r
-
RIJKSDIENST
VOOR DE IJSSEMERPOLDERS
SMEDINGHU IS
L E L Y S T A D
Afdeling
Waterhuishouding
'q
t
RlJKSDlENST VOOR DE
NSSELMEERPOLDERS
Werkdocument 1974-243 Bbw
ONTWERP VAN EEN ANALOGE/DIGITALG CONVERTER
door
W. Brinkman
Praktijkstage 1 februari
1 mei 1974
-
Voorwoord
~
e gelegenheid
r
van het praktijkjaar van de H.T.S. in Zwolle heb ik
bij de Rijksdienst voor de IJsselmeerpolders mijn ervaringen op kunnen
doen bij het ontwerpen van enkele schakelingen.
Voor de medewerking tijdens deze stage van mijn directe begeleider,
de heer J. Ardon, en de overige medewerkers van de afdeling Waterhuishouding van de Rijksdienst voor de IJsselmeerpolders zeg ik hartelijk
dank :
In h e t v e r s l a g z u l l e n d e volgende ondenverpen ter sprake komen:
I
Inleiding
II
Doe1
111
Algemene b e s c h r i j v i n g van d e A D - c o n v e r t e r
IV
Veranderingen i n h e t schema van d e A/D-converter
V
Opmerkingen
VI
Conclusie
I. Inleiding
In d i t v e r s l a g z a l besproken worden e e n systeem d a t van eon alialoog
s i g n a a l een d i g i t a a l s i g n a a l maakt. D i t systeem wordt t o e g e p a s t b i j
]let t r a n s p o r t e r e n van i n f o r m a t i e o v e r g r o t e a f s t a n d e n v i a een k a b e l .
l l i e r b i j g a a t d e voorkeur u i t n a a r d i g i t a l e d a t a t r a n s m i s s i e boven anal o g e t r a n s m i s s i e omdat d e k a n s op s t o r i n g b i j d i g i t a l e d a t a t ~ n n s m i s s i e
veel kleiner is.
Een a n a l o o g ( e l e k t r i s c h ) s i g n a a l i s i . h . a .
a a n t a l (spannings-)niveaus,
opgebouwd u i t e e n o n e i n d i g
t e r w i j l een d i g i t a a l ( e l e k t r i s c h ) sigrlaal
opgebouwd i s u i t s l e c h t s t w e e b p a n n i n g s - ) n i v e a u s . Wanneer h e t v e r s c h i l
t u s s e n dwze b e i d e n i v e a u s maar g r o o t genoeg i s , z a l d e i n v l o e d van s t o ring (ruis) zeer klein zijn.
D e i n f o r m a t i e d i e i n o n s g e v a l overgezonden lnoet worden b e s t a a t u i t
gegevens o m t r e n t d e h o o g t e van een w a t e r s t a n d . D a a r t o e i s i n h e t ' w a t e r
eon v1ott:er g e p l a a t s t . Deze v l o t t e r i s verbonden met e e n p o t e n t i o m e t e r
wnnrop e e n z e k e r e s p a n n i n g wordt g e z e t .
Van d e z e p o t e n t i o m e t e r kan men een s i g n a a l h o l e n a f h a n k e l i j k van d e
v l o t t e r s t a n d . D i t a n a l o g e s i g n a a a w o r d t d.m.v.
een analoog-digitaal-
.
(A/D)omvormer omgezet i n e e n d i g i t a a l s i g n a a l . D i t s i g n a a l b c s t a a t u i t
e e n p u l s t r e i n waarvan d e l e n g t e kan v a r i e r e n van bv. 0 t o t 1000 p u l s e n .
1 P u l s i s dan o v e n r e d i g m e t bv. 1. mm v l o t t e r v e r p l a a t s i n g z o d a t i n d i t
g e v a l h n t b e r e i k l i g t t u s s e n 0 en 1000
~ I I .
Het d i g i t a l e s i g n a a l kan nu van h e t meetpunt v i a d e k a b c l g e l : r a n s p o r t e e r d
worden n a a r h o t m e e t s t a t i . o n . Daar wordt h e t si.gnaa1 weer omgcvormd t o t
een a n a l o o g s i g n a a l d.m.v.
een d i g i t a a l - a n a l o o g
(D/A)-omyormer.
