MÜHENDİSLİK DÜNYASI

mühendislik dünyası uygulamalar

yönleri olar. 13 çevirme yönte mi incelenip değerlendirilmek tedir. Temel kaynak [ l] bir uy gulama notudur. Bunun dışında birçok kaynak taranmış ve ekli listede sunulmuştur.

Uygulayıcılara "mutlak değer alıcı" devresi olarak kaynak [2J salık verilebilir. Özellik le bir hattan gürültülü örnek sel imlerin alınması durumunda kaynak [3] deki düzenek yarar lı olabilir.

Sayıcı girişi

Şekil 3.

Sayısal elektronikteki geliş melere paralel olarak örneksel imleri (işaretleri) sayısala çevirip iletmek ve işlemek ge niş' uygulama alanı bulmaktadır. Bu yazıda çeşitli iyi ve kötü

Kaya Yazgan, TCDD Elektronik Araştırma Merkezi

1. ÖRNEKSELDEN SIKLIĞA ÇEVÎRlCÎ KULLANMA

Giriş ucuna uygulanan gerilimi, çıkıştaki dalganın sıklığını (frekansını) denetlemek amacıy la kullanan devreler, elektro nikte "gerilim denetimli osi latör" (Voltage Controlled Os cillator, VCO) adıyla bilinir ve geniş uygulama alanına sa hiptir. Böyle bir osilatör kul lanarak yapılan örnekselden sa yısala çevirici Şekil l'de gös terilmiştir. Örneksel girişte ki gerilim ne kadar büyükse osilatör o kadar yüksek sık lıkta dalga üretmekte, za manlayıcının verdiği değişmez uzunluktaki vuruş (darbe) için de sayıcı o kadar çok sayabil mektedir. Sayıcıda sayısal so nuç paralel veya seri olarak alınmaya hazırdır.

Bu tür tasarımda dikkat edil mesi gereken iki nokta aşağıda belirtilmiştir:

a) Osilatör sıklığının bütün çalışma alanı içinde doğru

Orneksel giriş

Şekil 1.

Orneksel. giriş Şekil 2.

Gerilim Denetimli Osilatör

Zamanlayıcı

.yo*"?

üretici gerilimden vuru? genişliğine çevirici

ISaat 1

Sayısal "çıkı*

y

sal olması gereklidir. Özel likle 0 V örneksel giriş ve rildiğinde osilatörler ge nellikle susmaz ve sayısal sonuç yanıltıcı olabilir, b) Zamanlayıcının ürettiği dal ga uzunluğunun çok duyarlı olması ve değişmemesi gerek lidir.

2. ÖRNEKSELDEN VURUŞ GENİŞLİĞİNE ÇEVÎRlCt KULLANMA

Şekil 2'de görülen çevirici bu konuda "klasik" sayılabilecek bir çeviricidir. Örneksel yo kuş işlevi (ramp funetion) üre teci değişmeyen eğimle yükselen bir gerilim üretmekte, "gerilim den vuruş genişliğine çevirici" ise gelen örneksel gerilimle bu yokuş gerilimini kullanarak, örneksel gerilimin uzunluğuyla doğru orantılı uzunlukta bir vuruş üretip saatin belirli sayıda vuruşunun sayıcıya ulaş masına yol açmaktadır. Böyle likle sayıcı üzerinde sayısal çıkış belirmektedir.

Şekil 2 devreyi, Şekil 3 ise dalga şekillerini göstermekte dir.

Yokuş yerine "merdiven basama ğı" (staircase) tipi bir dalga üretilmesi de geniş uygulama alanı bulmuştur [4 , 5J .

3. PARALEL ÇEVİRİCİ

Hızlı çevirme yapmanın önem kazandığı uygulamalar için sağ lık verilebilecek bir yöntem dir. Yüksek hızda çalışan kar şılaştırıcılar nedeniyle ve çe virici mantığın çok sayıda bit için büyümesiyle maliyet yük sektir.

