ADC és DAC rendszer mérése

Óbudai Egyetem Kandó Kálmán Villamosmérnöki Kar Mikroelektronikai és Technológia Intézet ADC és DAC rendszer mérése Készítette: Nagy Gábor Budapest, 2012. december. 01. 1

Mérőpanel Blokkvázlat 2

Mérési összeállítás Bevezetés Az Ön előtt látható mérőpanel első, vagyis bemeneti fokozata egy differenciálerősítő. Ez a fokozat biztosítja a szimmetrikus jelet a kapcsolás következő fokozata számára, még akkor is, ha a bemenetre egy nem szimmetrikus jelet kapcsolunk. Továbbá ez a fokozat felezi a bemenetre kapcsolt jel amplitúdóját. A differenciálerősítő kimenetéről a jel egy analóg-digitál konverter (ADC) bemenetére kerül. Az ADC a bemenetére érkező analóg jelet digitalizálja. Az átalakítás elve jelen esetben fokozatosan közelítő (SAR) eljárás. Az alkalmazott ADC felbontása 8bit. Az ADC kimenete soros interface (3 vezetékes) segítségével kommunikál a mikrokontrollerrel (MCU). Az MCU biztosítja az összeköttetést és a szinkronizációt az ADC és a digitál-analóg konverter (DAC) között, illetve az áramkör vezérlését is ez a modul látja el. Az MCU egy 8 bites PIC, mely 20MHz-es órajellel üzemel. Az MCU soros interface (4 vezetékes) segítségével kommunikál a DAC-al. A DAC felbontása ugyancsak 8 bites, és a kimenetén ismételten analóg jel jelenik meg. A DAC-nek fele akkora referencia-feszültségre van szüksége, mint az ADC-nek, ugyanis a DAC kimenetén egy kétszeres szorzó áramkör található, még az integrált áramkörön belül. Az ADC és a DAC működéséhez szükséges referencia feszültséget egy referencia IC állítja elő. A referencia feszültség követő üzemmódba állított műveleti erősítőkön keresztül jut el az ADC és a DAC-hez. A műveleti erősítőkre azért van szükség, hogy ne terheljük a referencia feszültséget előállító IC-t. Az áramkör működéséhez +15V-ra, -15V-ra és +5V-ra van szükség. Az áramkörben található három stabilizátor IC állítja elő ezeket a feszültségeket, így a tápfeszültség bemenetére mindössze ±16V-ot kell kapcsolni. 3

Mérési feladatok 1. A differenciálerősítő jelalakjainak vizsgálata Földfüggetlen tápegység segítségével állítson elő ±16V nagyságú feszültséget, majd csatlakoztassa ezt a mérőpanel megfelelő csatlakozóihoz (V DD, V SS, )! Mielőtt feszültség alá helyezné az áramkört, állítsa a tápegységet olyan üzemmódba, hogy az kijelezze a felvett áram értékét, így nyomon tudja követni, hogy az áramkör áramfelvétele működés közben nem túl nagy-e. Az áramfelvétel maximum 80mA lehet a két tápegységen külön-külön. A differenciálerősítőnek két bemenete (U BE+, U BE- ), illetve két kimenete (U KI+, U KI- ) van, melyek mindegyikéhez tartozik egy-egy kivezetés. A panelon az összes pont össze van kötve egymással, és ezek a tápegység közösített pontjához csatlakoznak. A függvénygenerátor segítségével állítson elő szinusz jelet (U=2V PP, f=1khz) egyenszint eltolás és sweep üzemmód nélkül! A függvénygenerátor kimenetére helyezzen BNC-T elágazást! Így az egyik kábelt az oszcilloszkóp CH1 bemenetére, a másikat pedig a differenciálerősítő bemenetére kapcsolhatja különböző módokon. A differenciálerősítő kimeneteit az oszcilloszkóp CH2 csatornájára kapcsolhatja különböző módokon. A differenciálerősítő bemenetére és kimenetére kilencféleképpen csatlakoztathatja a függvénygenerátort és az oszcilloszkópot. A következő táblázatokban foglalom össze, hogyan kell csatlakoztatnia a négy kábelt, illetve a rövidzárat (ha nem használjuk valamelyik bemenetét a differenciálerősítőnek, azt kössük le a -re, így elkerülhetjük a bemenet lebegését). Mind a kilenc lehetőségnél rajzolja fel a bemeneti, illetve a kimeneti jelalakokat fázis- és amplitúdó helyesen! Határozza meg minden esetben az erősítést és a fázistolást, illetve minden elrendezéshez fűzzön magyarázatot! 1. összeállítás + - 4. összeállítás + - 7. összeállítás + - 2. összeállítás + - 5. összeállítás + - 8. összeállítás + - 3. összeállítás + - 6. összeállítás + - 9. összeállítás + - 4

