5. A/Č převodník s postupnou aproximací

Transkript

1 Úvod: 5. A/Č převodník s postupnou aproximací 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/ KB, 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

2 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

3 Nepovinná část 6. Změřte dobu převodu převodníku WSH 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

4 WSH570 ADS8512 Analogové vstupy Obr. 2 Analogové a digitální výstupy z obou přípravků 4/6

5 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 COM + K B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 paralelní výstup GH CL 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

6 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. U X [V] Obr. 4. Zapojení přípravku s ADS8512 [3] Tab. 1. Výstupní kódy obou převodníků Výstupní kód CSB Převodník WSH 570 Vstupní rozsah 0 až +10 V Výstupní kód Převodník ADS8512 Vstupní rozsah 10 až +10 V MSB LSB MSB LSB , , , , , , , , Literatura [1] Dokumentace k převodníku WSH570 [2] Přednášky k předmětu A3B38SME [3] Datasheet k obvodu ADS8512, viz 6/6