Č převodník s postupnou aproximací

5. A/D převodník s postupnou aproximací

A3B38SME

5. A/Č převodník s postupnou aproximací Úvod: Převodníky s postupnou aproximací patří k nejrozšířenějším typům převodníků používaných v průmyslové automatizaci, digitalizaci signálů ze senzorů apod. Jsou jimi ve většině případů osazeny multifunkční zásuvné moduly řídicích počítačů či externí moduly sběru dat - viz obr.

AČ (AD) převodníky s postupnou aproximací jsou často též součástí mikrokontrolérů – integrovaných řídicích jednotek. To umožňuje připojení analogových signálů, např. z různých senzorů s napěťovým výstupem, k těmto řídicím jednotkám. Příkladem takového mikrokontroléru může být starší ATmega32-16PU, který obsahuje: ATMEL AVR 32kB program FLASH, 2kB SRAM, 1kB EEPROM, 2x8bit Timers, 1x16bit Timers, 4 PWM channels, 8x10bit ADC 70kSPS, I2C, …

nebo nejnovější STM32F746: ARM® Cortex®-M7 32b MCU+FPU, 462DMIPS, až 1MB Flash/320+16+ 4KB, RAM, USB OTG HS/FS, ethernet, 18 TIMs, cam & LCD, ADC: 3×12-bit, 2.4 MSPS - až 24 kanálů a 7.2 MSPS v trojitě prokládaném módu

V úloze jsou použity 2 aproximační převodníky – aktuálně vyráběný ADS8512 a v současné době již historický (hybridní technologií vyrobený) WSH570. Ten je zde použit proto, že na jeho paralelním výstupu lze sledovat postup vyvažování a na výstupu označeném COMP pozorovat rozdílové napětí na vstupu komparátoru. To v současné době vyráběné převodníky již vesměs neumožňují.

1/6


A3B38SME

Otázky k úloze (domácí příprava):  Z jakých obvodů se v principu skládá převodník s postupnou aproximací?  Pro informace o detailním zapojení převodníku WSH570 a funkci jednotlivých výstupů prostudujte dokumentaci [1], porovnejte obr. 3 z tohoto návodu a obr. 6 z [1]. Jaké jsou zde rozdíly?  Který bit je při sériové komunikaci A/Č převodníků WSH570 a ADS8512 posílán jako první (MSB, nebo LSB)?  Na jakou hranu hodin je platná hodnota výstupního bitu sériového výstupu převodníku WSH570 a převodníku ADS8512?  Jaký je rozdíl mezi převodníky ADS8512 a WSH750 z hlediska signálů sériového výstupu, potřeby napájecího napětí, vstupních rozsahů, počtu bitů, atd.? Poznámka: Na cvičení si s sebou vezměte USB flash-disk

Úkoly měření: 1. Seznamte se s obsluhou digitálního osciloskopu MSO4000 s integrovaným logickým analyzátorem, tj. jak se nastavuje mód jednoho odběru (single) a opakované měření, jak se mění nastavení časové základny a zesílení analogového kanálu, jak lze zapnout a vypnout jeden z digitálních kanálů logického analyzátoru a jak lze uložit aktuální obraz na obrazovce do souboru na USB flash-disku. 2. V režimu časové analýzy logického analyzátoru a pro napětí v okolí hodnoty 5,050 V (o něco více než polovina měřicího rozsahu) zobrazte na obrazovce osciloskopu časové průběhy na výstupech a řídicích vstupech obvodu WSH570 obsahující: a) Paralelní výstup B1 až B8, STATUS (stavový výstup), S OUT (sériový výstup), CLK (hodinové impulsy), START A/Č – zobrazeno pomocí vstupů logického analyzátoru. b) Rozdílové napětí na vstupu komparátoru – výstup přípravku WSH570 (viz obr. 1, obr. 3) je označený jako COMP [1] – zobrazeno pomocí analogového vstupu osciloskopu. Zobrazení si s pomocí funkce PRINT osciloskopu uložte na USB flash-disk a po případné úpravě vložte do protokolu o měření. 3. Proveďte totéž pro napětí v okolí hodnoty 4,950 V (o něco méně než polovina měřicího rozsahu) Zobrazení si s pomocí funkce PRINT osciloskopu uložte na USB flash-disk a po případné úpravě vložte do protokolu o měření. 4. Vysvětlete souvislost mezi výstupní analogovou hodnotou z interního bloku Č/A převodníku (výstup COMP) a výstupní digitální reprezentací vstupního napětí (výstupy B1-8). 5. V několika bodech vstupního napětí změřte převodní charakteristiku obou A/Č převodníků, (např. pro 0,000 V; 0,039 V; 1,000 V; 2,500 V; 5,000 V; 7,500 V; 9,000 V; 9,961 V). Do grafu zaznamenejte (buď ve velkém měřítku, nebo jen počátek a konec charakteristiky) a porovnejte převodní charakteristiky obou převodníků. Naměřené charakteristiky A/Č převodníků porovnejte s ideální charakteristikou a určete chyby převodníků pro zadané hodnoty napětí.

