7 CAN-uri cu reacție comparare în tensiune

Transcription

1 7 CAN-uri cu reacție comparare în tensiune 7.1 Suport teoretic Funcționare unipolară Numărul binar unipolar din Figura 7. poate fi exprimat ori fracționar, compus din biții ai, cu i=1 n, a1=msb an=lsb: Ori, ca și întreg, compus din biții b j, cu j=0 n-1, b n-1=msb b 0=LSB: Unde: b n-i = a i i=1...n. n A [0...1) i { A} 0. a1... a( n 1) an ai 2 ; (7.1) n 1 j0 i1 n N [0...2 ) j { N} bn 1... b1b 0 bj 2 ; (7.2) { N} 2 n { A} (7.3) Rezistența echivalentă între pinul V ref și GND este R; curentul prin pinul V ref este: V ref Iref (7.4) Rech În Figura 7., CNA-ul CMOS cu etaj de ieșire amplificator operațional generează o tensiune de comparare: R f Vcmp I out1 R f V ref { A} Rech ( 7.5 ) V { A} V { N} V V FS LSB cmp, Vin FS LSB [0... V ) ( 7.6 ) VFS ( 7.7 ) n 2 R f V in I out1 I ref OA - + DAC + - V ref V cmp I out2 a 1 a 2... a n {A} C V bit Command Logic Circuit f CK Figura 7.1. CAN cu reacție, comparare în tensiune (exemplu). Circuitul logicii de comandă implementează un algoritm de căutare în mai mulți pași, pentru a găsi cea mai bună reprezentare digitală a valorii instantanee a lui V in, un număr care, convertit înapoi în domeniul analogic, generează o tensiune de comparare apropiată de Vin (diferență de mai puțin de 1VLSB). La sfârșitul conversiei: 1

2 Bazele Sistemelor de Achiziții de Date Lucrări de laborator V cmp, final V cmp V V in FS 1V { A} LSB final V LSB { N} final V in ( 7.8 ) Algoritmul de căutare definește comportamentul logicii de comandă CAN cu numărare În Figura 7.1, logica de comandă este un numărător ireversibil. Figura 7.2 explică comportamentul CAN-ului. Linia subțire este reprezentată de V in, linia groasă relevă V cmp și {A}. Accesași rezoluție grafică reprezintă V LSB, pentru tensiuni, respectiv 1LSB, pentru numărul {A}. Înainte de începerea conversiei, numărătorul este resetat. În pasul N=0, CAN-ul generează Vcmp,0=0. La sfârșitul pasului 0 (t=tck): in T V 0 V 1 V ( 7.9 ) CK cmp, 0 bit Numărătorul este Enable, deci fiecare front crescător al clock-ului duce la incrementarea conținutului cu 1LSB, deci Vcmp creşte cu VLSB. Numărătorul este Disable și conversia se termină în perioada de ceas N, când: V in ( N 1) TCK Vcmp, { N} V LSB { A} V FS V 0 {N} final este conținutul actual al numărătorului și este rezultatul final al conversiei analog-numerice, proporțional cu Vin la sfârșitul conversiei. Vbit poate fi folosit ca și EOC (End Of Conversion), pentru a valida {N}final. V N ( N 1) T in CK { N} final ( 7.11 ) VLSB bit 2 R f V in I out1 I ref V ref OA - + DAC + - V cmp I out2 a 1 a 2... A n {A} C V bit Reset Up Counter fck R CE ck Figura 7.1. CAN cu numărare, comparare în tensiune (exemplu). {A},Vin,Vcmp VFS TCK tact Vbit VLSB tc1 {A}final,1 {A}final,2 ( 7.10 ) Figura 7.2 Comportarea unui CAN cu numărare pe 4 biți. Comparare în tensiune. tc2 t t t