Het blokschema van d i t s y s t e e m wordt weergegeven i n f i g . 1.
F i g . 1. Blokschema t r a n s m i s s i e s y s t e e m .
In dit verslag zal alleen de A/D-omvormer behandeld worden.
Verder zal het systeem zo samengesteld moeten worden, dat het stroomverbruik zeer laag is (< 1 mA). Dit omdat het geheel op batterijvoeding
is aangwezen
.
Het ontwerpen van een schakeling die een analoog signaal omzet in een
digitaal signaal bij een zeer klein stroomverbruik.
1 1 1 . Algemene beschrijving van de Ah)-omvormer
De A/D-omvormer wordt zo gedimensioneerd, dat de grootte van het uitgangssignaal, d.w.2. de lengte van de "pirlstrein" rechtevenredig is met
de grootte van het ingangssignaal. Deze pulstrein wordt verkregen
d.nl.v. een blokspanningsgenerator. Na een bepaald aantal pulsen zal
deze pulstrein moeten stoppen afhankelijk van het ingangssignaal. Dit
kan in principe op de volgende manier bereikt worden:
De blokgolfgenerator wordt aangesloten op een 2.''-deler.
Alle uit-
gangen van deze deler zijn via weerstanden verbonden met een gezamenlijke uitgangslijn. De waarden van deze weerstanden zijn nu zo gekozen,
e
dat de weerstand in de le deler 2 x zo groot is als die in de 2 deler,
e
e
de weerstand van de 2 deler isweer 2 x zo groot als van de 3 enz.
De gezamenlijke uitgangslijn is via een meetweerstand verbonden met aarde.
2" deler
blokgenerator
Fig. 2:Omzetting
van een digitaal- in een analoog signaal.
.
.,
-
i
~ 1 nu
s d e g e n e r a t o r g e s t a r t w o r d t , 'zal d e 21°-deler
gaan t e l l e n . Weer-
( u i t g a n g 1 van d e d e l e r ) z a l b i j d e eerste p u l s s t r o o m g a a n voe1
r e n . B i j d e tweede p u l s R2, b i j d e d e r d e p u l s R e n R2, b i j d e v i e r d e
1
p u l s R3 e t c . , d u s v o l g e n s h e t b i n a i r e g e t a l l e n s t e l s e l .
stand R
d e h e l f t van i etc. S t e l il = i , dan
2
3
= 8i e t c .
Nu i s il d e h e l f t van i 2 en i
= 21; i = 4 i ; i
2
3
4
H e t b l i j k t , d a t wanneer er n p u l s e n d e d e l e r i n g a a n , d e t o t a a l s t r o o m
is i
I = n
. i wordt.
H i e r b i j w o r d t even v e r o n d e r s t e l d , d a t d e u i t g a n g s -
i m p e d a n t i e s van d e d e l e r s e n w e e r s t a n d R v e r w a a r l o o s b a a r k l e i n z i j n
t.0.v.
d e weerstanden R1,
R2,
........ R1O.
D e s p a n n i n g o v e r w e e r s t a n d R v e r l o o p t r e c h t e v e n r e d i g m e t h e t binnen-
gekomen a a n t a l p u l s e n , d u s ook m e t d e t i j d ( b i j c o n s t a n t e f r e q u e n t i e ) .
Nu moet d e g e n e r e t o r l o p e n gedurende e e n t i j d d i e e v e n r e d i g i s m e t d e
i n g a n g s s p a n n i n g van d e A/D-omvormer.
H i e r t o e worden d e s p a n n i n g o v e r
R e n d e u i t g a n g s s p a n n i n g n a a r een comparator gevoerd. D e s p a n n i n g o v e r
R z a l nu l i n e a i r m e t d e t i j d a a n g r o e i e n , t o t d e z e g e l i j k w o r d t . a a n d e
ingangsspanning. B e i d e ingangen van d e comparator z i j n nu g e l i j k en d e
comparator g e e f t aan d e u i t g a n g een s i g n a a l a f .
