CONVERSIA MARIMILOR MǍSURATE (tensiunea electricǎ, curentul electric, rezistenta)

CONVERSIA MARIMILOR MǍSURATE

1. CARACTERIZARE GENERALǍ

Unele mǎrimi precum tensiunea electricǎ, curentul electric, rezistenta s.a. pot fi mǎsurate direct cu aparate de mǎsurat acele mǎrimi farǎ a fi nevoie de traductoare sau de alte echipamente de prelevare a mǎrimilor respective.

Exista insa multime de mǎrimi care pentru a putea fi mǎsurate necesitǎ un senzor/traductor care sa le preleve si sa le transpuna pe un semnal mǎsurabil cat mai comod cu aparate de mǎsurare uzuale. Astfel, pentru a mǎsura debitul, viteza sau alte mǎrimi neelectrice este nevoie de un astfel de sensor/traductor care converteste mǎrimea de mǎsurat intr-o alta mǎrime usor masurabila.

De asemenea, pentru a mǎsura anumite mǎrimi cu aparate de mare performantǎ este necesara una sau mai multe transpuneri a marimii mǎsurate de pe un semnal purtǎtor de informatie de o anumita natura pe alt semnal de alta natura mai convenabil pentru afisare / inregistrare, pentru memorare, pentru prelucrare si pentru transmitere.

Conversia este operatia de schimbare a formei (analogice sau numerice) si/sau a naturii (electrice, pneumatice, mecanice, hidraulice s.a.) unui semnal purtator de informatie asupra unei marimi ce poate fi o marime masurata, o marime calculata, o marime de comanda s.a. Dispozitivele care mijlocesc o astfel de transformare se numesc in mod generic convertoare.

Convertoarele sunt de o mare diversitate. Dupa forma semnalelor de intrare si a celor de iesire ale acestor aparate deosebim:

Convertoare analogice, CA, la care atat semnalul de intrare cat si cel de iesire sunt de tip analogic. Cele mai reprezentative convertoare de acest fel sunt convertoarele: tensiune-curent, curent-tensiune, rezistenta-tensiune, rezistenta-curent, deplasare-tensiune, deplasare-curent s.a..

Convertoare numerice, CN, numite si schimbatoare de cod, la care atat semnalul de intrare cat si cel de iesire sunt de tip numeric. Din aceasta categorie remarcam convertoarele: BCD - cod binar, BCD - cod Gray s.a..

Convertoare numeric-analogice, CNA, la care semnalul de intrare este de tip numeric, iar cel de iesire este de tip analogic.

Convertoare analog-numerice, CAN, la care semnalul de intrare este de tip analogic iar cel de iesire este de tip numeric.

Convertoarele analog-numerice si convertoarele numeric-analogice sunt echipamente care mijlocesc legatura (interfata) dintre partea de echipamente care opereaza cu semnale analogice si partea de echipamente care opereaza cu semnale numerice. Ele isi gasesc o larga aplicabilitate in aparatura moderna de masurare si de automatizare, care au o structura hibrida pentru a fructifica avantajele pe care le reprezinta prelucrarea, transmiterea, memorarea si afisarea/inregistrarea numerica sau alfanumerica a m rimilor.

2 CONVERTOARE-ADAPTOARE ANALOGICE

2.1. Consideratii generale

In cadrul instalatiilor de m surare moderne exista tendinta de a se folosi componente modularizate si standardizate atat in ce priveste echipamentele cat si semnalele cu care se opereaz

Exist de asemenea, tendinte de generalizare a folosirii aparaturii electronice miniaturizate sub forma de circuite integrate si de operare cu semnale de tensiune standard 0-5V sau 0-10V sau cu semnale de curent standard 2-10 mA sau 4-20 mA.

Pentru a beneficia de avantajele aparaturii modularizate si ale semnalelor standardizate este necesar ca semnalele de m surat neelectrice sau nestandardizate sa fie aduse la forma standard ca sa poata fi prelucrate si m surate sub aceast form

Aparatele cu ajutorul c rora semnalele de m surat se aduc la o form standard se numesc adaptoare deoarece adapteaza aceste semnale astfel incat acestea sa se incadreze intre limite prestabilite prin amplificare sau atenuare. Dac este necesar si o schimbare a naturii initiale a semnalului, aparatele care indeplinesc aceast functie se numesc adaptoare-convertoare.

Deoarece pe semnalele standard mentionate mai inainte datele pot fi usor transmise la distant aparatura de convertire si adaptare indeplineste si functia de transmitere la distant , motiv pentru care se numesc si transmitere.

Operatia de convertire si adaptare devine necesar indeosebi in cazurile cand m rimea de m surat sau transmis este o deplasare unghiular sau liniar , deoarece astfel de semnale nu pot fi practic transmise la distant

Dac se are in vedere transmiterea la distant se prefer semnal standard curent si nu tensiunea, deoarece pe conductorii de transmitere are loc o c dere de tensiune care de regul atenueaz semnalul emis.

2.2. Convertoare-adaptoare unghi-curent standard

In fig. 1. este prezentat schema simplificat a unui convertor adaptor unghi φ - curent standard 2-10 mA. Acest aparat este compus dintr-un sistem de parghii si articulatii menite s transforme deplasarea liniar sau unghiular initial intr-o deplasare standard de 0-18^o si un bloc electronic de transpunere a acestei deplas ri standard pe un curent standard I=2÷10 mA.

Fig.1. Schema unui convertor - unghi - curent.

Blocul electronic are in componenta sa urmatoarele elemente:

un modulator magnetic MM;

un transformator de cuplaj TC;

un amplificator de tensiune cuplat cu un redresor cu care impreun formeaz un amplificator de tensiune sensibil la faz ATSF;

un amplificator de putere APSF;

un oscilator electronic, care genereaz un tren de impulsuri cu frecventa de 500 Hz si un tren de impulsuri cu frecventa dubl (1000 Hz) s.a.

Modulatorul magnetic indeplineste functia de transformare a m rimii de intrare deplasare unghiular α intr-o tensiune alternativ cu amplitudine proportional cu α, tensiune care este aplicat la intrarea in ATSF. Acest dispozitiv este alc tuit dintr-un stator toroidal pe care este infǎsurat o bobin inductiv cu dou sectiuni egale. In interiorul acestuia se afl un magnet permanent sub form de disc rotor care este pus in leg tur cu partea mecanic prin care se transmite deplasarea unghiulara α.

Cele dou infǎsur ri statorice se conecteaz pe dou din bratele unei punti Wheatstone, iar pe celelalte dou brate ale acesteia se conecteaz rezistoarele R cu ajutorul c rora se face echilibrarea initial a puntii.

Pentru o anumit valoare a unghiului a discului rotor curentul din diagonala de m surare a puntii este nul. Rotirea discului fat de aceast pozitie intr-un sens sau in cel lalt, face ca in diagonala de m surare s apar o tensiune sinfazic sau in opozitie de faz cu tensiunea de alimentare, in functie de sensul rotirii. Acest semnal este amplificat in tensiune si redresat in ATSF apoi este amplificat si in putere in APSF obtinandu-se astfel la iesire un curent intre limitele 2-10 mA care este folosit si ca semnal de reactie in MM.

2.3. Convertor adaptor rezistent -curent standard

In fig. 2. este prezentat schema simplificat a unui convertor-adaptor rezisten electric -curent standard. Acest dispozitiv realizeaz de fapt o dubl conversie rezistent R_x - tensiune U si o conversie tensiune U - curent 2-10 mA si are in structura sa urm toarele elemente componente:

un convertor rezistent -tensiune;

un amplificator de tensiune continu cu deriv foarte mic , AT;

un amplificator de putere AP;

un circuit de reactie si corectie de liniaritate, CRC.

