Digitalizálás analóg-digitál konverterek segítségével

7.3.5 ábra

A 7.3.5. ábrán az egyik legegyszerûbb AD konverter blokkvázlatát rajzoltuk fel. A mûködés az idõdiagram alapján követhetõ. A vezérlõ egységbõl érkezõ, a mérést indító jel hatására egy igen nagy linearitású fürészfeszültség elõállítása indul meg. Ezzel egyidejûleg kinyílik az a kapu, mely egy nagy stabilitású oszcillátorból származó impulzusokat a számláló bemenetére juttatja. Ez az állapot mindaddig fennáll, míg a fürészfeszültség értéke el nem éri a mérendõ feszültség nagyságát. Ezt a komparátor áramkör jelzi, és a kapun keresztül az impulzusok továbbjutását megakadályozza. A mérés során tehát a mérendõ értékkel arányos számú impulzus került a számlálóba, és itt a mért érték pl. kettes számrendszerben, digitális formában rendelkezésre áll. Az AD konverterek áramköri részletei tulajdonképpen az elõzõ fejezetekben már mind tárgyalásra kerültek, itt csak azt említjük meg, hogy a komparátor rendszerint nem más, mint egy alkalmasan kiképzett hosszúfarkú pár.

7.3.6. ábra

Az áramkör érdekes változata látható a 7.3.6. ábrán. Ez az elõzõtõl abban tér el, hogy a fûrészgenerátor helyett egy digitál-analóg konvertert építünk be. Ez a DA konverter legegyszerûbb esetben egy ellenálláshálózat, melynek kapcsolása a 7.3.7. ábrán látható. A hálózat bemenõ generátorfeszültségei (U₁,U₂,U₃,...) pl. egy számlálólánc, bistabil multivibrátorainak kollektorfeszültségei lehetnek. Az áramkör alapjában véve kettõ egész kitevõjû hatványai szerinti súlyozott összeadást végez. Ha tehát a számláló tartalma idõben növekszik, akkor a DA konverter kimenete idõben növekvõ lépcsõzetes feszültség lesz. A fenti DA konverternek van azonban egy súlyos születési hibája: a benne szereplõ ellenállásértékek különbözõek, és a helyes mûködéshez ezek igen jelentõs relatív pontossága szükséges. Az integrált áramköri technika lényegében csak egyforma értékû, vagy nagyságrendileg azonos értéktartományú ellenállások gyártására alkalmas. Ezért a 7.3.8. ábra szerinti megoldás terjedt el.

7.3.7/8. ábra

Az AD konverzió fenti elvébõl következik, hogy a mérési idõ függ a mérendõ mennyiség értékétõl, ami a gyakorlatban szokatlan és kellemetlen effektus. Ezen segít az ún. szukcesszív approximációs konverter (7.3.9. ábra).

7.3.9. ábra

Ez nem lineárisan növekvõ komparáló feszültséget állít elõ, hanem a méréstartomány kettõ hatványai szerint felosztott részeivel való összehasonlítás során állítja elõ közvetlenül a mérendõ érték kettes számrendszerbeni megfelelõjét. A mérés vezérlõ része most bonyolultabbá válik; elõször megállapítjuk, hogy a mérendõ mennyiség kisebb, vagy nagyobb-e, mint a mérési tartomány fele, majd ezen vizsgálat eredményétõl függõen a mérendõ mennyiséget a mérési tartomány háromnegyed részével, illetve negyedrészével hasonlítjuk össze stb. Így a mérés befejezésekor a számláló a mért értéket kettes számrendszerben tartalmazza. (Az egész eljárás végsõsoron egy egész szám kettes számrendszerbeni megfelelõjének közismert keresése, de tekinthetjük egy optimális stratégiával barkochbázó automatának is.) A mérési idõ most csupán a számláló fokozatok számától, vagyis az igényelt mérési pontosságtól függ. Ez az eljárás tehát a nagyobb sebességért cserébe bonyolultabb vezérlõberendezést igényel. A digitális gépek/áramkörök jelenlegi helyzetében azonban ebbõl semmifajta hátrány nem származik, az approximációs konverterek igen elterjedtek. Sokhelyütt használják az ún. kettõs meredekségû AD konvertert is (7.3.10. ábra). Itt egy kondenzátort töltenek meghatározott ideig olyan árammal, mely arányos a mérendõ bemeneti feszültséggel. Ezután a kondenzátort fix árammal kisütik. A számlálóra az így kialakuló jel idõtartama alatt juttatnak impulzusokat. Kimutatható, hogy a megszámlált impulzusok száma nem függ az impulzusgenerátor frekvenciájának rövididejû változásaitól. Ez nyilván a mérés pontosságát növeli.

7.3.10. ábra

AD konvertereket igen változatos technikai adatokkal hoznak forgalomba, rendszerint egyetlen chip formájában. Ezek legfontosabb technikai adatai: a felbontóképesség és a konverzió idõtartama. A felbontóképességet általában bitekben adják meg, pl. 8, 10, 12, 16 bites stb. típusokat vásárolhatunk. A konverzió idõtartama érthetõen függ a felbontástól, általában 0.5 - 50 sec közötti ideig tart egy mérés. Az extrém gyors konverterek ( 10 nsec környéke) eléggé drágák. A kisebb pontosságú, lassabban mûködõ chipek egészen olcsók. Gondoljuk csak arra, hogy digitális multimétereket, digitális lázmérõket, stb. milyen viszonylag kicsiny összegért vásárolhatunk. Eddig csak az AD konverterek mérési elveivel foglalkoztunk. Meg kell azonban ismerkednünk néhány további fogalommal, áramkörrel is. A 7.3.11. ábrán feltüntettük a tágabb értelemben vett konverter vázlatát. Mivel a konverzió igencsak véges idõ alatt tud csak lefolyni, a tényleges konverter elõtt két fontos részegységnek kell szerepelnie. Ezek a mintavevõ, illetve tartó áramkörök. A 7.3.12. ábráról láthatjuk, hogy egy állandóan változó jelet csak úgy tudunk mérni, ha a mintavételi idõpontokban a jelbõl mintát veszünk, és ezt az értéket "megnyújtjuk" annyira, amennyi ideig a konverzió tart.

7.3.11/12. ábra

A két áramkörre láthatunk példát a 7.3.13. és 7.3.14. ábrákon. A mintavevõ áramkör feladata az, hogy csak akkor kerüljön a bemenõjel a kimenetre, ha az U_v vezérlõfeszültséggel azt engedéyezzük. Ha U_v negatív, akkor D₅ és D₆ diódák nyitottak, de az összes többi dióda zárt, a bemenet tehát nem juthat el a kimenetig. Ha U_v pozitívvá válik, D₅ és D₆ lezárnak, az összes többi diódát viszont nyitvatartja az áramgenerátorokon átfolyó áram. (Érdemes elgondolkodni azon, hogy a digitális áramköröknél megismert ÉS áramkör is elláthatná a mintavevõ áramkör szerepét.)

7.3.13/14. ábra

Tartó/jelnyújtó áramkörként nem sok választási lehetõségünk van: egy kondenzátort tölthetünk fel a mintavett jel értékére, és meg kell akadályoznunk, hogy a konverzió ideje alatt ennek feszültsége számottevõen csökkenjen. Az ábra szerinti kapcsolásban a negatív visszacsatolás is segít ebben. Befejezésként még megemlítjük, hogy az AD konverterek didalútját részben a félvezetõ technika fejlõdése, részben pedig a kvarckristályok frekvencia-stabilitása alapozta meg.