AD-MUUNNIN




ADkuvaaja.png
Yksinkertaisen AD-muunnoksen kuvaaja

Komponentin toiminta


AD-muunnin eli analogi-digitaali -muunnin on komponentti, joka nimensä mukaisesti muuntaa analogista signaalia diskreetiksi, digitaaliseksi koodiksi. Tarkoituksena on saattaa analogisen maailman signaali sellaiseen muotoon, että sitä voidaan muokata digitaalisesti esimerkiksi tietoliikennettä tai tietokoneprosessointia varten.[1] Yksinkertaisin esimerkki AD-muunnoksesta lienee tilanne, jossa sisäänmenoksi otetaan analoginen jännitteen arvo ja ulostulona annetaan loogista arvoa 0 tai 1 vastaava jännite riippuen siitä, onko sisäänmeno ollut ennalta määrättyä rajajännitettä pienempi vai suurempi. Tästä hieman monimutkaisempi AD-muunnin osaa antaa useita eri digitaalisia ulostuloja riippuen sisääntulosignaalista tai -jännitteestä. Esimerkkinä kuvaajassa oikealla esitetty AD-muuntimen ulostulo, kun sisäänmenojännite kasvaa lineaarisesti ajan suhteen.

AD-muunninta tarvitaan, kun halutaan käsitellä analogisen maailman tietoja digitaalisella välineistöllä, kuten tietokoneilla. AD-muuntimia löytyy kuitenkin monista muistakin laitteista kuin vain tietokoneen sisäänmenokomponenteista, kuten esimerkiksi digitaalisissa nauhureissa, videokameroissa ja mittauslaitteissa. Ylipäätään AD-muunnosta tarvitaan aina jos analogista tietoa halutaan tallentaa digitaaliseen muotoon tai käsitellä digitaalisessa muodossa. Digitaalinen media on yleistynyt ja analogiset nauhoitteet kuten VHS- ja LP-tallenteet ovat vahvasti häviämässä - tästä johtuen AD-muuntimien käyttö on lisääntynyt runsaasti. Myös esimerkiksi litteälle LCD-näytölle analogisignaalista - vaikkapa SCART-sisääntulosta - generoitava kuva täytyy muuntaa ensin digitaaliseksi.

AD-muuntimen ulostulo on yleensä digitaalista koodia, joko raakaa binääriä, kahden komplementtia tai jollain muulla tavalla koodattua digitaalista koodia. On kuitenkin olemassa esimerkiksi sellaisiakin AD-muuntimia, jotka muuntavat analogisen jännitteen tietyllä taajuudella toimivaksi pulssijonoksi. Tällaisia AD-muuntimia voidaan käyttää esimerkiksi kohinan välttämiseksi tilanteessa, jossa analogista signaalia pitäisi muutoin siirtää pitkä matka - pulssijonon taajuus ei ole kovin altis kohinalle, joten signaalin laatu pysyy siltä osin paljon parempana.[2]



AD-muuntimien toteutustapoja


AD-muunnin voidaan toteuttaa usealla eri tavalla. Seuraavat neljä toteutustapaa ovat yleisimmät käytössä olevat: laskuriin perustuva muunnin (counter), loogiseen approksimaatioon perustuva muunnin (successive approximation), integrointiin perustuva muunnin (dual-slope) ja rinnakkaiseen vertailuun perustuva muunnin (parallel or flash).[3]

Laskuriin perustuva muunnin nostaa jännitetasoa asteittain laskurin ja DA-muuntimen avulla ja vertaa DA-muuntimen ulostuloa komparaattorin avulla analogisen sisääntulon jännitearvoon. Komparaattorin ulostulon avulla laskuri saadaan pysäytettyä oikeaan arvoon ja siten oikea digitaalinen ulostulo muodostettua.[4]

Loogiseen approksimaatioon perustuva muunnin toimii samankaltaisesti kuin laskuriin perustuva muunninkin. Erona on lähinnä se, että laskurin korvaa approksimaatiologiikka, Tämä logiikka toimii yleensä niin, että ensin syötetään DA-muuntimelle sellainen sisäänmeno, että se tuottaa puolet maksimijännitteestään ulostulona komparaattorille. Tämän jälkeen komparaattorin avulla selvitetään onko analoginen sisäänmeno suurempi vai pienempi jännitteeltään kuin DA-muuntimen ulostulo. Tämän jälkeen syötetään taas DA-muuntimelle sellainen sisäänmeno, joka puolittaa edellisen jännitteen oikeaan suuntaan (siis joko 1/4 tai 3/4 maksimista, riippuen komparaattorin ulostulosta). Tätä jatketaan, kunnes oikea digitaalinen ulostulo saadaan määritettyä. Tapa on nopeampi kuin laskuriin perustuva muunnin, sillä se ei tarvitse yhtä montaa kellojaksoa löytämään oikeaa digitaalista ulostuloa. Toisaalta toteutus on monimutkaisempi kuin laskuriin pohjautuva.[5]

Integrointiin perustuva muunnin pohjautuu operaatiovahvistimen avulla tehtyyn integrointipiiriin. Piirin avulla ladataan kondensaattoria tietty aika, jonka jälkeen puretaan kondensaattorin varaus ja mitataan purkamiseen kulunut aika kellojaksoina oskillaattorin avulla. Koska kondensaattori latautuu ja purkautuu kytkennässä vakionopeudella, voidaan purkautumiseen kuluneesta ajasta päätellä hyvin tarkasti analogisen jännitteen arvo, minkä jälkeen voidaan muodostaa digitaalinen ulostulo. Tapa on tarkin tässä esitellyistä tavoista, mutta myös hitain.[6]