3 CAN cu reacție Vin ( N 1) TCK { A} final ( 7.12 ) VFS Schema de principiu este simplă, dar timpul de conversie este mare și variabil cu Vin. În cazul cel mai defavorabil (V in=v FS): t 2 T n c, max CK ( 7.13 ) CAN cu urmărire (Delta) In Figura 7.3, numărătorul este reversibil, A n cu pini separați pentru Count Up şi Count + - Down. Când Vin>Vcmp, CU este enable și... I ref numărătorul incrementează conținutul la V ref {A} fiecare front crescător al semnalului de ceas, respectiv când CD este enable, numărătorul decrementează la fiecare front al semnalului de ceas. Astfel, V cmp tinde să urmărească V in, în pași de ±V LSB, la fiecare perioadă de ceas. Circuitul generează o nouă valoare numerică corectă la fiecare perioadă de ceas, atâta timp cât tensiunea de intrare nu se modifică mai rapid decât maximumul variației lui: dv dt in dv dt cmp max V T LSB Dacă panta lui Vin depășește limita sugerată în ( 7.14 ), Vcmp nu mai poate să o urmărească, iar valorile digitale nu mai sunt precise, până când semnalul este prins din nou. Numărătorul reversibil funcționează ca și un integrator. Controlat de semnalul V bit, adună sau scade o cantitate infimă (delta = 1LSB) la valoarea acumulată înainte. Din CK ( 7.14 ) 3 R f V in I out1 OA - + DAC V cmp I out2 a 1 a C V bit Up/Down Counter fck CD CU ck Figura 7.3. CAN cu urmărire, comparare în tensiune. {A},Vin,Vcmp VFS TCK tact Vbit VLSB tc1 {A}final,i tc2 t Figura 7.4. Comportarea unui CAN cu urmărire pe 4 biți. Comparare în tensiune.... t t

4 Bazele Sistemelor de Achiziții de Date Lucrări de laborator acest motiv, circuitul poate fi de asemenea denumit CAN Delta. Semnalele Vbit și fck pot fi trimise mai departe la alt circuit, care poate duplica structura locală a logicii de comandă. Funcționând în mod sincron, numărătoarele (local și cel de la distanță) vor avea totdeauna același conținut. V bit este reprezentarea modulată-delta în raport cu semnalul V in. 4

5 CAN cu reacție CAN cu Registru de Aproximări Succesive Este cel mai folosit tip de CAN cu reacție. Logica de comandă este acum un Registru de Aproximări Succesive (SAR), (ca în Figura 7.5) ceea ce ii conferă și numele acestui convertor. V cmp (și numărul {A}) caută valoarea lui V in folosind un algoritm de înjumătățire: în fiecare pas de conversie, RAS-ul generează un rezultat parțial {A}, care aproximează din ce în ce mai bine rezultatul final {A}final. Figura 7.6 relevă comportamentul de principiu al unui CAN cu RAS pe 4 biți. Se pornește de la două asumpțiuni: - V in aparține domeniului său de definiție (domeniul de căutare inițial): V 0... V ) ( 7.15 ) in [ FS - V in este considerat constant de-a lungul fiecărui pas de conversie: V in( c t) cst t [0... t ] ( 7.16 ) În Figura 7.6, asumpțiunea ( 7.16 ) nu este respectată în mod intenționat. Pentru a finaliza conversia binară pe n-biți, va fi nevoie doar de n pași (perioade de ceas), câte un bit pentru fiecare pas de conversie, începând cu MSB. În primul pas, toți biții numărului {A} sunt setați la 0, doar MSB are valoarea 1. Aceasta va genera Vcmp=VFS/2, împărțind în două intervalul de căutare inițial. La sfârșitul primului pas, MSB rămâne la valoarea 1 dacă Vbit = 1, altfel este setat la 0. Următorul bit este setat la valoarea 1, deci intervalul de căutare este înjumătățit de 5 R f V in I out1 I ref V ref OA - + DAC + - V cmp I out2 a 1 a 2... A n {A} C V bit SAR fck ck Figura 7.5. CAN cu RAS exemplu. Comparare în tensiune. {A},Vin,Vcmp VFS TCK VLSB tact Vbit tc1 tc2 {A}final,k tc3 tc4 Figura 7.6. Comportarea unui CAN cu RAS pe 4 biți. Comparare în tensiune. t t t