Fig.2. Convertor adaptor rezistenta - curent.

Convertorul rezistent -tensiune are in structura sa un amplificator operational AO cu reactie negativ , o surs de curent continuu stabilizat SCC cu I=ct., rezistenta de m surat R_x si elementele de ajustare R₁ si R₀. Valorile rezistentelor R₁ si R₀ se aleg astfel incat intre R_x si U sa se realizeze factorul de proportionalitate dorit care s asigure si incadrarea intre limitele dorite ale lui R_x si U.

Amplificatorul de tensiune AT are un factor de amplificare foarte mare si in acest caz caracteristicile ansamblului AT, AP si CRC sunt determinate in principal de caracteristicile CRC. Se stie c dac factorul de amplificare al elementelor de pe leg tura direct este mai mare decat 10³-10⁴, factorul de amplificare al ansamblului este egal cu inversul factorului de amplificare al elementelor de pe leg tura de reactie.

Circuitul de reactie si corectie are menirea de a asigura o dependent intre I si U cat mai liniar si incadrarea curentului I intre limitele 2 si 10 mA cand U variaz de la zero la valoarea maxim prestabilit . Pentru a avea posibilitatea realiz rii unei astfel de dependente liniare, caracteristica static a CRC este usor neliniar si modificabil prin patru - cinci segmente de dreapt pentru a putea astfel compensa in sens opus caracteristica static a elementelor de pe legǎtura direct

In figura 3. este prezentat schema unui CRC din care fac parte tranzistoarele , potentiometrele de ajustaj si alte elemente de circuit. Tranzistoarele au bazele alimentate la potentiale diferite stabilite cu ajutorul potentiometrelor aferente astfel c U₁<U₂<U₃<U₄.

Deoarece potentialul punctului A scade cu cresterea curentului I pe primul segment al caracteristicii statice toate tranzistoarele sunt blocate, pe al doilea segment conduce tranzistorul T₁, pe al treilea segment conduc tranzistoarele T₁ si T₂ s.a.m.d.

Fig 3. Circuit de reactie si corectie.

In acest fel prin deschiderea unei noi c i pentru curent in momentele trecerii unui tranzistor de la starea blocat la starea de conductie panta caracteristicii statice a CRC se modific Punctele de schimbare a pantei pot fi stabilite cu ajutorul potentiometrelor P₁÷P₄ iar panta segmentelor caracteristicii se stabileste prin alegerea corespunz toare a rezistentelor de emitere R_e1÷R_e4. Panta primului segment se stabileste de la rezistorul R₃.

2.4. Convertoare adaptoare tensiune-curent

Convertoarele adaptoare tensiune-curent se deosebesc de convertoarele adaptoare rezistent -curent numai prin natura primului element al convertorului care in acest caz este un simplu adaptor tensiune-tensiune. Functia de adaptare se realizeaz prin amplificare sau atenuare cu un factor constant, eventual insotit si de o anumit corectie a caracteristicii statice.

3. CONVERSIA ANALOG - NUMERICǍ

3.1. Operatia de conversie AN

Prin conversie analog-numeric , evolutia valorii unei m rimi analogice este transpusa intr-o sucesiune de valori numerice intregi exprimata in cod binar, in cod zecimal sau in alt cod numeric. Aceast operatie implic urm toarele operatii:

esantionarea m rimii analogice;

cuantificarea esantioanelor

codificarea m rimii cuantificate.

Esantionarea este operatia de extragere (prelevare) de esantioane dintr-un semnal continuu care variaz in timp, iar cuantificarea este operatia prin care fiecarui esantion extras i se asociaz un num r finit intreg de cuante foarte mici. Pentru o m surare cat mai precis , domeniul de m surare este imp rtit intr-un num r cat se poate de mare de diviziuni, numite cuante.

Dup cum esantionarea si cuantificarea se fac la momente de timp prestabilite, marcate de la un orologiu, sau se fac la momente de timp nedefinite, cand m rimea esantionat isi schimb valoarea cu cel putin o cuant , deosebim:

esantionare si cuantificare in timp;

esantionare si cuantificare in nivel.

In figura 4.sunt prezentate diagramele celor dou tipuri de esantionare. In primul caz, din m rimea de m surat se extrag esantione la intervale de timp egale si fiec rui esantion i se asociaz cel mai apropiat num r de cuante, num rate din momentul initial al esantion rii, pe cand in al doilea caz m rimii de m surat i se asociaz num rul de cuante corespunz tor ultimului nivel cuantificat prin care a trecut.

Fig 4. Esantionarea si cuantificarea semnalelor analogice.

a) in timp; b) in nivel.

In ambele cazuri m rimea de m surat se exprim valoric printr-un num r echivalent de cuante. In acest fel, conversia se face cu o anumit aproximatie, deoarece se neglijeaz fractiunile de cuant . De aceea pentru a m ri precizia de m surare num rul de cuante trebuie s fie cat mai mare, iar cuantele cat mai mici.

Codificarea (codarea) este operatia prin care fiec rui esantion cuantificat i se asociaz un num r exprimat intr-un sistem de numeratie. In cadrul aparatelor numerice se folosesc de regul sistemul binar, sistemul zecimal si sistemul zecimal codificat binar s.a.

Esantionarea, cuantificarea si codificarea se realizeaz cu ajutorul unor convertoare analog-numerice, CAN, care asociaz fiec rei m rimi cuantificate un num r corespunz tor de cuante si memoreaz acest num r pe intervalul dintre dou esantion ri succesive.

Principalele caracteristici ale conversiei AN

Performantele convertoarelor numeric-analogice CNA si a celor analog-numerice CAN pot fi comparate si apreciate dupa o serie de parametri sau indicatori prin care se definesc caracteristicile constructiv-functionale ale fiecarui tip de convertor. Vom enumera si defini pe cei mai importanti dintre acestia. In acest scop vom prezenta mai intai, ca baza de plecare, caracteristica de transfer a acestor tipuri de convertoare.

Caracteristica de transfer, CT, reprezinta dependenta dintre marimea de iesire si marimea de intrare a unui convertor. Deoarece una din marimi este de tip analogic iar cealalta este de tip numeric caracteristicile de transfer ale CAN si CNA sunt functii cu variatii in trepte (fig. 5). Caracteristica de transfer din figura 5 este asociata unui CNA, cu intrare pe 3 biti. Daca insa abscisa schimba locul cu ordonata, caracteristica astfel obtinuta poate fi asociata unui CAN.

Domeniul de conversie, DC, reprezinta intervalul in care poate varia marimea analogica (de intrare la CAN si de iesire la CNA). Astfel, in cazul unui CNA, DC este valoarea marimii de iesire corespunzatoare valorii maxime a codului numeric aplicat la intrare.

Intrucat un CNA este in esenta un atenuator programabil, marimea de iesire a acestuia este o fractiune din valoarea unei referinte U_R. Astfel, la un CNA de n biti valoarea maxima a iesirii este data de relatia:

(1)

unde K este un factor de scala iar U_R este referinta.

La convertoarele electrice atat domeniul de conversie cat si referinta sunt marimi electrice, in mod uzual - tensiune electrica

La un CAN, capatul de domeniu CD este dat de relatia:

(2)

Rezolutia, R, exprima numarul de valori (nivele, trepte) distincte care pot fi deosebite la intrarea unui CNA sau la iesirea unui CAN.

