Κυκλώματα μετατροπέων Α/D

Η καρδιά του κυκλώματος είναι ο καταχωρητής διαδοχικών προσεγγίσεων (Successive Approximation Register - SAR) ο οποίος λειτουργεί ως εξής: Στην αρχή του κύκλου μετατροπής, με τον πρώτο παλμό του ρολογιού λειτουργίας, ο SAR θέτει το περισσότερο σημαντικό bit στην λογική τιμή ″1″ και ενημερώνει τον μετατροπέα D/Α με το περιεχόμενό του. Στη συνέχεια ο SAR περιμένει σήμα από το συγκριτή, ο οποίος συγκρίνει την έξοδο του μετατροπέα D/A Vα′ με το σήμα εισόδου Vα.  Ο συγκριτής είναι ένας ΤΕ χωρίς ανάδραση, ο οποίος παίρνει τη λογική τιμή ″1″, αν Vα≥Vα′, διαφορετικά παίρνει τη λογική τιμή ″0″. Αν η έξοδος του συγκριτή είναι ″1″, τότε αυτό σημαίνει ότι η έξοδος του D/Α μετατροπέα είναι μικρότερη από την τάση εισόδου και ο SAR κρατάει το περισσότερο σημαντικό bit σε λογική κατάσταση ″1″. Αν η έξοδος του συγκριτή είναι ″0″, τότε αυτό σημαίνει ότι η έξοδος του D/A μετατροπέα είναι μεγαλύτερη από την τάση εισόδου και ο SAR μηδενίζει το πιο σημαντικό bit. Με τον επόμενο παλμό του ρολογιού λειτουργίας, ο SAR θα εξετάσει το επόμενο (δεύτερο) πιο σημαντικό bit. Θα το κρατήσει σε λογική κατάσταση ″1″ ή θα το μηδενίσει ανάλογα με την έξοδο του συγκριτή. Έτσι ο SAR θα εξετάζει το ένα μετά το άλλο όλα τα bits προχωρώντας προς το LSB. Κρατάει ένα bit σε λογική κατάσταση ″1″, αν η έξοδος του D/Α μετατροπέα είναι μικρότερη από την τάση εισόδου και το μηδενίζει αν η έξοδος του D/Α μετατροπέα είναι μεγαλύτερη από την τάση εισόδου. Για την εξέταση του κάθε bit χρειάζεται και ένας παλμός του ρολογιού λειτουργίας. Όταν έχουν εξεταστεί όλα τα bits, τότε η έξοδος EOC δηλώνει το τέλος της μετατροπής. Το σήμα EOC δηλώνει ότι στις παράλληλες γραμμές εξόδου υπάρχει μια έγκυρη δυαδική λέξη που αντιπροσωπεύει το μέγεθος του αναλογικού σήματος εισόδου. Αν η έξοδος EOC συνδεθεί με την είσοδο ελέγχου SOC έναρξης της δειγματοληψίας, τότε ο μετατροπέας θα δουλεύει συνεχώς. Διαφορετικά στην είσοδο SOC συνδέουμε το κύκλωμα παραγωγής της συχνότητας δειγματοληψίας με την οποία θέλουμε να δειγματοληπτήσουμε το αναλογικό σήμα.

Ο Μετατροπέας A/D διαδοχικών προσεγγίσεων των 8 bits ADC0801 κατασκευάζεται από την εταιρεία National Semiconductors.

Οι ακροδέκτες Vin(+) και Vin(-) χρησιμοποιούνται για τη σύνδεση του αναλογικού σήματος. Στην απλούστερη χρήση του η αναλογική τάση εισόδου που πρόκειται να μετατρέψουμε συνδέεται στον ακροδέκτη Vin(+), ενώ ο ακροδέκτης Vin(-) συνδέεται στην αναλογική γη (ακροδέκτης 8). Όταν η τάση τροφοδοσίας Vcc του Ο.Κ. είναι 5 V τότε η αναλογική είσοδος μπορεί να μεταβάλλεται από 0 έως 5V.

