Συστήματα Ψηφιακών Ηλεκτρονικών Θεωρία ΚΕΦ 11

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 11

ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ
D/A ΚΑΙ A/D

l 11.1 Εισαγωγή.
l 11.2 Σύστημα λήψης, επεξεργασίας και διανομής
δεδομένων.
l 11.3 μετατροπέας D/A.
l 11.4 Κυκλώματα μετατροπέων D/A.
• 11.4.1 Μετατροπέας D/A τύπου R/2R.
• 11.4.2 Μετατροπέας D/A σε ολοκληρωμένο κύκλωμα.
l 11.5 Χαρακτηριστικά μετατροπέων D/A.
l 11.6 Μετατροπέας A/D.
l 11.7 Κβάντιση και δειγματοληψία σήματος.
l 11.8 Κυκλώματα μετατροπέων A/D.
• 11.8.1 Μετατροπέας A/D διαδοχικών προσεγγίσεων.
• 11.8.2 Μετατροπέας A/D σε ολοκληρωμένο κύκλωμα.
l 11.9 Χαρακτηριστικά μετατροπέων A/D.
l 11.10 Εφαρμογές μετατροπέων D/A και A/D.

11.1. Εισαγωγή
l Με την ανάπτυξη των υπολογιστικών
συστημάτων δόθηκε η δυνατότητα της
ψηφιακής επεξεργασίας δεδομένων τα οποία
αναπαριστούν φυσικές παραμέτρους, όπως
θερμοκρασία, πίεση, κ.λ.π.
l Αναλογικά συστήματα ελέγχου (control
systems) και συλλογής δεδομένων (data
acquisition) αντικαθίστανται σε μεγάλο βαθμό
από ψηφιακά.

12/2/2012 ΛΕΥΘΕΡΟΥΔΗΣ ΘΕΟΔΩΡΟΣ 3
ΠΕ17.08

l Το αναλογικά σήματα μεταβάλλονται και
παίρνουν διάφορες τιμές στην διάρκεια του
χρόνου.
l Τα ψηφιακά σήματα μεταβάλλονται και
παίρνουν συγκεκριμένες τιμές στην διάρκεια
του χρόνου.
l Ένα παράδειγμα είναι το μονοπάτι (αναλογικό)
και η σκάλα (ψηφιακό).
ΠΕ17.08

l Δύο είναι τα απαραίτητα ηλεκτρονικά
κυκλώματα για την μετατροπή των σημάτων
από αναλογικά σε ψηφιακά και αντίστροφα.
l Ο μετατροπέας αναλογικού σήματος σε
ψηφιακό (Analog to Digital Converter ή ADC ή
A/D).
l Ο μετατροπέας ψηφιακού σήματος σε
αναλογικό (Digital to Analog Converter ή DAC
ή D/A).
ΠΕ17.08

11.2 Συστήματα λήψης, επεξεργασίας και
διανομής δεδομένων

1. Φυσική παράμετρος
l Η φυσική παράμετρος (ποσότητα) η οποία
θέλουμε να μετρηθεί.
l Θερμοκρασία, πίεση, βάρος, τάση, ρεύμα,
ταχύτητα, απόσταση, κ.λ.π.
l Θα πρέπει να μετατραπεί σε ένα αναλογικό
ηλεκτρικό μέγεθος. (τάση, ρεύμα).

ΠΕ17.08

2. Μετατροπή
l Η μετατροπή γίνεται με το διαμετατροπέα
(transducer), ο οποίος περιέχει έναν αισθητήρα
(sensor) και τα απαραίτητα ηλεκτρονικά κυκλώματα.
l Ο αισθητήρας είναι συνήθως ένα στοιχείο του
οποίου μεταβάλλεται κάποιο από τα ηλεκτρικά του
χαρακτηριστικά (αντίσταση, χωρητικότητα,
αυτεπαγωγή, κ.λ.π) ανάλογα με την μεταβολή
κάποιου φυσικού μεγέθους που ασκείτε πάνω του
(πίεση, θερμοκρασία, υγρασία, κ.λ.π.).

ΠΕ17.08

2. Μετατροπή
l Αισθητήρες υπάρχουν σε πολύ μεγάλη
ποικιλία και παρουσιάζουν πλεονεκτήματα και
μειονεκτήματα ανάλογα με την εφαρμογή.
l Φωτοκύτταρα (photocells), φωτοδίοδοι
(photodiodes), thermistors, θερμοζεύγη
(thermocouples), μικρόφωνα (microphones)
κ.λ.π.