Rezolutia unui CNA care opereaza cu cuvinte de intrare de n biti se poate exprima prin numarul de biti, R₁ = n, prin numarul de nivele posibile la iesire, adica prin R₂ = 2ⁿ sau prin marimea treptei de cuantificare, adica prin Astfel, pentru un CNA de 10 biti si cu o referinta , rezolutia poate fi exprimata prin R₁ = 10, R₂ = 2¹⁰ sau prin R₃ = 5/2¹⁰ = 5/512 5 mV.

Fig. 5. Caracteristica de transfer a conversiei:

a) cu eroare monopolara; b) cu eroare bipolara

La un CAN rezolutia exprima numarul treptelor de cuantificare ale marimii de intrare. Deoarece DC are o valoare determinata, rezolutia R₃ exprima capabilitatea convertorului de a sesiza acea variatie minima a semnalului de intrare care produce la iesire o variatie egala cu o treapta de cuantificare. Astfel, la un CAN cu domeniul maxim al intrarii 0 - U_max o rezolutie de n biti este egala cu o variatie a tensiunii de intrare egala cu R₃ = U_max/ 2ⁿ.

Exemplu. Un CAN cu iesire pe 12 biti are 2¹² = 4096 trepte de cuantificare iar daca este alimentat cu o tensiune de referinta de 10 V, rezolutia este R_{3 =} 10/2¹² = 2,45 mv.

In cazul convertoarelor din componenta multimetrelor numerice cu afisare zecimala se prefera ca rezolutia sa fie exprimata nu in biti, ci in digiti. Astfel, o rezolutie de digiti exprima numarul de trepte egal cu 1999 2000 iar o rezolutie de digiti exprima 20.000 trepte de cuantificare.

Rata (viteza) de conversie, RC, exprima numarul de convertiri efectuate de convertor intr-o secunda si este practic invers proportionala cu timpul de conversie, adica timpul in care are loc o conversie. In realitate, RC este putin mai mica decat inversul timpului de conversie deoarece in afara timpului de conversie propriu-zis trebuie sa se tina seama si de timpul de revenire al convertorului, deoarece acesta nu poate incepe un nou ciclu de conversie imediat dupa terminarea unei conversii.

La convertoarele moderne viteza de conversie are valori de la cateva convertiri pe secunda la convertoare cu viteza mica la cateva mii de convertiri pe secunda la convertoare considerate cu viteza ultrainalta

Erorile de conversie. Acestea pot fi grupate in urmatoarele patru categorii si anume:

- erori de cuantificare;

- erori de diapazon;

- erori de zero (offset);

- erori de liniaritate s.a.

Erori de cuantificare Domeniul de conversie al unui convertor de n biti este divizat in 2ⁿ intervale egale. Toate semnalele cu valori cuprinse intre limitele unui astfel de interval au asociat acelasi cod numeric. Prin urmare eroarea de cuantificare maxima este egala cu o treapta de cuantificare.

Eroarea de diapazon este egala cu diferenta dintre panta caracteristicii de transfer reale si panta caracteristicii de transfer ideale CI. De regula toate convertoarele au un buton de reglaj care permite anularea acestei erori modificand panta caracteristicii reale (fig. 6).

Eroarea de zero (offset) este definita de valoarea semnalului care apare la iesirea convertorului in cazul in care la intrare se aplica semnal corespunzator marimii de iesire nule. Astfel, in cazul unui CAN aceasta eroare reprezinta codul numeric la iesirea convertorului corespunzator unui semnal de amplitudine nula, aplicat la intrare.

Acest tip de eroare se manifesta prin deplasarea caracteristicii de transfer fata de origine si poate fi anihilata cu ajutorul unui buton de reglaj.

Fig. 6. Erori ale CAN:

a) de diapazon; b) de zero; c) de liniaritate.

Eroarea de liniaritate se defineste ca abaterea maxima a caracteristicii de transfer reale in raport cu dreapta caracteristicii de transfer ideale si se exprima prin fractiuni de treapta de cuantificare sau in procente din domeniul de conversie.

Precizia (exactitatea) conversiei este definita ca masura in care caracteristica reala de transfer coincide cu cea ideala. Ea este exprimata prin inversul abaterilor dintre cele doua caracteristici, ideala si reala, si se determina experimental pe baza compararii si determinarii diferentelor constatate.

Pentru un CNA precizia absoluta se determina dupa abaterea (eroarea) absoluta ca diferenta dintre valoarea reala a marimii de iesire a convertorului si valoare ideala pe care ar fi trebuit sa o asigure la iesire pentru un cod numeric aplicat la intrare.

Pentru un CAN precizia absoluta se determina pe baza compararii codurilor obtinute la iesire cu codurile teoretice ideale la diverse valori ale semnalelor analogice aplicate la intrare.

Repetabilitatea conversiei exprima gradul de grupare a rezultatelor mai multor conversii in jurul unei valori medii. Cu cat dispersia este mai mica cu atat repetabilitatea este mai buna

In literatura de specialitate sunt prezentati si alti indicatori sau parametrii ai conversiei, precum timpul de stabilire, coduri omise, monotonia .

3.3. Dispozitive de esantionare si de retinere

Dispozitivele de esantionare si retinere, DER, (esantionatoarele) indeplinesc in principal functia de extragere de esantioane valorice dintr-un semnal variabil si mentinerea (memorarea) constanta a acestora pe durata dintre douǎ esantionǎri successive.

Principiul esantionarii in timp. Schema de principiu a esantionarii este prezentata in figura 7 unde distingem comutatorul K si condensatorul C. Esantionarea si memorarea are loc in doua etape. In prima etapa de durata T_e relativ scurta comutatorul K este inchis facand posibila transmiterea catre iesire a semnalului aplicat la intrare. In etapa urmatoare, de durata > , comutatorul este deschis iar la iesire se mentine valoarea semnalului de la sfarsitul primei etape de esantionare, datorita condensatorului care indeplineste rolul de element de memorare.

Fig. 7. Esantionatorul in timp:

a) schema de principiu; b) formarea semnalului esantionat.

Exista numeroase scheme practice de esantionatoare, cele mai moderne fiind cele cu comutatoare de tip tranzistor, completate cu amplificatoare operationale cu reactie. In figura 8 este prezentata schema simplificata a unui DER cu care distingem tranzistorul cu efect de camp T, condensatorul C, amplificatoarele operationalesisi o dioda.

Fig. Esantionator cu tranzistor.

Tranzistorul indeplineste rolul de comutator comandat printr-un semnal dreptunghiular U_cd aplicat pe grila. In perioada de esantionare corespunzatoare semnalului de comanda pus pe valoarea +U_cd, tranzistorul este deblocat si transmite tensiunea de intrare U_i pe borna (+) a amplificatorului operationalcu reactie totala. In perioada de memorare tranzistorul este blocat prin semnal de comanda - U_cd, facand astfel posibila memorarea tensiunii de la sfarsitul primei perioade.

Constanta de timp a circuitului de incarcare este determinata de capacitatea condensatorului, de rezistenta r (care cuprinde si rezistenta de iesire a receptorului cuplat la intrarea DER) si de rezistenta drena-sursa a tranzistorului in conductie r_ds adica

Pentru asigurarea unui raspuns cat mai rapid, constanta de timp a esantionului trebuie sa fie cu atat mai mica cu cat viteza de variatie a semnalului de intrare este mai mare. Aceasta cerinta presupune o valoare redusa a rezistentei circuitului de incarcare a condensatorului, dar acest lucru are influenta negativa asupra sursei semnalului de intrare.