Örneksel gerilim, değişmez bir gerilimin bölünmesiyle elde e dilen çeşitli gerilimlerle kar şılaştırılır, mantık devreleri de bu sonucu yorumlayıp çıkış uçlarında paralel sayısal bil gi haline getirirler (Şekil 4 ) .

4. KASKAD ÇEVÎRİCÎLER

Sayısal çıkışın her b i t i birbi rine eş ardışık dizilmiş kat larda oluşturulur. îlk kat ör neksel girişi, diğerleri ken dinden bir önceki katın çıkışı nı bir dayanak (referans) geri limle Karşılaştırıp sayısal bil ginin bir b i t i n i oluşturur (Şe kil 5).

8 n E e r V l < V R n l ise D ^ = 1 d i r .

Vı>

V r İ 8 e

Odır

Vn , dayanak gerilimler bir öncekinin yarısını alarak dizi lebilir. Bunun önüne geçmek i çin dayanak gerilim tek değer de tutulup çıkarıcının aynı za manda ikiyle çarpması da sağla nabilir. Genellikle çıkarıcı olarak bir işlem yükselteci kullanıldığından bu uygulama hiçbir zorluk getirmez.

Üretilen sayısal kodun "Gray" veya "ikili kodlanmış onlu" (Binary coded decimal, BCD) olması istendiğinde bir çeviri ci daha gerekli olabilir.

Kaynak [ö] da Gray kodunda üre ten çevirici için ayrıntılı bilgi bulunabilir.

n1 vn 1

\

5. ÎKÎLİ SAYICI KULLANMA

Geribeslemeli yöntemlerin en çok kullanılan ve basitlerin den biridir. Sayıcının çıkışı bir sayısaldan örneksele çevi riciyle örneksel bir gerilime çevrilir, giriş gerilimiyle karşılaştırılarak giriş gerili minin büyük olduğu anlarda saat vuruşlarının sayıcıya ulaşıp, sayısal sonucu yükseltmesi sağ lanır (Şekil 6 ) .

Çeviricilerdeki, karşılaştırı cı ve geçitlerdeki ilerleme süreleri, saat hızını sınırlar. Yöntem, çok hızlı değildir. Ör neksel girişin az değiştiği uy gulamalar için sayıcının durma sı önemli bir özelliktir.

Örnckttü giriş

Çevirici Mantık

t Sayısal 'çıkış

Şekil 4.

Sayısal bit

Çıkarıcı vn 2

Şekil 5.

Ornekset çevirici

Sayısaldan örneksele çevirici t

CM.

Soyınl çıkış

Şekil 6.

rl

| Saat

Yutıerı »oy

A ş a » say

J

Sayısal «ıhı*

SayiMUon çevirici

Şekil 7.

Vg •

Yokuş üreteci

JL t,

Şekil 8.

Örneksel İL.

_J

•<] Ornekset giriş

Sayısaldan ömeksele çevirici

t, ti

Gerilim anahtarları Denetim mantığı

Dayanak gerilim (referans) . Sayısal çıkış

Şekil 9.

Sayısaldan örtveksele

o—"I

DV1

D z?

V2

Denetim devreleri

>Soy»al çıkış

û

^>— i7

Şekil 10.

Şekil 11.

6. AŞAĞI YUKARI SAYICI KULLANMA

Sayıcıların aşağıya veyukanya doğ ru sayabilmesi özelliğini kullana rak Şekil 6'da verilen dizge g e l i ş t i r i l i p hızı a r t ı r ı l a b i l i r (Şekil 7). Çalışma i l k e s indeki tek yenilik kar şılaş tır ıcının iki çıkışının da kullanılarak sayıcıdaki değerin örneksel girişteki gerilimden yük sek olması durumunda sayıcının saat darbelerini aşağıya doğru sayması; alçak olma durumunda i s e s a y ı c ı nın yukarıya doğru saymasıdır.