ΠΕ17.08

3. Προσαρμογή του σήματος
l Είναι ηλεκτρονικά κυκλώματα προσαρμογής σήματος
(signal conditioning).
l Τα οποία προσαρμόζουν τα χαρακτηριστικά του
αναλογικού σήματος (πλάτος, περιοχή συχνοτήτων,
κ.λ.π) στα χαρακτηριστικά του σήματος που μπορεί
να μετατρέψει ο μετατροπέας A/D.
l Π.χ : μπορεί να χρειάζεται ενίσχυση του σήματος έτσι
ώστε να είναι μέσα στα όρια που μπορεί να
μετατρέψει ο A/D, ή να απορριφθούν κάποιες υψηλές
συχνότητες μέσου ενός φίλτρου. (anti-aliasing filter).
ΠΕ17.08

ΠΕ17.08

4. Αναλογικός πολυπλέκτης
(analog multiplexer AMUX)
l Χρησιμοποιείται μόνο όταν έχουμε
περισσότερες από μία αναλογικές εισόδους
που θέλουμε να ψηφιοποιήσουμε.
l Η λειτουργία του είναι ίδια με αυτή του
ψηφιακού πολυπλέκτη μόνο που τα σήματα
είναι αναλογικά.
l Με την εφαρμογή της διεύθυνσης επιλογής
καναλιού επιλεγούμε ένα από τα σήματα
εισόδου.
ΠΕ17.08

5. Κύκλωμα δειγματοληψίας και
συγκράτησης (Sample and Hold – S/H)
l Μπορούμε να το φανταστούμε σαν ένα κύκλωμα
πυκνωτή του οποίου το ένα άκρο είναι σταθερά
συνδεδεμένο στην γείωση του συστήματος και το
άλλο άκρο συνδέεται πότε στην έξοδο του
πολυπλέκτη και πότε στην είσοδο του μετατροπέα
A/D.
l Το αποτέλεσμα είναι ο A/D να έχει στην είσοδο του
πάντα ένα σταθερό σήμα που αντιπροσωπεύει μια
χρονική στιγμή του αναλογικού σήματος που θέλουμε
να ψηφιοποιηθεί.
l Εισάγει μια μικρή χρονική καθυστέρηση για να
προλάβει ο A/D να κάνει την μετατροπή.
ΠΕ17.08

6. Ο μετατροπέας A/D
l Στην είσοδό του δέχεται ένα αναλογικό σήμα
και στην έξοδό του παράγει μια ψηφιακή λέξη
που αποτελείται πάντα από ένα συγκεκριμένο
αριθμό bits.
l Τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά του είναι :
l Ο αριθμός των bits.
l Το πλάτος του εφαρμοζόμενου αναλογικού
σήματος.
l Και ο απαιτούμενος χρόνος για την μετατροπή.
ΠΕ17.08

7. Ο επεξεργαστής
l Θα επεξεργαστεί ή και θα αποθηκεύσει τα
ψηφιακά δεδομένα, ανάλογα με το πρόγραμμα
λειτουργίας του.
l Θα δώσει εντολές σε άλλα συστήματα.
l Θα απεικονίσει τα αποτελέσματα σε οθόνη.
l Κ.λ.π.

ΠΕ17.08

11.2 Συστήματα λήψης, επεξεργασίας
και διανομής δεδομένων

1. Ο μετατροπέας D/A
l Εδώ γίνεται η μετατροπή από ψηφιακό
σε αναλογικό σήμα.

ΠΕ17.08

2. Αναλογικός αποπολυπλέκτης
(Analog demultiplexer - ADEMUX
l Μεταφέρει στην επιλεγμένη έξοδο το
σήμα του μετατροπέα D/A.
l Με τον τρόπο αυτό μπορούμε να
ελέγξουμε περισσότερες από μια
διατάξεις με έναν μόνο μετατροπέα.

ΠΕ17.08

3. Αναπαραγωγή S/H
l Η αναλογική έξοδος παραμένει σταθερή για το
χρονικό διάστημα που η έξοδος του μετατροπέα D/A
δεν έχει ακόμη σταθεροποιηθεί.
l Χρησιμοποιούμε στην συνέχεια κυκλώματα
προσαρμογής σήματος τα χαρακτηριστικά του οποίου
προσαρμόζονται σε αυτά της διάταξης εξόδου την
οποία θα οδηγήσουμε.
l Μέσα σ’ αυτά τα κυκλώματα περιλαμβάνεται και ένα
φίλτρο απόρριψης υψηλών συχνοτήτων που
οφείλονται στην μετατροπή. (reconstruction filter).
ΠΕ17.08

4. Διάταξη εξόδου
l Είναι οτιδήποτε θέλουμε να ελέγξουμε.
l Θερμοστάτη.
l Ρελέ
l Φώτα
l Κλιματισμός
l Στάθμη υγρού σε δεξαμενή
l Κ.λ.π

ΠΕ17.08

Παράδειγμα.
Συστήματα ελέγχου κλειστού βρόγχου
closed loop control systems)

11.3 Μετατροπέας D/A
l Ένας μετατροπέας ψηφιακού σήματος σε
αναλογικό (D/A ή DAC) δέχεται στις
ψηφιακές εισόδους του μία ψηφιακή λέξη
και παράγει στην αναλογική του έξοδο μια
ανάλογη προς τις εισόδους τάση ή ρεύμα.
l Η τάση εξόδου του γράφεται ως το δεκαδικό
ισοδύναμο του δυαδικού αριθμού που
εφαρμόζεται στις εισόδους.