Raspunsul esantionatorului este influentat si de parametrii dinamici ai AO.

Pentru a micsora viteza de scadere a tensiunii la bornele condensatorului in perioada de memorare este necesara micsorarea, pe cat posibil, a curentilor care contribuie la acest efect. In acest caz se folosesc tranzistoare al carui curent rezidual drena-sursa este foarte redus, condensatoare de calitate avand curenti de scurgere foarte mici si amplificatoare operationale AO cu un curent de polarizare, de asemenea, foarte redus. In acest fel se obtin viteze de scadere de ordinul l mV/s.

O varianta inversoare de esantionator este prezentata in figura 9.

In perioada de esantionare tranzistorul T conduce, iar in perioada de memorare acesta este blocat si functioneaza ca integrator. Cand tranzistorul conduce, condensatorul C se incarca la U_e=U_i . Cand tranzistorul este blocat, semnalul de intrare (variabil in timp) capata valoarea In consecinta, la urmatoarea intrare in conductie a tranzistorului, tensiunea U_e va capata o noua valoare conform relatiei:

(3)

unde t este constanta de timp.

Fig. 9. Esantionator cu tranzistor.

Performantele DER se apreciaza dupa valorile urmatorilor indicatori:

- eroarea statica DU_s, ce reprezinta diferenta dintre semnalul aplicat la intrare U_i si semnalul sesizat de DER in semiperioadele de esantionare;

- intarzierea de esantionare DT_e ce reprezinta intervalele de timp dintre momentele comenzii esantionarii si momentele inceperii efective a procesului de urmarire a tensiunii de intrare;

- timpul de apertur , ce reprezinta intervalul de timp din momentul comenzii de memorare pan la inceperea procesului de stabilizare a marimii de iesire;

- caderea tensiunii de iesire DU_em, ce are loc pe timpul semiperioadelor de memorare.

3.4. Coduri folosite in conversia datelor

Notiuni privind codificarea numerica

Orice numar intreg zecimal N₁₀ exprimat in sistemul de numeratie binar prin secventa a_n a_n-l,, a₁ a₀ (a_k = 0 sau a_k = 1 pentru k = 0,1,,n) poate fi exprimat sub forma:

(4)

De exemplu, numarul binar 0101 0011 reprezinta in cod zecimal valoarea N = 0 2¹ + l

Sistemul binar de numeratie permite si reprezentarea numerelor sub forma fractionara. Astfel, numarul fractionar M₁₀ reprezentat in binar prin secventa b₁ b₂,, b_n-1 b_n (b_k = 0 sau b_k = 1 pentru k = 1,2,, n) va avea in sistemul zecimal de numeratie valoarea exprimata prin:

(5)

De exemplu, numarul fractionar binar 0,1100 reprezinta in sistemul zecimal valoarea M = 1 + 0

In majoritatea convertoarelor se foloseste forma binara fractionara fara a se mai reprezenta virgula zecimala. Aceasta forma de codificare este convenabila deoarece valoarea corespunzatoare unui anumit cod este interpretata ca o fractiune din domeniul maxim (diapazonul) al marimii analogice. Astfel, daca un cuvant binar de n biti are toti bitii egali cu 1, valoarea corespunzatoare acestui numar difera de cea maxima cu valoareafiind egala cu unde U_max este tensiunea maxima convertibila

Pentru un CNA de 8 biti care are U_max = 10 V, valoarea tensiunii de iesire pentru codul 1111 1111 va fi ( avand deci o diferenta de 0,0390625 V fata de valoarea maxima de 10 V. Aceasta diferenta este egala tocmai cu 10/2ⁿ si reprezinta bitul cel mai putin semnificativ, LSB.

Codurile utilizate in conversia datelor difera in primul rand prin polaritatea semnalelor pe care le reprezinta. Se disting astfel coduri unipolare si coduri bipolare.

Coduri unipolare

Codul binar natural Pentru reprezentarea semnalelor care au o singura polaritate pozitiva sau negativa, codul folosit exprima numai modulul valorii analogice careia ii este asociat. Cel mai des utilizat in acest scop este codul binar natural, in logica pozitiva (in logica pozitiva, valoarea logica 1 corespunde nivelului cu tensiunea cea mai mare). La reprezentarea unei marimi analogice in binar, facuta anterior, s-a utilizat codul binar natural.

Codul binar complementat O versiune a codului binar este codul binar complementat, in logica pozitiva. Daca a_n,,a₁a_o este num rul in cod binar natural, echivalentul sau in cod binar complementat se obtine din relatia , pentru k = 0,1,,n.

In tabela 1 se prezinta corespondentele dintre cele doua coduri si valorile analogice corespunzatoare pentru un convertor de 8 biti si tensiune maxim U_max = + 5V.

Cod binar zecimal (BCD) (Binary Coded Decimal) foloseste o reprezentare grupata pe cifre zecimale, fiecare astfel de cifra fiind reprezentata prin patru cifre binare (biti). Deoarece numarul de combinatii diferite care pot fi realizate cu 4 biti este 2⁴ = 16, iar numarul cifrelor din sistemul zecimal este 10 (0 - 9), acest cod nu foloseste 6 din cele 16 combinatii posibile ale grupului de 4 cifre binare. Combinatiile nefolosite nu sunt recunoscute de acest cod, ele devenind "ilegale". Din acest motiv, pentru reprezentarea unui anumit numar in BCD este nevoie de mai multi biti decat in cazul codului binar natural.

Tabelul 1. Corespondenta tensiune - cod binar pentru un convertor de 8 biti,

U_max = +5 V.

Exista un numar extrem de mare de posibilitati in care cele 10 cifre zecimale pot fi asociate cu 10 din cele 16 combinatii ale celor 4 biti, fiecare astfel de posibilitate determinand un anumit tip de cod BCD. Codurile BCD care pot fi obtinute sunt divizate in principiu, in doua clase: coduri BCD ponderate si coduri BCD neponderate.

Cele mai folosite coduri BCD ponderate sunt codurile la care cifrele binare care reprezinta o cifra zecimala au ponderile 8 4 2 1 si 2 4 2 1. Primul dintre aceste coduri se mai numeste codul BCD natural. In tabela 2 se prezinta corespondentele dintre valorile analogice si codul BCD natural pentru un convertor de 12 biti cu tensiunea U_max = 10 V.

Aceste coduri sunt in principal folosite la interfatarea cu sisteme de afisare zecimale. Pentru CAN este convenabil un asemenea cod in aplicatii de tipul: surse de tensiune programabile, afisarea unor marimi in sisteme de coordonate zecimale, etc.

Tabelul 2. Corespondenta tensiune analogica - cod BCD natural pentru un

convertor de 12 biti, U_max = + 10 V.

LSB=10/1000=0,01 V

De asemenea, in cazul multimetrelor numerice este preferat acest cod, deoarece fiecare grup de 4 biti care formeaza o cifra zecimala (digit), este decodificat separat. Fiecare asemenea decodificator cu zece iesiri comanda un sistem de afisare zecimal care este mult mai familiar utilizatorului decat oricare altul.

Codul Gray. Acesta este un cod neponderat. Caracteristic pentru acest cod este faptul ca la o tranzitie de la o valoare la urmatoarea, codul schimba numai un singur bit. In tabela 3 este aratata echivalenta intre codul Gray si codul binar in cazul reprezentarii numerelor fractionare 0, 1/16 . 15/16.

Tabelul 3. Echivalenta cod Gray - cod binar.