6 Bazele Sistemelor de Achiziții de Date Lucrări de laborator valoarea corespunzătoare a lui Vcmp. La sfârșitul fiecărui pas, bitul curent ia Reset Vbit= Vbit= valoarea lui V bit, biții următori devin 1 și toți ceilalți rămân nemodificați, ca în diagrama de stare din Figura 7.7. Tranzițiile îngroșate corespund primei conversii relevate în Figura 7.6. Variabilele de stare (adică sunt folosite și ca semnale de ieșire) sunt biții numărului {A}. Timpul de conversie este constant, o conversie pe n-biți durează n perioade de ceas: t 0010 n ( 7.17 ) c T CK O stare adițională poate fi adăugată pentru a furniza rezultatul final al conversiei. CAN-ul cu RAS are nevoie de un circuit Sample and Hold, pentru a menține tensiunea de intrare constantă de-a lungul întregii conversii, așa cum este amintit de asumpțiunea ( 7.16 ). În cea de-a treia conversie din Figura 7.6, asumpțiunea ( 7.16 ) nu este respectată, deci: - de-a lungul primului pas de conversie, Vin este în jumătatea superioară a domeniului de definiție, MSB are valoarea a1=1, rezultatul final fiind {A} final 1/2. - De-a lungul următorilor pași, Vin este căutat în sub-domeniul [VFS /2... VFS ) (sau în alte sub-domenii ale acestuia) Vbit=0 Vbit=1 Vbit=0 Vbit= Vbit=0 Vbit=1 Vbit=0 Vbit=1 Vbit=0 Vbit=1 Vbit=0 Vbit=1 Figura 7.7. Diagrama de stare a unui RAS pe 4 biți

7 CAN cu reacție - În timpul conversiei, Vin scade sub VFS/2. - Rezultatul final, {A}final =1/2 nu reflectă valoarea lui Vin avută la începutul conversiei, nici pe cea avută la sfârșitul acesteia. Dacă se adaugă un circuit Sample and Hold, semnalul V in este eșantionat înainte de începerea conversiei. Atunci rezultatul final reprezintă valoarea lui V in la momentul eșantionării. 7

8 Bazele Sistemelor de Achiziții de Date Lucrări de laborator Funcționare bipolară OA2 din Figura 7.8 este o oglindă de curent, deci: I I I I (7.18) 2 1 out2 f I out1 I 2 I out1 I out2 I I ref 2 { A} U 1 I ref { A'} BO ' 2 { A} 1 R V BO U Vcmp este generată de un CNA bipolar pe n-biți în cod Binar Deplasat. Circuitul global din Figura 7.8 este un CAN bipolar pe n-biți în cod Binar Deplasat. ref { A} A (7.20) f cmp FS Vref Rech (7.21) I f ref f ref A' BO I R V (7.22) V ' V V (7.23) FS V ref in ', 1;1 A BO final (7.24) VFS in cmp V, V V ; V (7.25) FS Vin n1 n1 ' 2 ; FS BO, final 2 V ' LSB N (7.26) n N ' BO 2 1 A' BO Deoarece codul Binar Deplasat folosește aceleași combinații binare, în aceeași ordine (de la valoarea minimă la valoarea maximă) ca și Codul Unipolar, Circuitul de logică și comandă este identic cu cel din cazul funcționării unipolare, pentru toate cele 3 cazuri amintite mai sus (numărare, urmărire, RAS). Dacă este nevoie de rezultatul final în cod Complement fată de 2, MSB-ul 8 U (7.27) 2VFS V ' LSB 2V n LSB (7.28) 2 { A} R f I f U V in I out1 I ref OA DAC + - V ref V cmp I out2 a 1 a 2... a n {A} C R 2 + OA2 - R V2 1 I 1 V bit I 2 (7.19) Command Logic Circuit f CK Figura 7.8. CNA cu reacție bipolar în cod binar deplasat, comparare în tensiune