H e t s i g n a a l a a n d e u i t g a n g i s e e n t o e s t a n d s v e r a n d e r i n g van voedingsspan-
n i n g naar 0 Volt. D i t s i g n a a l s t u u r t een Flip-Flop (F.F.)
( t e vergelij-
ken met s e n r e l a i s ) d i e d e g e n e r a t o r a f s c h a k e l t . Hoe g r o t e r nu d e i n gangsspanning i s , d e s t e l a n g e r z a l h e t duren voor d e s p a n n i n g o v e r R
g e l i j k i s aan d e ingangsspanning en daardoor z a l d e g e n e r a t o r l a n g e r
b l i j v e n lopen. Dus e e n g r o t e r e p u l s t r e i n . F i g u u r 3 g e e f t ' t blokschema
van d e z e s c h a k e l i n g weer.
0
blokgen.
1
-
2I0deler
F. F.
F i g . 3. Principeschema A/~?omvormer
I
VR
comparator
4
.
/
H e t hierboven beschreven schema beyat nog v e r s c h i l l e n d e bezwaren:
1 . D e uitgangsimpedanties van de 2
io
d e l e r z i j n v e e l te hoog wasrduor
ze n i e t b e l a s t kunnen worden.
2. Do spanning over R i s k l e i n orndat R k l e i n m O e t z i j n t.0.v.
RlO.
14ierdooi kan Vin n i e t groot z i j n .
3. H e t aan- en u i t s c h a k e l e n van d e g e n e r a t o r kan ook bezwaarlijk z i j n
t.a.v.
de s t a b i l i t e i t vnn d i e g e n e r a t o r .
4 . De r ~ i t g a n gvan do g e n e r a t o r kan p r a k t i s c h n i e t b e l a s t warden.
Het volgende schema ( f i g . 4 ) g e e f t de s c h a k e l i n g wee,r, w a a r b i j d i e bezwnren opgeheven z i j n .
blokgen.
2 deler
reset
2 deler
reset
0
F i g . 4. Blokschelna van de A/D-omvormer
I
.........
I n b l o k D/A van f i g . 4 bevinden z i c h d e weerstanden R, R1,
R
10
p l u s 10 k e e r t r a p p e n d i e e e n g r o t e r e b e l a s t i n g m o g e l i j k n~aken. D e w e r k i n g
en f u n c t i e van d e "chopperw z a l l a t e r behandeld worden.
Het schema i s v e r d e r u i t g e b r e i d m e t e e n 200 x v e r s t e r k e r d i e h e t moge-
l i j k maakt g r o t e r n ingangsspanningen t e verwerken. D e g e n e r a t o r h o e f t
n i e t meer u i t g e s c h a k e l d t e worden. D a a r t o e z i j n twee 2 - d e l e r s opgenomen i n d e s c h a k e l i n g . D e eerste 2 - d e l e r i s s l e c h t s voor d e f l a n k v e r b e t e r i n g van d e b l o k g o l f .
H e t u i t g a n g s s i g n a a l ( p u l s t r e i n ) kan nu g e s t o p t worden d o o r d e d e l e r s
te r e s e t t e n . D e g e n e r a t o r kan dan b l i j v e n d o o r l o p e n . Het u i t g a n g s s i g n a a l i s nu e e n b l o k g o l f waarvan d e f r e q u e n t i e 1 / 4 d e e l i s van d e generatorfrequentie.
Om d e tweede 2 - d e l e r b e t e r t e kunnen h e l a s t e n i s e e n
1 x v e r s t e r k e r opgenomen. Via d e nand-poort
en d e S . R . F l i p Fl.op kan men
d e s c h a k e l i n g s t a r t e n , d a a r n a wordt d e z e weer a u t o m a t i s c h g e r e s e t .
D e werking i s a l s v o l g t :
S t e l d o t d e d e l e r s g e r e s e t s t a a n : d u s op d e r e s e t i n g a n g een "1" en op d e
x-ingang van d e p o o r t e e n "1".
D e u i t g a n g van b l o k D/A
i s nu n u 1 v o l t . Op d e
s t a a t nu ook nu1 v o l t , op d e
+
-
i n g a n g van cle comparator
ingnng d e ingangsspanning.
H i e r d o o r g e e f t d e c o m p a r a t o r e e n s p a n n i n g a f ( e e n "1").