2. Maximális bemeneti feszültség mérése Csatlakoztasson a bemenetre 1kHz frekvenciájú szinusz jelet egyenszint eltolás és sweep üzemmód nélkül! A kimenetet csatlakoztassa az oszcilloszkópra! Növelje a bemeneti feszültséget, közben figyelje a kimenetet, hogy tud-e akkora bemeneti feszültséget rákapcsolni az áramkörre, aminél a kimeneti jelalak már torzul! Jegyezze fel a maximális kimeneti, illetve a maximális bemeneti feszültség nagyságát, ahol a kimeneti jelalak még nem torzított! Végezze el a mérést mind a kilenc összeállításban, melyeket az első mérés folyamán ismertettem! 3. A differenciálerősítő frekvenciafüggése A bemenetre csatlakoztasson egy függvénygenerátort, a kimenetre pedig egy oszcilloszkópot, az első számú mérés első összeállítása szerint! A bemenetre adjon szinusz jelet (U=2V PP ), egyenszint eltolás és sweep üzemmód nélkül, majd állítsa a függvénygenerátort a legalacsonyabb frekvenciára, és kezdje el növelni egészen 10MHz-ig! Vegye fel a differenciálerősítő kimeneti feszültségének a frekvenciafüggését körülbelül 30 pontban, majd ábrázolja azt grafikonon! A kritikusabb helyeken ahol a kimeneti feszültség hirtelen változik, végezzen több pontban mérést, viszont ahol a kimeneti feszültség viszonylag állandó, ott elég kevesebb pontban mérést végeznie. Szöveges válaszban adja meg, mekkora a differenciálerősítő alsó határfrekvenciája! A mérésből látható, hogy az erősítő frekvencia átviteli tartománya viszonylag nagy. Ezenkívül láthatja a mérőpanelen, hogy a differenciálerősítő IC-n hűtőborda található a magas hőmérséklet disszipáció miatt. Ezek függvényében állapítsa meg, hogy az erősítő munkapont beállítása milyen osztályba sorolható! 4. Közös módusú feszültségelnyomás mérése Kapcsolja mind a két bemenetre ugyanazt a szinusz jelet (U=2V PP, f=1khz, egyenszint eltolás és sweep üzemmód Mérjen feszültséget a két kimenet között! Elméletben, ha a differenciálerősítő két félerősítője teljesen ugyanolyan paraméterekkel rendelkezne, akkor a kimenetek között nulla potenciálkülönbség jelenne meg. A mért feszültséget ossza el a bemenetre kapcsolt feszültséggel, így megkapja a közös módusú erősítést. A közös módusú erősítéssel ossza el a szimmetrikus erősítést (1. feladat, 1. mérési összeállításában mérve)! Az eredmény egy viszonyszám lesz, melyet adjon meg decibelben! Ez az érték lesz a differenciálerősítő közös módusú feszültségelnyomása. 5. Beat frekvencia szemléltetése Kapcsoljon mind a két bemenet és az ahhoz tartozó közé egy-egy szinusz jelet (U=2V PP, f=1khz, egyenszint eltolás és sweep üzemmód nélkül) két különböző függvény generátorról! A pozitív kimenetet az oszcilloszkóp CH1 csatornájára, a negatív kimenetet pedig az oszcilloszkóp CH2 csatornájára kösse, azonos amplitúdó beállítással! Használja az oszcilloszkóp DUAL üzemmódját! Magyarázza meg a kimeneti jelenséget, amit az oszcilloszkópon lát! 5