9 CAN cu reacție numărului {A }BO trebuie complementat. 9

10 Bazele Sistemelor de Achiziții de Date Lucrări de laborator 7.2 Rezultate experimentale și măsurători CNA-ul CMOS AD7524 este folosit pe placheta experimentală. Are o structură similară cu cea a lui AD7520, cu excepția: - Are o rezoluție doar de 8 biți. - Pentru o eventuală compatibilitate cu busul de date al unui microprocesor are prevăzute buffere. Dacă nu sunt folosite, pinii ChipSelect și Write trebuie conectați la GND Funcționare unipolară Figura 7.9 relevă schema electrică a plachetei experimentale. Se observă că J3 are prevăzut un jumper pe pinii 2-3, pentru a conecta Out 2 pentru U2 la GND, și J4 are prevăzut un jumper pe pinii 1-2, pentru a separa U1A. Similar, J5 are prevăzut un jumper pe pinii 2-3, pentru a conecta Out 2 pentru U4 la GND, și J6 are prevăzut un jumper pe pinii 1-2, pentru a separa U1C. Astfel, ambele U2 și U1B, respectiv U4 și U1D funcționează ca CNA-uri unipolare. J10 VEE -5.0V SnH Vin W2 => VEE -5.0V Vin <= W2 <=DIO8 EOC DIO9=> Cmp SnH <=DIO10 <=DIO11 Stb R5 10kΩ 3 Analog Discovery Waveform Generator IN VREG OUT 5 1 J V 2 J2-3V 3 EN FB 4 U7 GND R8 TPS kΩ VDD VREG 5.0V 1 IN OUT 5 2.7V 3 EN C11 C13 U8 GND TPS79927DDC 2.2µF 10nF Analog Discovery Pattern Gen. and Logic Analyzer VDD 5.0V W1 =>Vref DIO0 DIO1 DIO2 DIO3 DIO4 DIO5 DIO6 DIO7 5 AD8592ARM 1 U6A D1 SnH C10 1nF 7 BZX384-C3V3 R6 10kΩ R7 C12 C14 33kΩ 2.2µF 10nF -3V DIO0 DIO1 DIO2 DIO3 DIO4 DIO5 DIO6 DIO7 D0 Vref /CS /WR D1 D2 AD DIO0 3 DIO1 4 DIO2 5 DIO3 6 DIO4 7 DIO5 8 DIO6 9 DIO Stb DIO11=> Vref W1 => (Analog Discovery Waveform Generator) V D3 D4 AD7524 D5 VDD 5.0V Figura 7.9 CAN cu reacție, funcționare unipolară schema electrică a plachetei experimentale D6 VDD D7 GND U3 74F574DW 1D 2D 3D 4D 5D 6D 7D 8D ~OC CLK VDD U6B 5.0V 9 1Q 2Q 3Q 4Q 5Q 6Q 7Q 8Q VSH D RFB Vref /CS /WR U2 D1 10 Out1 Out2 AD7524 J8 D2 9 C1 D3 8 D4 7 AD7524 C3 2.2µF 10nF 10nF 10nF 10nF 10nF VBo D5 6 VDD 5.0V J4 VSS 0.0V D6 5 VDD 14 C J3 D7 4 GND 3 C7 U1B 7 U1A 3 2 RFB 16 U Out1 Out2 C8 C17 10pF 1 2 C9 VDD 5.0V 1 VEE -5.0V AD8561AR 3 R2 10kΩ R1 10kΩ VDD 5.0V 2 VEE -5.0V 12 J5 VEE -5.0V C16 10pF VC+ AD8567ARUZ 5 C15 10pF VB-6 J7 VA+ VAo VA- J6 VD-13 VC- C C4 2.2µF 10nF 10nF U5 Cmp Vref VDo U1D Cmp => DIO9 R4 10kΩ U1C 8 C18 R3 C6 J9 10pF 10kΩ

11 CAN cu reacție U5, U2 și U1B formează un circuit echivalent cu cel din Figura 7., cu: - Vref = W1, canalul 1 al AWG-ului Analog Discovery. - Vin = W2, canalul 2 al AWG-ului Analog Discovery. Vin trece prin circuitul Sample-And-Hold (U6 și elementele periferice) și generează VSH pentru CAN-ul cu reacție. - Circuitul de logică și comandă este inclus în generatorul Patterns al Analog Discovery, prin ROM Logic. Astfel: o Cmp = DIO9; intrarea comparatorului U5. o Data bits = DIO7 (MSB) DIO0 (LSB); ieșire pentru U2. o SnH = DIO10, comanda Sample/Hold; ieșirea pentru U6. o Stb = DIO11, pune în buffer rezultatul conversiei; ieșire pentru U3. o EoC = DIO8, End of Conversion; ieşire. Adițional față de circuitul din Figura 7., placheta experimentală include: - Etajul Sample and Hold, U6 și elementele periferice. - Buferul pentru rezultatele finale ale conversiilor, U3. - CNA-ul și circuitele adiționale pentru reconstrucția semnalului achiziționat, U4, U1D, U1C. Se observă că C15, C16, C17 și C18, sunt adăugate pentru a compensa U1B, U1A, U1D și U1C. Ele reduc fenomenele de ringing pentru amplificatoarele rapide AD8567. Figura 7.10 relevă placheta experimentală pregătită cu jumpere și sonde de osciloscop pentru experimentul unipolar. Se observă că aceeași plachetă este folosită și pentru alte experimente CAN cu numărare Pe placheta experimentală: - Plasați jumpere pe: o J3 = 2-3 I out2 la GND. o J4 = 1-2 deconect. U1A. o J5 = 2-3 Iout2 la GND. o J6 = 1-2 deconect. U1C. 11 Figura 7.10 Placheta experimentală CAN cu reacție

