Esperimentazioni di Fisica 3 AA Tracking ADC. M. De Vincenzi

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1 Esperimentazioni di Fisica 3 AA Tracking ADC M. De Vincenzi 1 Introduzione La digitalizzazione di segnali analogici si realizza tramite dispositivi che vengono detti ADC (acronimo per Analog to Digital Converter). La conversione del valore analogico di una tensione in un corrispondente valore digitale, si può ottenere con tecniche differenti, alcune delle quali, sono descritte nel testo di Millman e Grabel [1]. In questa nota è descritto un dispositivo, detto Tracking ADC, basato sull uso di un contatore binario di tipo UP/DOWN, di un DAC (acronimo per Digital to Analog Converter ovvero l operazione inversa di quella che esegue l ADC) e di un Comparatore che ha lo scopo di confrontare la tensione di cui si vuole digitalizzare il valore con un insieme di tensioni di riferimento generate internamente al circuito. Ck Contatore Up/Down DAC DISPLAY V x Figura 1 Schema funzionale del Tracking ADC. 2 Il principio del Tracking ADC Lo schema di principio di un Tracking ADC a 4 bit, è mostrato nella figura 1. Il Contatore binario, di tipo UP/DOWN, conta gli impulsi generati da un circuito di Clock (Ck). Il codice binario corrispondente al numero di impulsi contato viene asserito (sul fronte di discesa dell impulso di Clock) nelle linee di uscita del contatore che sono collegate alle linee d ingresso del DAC. L uscita del DAC è una tensione proporzionale al numero la cui codifica binaria è presente al suo ingresso; questa uscita è connessa ad uno dei due ingressi del comparatore. L altro ingresso del comparatore è collegato alla tensione

2 analogica (V a ) che si vuole digitalizzare. L uscita del comparatore, collegata al controllo della modalità di conteggio del contatore, sarà bassa (=0), se la tensione V a è minore di quella in uscita al DAC e di conseguenza il contatore è nello stato UP (ovvero incrementa il valore del registro che contiene il numero di impulsi contati), mentre risulterà alta (=1) se la tensione V a è maggiore di quella in uscita al DAC e conseguentemente il contatore sarà nello stato DOWN (ovvero decrementa il valore del registro che contiene il numero di impulsi contati). Di conseguenza il numero binario immagazzinato dal contatore oscillerà di un bit attorno alla sua conversione digitale. Lo stato delle linee che indicano il contenuto del registro di memoria del contatore è ispezionabile tramite un dispositivo di DISPLAY, che nello schema di figura 1 è realizzato tramite diodi LED e resistenze di protezione. Figura 2 Nella figura è mostrato l andamento della risposta di un Tracking ADC a un segnale analogico (non troppo rapidamente variabile rispetto alla frequenza del clock). Il segnale da convertire è rappresentato dalla linea continua nel grafico in alto. La risposta dell ADC è rappresentata dal segnale a scaletta che prima raggiunge il valore della tensione da convertire e successivamente oscilla ± un bit attorno al valore analogico. Si noti che il codice binario (Digital output) segue il segnale analogico, effetto che giustifica il nome di Tracking che viene dato a questo ADC. 3 Il circuito del Tracking ADC a 4 bit Un semplice Tracking ADC a quattro bit può essere realizzato con un contatore Up/Down TTL a quattro bit (74LS191) che conta gli impulsi di un clock esterno. L uscita binaria del contatore è collegata ad un DAC (Digital to Analog Converter) realizzato con un operazionale del tipo ua741 che verrà illustrato nel seguito. Lo stato delle quattro linee digitali di uscita del contatore è ispezionabile tramite un elementare DISPLAY che utilizza dei diodi emettitori di luce (LED) e resistenze limitatrici di corrente. Per la funzione di comparatore è stato scelto il circuito integrato la cui sigla è LM311. 2