Wordt nu d e y-ingang van d e p o o r t
even op
ecn p o s i t i e v e s p a n n i n g ("1")
g e l e g d , dan z a l o p d a t moment d e u i t g a n g van d e p o o r t "0" z i j n . D e o o r s p r o n k e l i j k e t o e s t a n d van d e S e t - R e s e t F l i p F l o p w a s "I", o p d e seti n g a n g een "1" en o p d e r e s e t - i n g a n g komt een " 0 " . I l i e r d o o r komt d e u i t gang van d e F l i p F l o p o p " O w , m e t h e t g e v o l g , d a t d e d e l e r s "gedeblokkeerd" z i j n . Aan d e u i t g a n g v e r s c h i j n t nu eon b l o k g o l f . Op d c
-
ingang
van d e comparator l o o p t d e s p a n n i n g nu langzaam op. Zodra d e z e g e l i j k
wordt a a n V. g e e f t d e comparator e e n "0" o f . De r e s e t i n g a n g van d e
in
F.F. i s weer "1" omdat de s t a r t p u l s zeer k o r t duurde.
D e s e t i n g a n g wordt "OH, d u s d e u i t g a n g van d e F.F.
wordt weer "1".
H i e r d o o r axorden a110 d e l o r s weer g e r e s e t e n d e p u l s t r e i n s t o p t . D e
c y c l u s kan nu weer g e s t a r t worden d o o r d e y-ingang van dn p c o r t t e StUren
m e t een k o r t e p o s i t i e v e puls.
Opbouw van d e - e n e r a t o r
s
Om h e t s t r o o m v e r b r u i k t o t e e n minimum t e beperken i s COSMOS - 1 o g i c a
Complementaire M e t a a l o x i d e Semiconductor. D i t z i j n z e e r w e i n i g e n e r gie-verbruikende h a l f g e l e i d e r s
toegepast. Het gefntegreerde circutt 1
Deze bevat
4
. is het type SCL 4011 A .
Nandpoorten met elk 2 ingangen.
De schakeling is weergegeven in.fig. 5.
Fig. 5. Generatorschakeling
De generator bestaat uit een R-C terugkoppelnetwerk. De frequentie is
in te stellen met een potentiometer van 1 M Ohm
. Bij deze schakeling
werd de frequentie ingesteld op 1 kHz. k o r t 4 dient als buffer.
Samenstelling van de delers
Het benodigde I.C. is een SCL 4040 A . Dit I.C. bevat 12 2-delers (F.F.'s).
De
4 uitgangen van de F.F.'s
zijn elk gekoppold aan een buffer-keertrap
waardoor de delers onbelast blijven.
De uitgangen 3 t/m 12 worden via de chopper gekoppeld aan de weerstanden
R, t/m RlO. De uitgang van de generator wordt direct verbonden met
"clock" ingang van de delers (zie fig. 6).
Fig. 6. De 2l2;deler
Opbouw van de 1 x versterker
Do 1 x versterker is.opgebouwd uit 3 keertrappen. Het benodigde I.C. is
een SCL 4441 A, deze bevat 4 keertrappen.
De opbouw wordt weergegeven in figuur 7.
Fig. 7. Bufferversterker
Elke keertrap versterkt
-
1 x . De totale versterking wordt nu + 1 x,
dus het uitgangssignaal is in fase met het ingangssignaal. De twee
parallel geschakelde buffers dienen om meer vermogen de kabel in te
sturen
.
Opbouw van de 200 x versterker
Figuur 8 laat de schskeling zien van de 200 x versterker.
uit
Fig. 8. Wisselspanningsversterker (200 x )
D e v e r s t e r k i n g s f a c t o r van d e z e v e r s f e r k e r wordt b e p a a l d d o o r d e v e r h o u d i n g
6
van d e weerstanden Ra e n R,,. I n d i t g e v a l ita/% '= 20.10 / I O O . ~ O ~= 200.
Deze v e r s t e r k e r i s e e n wisselspanningsversterker omdat d e c o n d e n s a t o r e n
e n C d e gelijkspanningscomponent n i e t d o o r l a a t .