12 Bazele Sistemelor de Achiziții de Date Lucrări de laborator - Plasați sondele osciloscopului: o Channel 1 la J10-2 = W1 = Vin o Channel 2 la J8-2 = VBo = Vcmp Sondele vor fi repoziționate în timpul experimentelor, pentru a monitoriza diferite semnale. În WaveForms, deschideţi workspace-ul FeedbackADC_Sinus. Are toate instrumentele pregătite pentru începerea experimentului: - Supplies: ambele surse +/-V activate. - Wavegen: o W1= DC, Offset: -2V (constantă, tensiune negativă) pentru Vref. o W2=Sinus, Frequency: 1kHz, Amplitude: 0.9V, Offset: 1V, Symmetry: 50%, Phase: 0 o. - Patterns1: o ROM Logic; Mașină de stare pentru Counter ADC; frecvență de 1MHz. Intrări: Cmp (DIO9) Biți de stare/ieșiri: EOC (DIO8) = End Of Conversion s7 s0 (DIO7 DIO0) = rezultate intermediare ale conversiei. o ROM Logic pentru generarea SnH; frecvență de 2MHz. Intrări: EOC (DIO8) Ieșiri: SnH (DIO10) = Comanda Sample/Hold pentru circuitul SH. Versiunea întârziată cu 0.5μs față de EOC. o ROM Logic pentru generarea semnalului Stb; frecvență de 2MHz. Intrări: EOC (DIO8) Ieșiri: Stb (DIO10) = Comanda Strobe pentru rezultatul final din buffer. Versiunea întârziată cu 0.5μs față de EOC. - StaticIO: setaţi SnH (DIO10) Open-Source Switch = 1, pentru a suprascrie semnalul SnH generat de ROM logic, și forțați VSH să urmărească semnalul Vin. ( Z ar permite comportament normal al ROM logic aferent pentru SnH). - Scope: o AddChannel/Digital/Signal: Stb=DIO11, SnH=DIO10, Cmp=DIO9 o AddChannel/Digital/Bus DIO7 DIO0. Extindeți busul în fereastra digitală, pentru a vedea reprezentarea grafică a valorilor busului. o Time: 500μs/div, Ch1, Ch2 Range: 500mV/div. - Spectrum: ChannelOptions/both channels: Offset: 0V, Range: 5V. 12

13 CAN cu reacție Figura 7.11 Experiment pentru CAN unipolar cu numărare. Patterns2 și Patterns3 vor fi folosite în experimentările ulterioare. Rulați Supplies, Wavegen1, Patterns1, Static IO, şi Scope. Observaţi Scope, ca în Figura 7.11: - În fereastra domeniul timp (analogic): o Vin este scalat pentru aproape tot domeniul de definiție (0.1V 1.9V) o VBo = Vcmp pornește de la zero la fiecare conversie și creste la Vin, cu o pantă constantă VLSB/Tck. - În fereastra domeniul timp (digital): o Biții individuali Cmp, EOC, Stb și busul. Observați reprezentarea grafică a valorilor busului, similar cu V cmp. Sarcina 1. Modificați baza de timp a osciloscopului pentru a detalia momentele End Of Conversion. Folosiți cursoarele pentru a citi V in, V cmp și 13

14 Bazele Sistemelor de Achiziții de Date Lucrări de laborator Figura 7.12 CAN unipolar cu numărare Semnal reconstruit. {N} la începutul fiecărui puls EOC. Verificați ecuația ( 7.11 ). Repetați pentru 3 conversii succesive. Sarcina 2. Identificați începutul și sfârșitul conversiei de mai sus. Folosiți cursoarele pentru a citi timpul de conversie, tc. Verificați dacă tc este proporțional cu Vin și {N}. Scrieți ecuația de calcul a lui tc. Modificați poziția sondei de osciloscop aferentă canalului 2 pe J9-3, pentru a observa semnalul reconstruit cu interpolare de grad 0, VDo, ca în Figura Identificați începutul și sfârșitul fiecărei conversii. Rulați Spectrum Analyzer ca în Figura Măsurați pe Channel 2 THD, ENOB și SNR (View/Measure/Add/Trace2/). Observați: 14

