Notice
  • Image could not be created 'cache/4/145583b2a09e8829dc69d13fe50d5ac9.jpeg'
  • Image could not be created 'cache/9/496145862b8b25f4a5fef3c7f89d7ed4.jpeg'
  • Image could not be created 'cache/4/145583b2a09e8829dc69d13fe50d5ac9.jpeg'
  • Image could not be created 'cache/9/496145862b8b25f4a5fef3c7f89d7ed4.jpeg'

Tutorial sugli ADC

Stampa
( 0 Votes ) 
Valutazione attuale:  / 0
ScarsoOttimo 
Categoria: Elettronica
Data pubblicazione
Scritto da TheAlu10000 Visite: 4375

I convertitori analogici-digitali (ADC)


Questo tutorial si rivolge a chi non ha mai sentito parlare di questi dispositivi. Cercherò di essere chiaro.
Nel tutorial mostrerò i principali tipi di ADC usati, con qualche circuito pratico.
Ma cosa sono questi "cosi"??

l'ADC, acronimo di Analog-to-Digital Converter (convertitore analogico-digitale), è un dispostivo che è in grado di rappresentare, con un valore binario (quindi digitale), una grandezza analogica, che può essere una tensione o una corrente.

Che differenza c'è fra "analogico" e "digitale"?
Prendete un campo di tensioni i cui limiti sono, ad esempio, 0V e 5V.
Una grandezza analogica può variare fra questi due limiti toccando infiniti valori compresi fra essi. Cioè potrà valere 2.34V, 4.72V, 1.57V e così via.
Una grandezza digitale (binaria) invece può assumere solamente due valori distinti, cioè i due limiti. Non potrà assumere valori intermedi.
Rappresentazione in binario
Nella rappresentazione in sistema binario vengono usati gruppi di bit (bit = binary digit) per rappresentare un numero con un'altra base. Ad esempio, 12 in base decimale sarà 1100 in binario.
L'ADC non fa altro che misurare la grandezza analogica che gli arriva in ingresso e gli assegna un numero binario corrispondente. Per esempio potrebbe assengare il numero 0001 a 1V, 0010 a 2V, 0011 a 3V e così via.
Ma dove vengono usati principalmente?
Gli ADC vengono usati nel campo delle acquisizioni dati (per esempio in una centralina che controlla il tempo atmosferico), in campo audio per la registrazione (per la riproduzione viene usato un dispositivo che fa l'operazione contraria dell'ADC, cioè il DAC (Digital-to-Analog Converter).
Attraverso dei sensori, gli ADC possono misurare non solo tensioni e correnti ma anche altre grandezze come temperatura, pressione, umidità, etc...
Parametri di un ADC
Principalmente un ADC è caratterizzato da quattro parametri importanti:
- la risoluzione; - il tempo di conversione; - il meccanismo di conversione usato; - il range di conversione.
La risoluzione mi dice quanto un ADC è preciso nell'effetuare la conversione. Essa è il numero di bit che il convertitore stesso è in grado di fornire in uscita. Se un ADC ha una risoluzione di 4 bit potrà apprezzare variazioni pari a 1/16 (2^4=16) del range di conversione, se invece ha 12 bit potrà apprezzare variazioni pari a 1/4096 del range di conversione. Quindi è evidente che l'ADC con 12 bit è più preciso di quello a 4 bit. A titolo di informazione vi dico che gli ADC usati in campo audio (per la registrazione) fanno uso di 16 bit, ma spesso e volentieri arrivano a 24 bit.
Il tempo di conversione è il tempo che serve al convertitore per dare in uscita il risultato della conversione in digitale. Di solito gli ADC generano un segnale digitale che indica il loro stato, cioè se sono a riposo oppure se stanno effettuando una conversione.
Il range di conversione è il range di tensione o corrente che il convertitore è in grado di accettare in ingresso. Ci sono ADC che operano da 0V a 5V, ma ce ne sono altri che possono operare anche con tensioni negative rispetto a massa. Questo parametro può essere facilmente variato, per la precisione ampliato: basta mettere in ingresso un attenuatore, in modo da far rientrare nel range originale un segnale altrimenti troppo grande. Può essere fatta anche l'operazione contraria: se un segnale è troppo piccolo per poter essere apprezzato dal convertitore lo si può amplificare.
Tipi di ADC
Già, non esiste solo un ADC in particolare, ma al mondo ci sono molti tipi di ADC, che si differenziano non solo per la risoluzione, ma anche per il meccanismo usato dal convertitore per effettuare la conversione in digitale.
- Flash ADC: il più veloce nell'effettuare la conversione. Il meccanismo è semplice: è composto da una serie di comparatori di tensione; ogni comparatore confronta la tensione in ingresso con una di riferimento fornita da un partitore resistivo, quindi i risultati di ogni singolo comparatore vengono codificati da una rete logica e trasformati in un numero binario. Il pregio è appunto l'alta velocità di conversione, il difetto è che al crescere del numero di bit, cresce in maniera esponenziale il numero dei comaparatori (secondo la formula 2n-1): perciò un ADC flash a 8 bit avrà 255 comparatori e uno a 12 bit ne avrà ben 4095. Di solito gli ADC flash in commercio non superano gli 8 bit di risoluzione.
- Half-flash ADC: questo ADC adotta un compromesso tra la velocità di conversione e la risoluzione. È un ADC ugualmente veloce ma possiede una risoluzione maggiore. Prendiamo per esempio un ADC a 12 bit: esso è composto da un ADC flash a 4 bit che fornisce direttamente i 4 bit più significativi del risultato; questi 4 bit vengono riconvertiti in analogico da un DAC a 4 bit. Dalla tensione in ingresso viene sottratta la tensione generata dal DAC e viene amplificata di 16 volte (su 12 bit ne sono stati generati 4, 2^4 = 16) e la tensione risultante viene convertita da un secondo ADC flash a 8 bit, che provvede a generare gli 8 bit rimanenti del risultato.
- Counting ADC: questo ADC è decisamente più lento. Come funziona: è composto da un comparatore di tensione e da un contatore binario. Il contatore binario provvede a generare il risultato e, attraverso un DAC, a generare la tensione di riferimento per il comparatore. Il contatore conta in avanti, quindi generando attraverso il DAC una tensione di riferimento sempre maggiore. Questa tensione generata viene comaparata con la tensione in ingresso: finchè la tensione in ingresso sarà maggiore di quella generata dal DAC il contatore proseguirà nel conteggio. Quando la tensione di riferimento supererà la tensione in ingresso il contatore viene fermato, presentando in uscita il suo contenuto che è il risultato della conversione. Per fare una nuova conversione è necessario resettare il contatore. Il tempo di conversione di questo ADC dipende moltissimo dalla tensione in ingresso (più è alta, più tempo ci impiegherà il contatore ad arrivare al risultato).
- Tracking ADC: anche questo ADC è lento. È molto simile al precendente ma presenta alcune differenze: il contatore può contare sia in avanti che all'indietro e il risultato del comparatore non blocca il conteggio ma ne determina la direzione. Se la tensione in ingresso è maggiore di quella di riferimento generata dal DAC il contatore conterà in avanti, altrimenti conterà all'indietro. Quindi ci sarà una comparazione costante delle due tensioni, presentando in uscita un risultato che segue l'andamento della tensione in ingresso (cioè esegue una conversione dopo l'altra, la cosidetta modalità "free running").
- S.A.R. ADC: Successive Approximation Register ADC. Questo ADC fa uso di un registro speciale, ad approssimazioni successive. Principalmente funziona così: viene effettuata la conversione bit a bit, partendo dal bit più significativo. La tensione viene comparata con una tensione di riferimento pari a metà del range di conversione: se è maggiore il bit sarà 1 altrimenti 0. Poi passa al bit immediatamente dopo usando come riferimento la tensione generata dal primo bit (attraverso un DAC). Poi passerà al bit successivo tenendo conto degli altri due generati precedentemente, finchè non arriverà al bit meno significativo. Una volta convertito l'ultimo bit il registro conterrà il risultato della conversione. Questo tipo di ADC è uno fra i più usati.
- ADC a doppia rampa: la tensione in ingresso determina la carica di un condensatore (linearizzata). Questa carica viene effettuata per un tempo prefissato da un contatore (questo tempo di carica è sempre lo stesso). Una volta terminato il tempo per la carica, il condensatore viene scaricato facendo uso di una Vref negativa e contemporaneamente il contatore viene resettato e fatto ripartire: appena la tensione del condensatore tocca i 0V il contatore viene bloccato. Il contenuto del contatoreè il risultato della conversione.
A livello commerciale, questi sono gli ADC più usati:
- ADC0801 (oppure ADC0803,04 o 05, sono simili): SAR, 8 bit, tempo medio di conversione pari a 100 uS ed è possibile interfacciarlo a un sistema a uP o uC.
- ADC0808 (oppure 0809): identico a quello di sopra, possiede in più un multiplexer analogico a 8 vie integrato a bordo.
- ADC0816 (o 0817): stessa cosa del 0808 ma il mux ha 16 vie.