1
2
D e b e i d e w e e r s t a n d e n van 1 M Ohm d i e n e n o m C1 en C t e o n t l a d e n . Rc
2
C
(100 k ) i s e e n b e v e i l i g i n g s w e e r s t a n d v o o r d e o p e r a t i o n e l e v e r s t e r k e r .
Er i s voor e e n wisselspanningsversterker gekoaen omdat d e z e h e t voordeel geeft, d a t de off-set
spanning n i e t v a n invloed is o p d e uitgangs-
spanning.
Omdat nu e c h t e r d e s p a n n i n g o v e r R e e n langzaam o p l o p e n d e g e l i j k s p a n n i n g
i s , kan men d e z e v e r s t e r k e r n i e t z o n d e r meer t o e p a s s e n . We moeten 11u op
d e e e n of a n d e r e manier van d e z e s p a n n i n g e e n p u l s e r e n d e s p a n n i n g maBen
d i e l i n e a i r m e t d e t i . j d oploopt en ' t l i e f s t m e t een n i e t t e k l e i n e
frequentie:Het
v e r l o o p van d e z e s p a n n i n g i s weergegeven i n f i g . 9.
F i g . 9. S p a n n i n g s v e r l o o p van "gechoppad" s i g n a a l
........
tg
e n z . , wordt d e s p a n n i n g gedurende
t
1' 2'
een h e p a a l d e t i j d onderdrrlkt. D i t w o ~ d tb e r e i k t met, d e "chopper" (scha-
01, d e momenten t
k e l a a r ) van f i g . 4.
D e w e r k i n g van d e z e "cliopper" wordt u i t g e l e g d a a n d e hand van f i g . 10.
-----
F i g . 10. Werking van d e chopper
De chopper is opgebouwd uit de Nandpoorten 1 t/m 10. Deze schakelen de
ui tgangen .van de
''2
delen aan en uit met een frequentie van 1/4 van de
. generatorfrequentie dus
(gen. frequentie = 1 kHz).
250 Hz
De uitgangen van de poorten kunnen nu niet belast worden. Om toch een
zekere belasting te kunnen hebben wordt achter elke poort een buffer
keertrap gezet. Hiermee wordt tevens de inverterende werking van de
aangesloten.
10
Deze weerstanden dienen zo groot mogelijk gekozen te worden, opdat het
poorten weggewerkt. Hierop worden de weerstanden R1 t/m R
stroomverbruik beperkt blijft.
De volgende waarden zijn genomen:
=
25,6 M Ohm
=
12,8 M Ohm
R2
R3 =
R4
R5
R6
R7
6,4 M Ohm
=
800 k Ohm
=
400 k Ohm
=
200 k Ohm
=
3,2MOhm
R
=
100kOhm
=
1.6 M Ohm
R
10
=
50 k Ohm
9
De samenstelling van de comparator (fig. 11)
Fig. 11. De comparator
De comparator wordt verkregen d.m.v.
een operationele versterker
Zodra het signaal op de inverterende ingang
(-
I/A
776.
ingang) gelijk is aan die
op de niet-inverterende ingang (+ ingang) geeft de uitgang 0 Volt af.
In alle andere gevallen is de uitgangsspanning ongeveer gelijk aan de
voedingsspanning.
De spanning Vin wordt ingesteld met een pot.meter die verbonden is met
een vlotter. De weerstanden van 100 k dienen weer voor de beveiliging
van de op amp. De
- ingang wordt aangesloten op de uitgang van de 200 x
versterker.
De uitgang komt via een weerstand van 100 k op de set-ingang van de F.F.
Deze F.F.
wordt opgebouwd
u i t 2 nanhpoorten. H i e r v o o r i s h e t
I.C.
SCL
4011 A t o e g e p a s t . D e p u l s e r e n d e s p a n n i n g a a n d e u i t g a n g van d e 200 x
v e r s t e r k e r kan nu berekend worden b i j e e n gegeven v o e d i n g s s p a n n i n g en
e e n gegeven w e e r s t a n d R.
Voor w e e r s t a n d
k nemen w e bv. 56
Ohm e n d e voeding 3 Volt.