ΠΕ17.08

11.3 Μετατροπέας D/A

Vout=Vmes*(b0*20+b1*21+b2*22+…+bN-1*2N-1)
Όπου Vmes είναι η ελάχιστη μεταβολή της αναλογικής τάσης
εξόδου λόγω της αλλαγής της ψηφιακής εισόδου κατά το
λιγότερο σημαντικό bit (LSB) και ονομάζεται ανάλυση μέτρησης
του μετατροπέα D/A. Και υπολογίζεται όταν όλα τα ψηφία είναι
«1» από την σχέση :
Όπου ΔV = η διαφορά μέγιστης και
Vmes=ΔV / 2N-1 ελάχιστης τάσης λειτουργίας του
μετατροπέα και Ν ο αριθμός των bits

Παράδειγμα 1
Vout
l Έστω ότι έχουμε έναν b2 b1 b0
(V)
μετατροπέα D/A των τριών
bits και περιοχή τάσης 0 0 0 0
λειτουργίας από 0V έως 7V. 0 0 1 1
l Η ανάλυση μέτρησης θα 0 1 0 2
είναι : Vmes=ΔV/2N-1= 7V- 0 1 1 3
0V/23-1=7V/8-1=7V/7=1V. 1 0 0 4
l Για κάθε συνδυασμό των 1 0 1 5
τριών bits εφαρμόζουμε την
σχέση (11.2.1.) και έχουμε : 1 1 0 6
1 1 1 7

l Χρησιμοποιώντας τον αυτόν τον μετατροπέα
μια αναλογική ημιτονοειδής κυματομορφή.

l Έστω ότι έχουμε έναν μετατροπέα D/A των 4
bits ο οποίος όταν η δυαδική είσοδος του
μεταβάλλεται κατά ένα LSB η τάση εξόδου του
μεταβάλλεται κατά 0,1 V. Ποια είναι η
αναλογική του έξοδος για την ψηφιακή είσοδο
«1011» ;
l Το Vmes=0,1 V.
l Σύμφωνα με την σχέση (11.2.1) έχουμε :
l Vout=0,1*(1*1+1*2+0*4+1*8)=1,1 V.
ΠΕ17.08

l Έχουμε έναν D/A των 4 bits με Vmes=0,1 V.
l Δέχεται στις εισόδους του τις εξόδους ενός δυαδικού
απαριθμητή των 4 bits.
l Ο απαριθμητής μετράει από το «0000» έως το
«1111».
l Άρα ελάχιστη τάση Vout=0 V & μέγιστη Vout+1,5 V.

11.4 Κυκλώματα μετατροπέων D/A.
11.4.1 Μετατροπέας D/A τύπου R/2R.

l Ένας μετατροπέας D/A τύπου R/2R των 2 bits,
αποτελείται από έναν τελεστικό ενισχυτή (ΤΕ)
και αντιστάσεις δύο τιμών R=10 KΩ και 2R=20
KΩ.

ΠΕ17.08

11.4.1 Μετατροπέας D/A τύπου
R/2R.
l Έχει πολύ μεγάλο κέρδος (gain).
l Μικρή αντίσταση εξόδου.
l Μεγάλη αντίσταση εισόδου.
l Έχει δύο εισόδους : αναστρέφων (-) και μη
αναστρέφων (+).
l Όταν ένα μέρος της τάσης εξόδου επιστρέφει στην
αναστρέφουσα είσοδο (αρνητική ανατροφοδότηση
negative feedback) τότε οι δύο είσοδοι θα βρίσκονται
στο ίδιο δυναμικό (δηλαδή η διαφορά δυναμικού
μεταξύ τους θα είναι μηδέν)

ΠΕ17.08

l Η μη αναστρέφουσα είσοδος είναι γειωμένη.
l Άρα η αναστρέφουσα είσοδος διατηρείται στα 0 V.
Επειδή αυτή η είσοδος δεν είναι στην πραγματικότητα
γειωμένη ονομάζεται εικονική γη (virtual ground).

l Όλοι οι διακόπτες αρχικά βρίσκονται στην γη.
l Στην συνέχεια ο D1 MSB συνδέεται στα 5 V. Η τάση
αυτή ονομάζεται τάση αναφοράς (reference voltage).
l Ο D0 στην γη άρα R1 και R2 παράλληλα και σε σειρά
με R4.

l Λόγω εικονικής γης στην αντίσταση Req η διαφορά
δυναμικού είναι μηδέν άρα το ρεύμα είναι μηδέν.
l Η τάση των +5 V στην R3 παράγει ρεύμα 0,25 mA
που διαρρέει την RF.
l Άρα η τάση εξόδου θα είναι : V0=-Ix*RF=-5 V.