7. TESTERE D Î Ş Î İŞLEVİ KULLANMA

Ş e k i l 8'de periyodik ölçme yapan b i r dizge görülmektedir. Zaman lama darbesi tL in gelmesiyle .yo kuş ü r e t e c i yokuş vermeye başlar ken FF flip flop'u da "1" ç ı k ı ş vermekte, örneksel g i r i ş t e k i ge r i l i m i n yokuşa e ş i t olduğu anda FF "0"a gelmektedir. FF'nin " 1 " çıkış verdiği süre içinde sayı cıya yollanan saat darbelerinin s a y ı s ı örneksel gerilimin bü yüklüğünü vermektedir.

8. ARDIŞIK YAKLAŞIM

Bu yöntemde de b e l i r l i bir da yanak g e r i l i m i kullanarak g e r i lim anahtarlarının verdiği sa yısal çıkışın örneksele çevril mesi ve örneksel g i r i ş l e karşı laştırılması sağlanır (Şekil 9).

örnek olarak 0 V v o l t arası gerilimlerden 000 111 arasın da s a y ı s a l ç ı k ı ş l a r elde eden b i r dizge düşünelim, önce 100 kodu ü r e t i l i p örneksel g i r i ş t e ki gerilimle karşılaştırılır.

Vcrneksel * V / 2 * i s " O

Vörneksel < V / 2 İSe ° 0 1 üretir. Şekil 10'da V = 7 V, ^'örneksel = 5 V olna durumun da yapılan karşılaştırmaları görüyoruz. Şeklin soldan sağa doğru incelenmesiyle ağaç üze rinde izlenen yol ve karşılaş tırılan gerilimler gösterilmiş tir.

.Yalnızca üç karşılaştırma ya pılıp 101 olan sayısal sonuç elde edilmiştir.

Bu yöntem hızlı sonuç elde et menin gerekli olduğu uygulama larda çok kullanılmaktadır. Ba zı tümleşik devreler, örneğin Fairchild'ın 3751 kodlu MOY (Metal Oksit Yarıiletken MOS) devresi bu yöntemi kullanan 12 bitlik bir örnekselden sa yısala çeviricidir. [5] Ardışık yaklaşımla elde edilen 3 MHz dolaylarında bir çevirici hızı için [7j ye bakılabilir.

Saat Örneksel

Sayısal Çikıs

Ormksel giriş

T.sı

Dayanak gerilimi VD

T«

V+Vf

Sayısaldan örneksele

Şekil 12.

Mantık

y\—' Sıfır

tosmo Sayıcı

Sayısal çıkı;

9. SIKIŞTIRMA YÖNTEMİ

Şekil 11'de ana hatları belir tilen bu yöntemde önce üst sa yısaldan örneksele çeviriciye beklenen en yüksek gerilim, alt sayısaldan örneksele çevi riciye ise 0 V uygulanır. Di yelim ki örneksel girişteki gerilim, 2 nci karşılaştırıcı çıkışını "yüksek", 3 üncü kar şılaş tırıcı çıkışını "alçak" yaptı. Bir sonraki adımda üst sayısaldan örneksele çevirici ye V2 , alt sayısaldan örnekse le çeviriciye V3 uygulanır. Ardarda adımlarla örneksel ge rilim giderek daha dar gerilim aralıklarına sıkıştırılır.

Örneksel I I

Tsı

Doyonok gerilimi vD

10. DOĞRUSAL OLMAYAN ÇEVİRME

İkili sayıcı kullanma durumun da küçük gerilimlerde oluşan yanılma oranını düşürmek için Şekil 12'de görüldüğü gibi bir V geriliminin eklenmesi yoluna gidilebilir.

BSylece sayıcının göstergesi çok küçükken sayısaldan örnek sele çeviricinin ürettiği kü çük gerilim yükseltilmiş, yanılma imi (sinyali) bü yütülerek duyarlık artırılmış tır.