15 CAN cu reacție - frecvența de eșantionare este mai mare decât cea necesară conform Teoremei lui Nyquist, dar totuși prea mică pentru o achiziție de calitate; observați valorile pentru THD, ENOB, SNR. - Eșantionarea neuniformă generează mai multe componente spectrale pentru semnalul VDo CAN cu urmărire - Patterns2 (WaveForms permite mai multe instanțe ale aceluiași instrument, dar doar una poate rula la un anumit moment de timp): o ROM Logic; Automat de stare pentru CAN cu urmărire; frecvență de ceas de 1MHz. Intrări: Cmp (DIO9). Biți de stare/ieșiri: EOC (DIO8) = End Of Conversion = activ permanent. s7 s0 (DIO7 DIO0) = rezultate intermediare ale conversiei. o ROM Logic pentru generarea semnalului SnH; frecvenţă de ceas de 2MHz. Intrări: EOC (DIO8). Figura 7.13 CAN cu numărare unipolar spectrul semnalului reconstruit 15

16 Bazele Sistemelor de Achiziții de Date Lucrări de laborator Ieșiri: SnH (DIO10) = Comanda Sample/Hold pentru circuitul de SH. Activ permanent, pentru eșantionare continuă (fără Hold) o Frecvența de ceas pentru generarea semnalului Stb: 2MHz. Generează pulsuri pentru reîmprospătarea continuă a buffer-ului de ieșire. Figura 7.14 Experiment CAN unipolar cu urmărire. 16

17 CAN cu reacție Figura 7.15 CAN unipolar cu urmărire spectrul semnalului reconstruit Rulați Supplies, Wavegen1, Patterns2, Static IO, și Scope. Pentru comparare, Vin și frecvența de ceas a CAN-ului sunt aceleași ca în experimentul anterior. Observați Scope, ca în Figura 7.14: - VDo (semnalul reconstruit) este identic cu VBo=V cmp. - VDo seamănă cu V in. Spectrul și măsurătorile din Figura 7.15 relevă o calitate a achiziției superioare în raport cu cea a CAN-ului cu numărare. - Dublând frecvența lui V in relevă limitările CAN-ului cu urmărire, ca în Figura 7.16: V in se modifică mai rapid ( 7.14 ), deci V cmp nu poate efectiv Figura 7.16 CAN unipolar cu urmărire Semnal reconstruit cu frecvența de 2kHz 17

18 Bazele Sistemelor de Achiziții de Date Lucrări de laborator sa-l urmărească. Din cauza condiției ( 7.14 ), performanțele CAN-ului cu urmărire sunt asemănătoare cu cele ale CAN-ului cu numărare CAN cu Registru de Aproximări Succesive - Wavegen: frecvență de 1kHz pentru V in pentru asigurarea acelorași condiții. - Patterns3: o ROM Logic; Automat de stare pentru CAN cu RAS cu frecvența de 1MHz. Intrări: Cmp (DIO9) Biți de stare/ieșiri: EOC (DIO8) = End Of Conversion. s7 s0 (DIO7 DIO0) = rezultate intermediare ale conversiei. o ROM Logic pentru generarea semnalului SnH cu frecvența de 2MHz. Intrări: EOC (DIO8) Ieșiri: SnH (DIO10) = Comanda Sample/Hold pentru circuitul SH. Versiunea întârziată cu 0.5μs a semnalului EOC. o ROM Logic pentru generarea semnalului Stb cu frecvența de 2MHz. Intrări: EOC (DIO8) Ieșiri: Stb (DIO11) = Comanda Strobe pentru rezultatul final din buffer. Versiunea întârziată cu 0.5μs a semnalului EOC. - StaticIO: setați SnH (DIO10) Open-Source Switch = 1, pentru a suprascrie semnalul SnH generat de ROM logic, și forțați VSH să urmărească permanent semnalul V in. ( Z ar permite un comportament normal pentru normal ROM logic al semnalului SnH). Rulați Supplies, Wavegen1, Patterns3, Static IO, și Scope. V in și frecvența de ceas a CAN-ului sunt aceleași din experimentul anterior. Observaţi Scope, ca în Figura Folosiți o bază de timp convenabilă (2μs/div) pentru a analiza pașii dintr-o conversie analog-numerică. Observați: - O nouă conversie începe întotdeauna cu Vcmp = ½VFS = 1V. - Al doilea pas de conversie aduce Vcmp ori la valoarea ¼VFS = 0.5V ori la ¾V FS = 1.5V pentru a înjumătății jumătatea inferioară sau superioară a domeniului de definiție a semnalului V in. - Următorii pași înjumătățesc succesiv subdomenii ale lui, pentru a se ajunge în final la un domeniu egal cu V LSB. 18