Conversia din cod binar in cod Gray se face dupa cum urmeaza: bitul cel mai semnificativ MSB din codul binar este acelasi cu MSB din codul Gray. Apoi, spre LSB, fiecare schimbare de bit (0 - 1 sau 1 - 0) din codul binar este codificata cu 1 iar fiecare trecere de la un bit la altul fara schimbarea cifrei (0 - 0 sau 1 - 1) este codificata cu 0 in codul Gray. De exemplu, 9 in cod binar 1001 devine 1101 in codul Gray. Schemele logice de conversie cod binar - cod Gray si invers sunt prezentate in figura 10.

Fig.10. Schimbator de cod:

a) cod binar - cod Gray; b) cod Gray - cod binar.

Coduri bipolare

Necesitatea de a lucra cu semnale de ambele polaritati impune folosirea unor coduri care sa permita exprimarea atat a valorii marimii cu care se opereaza, cat si a semnului acesteia.

Codul semn - modul. Deoarece cele doua polaritati ale semnalului cu care se lucreaza se pot asocia cu cate una din valorile logice 0 si 1 rezulta ca cel mai simplu mod de exprimare numerica a unor marimi bipolare este folosirea unui bit suplimentar pentru semn. Bitul de semn are valoarea logica 1 asociata polaritatii pozitive/negative si valoarea logica 0 asociata polaritatii negative/pozitive. Modulul numarului, care reprezinta o cantitate pozitiva, poate fi exprimat fie printr-un cod binar, fie printr-un cod BCD.

Dupa modul cum se genereaza acest cod se observa ca valoarea analogica zero poate fi asociata cu doua coduri 10000 sau 00000. Din acest motiv, la folosirea acestui cod trebuie luate anumite masuri de precautie suplimentare care se materializeaza fie in software suplimentar, fie in hardware suplimentar. De asemenea, circuitele numerice care opereaza cu date exprimate in acest cod sunt mai complexe si deci mai scumpe.

Codul binar deplasat. Alt posibilitate de a exprima m rimi bipolare se obtine transformand un domeniu unipolar 0 ÷ U_max intr-unul bipolar -U_max ÷ +U_max. Aceasta inseamn c la o valoare nul la intrare codul de iesire va fi cel corespunz tor jum tǎtii de diapazon unipolar.

½ U_max U_max

- U_max 0 +U_max

Pentru a transforma un CNA de 10 biti si un diapazon 0 ÷10 V intr-unul capabil s furnizeze semnale bipolare, in codul binar deplasat, trebuie deplasat iesirea convertorului cu jum tate din valoarea diapazonului (+ 5V), utilizand un circuit de tipul celui din figura 11 in care R₂/R₁ = R₄/R₃. Pentru exemplificare se poate alege U_ref = U_max/2 iar U_max = 10V.

Fig. 11. Circuit pentru transformarea unei m rimi unipolare

in m rime bipolar

Dac se doreste ca domeniul de variatie al m rimii de iesire s r man acelasi, adic 10V iar U_ref = U_max/2 limitele sale devin -5V ÷ +5V. Dac se doreste ca rezolutia s r man aceeasi dar la un diapazon -10 V ÷ +10 V, inainte de circuitul din figura 11 se va utiliza un amplificator cu factorul de amplificare egal cu doi, pentru a dubla diapazonul la 20 V.

In afara acestei usurinte de obtinere, codul binar deplasat are un alt avantaj: compatibilitatea cu sistemele de intrare si iesire ale calculatoarelor. El se poate transforma cu usurint in codul de lucru al acestora, codul complementar fat de doi (care se va prezenta in continuare) numai prin simpla complementare a MSB. De asemenea, in acest cod valoarea zero are un singur cod, nemaiexistand ambiguitatea codului precedent.

Principalul dezavantaj al acestui cod o constituie schimbarea major de biti care are loc in jurul codului zero. Astfel, dup cum se poate vedea in tabela 4, codul corespunz tor nivelului - 1 LSB este 01 1, iar codul corespunz tor valorii zero este 100. Aceste schimb ri care au loc la variatia cresc toare sau descresc toare a codurilor pot duce la efecte nedorite, statice si dinamice.

Din punct de vedere static, lǎtimea unui interval este determinat de diferenta dintre dou m rimi. Dac valoarea acestor m rimi nu este mare in raport cu diferenta lor (de exemplu 2LSB - 1LSB = 1 LSB), exactitatea diferentei lor r mane de acelasi ordin cu a celor dou m rimi initiale. Dac ins cele dou m rimi a c ror diferent determin lǎtimea unui interval sunt foarte mari in raport cu diferenta lor, eroarea care afectez diferenta este mult mai mare. De exemplu, in cazul unui convertor de 10 biti si un diapazon de -10V ÷ +10 V, lǎtimea unui interval (egal cu LSB) este de 20V/2¹⁰ 20 mV. Codurile care determin intervalul zero sunt 0111111111 (- 1 LSB) si 1000000000. Acestor coduri le corespund, de exemplu, tensiuni proportionale cu 511/1024 U_ref si respectiv 512/1024 U_ref. Este evident cǎ, in acest caz, o eroare de - 0,1% pentru tensiunea codului inferior si una de + 0,1% pentru cea a codului superior, fac ca lǎtimea intervalului s devin

(6)

Codul complementar fat de 2. Acest cod asociaz valorilor pozitive codurile binare naturale, avand 0 ca bit de semn, iar valorilor negative complementul fat de 2 ale numerelor pozitive corespunz toare. Complementul fat de doi al unui num r se obtine complementand num rul si adunand 1 LSB. Astfel, complementul fat de doi al num rului - 7/16 = 0111 va fi: 1000 + 1 = 1001.

Se observ c acest cod difer de codul binar deplasat numai prin MSB care este complementar. Din aceast cauz , pentru a putea opera cu oricare din aceste coduri, cele mai multe CAN au accesibil la iesire, in afara MSB, si valoarea complementar a acestuia.

Codul complementar fat de 1. Acest cod atribuie valorilor pozitive codurile binare naturale corespunz toare, iar celor negative complementele acestora (obtinute prin complementarea fiec rui bit). Ca si in cazul codului semn-modul si acest cod prezint ambiguitate pentru valoarea zero.

In tabelul 4 sunt prezentate principalele nivele codificate in cele patru coduri bipolare prezentate, pentru un domeniu - 5V ÷ +5V si 10 biti rezolutie.

3.5. Convertoare de cod

Convertoarele de cod se folosesc la transpunerea datelor dintr-un cod numeric in alt cod numeric. Cele care transpun informatia dintr-un cod obisnuit intr-unul mai putin obisnuit se numesc codificatoare sau codoare, pe cand cele care mijlocesc transpunerea invers se numesc decodificatoare sau decodoare.

In tehnica masur rii cele mai uzuale sunt codoarele care mijlocesc transpunerea datelor din cod zecimal in cod binar sau in cod hexazecimal precum si decodoarele corespunz toare.

Codoare zecimal-binare. Schema unui codor zecimal-binar natural (cu ponderile 8421) este prezentat in figura 12,b, iar in figura 12,a este prezentat tabelul de corespondent dintre intr rile si iesirile ale acestui codor. Din cele zece intr ri numai una poate fi pus pe 1 si celelalte pe 0, pe cand iesirea apare intotdeuna ca o combinatie de semnale logice ale celor patru ranguri (cifre) binare.

Tabelul 4. Codificarea catorva nivele in coduri bipolare

pentru un convertor de 10 biti si tensiune -5V ÷ 5V.