D e i a x . s p a n n i n g o v e r d e z e w e e r s t a n d wordt a l s v o l g t b e r e k e n d :
D e u i t g a n g s s p a n n i n g e n van d e 1 0 k e e r t r a p p e n kunnen g e s t e l d . w o r d e n o p
3 V ( v o e d i n g s s p a n n i n g ) . De max. s p a n n i n g o v e r R t r e e d t o p a l s a l l e u i t -
gangen 3 V z i j n .
...../ / H 10) x
Dezo s p a n n i n g i s : ' ( R / R ~ / / R ~ / / R ~ .
3 V
-
= ( 5 6 / 2 5 . 1 0 ~ ) x 3 = 6 , 7 m V.
Na eon v e r s t e r k i n g van 200 x wordt d i t :
200 x 6.7
.
= 1,34 Volt.
lliern~eel i g t h e t b e r e i k van V.
ook v a s t .
In
1V. V e r a n d e r i x e n i n h e t schema van d e A/D-omvormef:
D e h l o r h o v e n b e s c h r e v e n s c h a k o l i n g h e e f t h e t bezwaar, d a t d e voeding
van d o o p e r a t i o l ~ e l ev e r s t a r k e r s moot b e s t a a n ui.t V
-
, 0 , V+ ,
d u s 3 voe-
d i n g s d r a d e n . D i t kan b e z w a a r l i j k z i j n b i j h e t o p l a d e n van d e b a t t e r 5 . j voeding.
In d a t g e v a l b e s t a a t d e b a t t e r i j v o e d i n g u i t een a a n t a l i n
s e r i e g e s c h a k e l d e Deac-cellen waarvfin h e t middolpnnt d e 0 i s . F J i j t ~ e tO ~ J l a d e n van d e z e c e l l e n t r e e d t er een o n b a l a n s op t.'g.v.
h e l a s t i n g . ' l l i e r d o o r v e r s c h u i f t h o t 0-punt
asymmetrische
.
Een o p l o s s i n g zou kunnen z i j n d e b a t t e r i j v o e d i n g v i a 3 draden h i j t e
l a d o n ; ook zou men d e s c h a k e l i n g z o kunnen maken d a t d e z e o p 2 voedingsdraden w e r k t . Deze l a a t s t e o p l o s s i n g z a l h j e r worden besproken. De + i n gangen van d e o p e r a t i o n e l e v e r s t e r k e r s (200 x v e r s t e r k e r en c o m p a r a t o r )
d i e n e n nu op d e h e l f t van d e voedingsspanniiig t e l i g g e n . I n d e bespl.oken
schakeling ( b i j V
-
,0
+
e n V -voeding) kwam d e
+
i n g a n g s t e e d s a a n ilerde
t e l i g g e n . Deze i n s t e l l i n g kan g e m a k k e l i j k v e r k r i j g e n d o o r gebruikmnl<ing
van e e n hoogohmige s p a n n i n g s d e l e r ( 2 x 1 M Ohm) d i t m.b.t.
h e t stroom-
verbruik.
De s c h a k e l i n g van d e 200 x v e r s t e r k e r wordt nu a l s v o l g t : f i g . 1 2 .
Fig. 12. Wisselspanningversterker voor enkelvoudige voedingsspanning
De spanningsdeler aan de
+ ingang is ontkoppeld met de condensatorerl
Cp. Dit omdat de spanningsdeler hoogohmig is en hierdoor erg gevoulig
is voor storing. Met de weerstand van 1,5 M Ohm is de gelijistroominstelling van de op amp. in de stollen, hiermse ook de ingang- en u i t gangsimpedantie.
Da comparator ziet or na de verandering als volgt uit: fig. 13.
uit
Fig. 13. Toegepaste schakeling van wisselspanningsoersterker.
I n d n z e f i g v u r i s d e pot.rneter van 1 0 k R d e p o t . m e t e r d i e a a n d e v l o t -
t e r b e v e s t i g d wordt. On~datd e - + i n g a n g weer a a n d e h e l f t van lie vc>edi.rlgsspalining komt t e hangen en d a a r d e p o t . n e t e r . van 1 0 k e e n spanr&j.rigsVkir i a t i o moet geven d i e overeenkomt m e t d e u i t g a n g s s p a n n i n g van d e 200 w
v e r s t e r k e r z i j n 2 e x t r a weerstanden R
en R opgenomen orn eon . j l l i s t e i n c
d
s t e l l i n g t e v a r k r i , j g o n . 1Iierbi.j rnoet gazorgd wordrtn, d a t punt. A op de
h e l f t van d e voedingsspanning komt t e l i g g e n e n d u s ook pulit U .