3 Descriviamo nel seguito le caratteristiche principali dei singoli componenti che costituiscono il progetto di questo Tracking ADC. Il contatore 74LS191. E un circuito integrato che contiene un contatore sincrono a 4 bit con una linea di controllo D/U. Nella figura 3 è riportato lo schema delle connessioni 1 dell integrato con una loro descrizione sommaria. Per la descrizione completa della funzionalità di questo circuito è opportuna la consultazione del data sheet disponibile in laboratorio. Figura 3 Schema delle connessioni del 74LS191. Q A (LSB), Q B, Q C, Q D (MSB) sono le uscite e D/U è l ingresso per la modalità di conteggio. A,..., D sono gli ingressi (necessari se si intende utilizzare il preset) che vengono memorizzati tramite l ingresso LOAD. Il pin 14 (CLK) è l ingresso degli impulsi che vengono contati. CT EN è l ingresso per l abilitazione al conteggio (CounT ENable). RCO e MAX/MIN sono due uscite necessarie quando più 74LS191 sono connessi in cascata per ottenere un contatore con un numero di bit maggiore di 4. Il DAC. Il convertitore digitale-analogico (DAC dall inglese Digital to Analog Converter) può essere realizzato tramite il circuito mostrato in figura 4 che utilizza una rete detta a scala R-2R in grado di sommare in modo pesato gli ingressi indicati con 0,1,2,3. I pesi degli ingressi 0,1,2,3 sono proporzionali rispetticamente a 2 0,2 1,2 2,e 2 3. La tensione di uscita dell operazionale è: V u = (V 0 R F /6R)(b b b b ), dove V 0 è la tensione corrispondente al bit 1 e b 0,b 1,b 2,b 3 rappresentano il codice binario del numero da convertire (b 0 LSB e b 3 MSB). Nel progetto si devono dimensionare correttamente le resistenze R e R F in modo tale che la tensione massima (in valore assoluto) di uscita, pari a 15V 0 R F /16R non superi il valore della tensione di alimentazione dell operazionale. Si noti inoltre che questa configurazione cambia il segno della tensione di uscita rispetto a quella di ingresso. 1 Alle volte, nei testi tecnici in lingua italiana, lo schema delle connessioni è detto Piedinatura, termine gergale, traduzione del termine inglese pinout, con cui si indicano l insieme delle caratteristiche, funzioni e disposizione geometrica delle connessioni (pin) di un circuito, tipicamente un circuito integrato. Il termine non è riportato nella maggior parte dei vocabolari italiani. 3

4 "0" "1" "2" "3" 2R 2R 2R 2R 2R R F 2R R R R Figura 4 Schema del DAC a scala R-2R Il Comparatore di tensione Il comparatore di tensione a disposizione (LM311) è del tipo Open Collector (vedi figura 5) e potrebbe funzionare anche alimentato in modo asimmetrico (ovvero tra 0V e 5V ), tuttavia nel circuito proposto, con tensioni negative in ingresso, questo tipo di alimentazione del LM311 non si deve utilizzare. Per funzionare correttamente il comparatore LM311 ha bisogno di una resistenza Pull-Up del valore di qualche kω (tipico valore della resistenza di collettore di un transistor). V CC Resistenza di "PullUp" Figura 5 La tecnica dell open-collector nel comparatore LM311. Osservazioni pratiche. Le transizioni generate dal LM311, da 0 a 1 e viceversa, sono molto veloci e possono facilmente generare interferenza all interno del circuito integrato del contatore (accoppiamento capacitivo) modificando in modo imprevedibile il contenuto del registro del contatore. È opportuno quindi collegare l uscita del comparatore a massa con una capacità dell ordine di 100 nf per attenuare le componenti ad alta frequenza dell impulso e quindi aumentare adeguatamente i tempi di salita e di discesa del segnale d uscita del comparatore. Ground 1 Input 2 Input 3 V 4 8 V 7 Out 6 Balance/Strobe 5 Balance Figura 6 Schema delle connessioni o Piedinatura del LM311. 4