6. A rendszer teljes átviteli csillapításának mérése Kapcsoljon a bemenetre (U BE+, U BE- ) szinusz jelet (U=2V PP, f=100hz, sweep üzemmód Az oszcilloszkóp egyes csatornáját kapcsolja az U KI+ és U KI- közé, kettes csatornáját pedig az U KI A kimenetre! meg nem jelenik a teljes szinusz jel! Ezután olvassa le a két jelalak U PP feszültségszintjét! Ossza el az oszcilloszkóp kettes csatornájáról leolvasott feszültségértéket az egyes csatornáról leolvasottal, a kapott eredményt számítsa át decibelbe, így megkapja a rendszer átviteli csillapítását. Ne feledkezzen meg arról, hogy ez az érték három modul csillapítását mutatja meg (ADC, MCU, DAC)! Természetesen a teljes rendszerhez hozzátartozik az első modul is, a differenciálerősítő, de ennek a csillapításával jelen estben nem számolunk, ugyanis nem lenne értelme, mert alapból olyan üzemmódba van állítva, hogy a bemenetére érkező jelet csillapítsa. Jelen mérésnél törekedjen az oszcilloszkóp megfelelő beállítására, ugyanis ha nem állítja DC üzemmódba, akkor a műszer nem fogja mutatni az egyenszint eltolást. 7. A rendszer határfrekvenciájának mérése Kapcsoljon a bemenetre (U BE+, U BE- ) szinusz jelet (U=2V PP, sweep üzemmód meg nem jelenik a teljes szinusz jel! Változtassa a függvénygenerátor frekvenciáját, és határozza meg azt a frekvenciatartományt, ahol a rendszer működőképes, vagyis a kimeneten megközelítőleg ugyanaz a jel jelenik meg, mint amit a bemenetre kapcsolt. 8. A rendszer késleltetési idejének mérése Kapcsoljon a bemenetre (U BE+, U BE- ) négyszög jelet (U=2V PP, f=100hz, sweep üzemmód meg nem jelenik a teljes négyszög jel! A bemenetet (U BE+, U BE- ) kapcsolja az OSC CH1-re, a kimenetet (U KI A ) pedig az OSC CH2- re! Kurzorok segítségével mérje meg a bemenet és a kimenet közötti késleltetési időt! 9. A kimeneti jelalak felfutási és lefutási idejének mérése Kapcsoljon a bemenetre (U BE+, U BE- ) négyszög jelet (U=2V PP, f=100hz, sweep üzemmód meg nem jelenik a teljes négyszög jel! A bemenetet (U BE+, U BE- ) kapcsolja az OSC CH1-re, a kimenetet (U KI A ) pedig az OSC CH2- re! Triggerelje az oszcilloszkópot a CH2 csatorna felfutó éléhez, majd mérje meg kurzor segítségével a felfutási időt! Ezután triggerelje az oszcilloszkópot a CH2 csatorna lefutó éléhez, majd mérje meg kurzor segítségével a lefutási időt! 6

10. A DAC kimeneti feszültégének számítása Kapcsoljon a bemenetre (U BE+, U BE- ) háromszög jelet (U=2V PP, f=200hz, sweep üzemmód meg nem jelenik a teljes háromszög jel! A bemenetet (U BE+, U BE- ) kapcsolja az OSC CH1-re, a kimenetet (U KI A ) pedig az OSC CH2- re! Triggerelje az oszcilloszkópot a CH2-re! Csökkentse a bemeneti frekvenciát addig, amíg az oszcilloszkópon meg nem jelenik egy olyan kimeneti jel, ahol a háromszög jelen a lépcsők jól láthatóan kirajzolódnak! Számolja meg a lépcsőket! Ha a referencia-feszültség értékét elosztja 256-al (ugyanis az átalakító 8-bites), akkor megkapja egy lépcső értékét. Ezt megszorozva a lépcsők számával, elvileg megkapná a kimeneti feszültség értékét, de a DAC referencia feszültsége csak 2,5V, mert a kimenetén egy kétszeres buffer van. Ezért ezt az értéket meg kell szorozni kettővel. Így megkapjuk a kimeneti feszültség értékét, ezt hasonlítsuk össze a mért értékkel! 11. A rendszer áramfelvétele, a bemeneti feszültség függvényében Kapcsoljon a bemenetre (U BE+, U BE- ) szinusz jelet (f=100hz, sweep üzemmód meg nem jelenik a teljes szinusz jel! A bemenetet (U BE+, U BE- ) kapcsolja az OSC CH1-re, a kimenetet (U KI A ) pedig az OSC CH2- re! Növelje a bemeneti feszültséget 0V PP -től 5V PP -ig! 500mV-onként jegyezze fel a tápegységből felvett áramot (a két csatorna értékét adja össze)! Az értékeket ábrázolja grafikonon! 12. A működéséhez szükséges minimális tápfeszültség meghatározása Kapcsoljon a bemenetre (U BE+, U BE- ) szinusz jelet (U=1V PP, f=100hz, sweep üzemmód meg nem jelenik a teljes szinusz jel! A bemenetet (U BE+, U BE- ) kapcsolja az OSC CH1-re, a kimenetet (U KI A ) pedig az OSC CH2- re! Kezdje el csökkenteni a tápfeszültségek értékeket! Jegyezze fel azt a feszültségértéket, amelynél a kimeneti jelalak elkezd csökkeni, valamint jegyezze fel azt az értéket, amikor a kimeneti jel megszűnik! 7