Fig. 12.Codor cod zecimal - cod binar natural:

a)        corespondenta intrare-iesire; b) schema logic

Decodoare binar-zecimale. Pentru transpunerea datelor din cod binar codificat zecimal in cod zecimal in vederea vizualiz rii acestora cu tuburi NIXIE se folosesc decodoare ca cel din figura 13.

M rimea de intrare alc tuit din cuvinte de patru biti a₃a₂a₁a₀ este aplicat la cele patru borne de intrare, iar decodorul va genera semnal logic 1 la numai una din bornele de iesire numerotate cu 0, 19, celelalte rǎmanand pe semnal 0. De exemplu, intrarea binar 0110 va genera semnal 1 la iesirea 6.

Fig. 13. Decodor binar-zecimal.

4. CONVERSIA NUMERIC - ANALOGICǍ

In cazul conversiei numeric-analogice o succesiune de valori numerice este transformata intr-un semnal analogic, variabil in tepte. Dup modul in care semnalul numeric este acceptat de c tre CNA deosebim:

- CNA de tip paralel la care toti bitii cuvantului de intrare sunt preluati si prelucrati simultan;

- CNA de tip serie la care bitii unui cuvant sunt preluati si prelucrati succesiv.

4.1. Conversia numeric-analogic de tip paralel

Principiul conversiei numeric analogice

Conversia cod binar - tensiune. Este cea mai uzual are la baz relatia care exprim corespondenta dintre un num r subunitar exprimat in cod binar natural prin secventa a_la₂.a_n si echivalentul s u, N₁₀, exprimat in cod zecimal, adic relatia:

(7)

Relatia 7 sugereaz ideea folosirii unui sumator cu n intr ri, bazat pe insumarea curentilor, avand ponderile relative 2^-1, 2^-2,, 2^-n , pentru a da la iesire un semnal U = N₁₀ ca sum a cifrelor semnificative a₁, a₂,, a_n multiplicate cu ponderile respective - vezi 3.1 si figura 14.,a.

Elementele esentiale ale unui astfel de CNA sunt: sumatorul, o retea de elemente de ponderare a intr rilor si comutare si un registru de intrare.

Fig. 14. Conversia cod binar - tensiune:

a) schema de principiu; b) schema electric

Conversia cu retea de rezistente ponderate

Un CNA electronic modern este alc tuit dintr-un AO cu reactie prin R, dintr-o retea de n rezistente de intrare cu valori ce difer intre ele cu o putere a lui 2 (se presupune c se foloseste cod cu ponderile 8421), din comutatoarele binare K₁, K₂,, K_n (de tip electromagnetic sau electronic), din registrul de intrare, RI, de n biti, si dintr-o surs de tensiune U_ref - fig. 14,b.

Cand un bit, a_k, are valoarea logic 1, acesta prin intermediul comutatorului aferent conecteaz tensiunea U_ref la intrarea corespunz toare, in caz contrar cand a_k = 0, acesta pune la mas intrarea respectiv

Tensiunea U_ref, aplicat la intrare produce pe rezistenta aferent o c dere de tensiune proportional cu valoarea acestei rezistente si un curent proportional cu inversul acesteia. Astfel, curentul rezistorului R₂, adic I₂ este egal cu 2^-1 I_1, iar curentul I_n = 2^-nI_l, avand ponderea cea mai mic . In acest fel la iesirea sumatorului se obtine tensiunea:

(8) Tensiunea de referint U_ref este egal cu cea mai mare tensiune de iesire pe care o poate da CNA atunci cand toti bitii de intrare au valoarea logic 1. Uzual ea se alege intre limitele 5V - 10V. Tensiunea de iesire poate fi dublat sau injum tǎtit dac se schimb raportul dintre R si toate rezistentele de intrare R₁ - R_n. Astfel dac raportul R/R_k (k = 1,2,,n) se dubleaz , se dubleaz U_e.

Convertoare decadale. Convertoarele care realizeaz conversia oric rei cifre din cod zecimal, exprimate printr-o tetrad de cifre binare, intr-o tensiune se numesc CNA decadale si se folosesc la conversia intr-o tensiune a numerelor exprimate in BCD.

Conversia BCD-tensiune se poate face in mai multe moduri folosind pentru fiecare decad a num rului de intrare cate un convertor decadal. Vom prezenta dou din tipurile de convertoare de acest fel.

Convertor BCD - tensiune cu retea pe iesire. Un astfel de codificator cu n ranguri zecimale este alc tuit din n codificatoare decadale BCD - tensiune cu iesire pe o scar de rezistente de cuplaj R_c plasate pe iesire, care asigur o atenuare de 1/10 de la o decada la alta, asa cum se vede in figura 15, unde pentru simplificare se prezint schema unui CNA cu trei ranguri zecimale.

Fig.15. Convertor BCD zecimal cu trei ranguri zecimale.

Convertor BCD-tensiune cu retea pe intrare. O alt variant de conexiune a convertoarelor decadale este prezentat in figura 16 unde ponderea rangurilor zecimale se face printr-o scar de rezistente plasate pe intrare.

Convertoarele prezentate mai inainte prezint dezavantaje legate de sortimentul relativ mare de rezistente folosite si de consecintele aferente: diferente de valori, influenta temperaturii mediului s.a.

Fig.16. Convertor BCD zecimal cu retea pe intrare.

Conversia cu retea R-2R

Convertoarele cu retea R-2R, denumite si convertoare cu rezistente in scar folosesc numai dou valori de rezistente, eliminand astfel dezavantajele convertoarelor descrise mai inainte si prezentand unele avantaje care justific fabricarea si utilizarea lor sub form de circuite integrate.

Schema de principiu a unui CNA unipolar cu patru biti este prezentat in figura 17. Este alc tuit din amplificatorul operational AO, din reteaua de rezistente R-2R, din reteaua de comutatoare comandate de numarul binar, depozitat in registrul de intrare RI.

Reteaua de rezistente din figura 17 se comport ca un divizor de curent. Dac o intrare, de exemplu intrarea a_k (k = 1,2,,n) este conectat la tensiunea de referint , U_ref, curentul produs de intrarea respectiv este cel mai mare dac a_k = a₁. Curentii produsi de celelalte intr ri, conectate la U_ref, sunt divizati cu 2^k cel mai mic fiind cel de la intrarea cea mai indepartat de sursa de tensiune U_ref. Prin urmare, curentul corespunz tor oric rui rang de intrare si deci si tensiunea de iesire sunt ponderati binar in functie de num rul de noduri dintre intrare si AO, cel mai semnificativ rang fiind cel de lang AO.

Fig. 17. CAN unipolar cu retea R - 2R.

Din analiza acestei scheme, pe baza unor calcule se deduce c un astfel de convertor realizeaz aceeasi relatie de dependent intrare-iesire ca si relatia (8). In plus reteaua R-2R are intotdeauna aceeasi rezistent echivalent la iesire indiferent de modul de conectare a intr rilor - proprietate foarte important in legarea retelei de rezistente cu amplificatorul operational. Un astfel de convertor poate lucra si in regim bipolar dac reteaua de rezistente se extinde in domeniul negativ alimentat cu o surs cu tensiunea - U_ref.   

Convertoarele cu retea R-2R inversat . La un astfel de CNA intrarea in reteaua R-2R isi schimb locul cu iesirea - vezi figura 1

Fig.1 CAN unipolar cu retea R - 2R inversat

In acest fel se obtine o schem in care curentii din rezistoare sunt aceiasi indiferent de pozitia comutatoarelor cu efecte favorabile atat in ce priveste fabricatia, cat si exploatarea.