A l s d e p o t . m e t e r i n do n u l s t a n c l s t a a t i a a n p u n t A ) ,
dan hebben b e i d e
illgangen d e z e l f d e p o t e n t i a a l e n i s d e u i t g a n g s s p a n n i n g van dt: cornparat o r 0 Volt.
D e weorstanden R
e n R kunnen nu berekend worden. Reeds e e r d e r i s hec
d
vokend, d a t d e u i t g a n g s s p a n n i n g van d e 200 x v e r s t e r k e r a a x . 1.34 Volt.
was.
P.chter C
( z i e f i g . 1 3 ) wordt . d e z e w i s s e l s p a n n i n g m e t e e n berlrag van
3
d e h e l . f t van d e voedingsspanning o p g e t e l d t . g . v . d e s p a n n i n g s d o l e r 2 x
1 M.
tiet s i . p a a l o p punt B h e e f t h e t volgende v e r l o o p ( f i g . 1 4 ) .
F i g . 1 4 . S p a n n i n g s v e r l o o ~ lIJg
D e i n g e s t e l d e spanning U
C
met d e pot.meter
Zodra d e b l o k s p a n n i n g h e t n i v e a u van U
C
i s g e s t i p p e l d weergageven.
b e r e i k t , wordt d e u i t g a n g s s p a n n i n g
van d e comparator 0 Volt en worden d e d e l e r s g e r e s e t . H e t b l i j k t , d a t U c
n i e t h o g e r i n g e s t e l d mag worden dan d e h a l v e max. b l o k s p a n n i n g boverr de
h e l f t van d e voedingsspanning. U
C
moet d u s kunnen v a r i e r e n t1lSSen 1 , s V
e n 1.5 + 1/2 x 1 , 3 4 = 2,17 Volt. D i t i s a l l e e n m o g e l i j k i n d i e n Rd = R C
+
10 k ( p o t . m e t e r ) .
0,067 m A .
D e stroom d o o r d e w e e r s t a n d e n i s ( 2 , 1 7
-
1,5)/10 =
wordt nu: R = 1 , 5 / 0 , 0 6 7 = 22 k .
d
d
- 1 O k = 2 2 - 1 0 = 1 2 k
h.u.v. d a t Rc =
Rd
R
D e s c h a k e l i n g van f i g . 13 kan nog i e t s v e r b e t e r d worden d o o r v i a e e n
d e u i t g s n g t e r u g t e koppelen a a n d e + ingang. Do schakel.:ing
s
w e r k t dan a l s S c h m i t t - t r i g g e r . l l i e r d o o r v e r k r i j g t men aan d e u i t g a n g
weerstand R
e e n b e t e r e p u l s . F i g u u r 15 g e e f t d e S c h r n i t t - t r i g g e r weer.
F i g . 15. S c h m i t t - t r i g g e r .
H i e r i n is R
vD
2
d e z o j u i s t besproken weorstand I ( - .
5
ongeveer g e l i j k te maken aan V
n i n g ) on om d e h y s t e r e s o
Om nu d e s c h a k e l s p a n n i n g
( o n a f h a n l r e l i j k vun d e voodjngsspan-
V z o k l n i ~ irnogelijk t e maken, moet h e t q u o -
t.iEnt R /R + R z o k l e i n m o g e l i j k gernaakt worden. D i t i s t e b e r e i k e n
1 1
2
d o o r R, ( R ) z o g r o o t g o g e l i j k t o maken. Gekozan i s 10 M.
L
5
D e s c h a k e l i n g kan nu opgebcuwc: worden volgens duze b e s c h r i j v i n g . Uijl a g e 1 t o o n t d e A/D-converter.
1. D e besproken schakeli:!g van fig. 1 6 kan n i f l t . z o r , d e r meor d i r e c t gv-
h r u i k t worden.