l Για να βρούμε την τάση που παράγεται από το
LSB bit γειώνουμε τον D1 και συνδέουμε στα
+5 V τον D0.

l Το κύκλωμα απλοποιείται με το ισοδύναμο κατά Thevenin.
l Ένα κύκλωμα μπορεί να αντικατασταθεί από μία πηγή και μία
αντίσταση σε σειρά.
l Η αντίσταση Thevenin προκύπτει αν υποθετικά βραχυκυκλώσουμε
όλες τις πηγές τάσης.
l Δηλαδή R1 // R2=R η R3 αγνοείτε γιατί και τα δύο άκρα της είναι
γειωμένα.

l Η τάση Thevenin προκύπτει ως τάση στον
κόμβο όπου το κύκλωμα συνδέεται με άλλα
κυκλώματα.
l Δηλαδή 5 V/2=2.5 V επειδή έχουμε δύο ίσες
αντιστάσεις.

l Η ολική αντίσταση μεταξύ της αναστρέφουσας
εισόδου και της πηγής Thevenin είναι 2R=20 KΩ.
l Το ρεύμα προς την αναστρέφουσα είσοδο που
περνάει από τη RF θα είναι 0,125 mA και θα παράγει
μια τάση εξόδου -2,5 V.

l Άρα όταν D0 και D1 είναι «1» έχουμε συνολική
τάση εξόδου Vo=(-5V-2.5V)=-7.5V
l Για οποιοδήποτε συνδυασμό των διακοπτών
μπορούμε να υπολογίσουμε την τάση εξόδου
ως εξής :
l Vo=-RF*(D1/2R+D0/4R)*5V=
l -5V*(D1+Do/2)=
l -2.5V*(D0*20+D1*21)
l Σήμερα οι κατασκευαστές των μετατροπέων
D/A χρησιμοποιούν αντί για αντιστάσεις,
δικτυώματα πυκνωτών.

11.4.2 Μετατροπέας D/A σε Ο.Κ
l Οι μετατροπείς D/A στο εμπόριο υπάρχουν σε μεγάλη
ποικιλία ανάλογα με τα χαρακτηριστικά τους.
l Αριθμός bits.
l Μέγιστη τάση εξόδου.
l Διακριτική ικανότητα.
l Ταχύτητα.
l Κ.λ.π.
l Ως προς τον κώδικα της ψηφιακής εισόδου :
l Δυαδικό.
l Συμπλήρωμα ως προς δύο.
l BCD.
l Κ.λ.π.
ΠΕ17.08

l Ένας κοινός μετατροπέας είναι ο DAC0808
της National Semiconductors.
l Είναι των 8 bits.
l Η αναλογική του έξοδος είναι ρεύμα και γι’
αυτό συνδέουμε εξωτερικά και έναν ΤΕ 741 με
RF=1 KΩ. Για την μετατροπή σε τάση.

ΠΕ17.08


Vo=(Vref/Rref)*Rf*(A1/2+A2/4+A3/8+A4/16+A5/32+A6
/64+A7/128+A8/256)

Το Α1 είναι το MSB.
Το Α8 είναι το LSB.
Η τάση αναφοράς
τοποθετείται εξωτερικά
στα +5 V. Ενώ μερικά
Ο.Κ την παράγουν
εσωτερικά.
Επίσης ορισμένα Ο.Κ ο
Τ.Ε κατασκευάζεται
εσωτερικά και η έξοδος
του Ο.Κ είναι τάση.

11.5 Χαρακτηριστικά
μετατροπέων D/A
l Διακριτική ικανότητα (resolution). Είναι ο αριθμός
των bits της λέξης εισόδου.
l Όσο μεγαλύτερη είναι τόσο μεγαλύτερος είναι ο
αριθμός των υποδιαιρέσεων της περιοχής τάσης
λειτουργίας του και επομένως τόσο μικρότερο το
βήμα (σκαλοπάτι) της τάσης που μπορεί να παράγει.
l Το κόστος αυξάνεται όσο μεγαλύτερη είναι η
διακριτική ικανότητα.
l Π.Χ ένας D/A των 8 bits έχει 256 υποδιαιρέσεις.

ΠΕ17.08

l Ακρίβεια (accuracy). Είναι η διαφορά της
πραγματικής εξόδου από την ιδανική.
l Η ακρίβεια καθορίζεται ως ένα ποσοστό της
περιοχής τάσης λειτουργίας (Full Scale Range –
FSR) του μετατροπέα.
l Π.Χ εάν ένας μετατροπέας έχει περιοχή τάσης
λειτουργίας από 0 – 10 V και ακρίβεια 0.2% τότε το
μέγιστο σφάλμα για οποιαδήποτε έξοδο θα είναι 20
mV (10V*0.2/100).
l Δηλαδή θα έχουμε ένα σφάλμα + - 20 mV.