2/6


A3B38SME

Nepovinná část 6. Změřte dobu převodu převodníku WSH570. 7. Změřte dobu převodu převodníku ADS8512 a určete dobu odeslání převedeného údaje na sériovém výstupu DATA. Porovnejte změřené hodnoty s výsledky z úkolu měření h). 8. Zkontrolujte pomocí osciloskopu frekvenci hodinových impulsů obou převodníků a popište rozdíly (pomocí střídy a doby periody jednotlivých impulsů). 9. Změřte velikost překmitu signálu DATA CLK převodníku ADS8512 generovanou při změně úrovně hodin sériového výstupu SPI. 10. Pozorujte změny časového diagramu, zvýšíte-li kmitočet startovacích impulsů převodníku tak, že doba periody startovacích impulsů bude kratší než celková doba převodu převodníku. 11. Porovnejte zobrazení startovacích impulsů zobrazených pomocí analogového vstupu osciloskopu a digitálního vstupu logického analyzátoru a vysvětlete rozdíl.

Obr. 1. Blokové schéma zapojení úlohy

Schéma zapojení úlohy zobrazené na obr. 1 koresponduje se signály zachycenými na obr. 2.

3/6

ADS8512

Analogové vstupy

A3B38SME

WSH570


Obr. 2 Analogové a digitální výstupy z obou přípravků

4/6


A3B38SME

Poznámky k měření: Před zapnutím napájecích zdrojů zkontrolujte zapojení měřicího obvodu podle schématu (obr. 1), napájecí zdroje zapněte až po schválení cvičícím pedagogem (jako první napájecí zdroj přípravků A/Č převodníků). Nastavení přístrojů Nastavení impulsního generátoru:

výstup A frekvence 100 kHz délka impulsu 1 s amplituda maximální

K bodu 5: Jeden nebo druhý výstup je nutné invertovat a počet bitů přizpůsobit výstupu druhého převodníku – nejjednodušší je „oříznout“ výstup převodníku ADS8512 na 8 bitů. Popis A/Č převodníku s postupnou aproximací Hybridní 8-bitový A/Č převodník (Tesla WSH 570 [1]) obsahuje zdroj referenčního napětí, 8-bitový Č/A převodník, komparátor, aproximační registr a generátor hodinových impulsů (viz zjednodušené blokové schéma na obr. 3 - chybí např. napájecí napětí atd.). Tento převodník kóduje vstupní analogové napětí postupnou aproximací osmi vnitřně generovanými, binárně odstupňovanými váhami. Během převodu (STATUS je na úrovni H) vyšle převodník 9 hodinových impulsů a synchronně s nimi 8 datových bitů sériového výstupu (S OUT). Paralelní kód je během převodu neplatný. Ukončení převodu a platnost paralelního výstupu je signalizována návratem stavového výstupu STATUS na úroveň L. Detailní popis procesu převodu nastudujte z [2]. U x ZDROJ REFERENČNÍH NAPĚTÍ

Č/A

B1

B2

B3

COM

B4

B6

B5

B7

B8

K

+

paralelní výstup

CL GH

APROXIMAČNÍ REGISTR

START

STATUS

S

(sériový výstup)

Obr. 3. Vnitřní blokové schéma převodníku WS 570

Blokové schéma na obr. 3 porovnejte s implementací převodníku ADS8512, která je zobrazena na první straně v literatuře [3]. Zapojení přípravku ADS8512 uvedeno na obr. 4, kde je vidět minimum součástek potřebných pro správnou funkci A/Č převodníku.

5/6


A3B38SME

Přípravek s ADS8512 umožňuje připojit měřené napětí na vstup R1IN a signál pro zahájení převodu na vstup CONV . Dále je vyveden výstup indikující probíhající převod vstupního napětí BUSY a dva výstupní signály sériového rozhraní SPI (DATA a DATACLK). Zapojení převodníku umožňuje díky vstupnímu děliči převádět napětí v rozsahu od –10 V do +10 V. Převodník WSH570 je naproti tomu zapojen tak, aby umožňoval převod kladného napětí v rozsahu 0 až 10 V (-1 LSB), kde váha nejnižšího bitu (LSB) je 39,06 mV (oproti 4,88 mV u ADS8512). Výstupní kódování obou převodníků je zobrazeno v tab. 1.

Obr. 4. Zapojení přípravku s ADS8512 [3] Tab. 1. Výstupní kódy obou převodníků

Výstupní kód CSB UX [V]

Převodník WSH 570 Vstupní rozsah 0 až +10 V MSB

+10 + 9,961 + 9,922 ... + 7,500 ... + 5,039 + 5,000 + 4,961 ... + 2,500 ... + 0,039 0

LSB

0000 0000 0000 0001 ... 0011 1111 ... 0111 1110 0111 1111 1000 0000 ... 1011 1111 ... 1111 1110 1111 1111

Výstupní kód Převodník ADS8512 Vstupní rozsah –10 až +10 V MSB 0111 1111 0111 1111 0111 1111 ... 0110 0000 ... 0100 0000 0100 0000 0111 1111 ... 0000 0010 ... 0000 0000 0000 0000

LSB 1111 1000 0000 0000 0111 0000 1000 0000 0111 0000

Literatura [1] Dokumentace k převodníku WSH570 [2] Přednášky k předmětu A3B38SME [3] Datasheet k obvodu ADS8512, viz http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/ads8512.html

6/6

Č převodník s postupnou aproximací

Recommend Documents