Είσοδος επιλογής CS. Η ενεργοποίηση γίνεται με λογική τιμή ″0″. Όταν αυτή η είσοδος είναι ″1″ τότε ο μετατροπέας A/D συμπεριφέρεται σαν να έχει αποσυνδεθεί ηλεκτρικά από οποιοδήποτε κύκλωμα και οι έξοδοι των δεδομένων βρίσκονται σε κατάσταση υψηλής σύνθετης αντίστασης (Ηi-Ζ).

Τα ψηφιακά δεδομένα της μετατροπής εμφανίζονται στους ακροδέκτες 11 (D7 MSB) έως 18 (D0 LSB). Αυτές είναι έξοδοι υψηλής σύνθετης αντίστασης έτσι ώστε ο μετατροπέας A/D να μπορεί να συνδεθεί σε διαύλους  δεδομένων υπολογιστικών συστημάτων.

Είσοδος WR. Η είσοδος αυτή αντιστοιχεί στην είσοδο SC έναρξης της μετατροπής. Όταν επιλεγεί ο μετατροπέας A/D (CS =″0″) και WR= ″0″ τότε αρχίζει η διαδικασία και στην συνέχεια όταν γίνει WR= ″1″ μετατρέπεται η αναλογική τάση εισόδου στην ισοδύναμη (από τη μετατροπή) ψηφιακή λέξη.

Είσοδος RD. Η είσοδος αυτή χρησιμοποιείται για την ανάγνωση (Read) των δεδομένων από τον μετατροπέα A/D. Όταν επιλεγεί ο μετατροπέας A/D (CS =″0″) και RD=″0″, τότε οι έξοδοι των δεδομένων παύουν να βρίσκονται σε κατάσταση υψηλής αντίστασης και εμφανίζουν το αποτέλεσμα της μετατροπής.

Το Ο.Κ. διαθέτει εσωτερική γεννήτρια για το ρολόι λειτουργίας του. Για να το ενεργοποιήσουμε συνδέουμε εξωτερικά μία αντίσταση και έναν πυκνωτή στις εισόδους CLK R και CLK IN. Οι τιμές τους καθορίζουν τη συχνότητα λειτουργίας ως f =1/(1.1RC). Αν θέλουμε να συνδέσουμε εξωτερικά μία γεννήτρια, τη συνδέουμε στην είσοδο CLK IN. Οι συχνότητες λειτουργίας μπορούν να είναι από 100 KHz έως 640 ΚΗz.

Έξοδος INTR. Αυτή η έξοδος αντιστοιχεί στην EOC και δηλώνει το τέλος της μετατροπής, όταν πάρει τη λογική τιμή ″0″.

Το Ο.Κ. διαθέτει ξεχωριστές γειώσεις για τα αναλογικά του κυκλώματα (ακροδέκτης 8) και για τα ψηφιακά του κυκλώματα (ακροδέκτης 10). Ο λόγος ύπαρξής τους είναι να αποφεύγεται οι θόρυβοι της ψηφιακής γείωσης να επηρεάζουν τη λειτουργία των αναλογικών τμημάτων, με αποτέλεσμα μείωση των επιδόσεων του Ο.Κ.

Είσοδος Vref/2: Αυτή η είσοδος χρησιμοποιείται, όταν η μέγιστη προς μετατροπή τάση είναι μικρότερη από 5 V. Όταν αυτός ο ακροδέκτης δεν συνδέεται (ανοικτός), τότε η τάση του είναι 2.5 V. Εφαρμόζοντας εξωτερικά μία συνεχή τάση, η εσωτερική τάση αναφοράς γίνεται το διπλάσιο αυτής της τιμής και αυτή θα είναι και η μέγιστη τιμή της τάσης εισόδου. Αν για παράδειγμα στην είσοδο Vref/2 συνδέσουμε μια τάση 2 V, τότε η μέγιστη προς μετατροπή τάση θα είναι 4 V.

Το βήμα κβάντισης του ADC0801 για μέγιστη τάση εισόδου 5 V θα είναι 5V/(2⁸-1) = 19.6mV.