ΠΕ17.08

l Χρόνος αποκατάστασης (Settling time).
Είναι ο χρόνος από την στιγμή που
εφαρμόζεται στις εισόδους του η ψηφιακή
λέξη μέχρι την στιγμή που εμφανίζεται η
αντίστοιχη αναλογική έξοδος.
l Αποτελεί μέτρο της ταχύτητα του.

ΠΕ17.08

11.6 Μετατροπέας A/D
l Ένας μετατροπέας αναλογικού σήματος
σε ψηφιακό (A/D ή ADC) δέχεται στην
αναλογική του είσοδο μία αναλογική
τάση και παράγει στις ψηφιακές του
εξόδους έναν δυαδικό αριθμό ανάλογο
της τάσης εισόδου.
l Είναι η ανάστροφή διαδικασία από τον
μετατροπέα D/A.

ΠΕ17.08

l Στην είσοδο του μετατροπέα τοποθετούμε την
αναλογική τάση και στις Ν ψηφιακές εξόδους
παίρνουμε έναν αριθμό ανάλογο της τάσης εισόδου.
l Για κάθε σταθερή τάση έχουμε έναν δυαδικό
αριθμό, ώστε να ισχύει για το δεκαδικό του
ισοδύναμο η σχέση :
l Vin=q*(b0*20+b1*21+b2*22+…+bN-1*2N-1)

l Ο όρος q εκφράζει την ελάχιστη μεταβολή της
αναλογικής τάσης εισόδου η οποία μετατρέπεται σε
μεταβολή του λιγότερου σημαντικού bit (LSB) και
ονομάζεται βήμα κβάντισης (quantisation step) του
μετατροπέα A/D.
l Υπολογίζεται και από την προηγούμενη σχέση
θέτοντας όλα τα ψηφία «1».
l q=ΔV/2N-1.
l Όπου ΔV είναι η διαφορά μέγιστης από την ελάχιστη
τάση λειτουργίας του μετατροπέα.
l Και Ν ο αριθμός των bits του μετατροπέα.

ΠΕ17.08

l Ψηφιακή είσοδος έναρξης της μετατροπής
(Start Of Conversion – SOC).
l Ψηφιακή έξοδος λήξης της μετατροπής
(End Of Conversion – EOC).
l Η είσοδος SOC είναι είσοδος ελέγχου με την
οποία ξεκινά η διαδικασία μετατροπής και η
ενεργοποίηση της γίνεται με την εφαρμογή
ενός παλμού.
ΠΕ17.08

11.6 Μετατροπέας A/D.
παράδειγμα
l Μετατροπέας A/D 4 bits, q=0,1V.
l Ποια είναι η ψηφιακή λέξη για 1,1V ;
l Ποια είναι η ψηφιακή λέξη για 1,03V ;
l Σύμφωνα με την σχέση (11.6.1) για 1,1V έχουμε
1,1V/0,1V=(11)10=(1011)2
l Για είσοδο 1,03V έχουμε 1,03V/0,1V=10,3 ο
πλησιέστερος ακέραιος είναι το (10)10=(1010)2
l Άρα το σφάλμα στην πρώτη περίπτωση είναι 0V και
στην δεύτερη είναι -0,03V.
ΠΕ17.08

11.7 Κβάντιση και δειγματοληψία
σήματος
l Η διαδικασία αντιστοίχησης του αναλογικού σήματος
σε ψηφιακό ονομάζεται κβάντιση (quantisation) του
σήματος.
l Και το κύκλωμα με το οποίο πραγματοποιείται είναι ο
μετατροπέας A/D.
l Ένα αναλογικό σήμα είναι μια συνεχής συνάρτηση
στο πεδίο του πλάτους. Δηλαδή μπορεί να πάρει
άπειρες τιμές πλάτους.
l Αν σε κάθε τιμή αντιστοιχίσουμε ένα δυαδικό αριθμό
με συγκεκριμένο αριθμό bits τότε το σήμα έχει
μετατραπεί σε ψηφιακό.
ΠΕ17.08

σήματος
l Επειδή είναι συγκεκριμένος ο δυαδικός αριθμός δεν
μπορούμε να πάρουμε άπειρες τιμές από το σήμα
άρα θα πρέπει να πάρουμε κάποιες συγκεκριμένες
τιμές.
l Αυτές περιορίζονται σε συγκεκριμένες περιοχές με
καθορισμένο πλάτος.
l Για κάθε τέτοια περιοχή αντιστοιχεί μία μόνο ψηφιακή
τιμή.
l Το πλάτος της κάθε περιοχής είναι το βήμα
κβάντισης.