Şekil 13.

Şekil 14.

SI S2 SJ ttt

D e n e t i n1

montıj)

Ii

\t

r

A

Sayısal çıkış

Şekil 15.

Şekil 16. Elektrik Mühendisliği 228

Tarama

VD Örnek sel

Geçit

kaynağı

Ec

Sıfırlama

N ^9 )

' r *Ls

O Sayıc

'—

Gösterge t> Mantık

Örnekle t u t

Şekil 17.

1 1 . ÇİFT YOKUŞ

İşlem yükseltecinin kayması, sıcaklığın etkisi gibi neden lerle tek yokuşlu bir uygula manın elverişli olmadığı durum larda, daha gelişmiş bir yöntem olarak çift yokuş düşünülmeli dir (Şekil 13).

Başlangıçta saat sıfırlanır, Sİ uygulanacak örneksel giriş teki gerilimin entegrali alı nır, sayıcı dolunca taşma (o verflow) ile Sİ kapatılıp S2 açılır ve V nin entegrali a lınırken saat yeniden saymaya başlar. Sıfırdan geçiş, sayma yı durdurur. Sayıcı çıkışı sa yısal sonuçtur. Yokuşların e ğimleri Şekil 14'de gösteril miştir.

Sığaç, direnç, işlem yükselte ci gibi elemanlardaki her tür lü kayma her iki yokuş için de geçerli olacağından yanlışlar birbirini götürür.

12. ÜÇ YOKUŞ

Düşük gerilimlerde duyarlığın artırılması için üçüncü bir yokuş ekleyen dizge Şekil 15'de gösterilmiştir.

Çalışma çift yokuş uygulaması na çok benzemektedir. Yalnız gerilim Vj. ye kadar düşünce (Şekil 16 da görüldüğü gibi) S3 ateşlenip eğrinin eğimi de ğiştirilir.

Bu konuda daha ayrıntılı bilgi için [8] e başvurulabilir.

13. AYARLAMA ÖLÇME DÖNEMLERİ KULLANIMI

Tek yokuşlu uygulamanın yanıl malarını önlemek için gelişti rilen bir başka yöntem de Şe kil 17'de gösterilmiştir.

Geçit kaynağının ürettiği Ayar/ Ölçme vuruşlarıyla ömeksel gi rişteki gerilim ve dayanak ge rilimi (tüm gerilim alanının

Olcme

Otçme

Şekil 18.

nn

ı

''

Sıfı

ri Ec

yarısına ayarlanabilir) sıra sıyla tarama ile karşılaştırı l ı r . Ec imi ile yanılma örtıek le tut (sample/hold) devresi ne alınır, Eg ile sayıcı çıkı şının göstergeye aktarılması sağlanır. Yine geçit kaynağı nın ürettiği "sıfırlama" imi her dönem sonunda sayıcının sıfırlanmasına yarar(Şekil 18).

KAYNAKLAP

[ l ] Renschler, Ed, :"Analogue to Digital Conversion Techni ques" Motorola AN 471

[2] EEE, Mart 1969, s.124

[3] E l e c t r o n i c s , 5 Ocak 1970, s.96

[4] Millman, J. ve H, Taub, : "Pulse, Digital and Swit ching VJaveforms", McGraw H i l l , 1965, s.674 75

[5] Millman, J. ve C, Halkias,: "Integrated Electronics: Analog and Digital Circuits and Systems", McGraw Hill, 1972, s.665 67

[6] Batnes, J, : "A/D Cyclic Convertor", Motorola AN 557

[7] Mann, R, : "An Integrated Circuit High Speed A/D Con v e r t e r " , Texas Instruments Tl RNA 2

18] Aasnaes, H, ve T.Hariison, : "Triple Play Speeds A D Conversion", Electronics, 29 Nisan 1968

[9] Barnes, J, : "Simple RAMP A/D Converter", Motorola AN 559