13. Az MCU által használt jelek vizsgálata Mint azt a bevezetésben már korábban említettem, az ADC és a DAC közötti illesztést, szinkronizációt és vezérlést egy MCU biztosítja. Az MCU egy PIC16F690-I/P típusú mikrokontroller, mely 8 bites és 20MHz nagyságú órajelen üzemel. Az ADC és az MCU közötti kommunikáció három vezetékes soros interfészen keresztül történik. Vegyük sorra ezeket a vezetékeket! D OUT CS CLK Az ADC kimenete. Itt jelenik meg a bemenetre kapcsolt analóg jel digitalizált megfelelője. A kimeneti jel egy nyolc bit nagyságú számjegyes jel, mely két értéket vehet fel: HIGH illetve LOW. Az első bit az MSB, a nyolcadik pedig az LSB. A CHIP SELECT az ADC bemeneteként szolgál. Itt engedélyezhetjük a konverziót azzal, hogy a rajta lévő HIGH állapotot LOW-ba billentjük. A CLOCK bemenet a konverzió sebességének a vezérlésére, illetve a működés szinkronizálására szolgál. Az MCU és a DAC közötti kommunikáció négy vezetékes soros interfészen keresztül történik. Vegyük sorra ezeket a vezetékeket! D IN CS SCLK FS A DAC bemenete. Az MCU az ADC által digitalizált jeleket erre a bemenetre juttatja. A CHIP SELECT az DAC bemeneteként szolgál. Itt engedélyezhetjük a konverziót azzal, hogy a rajta lévő HIGH állapotot LOW-ba billentjük. A SERIAL CLOCK bemenet. A konverzió sebességének a vezérlésére, illetve a működés szinkronizálására szolgál. A FRAME SYNCHRON bemenetnek akkor van jelentősége, ha több ilyen eszközt kapcsolunk párhuzamosan. Jelen esetben a LOW állapotot egy rövid időre HIGH-ba billentjük minden konverzió előtt, ezzel engedélyezve a működést. A ki- és bemeneti jelek ismeretében már könnyen leírható a rendszer működése. Az ADC bemenetére érkező analóg jel digitalizálása a következőképpen történik. Az áramkör bekapcsolásakor az ADC CS bemenet HIGH állapotban van. Amint ezt az állapotot LOW-ba helyezi az MCU, megtörténik a konverzió, és az ADC D OUT kimenetén számjegyes jel jelenik meg, melyet az MCU továbbít a DAC-nek. A DAC D IN bemenetére érkező számjegyes jel konverziója analóg jellé a következőképen történik. Az áramkör bekapcsolása pillanatában a DAC CS bemenete HIGH állapotban van. Amint az MCU ezt az állapotot LOW-ba helyezi, illetve az FS bemenetre engedélyező bitet ad, megindul a konverzió, és a DAC kimenetén analóg jel jelenik meg. Több dolgot is megfigyelhetünk, ha ezeket a jeleket a logikai analizátorra kapcsoljuk. Az MCU ugyanazon a vezetéken szolgáltatja az órajelet az ADC-nek és a DAC-nek. Az ADC egy konverziós ciklusa kevesebb idő alatt zajlik le, mint a DAC-é. 8

Mivel egyszerre nem működhet az ADC és a DAC, ezért egy ciklus alatt előbb az ADC, majd a DAC működik. Ezeket a két CS bemenettel vezéreljük úgy, hogy előbb az egyiket, utána a másikat helyezzük LOW állapotba, de sohasem egyszerre. Illetve ne feledkezzen meg arról, hogy a DAC minden konverziós ciklusa elején az FS bemenetét egy rövid ideig HIGH állapotba kell billentenie az MCU-nak. Az alább látható idődiagramok az ADC és a DAC hivatalos adatlapjaiból származnak és a vezérlés függvényében történő működést szemléltetik. A fentebb leírtakkal egybevetve a diagramokat, a rendszer működése már könnyen megérthető. Az ADC működésének idődiagramja [1] A DAC működésének idődiagramja [2] [1] Texas Instruments Incorporated TLC0831 1995 [2] Texas Instruments Incorporated TLV5623 2002 9

