5. A/Č převodník s postupnou aproximací Otázky k úloze domácí příprava a) Máte sebou USB flash-disc? b) Z jakých obvodů se v principu skládá převodník s postupnou aproximací? c) Proč je v zapojení použit napěťový komparátor? d) Porovnejte obr. 3 a obr. 6 v dokumentaci [1]. Jaké jsou mezi obrázky rozdíly? e) 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? 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
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
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]. Přípravek WSH570 Digitální osciloskop Zdroj SS napětí 10V R d ČV Pevný zdroj 10V a odporovou dekádu je možné nahradit stavitelným zdrojem napětí Impulzní generátor Vstup Start +15V -15V +5V Status CLK S OUT B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 COMP LA09 LA08 LA10 LA00 LA01 LA02 LA03 LA04 LA05 LA06 LA07 LA14 LA13 LA12 LA11 Logický analyzátor Přípravek ADS8512 Vstup Start +10V BUSY DATA DATA CLK A4 A2 A1 A3 Analogové vstupy Obrázek 1 Blokové schéma zapojení úlohy 3/7
WSH570 ADS8512 Analogové vstupy Obrázek 2 Analogové a digitální výstupy z obou přípravků 4/7
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 REFERENČNÍHO NAPĚTÍ Č/A PŘEVODNÍK COMP + K B 1 B 2 B 3 B 4 B 5 B 6 B 7 B 8 paralelní výstup GHI CLC 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
Obrázek 4 Zapojení přípravku ADS8512 [3] Přípravek ADS8512 umožňuje připojit měřeného napětí na vstup R1 IN, 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. U X [V] 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 +10 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 + 9,961 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 + 9,922 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 + 7,500 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 + 5,039 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 + 5,000 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 + 4,961 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 + 2,500 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 + 0,039 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6/7
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