19 CAN cu reacție Figura 7.17 Experiment CAN unipolar cu RAS - Excursia maximă a semnalului Vcmp are loc în primul pas: de la vechiul rezultat al conversiei la ½V FS. Cele mai defavorabile cazuri sunt de la 0 la ½V FS sau de la V FS la ½V FS. Viteza excursiei lui V cmp este limitată de Slew Rate-ul amplificatorului U1B. Frecvența de ceas ar trebui să fie îndeajuns de mică pentru ca această excursie să se finalizeze într-o perioadă a semnalului de ceas (pas de conversie). - O nouă conversie începe supă 9 perioade de ceas: 8 pentru conversie, cea de-a noua (EOC) pentru a memora rezultatul (Stb front crescător). - Algoritmul de căutare a RAS-ului: o Bit după bit biții 7 0 ai magistrale, în fereastra digitală. o Numărul {N} hexazecimal și grafic, în fereastra digitală. o Vcmp în fereastra analogică. Sarcina 3. Calculați frecvența de eșantionare. 19

20 Bazele Sistemelor de Achiziții de Date Lucrări de laborator Figura 7.19 CAN unipolar cu RAS V in şi V cmp Setați Time Base la 200μs/div, pentru a compara rata de eșantionare din Figura 7.19 cu cea a CAN-ului cu numărare (cu aceeași frecvență de ceas), din Figura Mutați sonda aferentă canalului 2 pentru a monitoriza semnalul reconstruit VDo, ca în Figure Comparați cu cea CAN-ului cu numărare, din Figura Domeniul de frecvență din Spectrum Analyzer a fost modificat în Figura 7.20 la 0 500kHz, pentru a cuprinde frecvența de eșantionare și oglindirile acesteia. Chiar și așa, imaginea spectrală și parametri măsurați relevă o calitate a achiziției superioară comparativ cu CAN-ul cu numărare. Figure Figura Unipolar CAN unipolar SAR cu ADC RAS reconstructed Spectrul semnalului signal. reconstruit (1kHz) 20

21 CAN cu reacție Pentru o vizibilitate mai bună a componentelor spectrale, modificați frecvența lui Vin la 10kHz, ca în Figura Observați oglindirile lui Vin la ±10kHz în jurul frecvenței de eșantionare și în jurul armonicelor 2, 3 și 4. Figura 7.21 relevă un fenomen dificil de observat în domeniul timp: CAN-ul cu RAS are nevoie de un etaj Sample and Hold pentru a furniza un semnal Figura 7.21 CAN unipolar cu RAS Spectrul unui semnal reconstruit (10kHz): fără Sample and Hold (sus) și cu Sample and Hold (jos). 21

22 Bazele Sistemelor de Achiziții de Date Lucrări de laborator Vin constant în timpul conversiei, ca în paragraful Error! Reference source not found.. Amândouă imaginile spectrale și parametri măsurați sunt îmbunătățite dacă etajul SH este activ (în Static IO, schimbați DIO10 cu Z, pentru a permite Patterns 3 să genereze semnalul SnH) Funcționare bipolară Pe placheta experimentală: - Plasați jumpere la: o J3 = 1-2 conectează I out2 la intrarea inversoare a lui U1A. o J4 = 2-3 conectează U1A la nodul Iout1. o J5 = 1-2 conectează Iout2 la intrarea inversoare a lui U1C. o J6 = 2-3 conectează U1C la nodul Iout1. Aceasta transformă U2 și U4 în CNA-uri bipolare în cod Binar Deplasat. În WaveForms: - Wavegen: o W1= DC, Offset: -2V (constantă, tensiune negativă) pentru V ref. V FS= -V ref. o W2=Sinus, Frequency: 1kHz, Amplitude: 1.9V, Offset: 0V, Symmetry: 50%, Phase: 0 o. - Scope (ambele canale): Offset: 0V, Range: 500mV/div. Așa cum este explicat în paragraful Error! Reference source not found., deoarece codul Binar Deplasat folosește aceeași combinație binară, în aceeași ordine (de la valoarea cea mai mică la valoarea cea mai mare) ca și Codul Unipolar, circuitul de logică şi comandă este identic cu cel din situația funcționării unipolare, pentru toate cazurile de mai sus (numărare, urmărire, RAS). Ca și rezultat, toate experimentele realizate în paragraful Error! Reference source not found. pot fi repetate pentru configurația bipolară, cu observații și concluzii similare. Figurile următoare sunt replica bipolară a figurilor unipolare din paragraful precedent. Accesași ordine este folosită (Numărare, Urmărire, RAS). Mulți dintre parametri din aceste experimente sunt neschimbați, cu excepția: - WaveGen, Ch2 - amplitudine și ofset (pentru domeniu bipolar [- 1.9V 1.9V). - Amplitudinea osciloscopului și ofsetul (din aceleași motive). Multe din comentările aferente convertoarelor unipolare rămân adevărate pentru cele bipolare, deci nu vor fi scrise din nou. Doar diferențele vor fi 22