Rinnakkaiseen vertailuun perustuva muunnin pohjautuu tilanteeseen, jossa jokaiselle mahdolliselle kynnysjännitteelle on oma komparaattori. Näille komparaattoreille ohjataan analoginen sisäänmenojännite tarkasti mitoitetuilla vastuksilla siten, että ne antavat kynnysjännitteen ylä- ja alapuolella erilaisen ulostulon. Näistä komparaattoreiden ulostulosta saadaan sopivalla logiikalla muodostettua oikea digitaalinen ulostulo. Tapa on kaikista nopein, mutta vaatii paljon pinta-alaa ja komponentteja verrattuna muihin.[7]

Edellä mainituilla tavoilla pystytään siis muuntamaan analoginen signaali digitaaliseksi koodiksi yhdestä sisääntulosta. Mikäli on tarvetta muuttaa useampaa sisääntulosignaalia digitaaliseksi, voidaan joko käyttää yhtä AD-muunninpiiriä jokaista sisääntuloa kohti tai käyttää samaa AD-muunninta multiplekserin avulla muuntamaan useaa sisääntuloa. Jälkimmäinen tapa on edullisuutensa vuoksi käytössä useissa kaupallisissa ratkaisuissa - niin myös seuraavaksi käsiteltävässä esimerkkikomponentissakin. [8] [9]



Esimerkkikomponentti


Oikeasta elämästä tarkasteltavaksi komponentiksi on valittu AD-muunnin ADC0809CCN, joka on toteutukseltaan loogiseen approksimaatioon perustuva. Komponentissa on kahdeksan analogista sisääntulokanavaa, joista multiplekserin avulla voi valita tarkasteltavan kanavan. ADC0809CCN on 8-bittinen AD-muunnin, mikä tarkoittaa sitä, että se erottelee sisääntulosignaalin 256 eri digitaaliseen ulostuloon - tällöin puhutaan myös 8-bitin resoluutiosta. ADC0809CCN toimii yhdellä 5 V teholähteellä ja ottaa sisään 0 - 5 V analogisia signaalintasoja. Muunnokseen kuluva aika esimerkkikomponentilla on 100 µs. [10]

Oikeasta elämästä löytyi nopealla vilkaisulla esimerkiksi yksi patentoitu laite, joka käyttää ADC0809CCN -piiriä muunnoksen tekemiseen. Laite on öljynpolton monitorointiin ja diagnosointiin tarkoitettu apuväline, jonka tehtävä on siis tarkkailla öljynpolttimen tärkeimpiä pisteitä ja luoda sensorien tuottamasta analogisesta tiedosta digitaalista koodia, jota voidaan käsitellä ja tarkastella digitaalisen piirisarjan avulla. [11]

adc1.jpg
8-bittinen AD-muunnin ADC0809CCN ylhäältä
adc2.jpg
8-bittinen AD-muunnin ADC0809CCN alhaalta
















  1. ^ Pease (ed), Robert A.. "Chapter 13 - The Basics Behind Analog-to-Digital Converters". Analog Circuits: World Class Designs. Newnes. 2008. Books24x7. Saatavilla: <http://common.books24x7.com/book/id_32302/book.asp> (viitattu February 5, 2010)
  2. ^ Voltage-to-Frequency Analog-to-Digital Converters. GlobalSpec. Saatavissa: <http://www.globalspec.com/reference/3127/Voltage-to-Frequency-Analog-to-Digital-Converters> (viitattu 5.2.2010)
  3. ^ Storey, Neil. Electronics, A Systems Approach, Third Edition. 2006, Pearson Education Limited. s. 584-590
  4. ^ Storey, Neil. Electronics, A Systems Approach, Third Edition. 2006, Pearson Education Limited. s. 584-590
  5. ^ Storey, Neil. Electronics, A Systems Approach, Third Edition. 2006, Pearson Education Limited. s. 584-590
  6. ^ Storey, Neil. Electronics, A Systems Approach, Third Edition. 2006, Pearson Education Limited. s. 584-590
  7. ^ Storey, Neil. Electronics, A Systems Approach, Third Edition. 2006, Pearson Education Limited. s. 584-590
  8. ^ Storey, Neil. Electronics, A Systems Approach, Third Edition. 2006, Pearson Education Limited. s. 584-590
  9. ^ ADC0809CCN datasheet, 2002. National Semiconductor. Saatavilla: <http://www.datasheetcatalog.org/datasheet2/7/0t34dwq7uqxw9arkl3pxwgrakp7y.pdf> (viitattu 5.2.2010)
  10. ^ ADC0809CCN datasheet, 2002. National Semiconductor. Saatavilla: <http://www.datasheetcatalog.org/datasheet2/7/0t34dwq7uqxw9arkl3pxwgrakp7y.pdf> (viitattu 5.2.2010)
  11. ^ Bunting, John E. Oil burner monitor and diagnostics apparatus. United States Patent 5515297. Saatavissa: <http://www.freepatentsonline.com/5515297.html> (viitattu 5.2.2010)