5 Il DISPLAY. Per ispezionare lo stato delle linee digitali si può usare il semplice dispositivo mostrato in figura 1, che consiste di un diodo LED con in serie un opportuna resistenza che limita la corrente nel diodo. Se la linea è alta il diodo è polarizzato direttamente e quindi conduce. Il passaggio della corrente in questo tipo di diodi provoca l emissione di luce ed il diodo appare come una lampadina accesa. Se la linea da ispezionare è bassa il diodo è spento e non emette luce. Quindi se il diodo relativo ad una generica linea n è emette luce potremo dire che il bit n-simo è 1 altrimenti sarà a 0. Dal punto di vista elettrico la potenza necessaria all accensione dei diodi viene generata dal circuito del contatore per cui i livelli di tensione trasferiti al DAC, se il valore della resistenza limitatrice di corrente fosse troppo basso, potrebbero influenzare la linearità dell ADC. 4 Caratterizzazione dell ADC Quali sono le principali caratteristiche dell ADC costruito? Come qualsiasi strumento di misura anche questo ADC, una volta realizzato, deve essere caratterizzato, ovvero se ne devono misurare e documentare le caratteristiche principali. A questo scopo è molto utile fare uso del grafico della cosiddetta Funzione di Trasferimento dell ADC che consiste nel rappresentare il codice binario, uscita dell ADC, in funzione della tensione analogica da digitalizzare (vedi figura 7). Dall esame della funzione di trasferimento possono essere ricavate alcune caratteristiche di particolare importanza come la Risoluzione, l Accuratezza e la Non-linearità che descriveremo di seguito. Risoluzione. La risoluzione di un ADC è determinata dal numero n di bit usati per la conversione e dal valore della tensione di fondo scala V FS, e vale V FS /2 n. Questo valore rappresenta la minima variazione della tensione d uscita e rappresenta l ampiezza in volt del bit meno significativo (LSB). Accuratezza. Un ADC converte tutti i valori di un segnale analogico compresi in un definito intervallo di ampiezza V LSB, in un unico codice binario. Quindi la conversione analogico digitale genera un incertezza (standard) di principio legata all interizzazione del segnale analogico che vale (V LSB )/ 12. Non-Linearità. In generale gli ADC sono progettati in modo che il codice binario d uscita rappresenti un numero proporzionale al segnale analogico al loro ingresso: ADC lineari 2. Nella realtà questa richiesta può essere solo approssimativamente soddisfatta a causa di molte cause come le incertezze su parametri e i comportamenti non ideali dei componenti dell ADC. Alcuni di questi effetti, essendo sistematici, possono essere parzialmente corretti attraverso procedure 2 In particolari applicazioni quando, ad esempio, è necessario estendere la dinamica dei segnali da convertire si utilizzano ADC con scale di conversione non lineari, ad esempio scale logaritmiche, lineari a tratti, quadratiche e altre 5

6 Funzione di trasferimento Figura 7 Esempio di Funzione di trasferimento di un ADC a 3 bit con fondo scala di 8.0 V. Nella figura sono mostrate la funzione di trasferimento ideale e una possibile reale. La retta (a punto linea) tracciata nel grafico congiunge i centri dei gradini della funzione di trasferimento ideale. di taratura. La valutazione quantitativa della non-linearità di un ADC viene generalmente espressa da due parametri detti Non-Linearità Differenziale (DNL) e Non-Linearità Integrale (INL). DNL. La non-linearità differenziale DN L è un parametro definito per ogni valore del codice D di conversione da analogico a digitale e vale: DNL = V D1 V D V LSB 1 (1) dove V D è il (minimo) valore analogico convertito nel codice D e V LSB è il valore analogico associato al bit meno significativo (di progetto). A parole potremo dire che il parametro DNL rapporta l ampiezza dei gradini della funzione di trasferimento reale con quella di progetto sottraendo 1, in modo tale che se le due ampiezze sono uguali il parametro DNL è nullo. INL. Il parametro INL (non-linearità integrale) per il gradino in esame, è pari alla distanza fra il centro del gradino della funzione di trasferimento reale e quella ideale. E facile dimostrare che la non-linearità integrale per un dato codice è pari alla somma dei DNL dei codici precedenti. Come esempio di quanto esposto riportiamo comportamento e analisi di un ipotetico ADC a 3 bit con un fondo scala di progetto di 8V. La funzione di trasferimento di questo ADC è riportata in due versioni nella figura 7. Nella figura la scala tratteggiata rappresenta la funzione di trasferimento ideale e quella a tratto continuo una (possibile) funzione di trasferimento reale. Nella tabella 1 6

7 sono riportati i valori numerici dell esempio citato assieme alla valutazione del DNL e del INL. Tabella 1 Esempio di un ipotetico ADC a 3 bit Numero Codice Tensione Tensione DNL INL progressivo binario ideale (V) reale (V) Osservazioni pratiche E opportuno bloccare la tensione di alimentazione di ogni chip localmente (ovvero in prossimità del circuito) con una capacità dell ordine delle centinaia di nf. Questo accorgimento vale in generale per ogni tipo di circuito alimentato da un tensione costante, ma in particolare è valido per i circuiti digitali. In questi ultimi infatti sono presenti segnali con fronti di salita rapidi che richiedono alimentazioni in grado di erogare potenza in modo sufficientemente veloce. I fili che portano le alimentazioni e le connessioni nella basetta hanno un induttanza che moltiplicata per la resistenza del circuito alimentato dà il tempo caratteristico necessario al ripristino della tensione di alimentazione. In questo intervallo temporale, con una tensione di alimentazione che varia net tempo, il circuito può mostrare comportamenti imprevedibili che ne compromettono il corretto funzionamento. Riferimenti Bibliografici [1] Milman e Grabel Microelectronics McGraw Hill. Si veda il cap. 16 paragrafo 4. 7

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