jelét. A szükséges vezérlés tehát biztosítható.



2. ábra



3. ábra

Az átalakító egy START jelre indul, ezzel hozzuk alapállapotba a számlálót és a tároló tömböt. Ha lefutott a teljes ciklus, ami 8 címből és címenként két beírásból áll, azt a READY kimenet magas szintje jelzi. A Q8 kivezetés itt egyidejűleg hívatott leállítani a működési folyamatot is, egy diódán keresztül egyszerűen letiltja az oszcillátort. A mérési eredmény a CD4099 kimeneteiről olvasható. A következő átalakítás természetesen egy újabb START (reset) jelre fog elindulni.

A tervezéskor végig a legegyszerűbb megoldásokra törekedtem, de sajnos szükség volt egy tranzisztorra is. A címezhető tároló ugyanis nem élvezérelt és ráadásul alacsony szintre végzi a beírást. Ezért neki a rögzítéshez szükséges Q3 jelet invertálni kellett és egy kapacitással tűimpulzussá alakítani (ütemdiagram: BEÍRÁS jel). Ha találtam volna számomra megfelelő eszközt (beírás a felfutó élre), akkor azt a bizonyos vezérlőbemenetet csak egyszerűen össze kellett volna kötni Q3-al. Vagy ha az aszinkron számlálót szinkronra cserélnénk (azok nem lefutó élre billennek, hanem felfutóra), nem lenne szükség a tranzisztorra, mint inverterre. Így viszont, még ha volna is egy legalább hat bites számlálónk, akkor meg külön oszcillátort kellene építeni.

A nyomtatott áramköri rajzolat a 4. ábrán, a beültetés az 5.-en található. Az alkatrészoldali átkötésen kívül szükséges még egy: a fóliaoldalon rövid vezetékkel létesítsünk kapcsolatot a CD4060 12-es és a CD4099 2-es kivezetései között. Kritikus rész az R-2R hálózat pontossága. Ide minél precízebb ellenállásokat szerezzünk. Ha csak 5%-os tűrésű típusok állnak rendelkezésünkre, a legkevesebb, amit meg kell tennünk, hogy válogatjuk őket. Ellenállásméréssel nagyság szerinti sorrendbe rendezzük az azonos értékeket. Ha a szükségesnél több darabból válogathatunk, akkor zárjuk ki a sorozatból a többitől legjobban eltérő példányokat. Ez után úgy párosítsuk és építsük be az R és 2R értékeket, hogy pl.: a két legnagyobb, a két második legnagyobb, stb. Ez mindenképpen jót fog tenni a DAC linearitásának. Kisebb értékű ellenállásokat lehetőleg ne használjunk, mert akkor az összemérhető lesz a CMOS kapuk nem nulla kimeneti impedanciájával.



4. ábra



5. ábra

Szintén a mérési pontosság romlását eredményezheti, ha a D0..D7 kimeneteket terheljük. Ezért ha az átalakító jelét nem CMOS kapukkal, hanem TTL rendszerrel fogadjuk, akkor helyezzünk közéjük valamilyen elválasztó fokozatot, pl. a 74HCT245-ös buszmeghajtót. A 6. ábra ebben nyújt segítséget. Ha szükség van a kis panelra, amelynek terve a 7. ábrán található, azt rövid huzaldarabkákkal vagy hajlított tüskesorral forrasszuk a fő nyák-ba, állítva. A 8. ábrán, a beültetési rajzon nem lett feltüntetve a hidegítő kapacitás, az a fóliaoldalra került.



6. ábra



7. ábra



8. ábra

A trimmerpotenciométerrel hitelesíthetjük az átalakítót: Az analóg bemenetet a tápfeszültségre kötve elindítunk egy mérést. A túl nagy mérendő jel miatt (túlcsordulás) mind a 8 bitnek magas értéket kell felvennie. Ekkor kell a DAC kimenetét 2,55 V-ra állítani. Ezt az értéket az R-2R hálózatnak azon a pontján mérjük, amely az LM311 invertáló bemenetével közös. Az említett feszültségérték beállításával a felbontás 10 mV/bit lesz.

Az áramkör:



folia1.png (Az átalakító nyomtatott áramkör fólia oldala, mérete: 58,5 mm x 43 mm.)
folia2.png (A puffer fokozat nyomtatott áramkör fólia oldala, mérete: 28 mm x 15 mm.)