ΠΕ17.08

σήματος
l Η διαδικασία με την οποία το αναλογικό σήμα
αναπαρίσταται με δείγματα σε συγκεκριμένα χρονικά
διαστήματα ονομάζεται δειγματοληψία (sampling)
του σήματος.
l Ένα αναλογικό σήμα είναι μια συνεχής συνάρτηση
στο πεδίο του χρόνου. Δηλαδή παίρνει άπειρες τιμές
σε συνάρτηση με τον χρόνο.
l Η ψηφιακή αναπαράσταση ενός αναλογικού σήματος
θα γίνεται με δείγματα σε συγκεκριμένες χρονικές
στιγμές συγκεκριμένου μήκους.
ΠΕ17.08

σήματος
l Το ηλεκτρονικό κύκλωμα με το οποίο γίνεται
η δειγματοληψία είναι το κύκλωμα
δειγματοληψίας και συγκράτησης S/H.
l Ο σταθερός αριθμός των δειγμάτων στην
μονάδα του χρόνου ονομάζεται ρυθμός
δειγματοληψίας (sampling frequency) και
μετριέται σε δείγματα ανά δευτερόλεπτο
(samples/sec).
ΠΕ17.08

σήματος
l Η μετατροπή του αναλογικού σήματος σε
ψηφιακό περιλαμβάνει δύο διαδικασίες :
1. Τη δειγματοληψία, παίρνει τιμές σε
συγκεκριμένες χρονικές στιγμές και
πραγματοποιείται με το κύκλωμα S/H.
2. Την κβάντιση, με την οποία παίρνει
συγκεκριμένες τιμές και πραγματοποιείται με
τον μετατροπέα A/D.
ΠΕ17.08

11.8 κυκλώματα μετατροπέων
A/D
l Μετατροπείς A/D υπάρχουν σε μεγάλη ποικιλία
σε Ο.Κ και σε χαρακτηριστικά.
l Για να κατανοήσουμε τα κυριότερα
χαρακτηριστικά τους και τις βασικές αρχές
λειτουργίας τους θα πρέπει να τους
αναλύσουμε κυκλωματικά τον τρόπο
κατασκευής τους.
l Ο πλέον συνηθισμένος και με πολλές
εφαρμογές είναι ο A/D διαδοχικών
προσεγγίσεων.

ΠΕ17.08

11.8.1 Μετατροπέας A/D
διαδοχικών προσεγγίσεων
l Μετατροπέας A/D διαδοχικών προσεγγίσεων (successive
approximation).
l Καρδιά του κυκλώματος είναι ο καταχωρητής διαδοχικών
προσεγγίσεων (SAR – Successive Approximation
Register).
l Όλο το κύκλωμα αποτελείται από τα εξής επιμέρους :
l Κύκλωμα χρονισμού και ελέγχου, Buffer εξόδου, SAR,
Έναν DAC, Και έναν τελεστικό ενισχυτή.
l Επιπρόσθετα μπορούμε να προσθέσουμε το κύκλωμα
ρολογιού.
l Και κύκλωμα παραγωγής συχνότητας δειγματοληψίας.

ΠΕ17.08

11.8.1 Αναλογική
είσοδος
Ψηφιακή
έξοδος
l Στην αρχή λειτουργίας
του κύκλου
μετατροπής, με τον
πρώτο παλμό του
ρολογιού, ο SAR θέτει
το MSB στην
κατάσταση «1» και
ενημερώνει τον DAC με
το περιεχόμενό του.
Στην συνέχεια ο SAR
περιμένει σήμα από το Έξοδος σήματος
συγκριτή Vc, ο οποίος τερματισμού
συγκρίνει την έξοδο του μετατροπής
DAC Vα’ με το σήμα Είσοδος έναρξης
εισόδου Vα. μετατροπής

11.8.1 είσοδος Έξοδος
l Ο συγκριτής είναι ένας DAC
ΤΕ χωρίς ανάδραση.
l «1» όταν Vα>=Vα’
l «0» όταν Vα<=Vα’
l Το «1» σημαίνει ότι η
έξοδος του DAC είναι
μικρότερη από την
τάση εισόδου και ο
SAR κρατάει το MSB
του σε κατάσταση «1».
l Το «0» σημαίνει ότι η
έξοδος του DAC είναι
μεγαλύτερη από την Έξοδος σήματος
τάση εισόδου και ο
σύγκρισης
SAR μηδενίζει το MSB
του. ΤΕ

11.8.1 Αναλογική
είσοδος
l Με τον επόμενο παλμό
ρολογιού ο SAR θα εξετάσει το Ψηφιακή
δεύτερο πιο σημαντικό ψηφίο. έξοδος
l Θα είναι «1» ή «0» ανάλογα με
την έξοδο του συγκριτή. Κ.Ο.Κ
μέχρι να φτάσει στο LSB, για
κάθε ένα ψηφίο χρειάζεται και
ένας παλμός ρολογιού.
l Όταν τελειώσουν όλα τα bits
τότε η έξοδος EOC δηλώνει το
τέλος της μετατροπής. Και ότι
στην έξοδο υπάρχει η Έξοδος σήματος
δυαδική λέξη που τερματισμού
αντιπροσωπεύει την μετατροπής
αναλογική είσοδο.

