Evropský sociální fond. Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti.
5. A/Č převodník s postupnou aproximací Otázky k úloze – domácí příprava Máte sebou USB flash-disc? Z jakých obvodů se v principu skládá převodník s postupnou aproximací? Proč je v zapojení použit napěťový komparátor? Porovnejte obr. 3 a obr. 6 v dokumentaci [1]. Jaké jsou mezi obrázky rozdíly? Který bit je při sériové komunikaci A/Č převodníků WSH570 a ADS8512 posílán jako první (MSB, nebo LSB)? f) Na jakou hranu hodin je čtena hodnota výstupního bitu sériového výstupu převodníku WSH570 a převodníku ADS8512? g) Jaký je rozdíl mezi převodníky ADS8512 a WSH750 z hlediska signálů sériového výstupu, potřeby napájecího napětí, vstupních rozsahů, počtu bitů, atd.? h) V případě logického analyzátoru rozeznáváme synchronní a asynchronní analýzu. Jaký je rozdíl mezi časovou a stavovou analýzou signálů? a) b) c) d) e)
Úkol měření a) Prostudujte princip A/Č převodníku s postupnou aproximací a nakreslete jeho blokové schéma do sešitu. Popište rozdíly mezi obvody WSH 570 a ADS8512. b) Seznamte se s obsluhou digitálního osciloskopu řady MSO4000 s integrovaným logickým analyzátorem. Buďte připraveni vysvětlit jak se nastavuje mód jednoho odběru (single) a opakované měření, jak se mění nastavení časové základny, zesílení analogového kanálu, zapnutí a vypnutí jednoho z digitálních kanálů logického analyzátoru a uložení aktuálního obrazu na obrazovce do souboru na USB flash-disku. c) Zkontrolujte zapojení měřicího obvodu podle schématu (obr. 1) a zapněte napájecí zdroje (jako první napájecí zdroj přípravků A/Č převodníků). d) V režimu časové analýzy logického analyzátoru a pro napětí v okolí hodnoty 5,050 V (přibližně polovina měřicího rozsahu) zobrazte na obrazovce osciloskopu časový diagram generovaný obvodem WSH570 obsahující: 1) Paralelní výstup B1 až B8, STATUS (stavový výstup), S OUT (sériový výstup), CLK (hodinové impulsy), START A/Č – zobrazeno pomocí vstupů logického analyzátoru. 2) Výstup před komparátorem – výstup přípravku WSH570 (viz obr. 1, obr. 3) je označený jako COMP [1]. Signál výstupu změřte pomocí analogového vstupu osciloskopu. Zobrazení si s pomocí funkce PRINT osciloskopu uložte na USB flash-disk a po úpravě vložte do protokolu o měření.
1/7
Evropský sociální fond. Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti. e) V režimu časové analýzy logického analyzátoru a pro napětí v okolí hodnoty 4.950 V (přibližně polovina měřicího rozsahu) zobrazte na obrazovce osciloskopu časový diagram generovaný obvodem WSH570 obsahující: 1) Paralelní výstup B1 až B8, STATUS (stavový výstup), S OUT (sériový výstup), CLK (hodinové impulsy), START A/Č – zobrazeno pomocí vstupů logického analyzátoru. 2) Výstup před komparátorem - COMP (pomocí analogového vstupu osciloskopu). Zobrazení si s pomocí osciloskopu uložte na USB flash-disk a po případné úpravě vložte do protokolu o měření. f) Vysvětlete souvislost mezi výstupní analogovou hodnotou z interního bloku Č/A převodníku (výstup COMP) a převodníkem převedenou výstupní digitální reprezentací vstupního napětí z úkolu měření d) a e) (výstupy B1-8). g) V několika bodech vstupního napětí změřte převodní charakteristiku obou A/Č převodníků, např. pro napětí 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 do sešitu zaznamenejte (buď ve velkém měřítku, nebo jen počátek