23 subliniate. CAN cu reacție Observați, în toate figurile, că domeniile Vin și Vcmp sunt duble, în comparație cu experimentele unipolare [-VFS;VFS). V LSB este de asemenea dublu, deoarece unul din cei 8 biți devine acum bitul de semn. V V V (7.29) FS ref 2 2VFS V ' LSB mV (7.30)

24 Bazele Sistemelor de Achiziții de Date Lucrări de laborator CAN cu numărare Figura 7.22 Experiment CAN bipolar cu numărare. Mutați sonda canalului 2 pe J9-3, pentru a observa semnalul reconstruit cu interpolare de grad 0, VDo, ca în Figura Figura 7.23 CAN bipolar cu numărare semnal reconstruit 24

25 CAN cu reacție CAN cu urmărire Figura 7.24 Experiment CAN bipolar cu urmărire. Dublați frecvența semnalului V in pentru a observa limitările CAN-ului cu urmărire, ca în Figura Figura 7.25 CAN bipolar cu urmărire semnal reconstruit (2kHz) 25

26 Bazele Sistemelor de Achiziții de Date Lucrări de laborator CAN cu Registru de Aproximări Succesive Folosiți o bază de timp de 2μs/div pentru a analiza pașii dintr-o conversie analog-numerică. Observați: - O nouă conversie începe totdeauna cu V cmp = 0V, jumătatea intervalului semnalului V in. - A doua conversie aduce V cmp ori la -½V FS=-1V ori la ½V FS=1V pentru a înjumătăți jumătatea inferioară sau superioară a domeniului de definiție a lui V in. - Următorii pași înjumătățesc succesiv subdomeniile, pentru a se atinge în final un domeniu egal cu V LSB. - Excursia maximă a lui Vcmp are loc în primul pas: de la vechiul rezultat al conversiei la 0V. Cazurile cele mai defavorabile sunt de la -VFS la 0V sau de la VFS la 0V. Viteza de variație a lui Vcmp este limitată de Slew Rate-ul amplificatorului U1B. Frecvența de ceas ar trebui să fie destul de mică pentru ca această excursie să se finalizeze într-o perioadă de ceas (pas de conversie). 26

27 CAN cu reacție Figura 7.27 CAN bipolar cu RAS V in și V cmp Sarcina 4. Folosiţi cursoarele pentru a măsura Slew Rate-ul U1B. Calculaţi frecvenţa de ceas maximă. Calculaţi frecvenţa de eşantionare maximă. Observe rata de eșantionare a RAS-ului în Figura Figura 7.26 Experiment CAN bipolar cu RAS 27

28 Bazele Sistemelor de Achiziții de Date Lucrări de laborator Figura 7.28 CAN bipolar cu RAS semnal reconstruit. Observați semnalul reconstruit VDo, în Figura Observați spectrul semnalului reconstruit cu frecvența de 1kHz în Figura Figura 7.29 CAN unipolar cu RAS spectrul semnalului reconstruit (1kHz) 28

29 CAN cu reacție Observați semnalul cu frecvența de 10kHz reconstruit cu și fără etaj de Sample and Hold, în Figura Figura 7.30 CAN bipolar cu RAS Spectrul semnalului reconstruit (10kHz): fără Sample and Hold (sus) și cu Sample and Hold (jos). 29

30 Bazele Sistemelor de Achiziții de Date Lucrări de laborator 7 Feedback ADC voltage comparison Background Error! Bookmark not defined Unipolar operation Error! Bookmark not defined Counter ADC Up-Down Counter (Delta) ADC Successive Approximation Register ADC Error! Bookmark not defined Bipolar operation Error! Bookmark not defined. 7.2 Experiment and measurements Error! Bookmark not defined Unipolar Operation Error! Bookmark not defined Counter ADC Error! Bookmark not defined Up/Down Counter ADC Error! Bookmark not defined Successive Approximation Register ADC Error! Bookmark not defined Bipolar operation Error! Bookmark not defined Counter ADC Up/Down Counter ADC Successive Approximation Register ADC Error! Bookmark not defined. Content 30