11.8.1
l Αν η έξοδος EOC
συνδεθεί με την
είσοδο SOC τότε ο
μετατροπέας θα
δουλεύει συνεχώς.
l Διαφορετικά στην
είσοδο SOC
συνδέουμε το
κύκλωμα παραγωγής
της συχνότητας
δειγματοληψίας με την
οποία θέλουμε να
δειγματολειπτήσουμε
το αναλογικό σήμα.

11.8.1 παράδειγμα
5 bits, 0,1 V βήμα
κβάντισης, αναλογική
είσοδος 2,52 V

MCP3001 2.7V 10-Bit
A/D Converter with
SPI™ Serial Interface

11.8.2 μετατροπέας A/D σε Ο.Κ.
l Μετατροπέας A/D
διαδοχικών προσεγγίσεων
των 8 bits ADC0801 της
National Semiconductors.
l Στους ακροδέκτες Vin+ &
Vin- συνδέεται η
αναλογική τάση. Στην
απλούστερη χρήση του
την αναλογική τάση την
συνδέουμε στο Vin+ ενώ
το Vin- συνδέεται στην
αναλογική γη (Pin 8).
l Όταν η τάση τροφοδοσίας
Vcc είναι 5 V τότε η
αναλογική μπορεί να
μεταβάλλεται από 0 – 5V.

l Είσοδος επιλογής CS.
l Όταν είναι «1» τότε ο
μετατροπέας είναι
ηλεκτρικά
αποσυνδεδεμένος. Οι
έξοδοι των δεδομένων
είναι σε κατάσταση (Hi-
Z).
l Έξοδοι δεδομένων
από D7 MSB – D0
LSB.

l Είσοδος WR.
l Αντιστοιχεί στην είσοδο
SΟC, όταν «0» αρχίζει
η μετατροπή, όταν «1»
μετατρέπεται η τάση σε
ψηφιακή λέξη.
l Είσοδος RD.
l Ανάγνωση των
δεδομένων του
μετατροπέα.

l Το Ο.Κ διαθέτει εσωτερική
γεννήτρια ρολογιού, για να
την ενεργοποιήσουμε
συνδέουμε εξωτερικά μια
αντίσταση και έναν
πυκνωτή στις εισόδους
CLK R & CLK IN.
l F=1/(1,1*R*C).
l Αν θέλουμε να
συνδέσουμε εξωτερικό
ρολόι τότε το συνδέουμε
στο CLK IN.
l 100 KHz – 640 KHz.
l Max 1460

l Έξοδος INTR.
l Αντιστοιχεί στην EOC και
δηλώνει το τέλος της
μετατροπής, όταν πάρει τη
λογική τιμή «0».
l Το Ο.Κ διαθέτει
ξεχωριστές γειώσεις για τα
αναλογικά (pin 8) και για
τα ψηφιακά του
κυκλώματα (pin 10). Ο
λόγος είναι να
αποφεύγονται οι θόρυβοι
της ψηφιακής γείωσης
που επηρεάζουν τα
αναλογικά με αποτέλεσμα
μείωση των επιδόσεων.

l Είσοδος Vref/2.
l Αυτή η είσοδος
χρησιμοποιείται, όταν η
μέγιστη προς μετατροπή
τάση είναι μικρότερη από 5V.
l Όταν αυτός ο ακροδέκτης
δεν συνδέεται τότε η τάση
του είναι 2,5V.
l Π.Χ. εάν στην είσοδο αυτή
εφαρμόσουμε τάση 2V τότε η
μέγιστη προς μετατροπή
τάση θα είναι 4V.
l Το βήμα κβάντισης για τάση
εισόδου 5V θα είναι 5V/(28-
1)=19,6mV

μετατροπέων A/D.
l Διακριτική ικανότητα (resolution).
l Είναι ο αριθμός των bits που χρησιμοποιεί ο
μετατροπέας για να αναπαραστήσει ένα αναλογικό
σήμα.
l Όσο μεγαλύτερη είναι, τόσο μεγαλύτερος είναι ο
αριθμός των υποδιαιρέσεων της περιοχής της τάσης
λειτουργίας του και επομένως τόσο μικρότερο το βήμα
κβάντισης.
l Π.Χ μετατροπέας 8 bits – διακριτική ικανότητα 8 bits –
αριθμός υποδιαιρέσεων 256 (28) – βήμα κβάντισης για
4 V είναι 4V/255=15mV.

ΠΕ17.08

l Ακρίβεια (accuracy).
l Εννοούμε τη διαφορά της πραγματικής εξόδου από
την ιδανική.
l Η ακρίβεια καθορίζεται ως ένα ποσοστό της περιοχής
τάσης λειτουργίας (Full Scale Range – FSR) του
μετατροπέα.
l Π.Χ. μετατροπέας με περιοχή τάσης λειτουργίας από
0 – 10 V και ακρίβεια 0,2%, τότε το σφάλμα θα είναι
10V*0,2/100=20mV, δηλαδή για οποιαδήποτε τάση
εισόδου μπορεί να έχουμε ένα σφάλμα + - 20mV.