- ICL7106: doppia rampa, può fare circa tre conversioni al secondo, il risultato è in decimale (tre cifre e mezzo). Usatissimo nei tester.

- CA3162: doppia rampa, tre cifre, anch'esso era usato nei tester o strumenti da pannello.

La pratica

 Passo ora a illustrarvi alcuni ADC che si possono costruire a mano: illustrerò un flash ADC e un tracking ADC.

Flash ADC:

Schema elettrico:

+

Al posto degli integrati che ho usato io potete ovviamente usare integrati equivalenti. Ho omesso di proposito la numerazione dei pin così ognuno se lo monta come preferisce (chi se lo vuole costruire).

Questo ADC ha una risoluzione di 4 bit, quindi fa uso di 15 comparatori di tensione. Le resistenze da 1.2k si sono rese necessarie perchè l'uscita di questi comparatori (LM393) è a collettore aperto. Il partitore composto dalle resistenze da 680 ohm provvede a generare tutte le tensioni di riferimento (aggiustabili attraverso il trimmer). La rete logica composta dalle exor, dalle nor e dalle nand provvede a codificare i risultati dei comparatori in codice binario.

Schema elettrico:

+

 

Questo ADC ha una risoluzione di 8 bit. È costruito attorno a un comparatore (LM393), due contatori avanti/indietro a 4 bit collegati in cascata (SN74193), un DAC parallelo a 8 bit (ZN429E-8) e un generatore di clock (NE555). Il risultato, per via della natura del circuito, non è molto stabile, ma interessa solo i bit meno significativi.

Il DAC può essere sostituito con un qualsiasi altro DAC equivalente, oppure con una rete di resistenze R-2R. Vi metto il link al datasheet: http://www.datasheetarchive.com/pdf-datasheets/DataBooks/Book255-126.html
 
Bè, spero vi sia piaciuto.
Joomla 1.7 Templates designed by College Jacke