a konec charakteristiky) a porovnejte převodní charakteristiky obou převodníků (zjistíte, že jeden nebo druhý výstup bude nutné obrátit a matematicky přizpůsobit výstupu druhého převodníku – nejjednodušší je „oříznout“ výstup převodníku ADS8512 na 8 bitů). Naměřené charakteristiky A/Č převodníků porovnejte s ideální charakteristikou a určete chyby převodníků pro zadané hodnoty napětí. Nepovinná část měření h) Změřte dobu převodu převodníku WSH570. i) Změřte dobu převodu převodníku ADS8512 a určete dobu odeslání převedeného údaje na sériovém výstupu DATA. Porovnejte změřené hodnoty s výsledky z úkolu měření h). j) Zkontrolujte pomocí osciloskopu frekvenci hodinových impulsů obou převodníků a popište rozdíly (pomocí střídy a doby periody jednotlivých impulsů). k) Změřte velikost překmitu signálu DATA CLK převodníku ADS8512 generovanou při změně úrovně hodin sériového výstupu SPI. l) Pozorujte změny časového diagramu, zvýšíte-li kmitočet startovacích impulsů převodníku tak, že doba periody startovacích impulsů bude kratší než celková doba převodu převodníku. m) Porovnejte zobrazení startovacích impulsů zobrazených pomocí analogového vstupu osciloskopu a digitálního vstupu logického analyzátoru a vysvětlete rozdíl.
2/7
Evropský sociální fond. Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti. Nastavení přístrojů Nastavení impulsního generátoru:
výstup A frekvence 100 kHz délka impulsu 1 s amplituda maximální
Blokové schéma měřící úlohy Schéma měřící úlohy zobrazené na obr. 1 koresponduje se signály zachycenými na obr. 2. Pro informace o detailním zapojení převodníku WSH570 a funkci jednotlivých výstupů prostudujte literaturu [1].
Zdroj SS napětí 10V
ČV
Vstup GND
Status CLK S OUT
LA09 LA08 LA10
B1 B2 B3
LA00 LA01 LA02 LA03 LA04 LA05 LA06 LA07
Pevný zdroj 10V a odporovou dekádu je možné nahradit stavitelným zdrojem napětí
Start GND
B8
GND +5V
GND
+15V GND -15V
COMP
Přípravek ADS8512 Vstup GND Start GND
GND +10V
Impulzní generátor
B4 B5 B6 B7
BUSY DATA DATA CLK
Logický analyzátor
Rd
Digitální osciloskop
LA14 LA13 LA12 LA11 A4 A2 A1 A3
Analogové vstupy
Přípravek WSH570
Obrázek 1 Blokové schéma zapojení úlohy
3/7
Analogové vstupy ADS8512 WSH570
Obrázek 2 Analogové a digitální výstupy z obou přípravků
4/7
Evropský sociální fond. Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti. Popis A/Č převodníku s postupnou aproximací Hybridní 8-bitový A/Č převodník (Tesla WSH 570 [1]) obsahuje zdroj referenčního napětí, 8bitový 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 REFERENČNÍHO NAPĚTÍ
Č/A PŘEVODNÍK
B1
B2
B3
B4
B5
COMP
B6
B7
B8
K
+
paralelní výstup
CLC GHI
APROXIMAČNÍ REGISTR
START
STATUS
S OUT (sériový výstup)
Obrázek 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.
5/7
Evropský sociální fond. Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti.
Obrázek 4 Zapojení přípravku ADS8512 [3] Přípravek ADS8512 umožňuje připojit měřeného napětí na vstup R1IN, vstup pro zahájení převodu (/CONV), 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. 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
6/7
Evropský sociální fond. Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti. Literatura [1] Dokumentace k převodníku WSH570 [2] Přednášky k předmětu A3B38SME [3] Datasheet k obvodu ADS8512, dostupný online: http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/ads8512.html
7/7