ΠΕ17.08

l Χρόνος μετατροπής (conversion time).
l Είναι ο χρόνος που απαιτείται για την ψηφιοποίηση
της αναλογικής τάσης.
l Αποτελεί μέτρο της ταχύτητας ενός μετατροπέα και
είναι συνήθως ανάλογος του αριθμού των bits.
l Ο χρόνος μεταξύ των διαδοχικών δειγμάτων της
εισόδου του θα πρέπει να είναι μεγαλύτερος από το
χρόνο μετατροπής. Δηλαδή η περίοδος της
συχνότητας δειγματοληψίας θα πρέπει να είναι
μεγαλύτερη από το χρόνο μετατροπής.

ΠΕ17.08

11.10 Εφαρμογές μετατροπέων
D/A & A/D
l Συστήματα ελέγχου (control systems).
l Στα συστήματα αυτά το ψηφιακό σύστημα παίρνει
πληροφορίες από το σύστημα το οποίο ελέγχει
μετρώντας κάποιες παραμέτρους (θερμοκρασία,
πίεση, κατάσταση κ.λ.π) οι οποίες ψηφιοποιούνται
μέσω A/D.
l Στην συνέχεια τα ψηφιακά δεδομένα τα
επεξεργαζόμαστε με υπολογιστικά συστήματα
χρησιμοποιώντας κατάλληλα για την εφαρμογή
προγράμματα.
ΠΕ17.08

D/A & A/D
l Το ψηφιακό σύστημα ανάλογα με της μετρήσεις και το
πρόγραμμα λειτουργίας επεμβαίνει στο σύστημα
μέσω ενός D/A ρυθμίζοντας κάποιες παραμέτρους.
l Με βάση αυτές τις αρχές λειτουργούν από τα πιο
απλά έως τα πιο σύνθετα συστήματα.
l ABS : μέσω αισθητήρων μετράμε την ταχύτητα
περιστροφής των τροχών, πορεία του αυτοκινήτου. Σε
περίπτωση φρεναρίσματος ρυθμίζει αυτόματα το
φρενάρισμα σε κάθε τροχό ώστε το όχημα να μην
σταματήσει και να παραμείνει στην πορεία του.
ΠΕ17.08

D/A & A/D
l Συστήματα συλλογής δεδομένων (data
acquisition systems).
l Στα συστήματα αυτά συλλέγουμε μετρήσεις
από κάποιες παραμέτρους τοπικά (σεισμική
δραστηριότητα, ταχύτητα ανέμου κ.λ.π),
ψηφιοποιούνται με A/D, επεξεργάζονται και
αποθηκεύονται σε ένα υπολογιστικό σύστημα,
είτε μεταδίδονται σε κεντρικά συστήματα.

ΠΕ17.08

D/A & A/D
l Συστήματα μετρήσεων.
l Σε οποιοδήποτε είδους εργαστηρίου σήμερα
συναντάμε συστήματα ψηφιακών
εργαστηριακών μετρήσεων.
l Ψηφιακούς παλμογράφους, πολύμετρα,
αξονική – μαγνητική τομογραφία,
υπερηχογραφήματα, ανάλυσης αίματος, κ.λ.π.
l Υψηλές επιδόσεις – μικρό κόστος.
ΠΕ17.08

D/A & A/D
l Συστήματα επικοινωνίας.
l Τα ψηφιακά συστήματα επικοινωνιών έχουν
επικρατήσει λόγω αξιοπιστίας στην ψηφιακή
μετάδοση και λήψη πληροφοριών.
l Επειδή έχουν μόνο δύο στάθμες, 0,1
επηρεάζονται λιγότερο από θορύβους.
l Τηλεφωνία σταθερή και κινητή, σύνδεση Η/Υ
με modem, ψηφιακή TV, κ.λ.π.
ΠΕ17.08

D/A & A/D
l Συστήματα πολυμέσων.
l Εγγραφή και αναπαραγωγή :
l Ήχου, εικόνας, φωτογραφίας, κυκλώματα
οδήγησης οθονών Η/Υ κ.λ.π.

ΠΕ17.08

Συστήματα Ψηφιακών Ηλεκτρονικών Θεωρία ΚΕΦ 11

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Viewers also liked

Viewers also liked (20)

Similar to Συστήματα Ψηφιακών Ηλεκτρονικών Θεωρία ΚΕΦ 11

Similar to Συστήματα Ψηφιακών Ηλεκτρονικών Θεωρία ΚΕΦ 11 (20)

More from Theodoros Leftheroudis

More from Theodoros Leftheroudis (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (13)

Συστήματα Ψηφιακών Ηλεκτρονικών Θεωρία ΚΕΦ 11