O astfel de schem st la baza fabric rii CNA DAC 08 fabricate in tar sub forma de circuite integrate.

4.2. Conversia numeric-analogic de tip serie

Principiul metodei. In figura 19 este prezentata schema de principiu a conversiei serie. Semnalul de convertit [a] se aplica la intrarea CNA sincronizat cu semnalul de tact U_cd care comanda conversia pe rand a fiecarui bit din [a]. Dup cum se stie cuvantul binar [a] = a₁ a₂,, a_n-1 a_n reprezint in cod zecimal num rul fractionar N = a₁2^-1 + a₂2^-2 + + a_n-12^-(n-1) + a_n2^-n, numar care se mai poate scrie si sub forma:

, (9)

form care sugereaz conversia serie a num rului .

Fig. 19. Schema de principiu a conversiei NA serie.

Dispozitivul de esantionare si retinere DER₁ este comandat de semnalul de tact U_cd, iar comutatorul electronic, CE, este comandat de semnalul de intrare [a]. Pe durata fiec rei perioade a semnalului U_cd se comand esantionarea si memorarea tensiuniide la iesirea

Comutatorul CE furnizeaz la iesirea sa un semnal egal cu U_ref dac bitul care urmeaz s fie convertit este 1 sau egal cu 0 V dac acesta este zero. Dac bitul aplicat la intrare este 1 logic tensiunea de referinta se adaug la tensiunea obtinut la sfarsitul perioadei precedente, U_k-₁, asa incat tensiunea furnizat la sfarsitul unei perioade de memorare, k, aeste:

(10)

Dac la inceputul perioadei de conversie U_e = 0, iar cuvantul de convertit este de 4 biti; a₁ a₂ a₃ a₄ (a₄ fiind cel mai putin semnificativ) atunci echivalentul analogic al acestui cuvant se obtine la iesirea CNA dup patru perioade de tact dup cum urmeaz

(11)

Semnalul obtinut dup ultima perioad de tact reprezint valoarea convertit a cuvantului binar aplicat la intrare. Deoarece valoarea lui se p streaza numai pe perioada unui tact, inainte de inceperea unui nou ciclu de convertire aceast valoare este preluat de un DER suplimentar, DER₂, de unde s poat fi preluat ca m rime de iesire. Semnalul de tact pentru DER₂ se obtine din U_cd pe baza diviz rii frecventei cu n, realizate de divizorul de frecvent DF.

Principala caracteristic a acestui tip de conversie const in faptul c structura convertorului este aceeasi indiferent de num rul de biti ai cuvantului de convertit dar timpul de conversie creste cu cresterea lui n.

In figura 20 este prezentat schema simplificat a unui CNA de acest tip. In timpul primei semiperioade a unui impuls de tact T_k, CE₂ este inchis iar AO realizeaz insumarea tensiunilor a_n-kU_ref si U₂ (tensiunea de iesire a DER de tip inversor), conform relatiei:

(12) In timpul celei de a doua semiperioade T_k, CE₂ se deschide iar condensatorul C mentine constant tensiunea de la iesirea AO. Pe aceast durat DER p streaz relatia U₂ = - U₁.

Aceasta procedura se continua pana se converteste si ultimul bit, cel mai putin semnificativ. Pe semiperioada ultimului impuls de comanda al unui ciclu de n biti se comanda DER₂ astfel incat se obtine U_e=U₂. In ultima semiperioada a ciclului de conversie comutatoarele CE₂ si CE₃ vor fi inchise pentru a permite descarcarea condensatorului C, si inceperea unui nou ciclu de conversie.

Fig. 20. Schema unui CAN de tip serie.

5. CONVERTOARE ANALOG-NUMERICE

Consideratii generale

In cazul conversiei analog-numerice un semnal analogic (tensiune) U_i este transformat intr-un cod numeric N₂ pe baza relatiei

,

unde U_ref este un semnal (tensiune) de referint iar k este un factor de scar

Ca exemplu, in tabelul 5 este prezentat dependenta intrare-iesire (caracteristica de transfer) a unui convertor analog numeric cu semnal de intrare monopolar 0 - 10 Vcc si iesire pe 8 biti iar in figura 21 sunt prezentate caracteristicile de transfer ale unui CAN monopolar cu intrare 0 - 10 Vcc si iesire pe 8 biti si a unui CAN bipolar cu intrare bipolar -10 . +10 V si iesire pe 8 biti.

Tabelul 5. Dependenta I/E la convertoare unipolare de 8 biti/10 V cc

5.2. Tipuri de CAN

In prezent exist o mare diversitate de metode de conversie AN care stau la baza unei diversitǎti tot atat de mari de CAN. Clasificarea acestora se poate face dup numeroase criterii, cele mai importante dintre ele fiind prezentate in continuare.

Prin conversia analog-numericǎ se realizeazǎ si o mǎsurare, deoarece fiecǎrei valori a mǎrimii esantionate, se atribuie un numǎr intreg de cuante, exprimat in cod numeric, adicǎ, se asociazǎ mǎsura.

Dup num rul de transform ri la care este supus semnalul de intrare pentru a deveni cod numeric deosebim:

- CAN directe cu o singur transformare;

- CAN cu mai multe transform ri succesive.

Convertoarele din prima categorie generez codul (cuvantul) de iesire operand direct asupra semnalului de intrare intr-o singur etap , pe cand la convertoarele din cealalt categorie se realizeaz mai intai o conversie a semnalului de intrare (curent, tensiune) intr-o m rime intermediar (frecventa, interval de timp s.a.) ca apoi aceast m rime s fie transformat (digitizat ) in form numericǎ in douǎ sau mai multe etape

Dup caracterul secventei de conversie deosebim:

- CAN cu secvent avand un num r fix de subsecvente;

- CAN cu secvente avand un num r variabil de subsecvente

Fig.21. Caracteristicile de transfer ale unui CAN:

a) monopolar cu 0-10 V pe 8 biti; b) bipolar cu -10 . +10V pe 8 biti.

Convertoarele din prima categorie genereaz codul numeric de iesire dup o secvent fix de operatii, secvent care este executat intotdeauna (pentru orice amplitudine sau polaritate a semnalului de intrare) in aceleasi conditii (num r si durata operatiilor) indiferent de marimea si polaritatea semnalului de intrare.

Convertoarele din a doua categorie efectueaz anumite operatii care se succed in timpul conversiei, f r ins ca aceste operatii s se execute la aceleasi intervale de timp pentru orice amplitudine a semnalului de intrare. Timpul de conversie la aceste echipamente este dependent de m rimea semnalului de intrare.

Dupa structura intern distingem:

- CAN cu structur deschis f r reactii;

- CAN cu structur inchis cu reactii.

La convertoarele f r reactie, determinarea valorii logice a fiec rui bit este independent de valoarea celorlalti biti. Acesta este cazul CAN de tip paralel (Flash convertors) la care toti bitii sunt generati in acelasi timp.

La convertoarele cu reactie in cele mai multe cazuri in bucla de reactie se afl un CNA. Semnalul analogic de iesire al acestuia este determinat de codul numeric de la iesirea CAN. Din aceast cauz codul numeric de la iesirea CAN nu se genereaz simultan, in paralel, ci se genereaz secvential. Sub aspectul secventierii, CAN din aceast categorie pot fi:

- CAN care generez cuvantul de iesire bit dup bit;

- CAN care au alt mod de generare

Secventa de conversie al convertoarelor din prima categorie este imp rtit intr-un anumit num r de subsecvente pe durata c rora se stabileste valoarea unui num r definit de biti. Dac pe durata fiec rei subsecvente se stabileste valoarea unui singur bit convertorul este de tip serie, iar dac in cadrul unei subsecvente se determin valorile a mai multor biti, convertorul este de tip paralel-serie.