Mérési feladatok Kapcsoljon a bemenetre (U BE+, U BE- ) szinusz jelet (U=2V PP, f=100hz, sweep üzemmód Az oszcilloszkóp egyes csatornáját kapcsolja az U KI+ és U KI- közé, kettes csatornáját pedig az U KI A kimenetre! meg nem jelenik a teljes szinusz jel! Az oszcilloszkóp által megjelenített jelalakokat ezen mérés során csak ellenőrzésre használjuk, hogy az áramkörünk helyesen működik-e. A mérőpanel DIGITAL OUT kimenetéhez csatlakoztassa a logikai analizátor egyes számú bemenetét a megfelelő kábellel! Kapcsolja be a logikai analizátor első hat csatornáját! A csatornák bekötése a mérőpanelen fix, ezeken ne változtasson! A csatornák kiosztása a következőképpen alakul: Csatorna neve Csatorna száma Csatorna színe DAC IN kék S5 DAC FS zöld S4 DAC CS sárga S3 CLK narancs S2 ADC CS piros S1 ADC OUT barna S0 A logikai analizátor csatornáit triggerelje az órajelhez, vagyis az S2-höz! A STOP gomb segítségével merevítse ki a képernyőt egy olyan pillanatban, mikor az összes csatorna teljes jele szerepel a képernyőn! Az analizátor kurzorainak a segítségével mérje meg a következő paramétereket! a. Határozza meg, hogy az ADC CS mennyi ideig van LOW állapotban! Ebben az időintervallumban dolgozik az ADC. b. Határozza meg annak az időintervallumnak a nagyságát, ami az ADC CS LOW állapotba helyezése és az ADC OUT kimeneten megjelenő jel között telik el! c. Határozza meg, hogy a DAC CS mennyi ideig van LOW állapotban! Ebben az időintervallumban dolgozik a DAC. d. Határozza meg annak az időintervallumnak a nagyságát, ami a DAC CS LOW állapotba helyezése és a DAC OUT kimeneten megjelenő jel között telik el! e. Határozza meg, hogy a DAC FS mennyi ideig van HIGH állapotban! f. Határozza meg annak az időintervallumnak a nagyságát, ami a DAC CS LOW állapotba helyezése és a DAC FS HIGH állapotba helyezése között telik el! g. Határozza meg annak az órajelnek a periódus idejét, amelyik az ADC-t vezérli! h. Határozza meg annak az órajelnek a periódus idejét, amelyik az DAC-t vezérli! i. Mérje le annak a késleltetési időnek a nagyságát, ami az ADC CS HIGH állapotba helyezése és a DAC CS LOW állapotba helyezése között telik el. j. Mérje le annak a késleltetési időnek a nagyságát, ami a DAC CS HIGH állapotba helyezése és az ADC CS LOW állapotba helyezése között telik el. k. Mennyi idő telik el egy teljes konverziós ciklus alatt? Ez az intervallum az ADC CS LOW állapotba helyezésétől a DAC CS HIGH állapotba helyezéséig tart, ugyanazon ciklusban. 10

A felkészüléshez szükséges irodalom: Zsom Gyula: Digitális technika 2. (199-250) Zsom Gyula: Elektronikus áramkörök 1.A. (164-168) Molnár Ferenc: Elektronikus áramkörök 1.B. (189-208) Műszerútmutatók: A műszerútmutatókat feltétlenül tanulmányozza át a mérés előtt! http://mti.kvk.uni-obuda.hu/adat/tananyag/aha/hm400_scope.pdf http://mti.kvk.uni-obuda.hu/adat/tananyag/aha/leaptronix_logicanalyser.pdf http://www.elexp.com/a_data/ds1000d-ds1000e_manual.pdf http://www.soselectronic.hu/a_info/resource/l/hameg/hm8012.pdf http://www.akh.se/hameg/hm80/hm8030-6m.pdf http://www.testequipmentdepot.com/hameg/pdf/hm8040-3_manu.pdf A méréshez felhasznált eszközök: HAMEG HM400 RIGOL TDS1052E LEAPTRONIX LA-2025 HAMEG HM8040-3 HAMEG HM-8030-6 HAMEG HM-8012 analóg oszcilloszkóp digitális oszcilloszkóp logikai analizátor kettős tápegység függvénygenerátor digitális multiméter 11