B i j h e t s t a r t e n moet d e u i t g a n g "even" a a n d e v o e d i n g s s p a n n i n g g e l e g d
worden. Men kan d a t i n p r i n c i p e doen d.m.v.
i s e c h t e r de t i j d d a t de uitgang aan V
t i j d s t a a t op d e u i t g a n g
+ .
V 1.p.v.
+
e e n s c h a k e l a a r . Hierdoor
l i g t n i e t gedefinieerd. In deze
een blokspanning zodat h e t a a n t a l
..
blokken ( p u l s e n ) a f h a n k e l i j k i s ban de s t a r t t i j d . Een g r o t e verbeter i n g t r e e d t op door t o e p a s s i n g van een monostabile m u l t i v i b r a t o r .
1
Hiervan moet de pulsbreedte zo i n g e s t e l d worden, d a t d i e n i e t gro-
ter i s dan d e p u l s b r e e d t e van d e blokspanning van h e t u i t g a n g s s i g n a a l . H i e r b i j kan een f o u t optreden van max. BBn p u l s i n d e p u l s t r e i n .
2. D e weerstanden Rc en Rd ( f i g . 1 6 ) moeten z e e r nauwkeurig i n g e s t e l d
worden. Daartoe i s voor R
C
genomen: v a s t e weerstand van 10 k
+
trim-
v a s t e weerstand v a n ' 2 0 k + trimmer van
d:
4 k 7. ~ e Rt kan men wanneer. d e pot.meter i n d e n u l s t a n d s t a a t de
d
uitgangsspanning van de comparator op nu1 v o l t i n s t e l l e n .
mer van 4 k 7 , en voor R
Met R
C
kan men h e t maximum a a n t a l uitgangspulsen i n s t e l l e n . D i t maxi-
mum a a n t a l wordt a l s v o l g t berekend:
De 2''
d e l e r s t a a t na 2''
pulsen (= 1024) i n z i j n maximale s t a n d .
Deze pulsen komen met een f r e q u e n t i e van 1000/u = 250 Hz binnen.
De t i j d s d u u r voordat de 2'
d e l e r i n z i j n max. s t a n d s t a a t bedraagt:
1024/250 s e c . Gedurende deze t i j d g e e f t d e u i t g a n g een blokgolf a f
met een f r e q u e n t i e van 1000/4 = 250 H z . Het max. a a n t a l blokken bedraagt
d u s : (1024/250) x 250 = 1024.
R
C
i s zo i n t e s t e l l e n , d a t d i t maximum 1000 wordt ( h e t i j k e n van de
converter).
Men kan d i t doen m e t behulp van een s p e c i a l e t e l l e r (BCD-decadeteller
bv.).
Hiervoor z i j n 3 x SN7490 t e gebruiken ( e l k 1 decade).
3. Verder moeten a l l e n i e t gebruilcte ingangen van de I . C . ' s aan V
+
gelegd worden. Hierdoor wordt ' t stroomverbruik a a n z i e n l i j k verminderd.
VI
. Conclusie
De A/D-converter
z o a l s d i e i n d i t v e r s l a g besproken i s , l e e n t z i c h z e e r
goed voor h e t gebruik met b a t t e r i j v o e d i n g omdat h e t stroomverbruik z e e r
beperkt i s (
1 m A).
D e s c h a k e l i n g kan opgebouwd worden m.b.v.
11 I.C.'s
n l . 4 x SCI, 4447 A
( k e e r t r a p p e n ) , 4 x SCL 4011 A (Nandpoorten), 1 x SCL 4040 A (212 d e l e r ) ,
2 x p A 776 (op amps.).
D e nauwkeurigheid van de c o n v e r t e r b l e e k r e d e l i j k goed te z i j n . H e t aan-
t a l uitgangspulsen werden v e r s c h i l l e n d e keren g e t e l d b i j een c o n s t a n t e
ingangsspanning. D e afwijkingen bedroegen max. 2 B 3%.
\-
Aileen bij lage ingangsspanningen (een paar tiende Volt) was de af-
wijking groter.
N.B. Met lage ingangsspanningen wordt bedoeld dat de pot.meter in een
lage.stand staat.
© Copyright 2024 ExpyDoc