In a doua categorie sunt incluse unele CAN care folosesc in bucla de reactie un CNA comandat de un num r tor de impulsuri.

Dup codul in care se exprim iesirea, distingem:

- CAN cu iesire in cod binar natural;

- CAN cu iesire in cod zecimal;

- CAN cu iesire in cod special.

Dup natura semnalului de referint deosebim:

- CAN cu semnal de referint variabil (liniar sau in trepte);

- CAN cu un set de semnale de referint constante.

5.3. Convertoare AN de tip paralel

La baza echipamentelor de acest fel st principiul compar rii semnalului de intrare U_i cu un set de semnale de referintǎ cu valori echidistante. Pentru un CAN cu iesire pe n biti semnalul analogic U_i se aplic simultan la intr rile neinversoare ale celor 2ⁿ comparatoare de tip analogic - figura 22.

Tensiunile de referint pentru fiecare comparator sunt preluate de pe un divizor de tensiune rezistiv format din 2ⁿ + 2 rezistoare (2ⁿ dintre acestea au rezistenta R iar celeelalte dou au rezistenta R/2), conectate in serie si alimentate cu tensiunile de referint U_RS de nivel superior, U_RI de nivel inferior si U_RM de nivel mediu - aceasta din urm servind la ajustarea liniaritǎtii convertorului.

Toate comparatoarele care au tensiunea de referint mai mic decat tensiunea semnalului de intrare vor avea iesirea pe valoarea logic 1, iar cele care au tensiunea de referint mai mare decat U_i vor avea iesirea pe valoarea 0. Comparatoarele sunt strobate astfel incat transferul iesirilor lor s aibe loc simultan fie pe frontul cresc tor al semnalului de tact CLK, fie pe frontul caz tor al acestuia.

La iesirea circuitelor de intrare si comparare rezultatul masurarii este furnizat in cod numeric binar pe 2ⁿ-1 biti. Astfel, daca divizorul tensiunii de referinta ar avea opt sectiuni s-ar putea discrimina opt valori ale semnalului analogic aplicat la intrare, asa cum se arata in tabela 6.

Tabelul 6. Conversia din cod pe 2ⁿ-1 biti in cod pe n biti (cazul n=3)

Codul numeric pe 2ⁿ-1 biti este impus de operatia de comparare in paralel. Acesta insa nu poate fi folosit ca atare deoarece este neeconomic. Cele 2ⁿ valori numerice pot fi transpuse in cod binar natural pe numai n biti asa cum se arata in partea finala a tabelei 6, unde pentru simplificare se are in vedere un CAN cu n=3.

Trecerea de la numǎrul pe biti la acelasi numǎr dar pe n biti se face cu ajutorul unui schimbǎtor de cod, in douǎ etape.

In prima etap are loc schimbarea codului furnizat de comparatoare intr-un cod, tot de 2ⁿ biti la care fiecare cuvant de cod contine un singur 1 pe pozitia corespunz toare ultimului comparator care a basculat din 0 in 1. Transferul acestui nou cod c tre registru are loc pe frontul c z tor al semnalului de tact.

In a doua etap acest cod (care contine 2ⁿ cuvinte de cod cu sens) se schimb intr-un cod de n biti care se aplic portilor SAU-EXCLUSIV. Aceste porti sunt comandate de semnalele LINV (inversarea bitilor D_o - D₆) si MINV (inversarea bitului D₇) astfel incat in functie de valorile logice ale acestor dou semnale s se obtin la iesire semnalul numeric in cod binar in complement fat de 2, in complement fat de 2 inversat sau in complement fat de 1.

Unul din principalele avantaje ale acestui tip de conversie il constituie viteza de conversie foarte mare (ultrainalt ), timpul de conversie fiind de 8-10 ns. Ca dezavantaj se remarc faptul c num rul de comparatoare creste exponential in raport cu rezolutia n si c aceast crestere complic si logica de codificare care este insotit si de cresterea timpului de propagare a semnalelor.

Avand in vedere clasificarea f cut anterior deducem c acest tip de convertor este un convertor direct, f r reactie si cu ciclu fix de conversie.

5.4. Convertoare de tip serie-paralel

La acest tip de CAN cei n biti ai cuvantului de iesire sunt elaborati in grupuri de cate q biti cu ajutorul a p CAN de tip paralel (astfel incat n = pq).

Ca exemplu, in figura 23 este prezentat un CAN cu iesire pe 6 biti, care sunt elaborati doi cate doi (q = 2) de c tre trei CAN de tip paralel (p = 3) de mare vitez

Fig. 22. Convertor analog-numeric de tip paralel.

Din structura acestui convertor fac parte convertoarele CAN₁, CAN₂ si CAN₃, convertoarele CNA₁ si CNA₂ si dou module analogice care realizeaz operatiile de sc dere si multiplicare cu 4. Fiecare CAN este alc tuit din trei comparatoare, fiecare avand trei intr ri pe care se aplic tensiunile: , unde U_ref este tensiunea de referint , aceeasi atat pentru CAN, cat si pentru CNA.

Cele doua module analogice elaboreaza semnalele:

(14)

CAN₁ determina relatia tensiunii de intrare in raport cu cele trei tensiuni de referinta, furnizand la iesire cei doi biti cei mai semnificativi a₁ si a₂. Acesti biti sunt aplicati la intrarea CNA₁ pentru a obtine semnalul:

(15)

Fig. 23. CAN de tip serie-paralel.

Modulul analogic MA₁ produce la iesire tensiunea U_A:

(16)

CAN₂ determin valorile bitilor a₃ si a_4, care sunt aplicati la intrarea CNA₂ pentru a obtine:

(17)

tensiune care aplicat la intrarea MA₂ impreun cu semnalul A, este transformat in semnalul

(18)

Aplicat la intrarea CAN₃, tensiunea U_B este convertit in ultimii doi biti mai putin semnificativi a₅ si a₆, adic

(19) Prin eliminarea m rimilor U_A si U_B din ultimele relatii se obtine:

(20) Acest tip de conversie intruneste avantajele CAN de tip paralel cu rezolutie mic si se foloseste in aplicatii care nu necesit viteze de conversie extrem de mari. Continand un num r relativ redus de componente (comparatoare) sunt mai ieftine decat cele de tip paralel. Se utilizeaz la digitizarea semnalelor video, in osciloscoape digitale ultrarapide, in aplicatii radar s.a.

In afarǎ de tipurile de convertoare anolog-numerice descrise mai inainte existǎ, desigur, si alte tipuri reprezentative, folosite indeosebi in structura voltmetrelor numerice.Unele dintre acestea sunt prezentate in 9.3.

Intrebari / Subiecte de control

Ce se intelege prin conversia marimilor?

Descrieti relatia de conversie analog - numerica.

Descrieti principalele operatii ce au loc in cadrul unui CAN

Prezentati si comentati structura unui dispozitiv de esantionare.

Prezentati si comentati principalele caracteristici ale unui CAN.

Comentati caracteristica de transfer a unui convertor analog - numeric.

Comentati principalele coduri folosite in cadrul conversiei analog - numerice.

Descrieti relatia de conversie numeric - analogica.

Prezentati si comentati schema unui CNA decadal, cod binar - tensiune.

Dupa ce criterii pot fi clasificate convertoarele analog - numerice?